DC/DC converters in normally-ON GaN HEMT technology for the design of RF Power Amplifiers in MMIC technology

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New switching mode power amplifier architecture

L’essor et l’évolution des systèmes de télécommunication sont liés inéluctablement à la montée en fréquence et à l’augmentation des bandes passantes des futurs systèmes d’une part, et à une place sans cesse croissante prise par l’électronique numérique dans les chaînes d’émission/réception d’autre part. Concernant ce deuxième aspect, la génération de puissance RF avant émission est encore à ce jour implémentée de façon analogique, mais la gestion énergétique des amplificateurs de puissance RF est de plus en plus assistée numériquement. L’apparition du ‘numérique’ dans le domaine de la puissance RF se traduit par la mise en œuvre de systèmes électroniques fonctionnant en commutation : modulateurs de polarisation pour l’envelope tracking, convertisseurs numérique-analogique de puissance (Power-DAC) ou amplificateurs en commutation à fort rendement (classe S ou D). C’est dans ce contexte que s’inscrivent ces travaux de thèse : deux dispositifs de commutation originaux à base de transistors GaN HEMT sont présentés, analysés et réalisés en technologie MMIC. Ces cellules de commutation élémentaires permettent, jusqu’à des fréquences de quelques centaines de MHz, de commuter des tensions jusqu’à 50V, avec des puissances de l’ordre de 100W, ceci avec un rendement énergétique supérieur à 80%. Ces cellules de commutation sont ensuite utilisées dans diverses applications : deux types de modulateurs de polarisation destinés à l’envelope tracking ainsi que deux architectures d’amplificateurs classe D (demi-pont et pont en H) sont étudiés et les résultats expérimentaux permettent de valider ces différentes topologies.Telecommunication systems development is linked to working frequency and bandwidths increasement of future systems on one hand, and the growing place taken by digital electronics in the transmission chains on the other hand. Concerning the second point, the RF power generation in emitters is still implemented in an analog way, but the energy management of the RF power amplifiers is more and more assisted by numeric devices. The appearance of the 'digital technology' in the field of RF power is characterized by the implementation of high speed switching electronic systems like bias modulators for envelope tracking, power digital to analog converters (Power-DAC) or switching mode RF amplifiers (Classe S or D). This thesis work fits in this context, it describes two original switching devices based on GaN HEMT transistors. These elementary switching cells are realized in MMIC technology, they allow switching frequencies up to few hundreds MHz, with voltages reaching 50V, powers about 100W and energy efficiency greater than 80%. These switching cells are then used in various applications: two kinds of bias modulators for envelope tracking system as well as two architectures of class D amplifiers (half-bridge and full-bridge) are analyzed and validated by experimental results

Nouvelle architecture d’amplificateur de puissance fonctionnant en commutation

Telecommunication systems development is linked to working frequency and bandwidths increasement of future systems on one hand, and the growing place taken by digital electronics in the transmission chains on the other hand. Concerning the second point, the RF power generation in emitters is still implemented in an analog way, but the energy management of the RF power amplifiers is more and more assisted by numeric devices. The appearance of the 'digital technology' in the field of RF power is characterized by the implementation of high speed switching electronic systems like bias modulators for envelope tracking, power digital to analog converters (Power-DAC) or switching mode RF amplifiers (Classe S or D). This thesis work fits in this context, it describes two original switching devices based on GaN HEMT transistors. These elementary switching cells are realized in MMIC technology, they allow switching frequencies up to few hundreds MHz, with voltages reaching 50V, powers about 100W and energy efficiency greater than 80%. These switching cells are then used in various applications: two kinds of bias modulators for envelope tracking system as well as two architectures of class D amplifiers (half-bridge and full-bridge) are analyzed and validated by experimental results.L’essor et l’évolution des systèmes de télécommunication sont liés inéluctablement à la montée en fréquence et à l’augmentation des bandes passantes des futurs systèmes d’une part, et à une place sans cesse croissante prise par l’électronique numérique dans les chaînes d’émission/réception d’autre part. Concernant ce deuxième aspect, la génération de puissance RF avant émission est encore à ce jour implémentée de façon analogique, mais la gestion énergétique des amplificateurs de puissance RF est de plus en plus assistée numériquement. L’apparition du ‘numérique’ dans le domaine de la puissance RF se traduit par la mise en œuvre de systèmes électroniques fonctionnant en commutation : modulateurs de polarisation pour l’envelope tracking, convertisseurs numérique-analogique de puissance (Power-DAC) ou amplificateurs en commutation à fort rendement (classe S ou D). C’est dans ce contexte que s’inscrivent ces travaux de thèse : deux dispositifs de commutation originaux à base de transistors GaN HEMT sont présentés, analysés et réalisés en technologie MMIC. Ces cellules de commutation élémentaires permettent, jusqu’à des fréquences de quelques centaines de MHz, de commuter des tensions jusqu’à 50V, avec des puissances de l’ordre de 100W, ceci avec un rendement énergétique supérieur à 80%. Ces cellules de commutation sont ensuite utilisées dans diverses applications : deux types de modulateurs de polarisation destinés à l’envelope tracking ainsi que deux architectures d’amplificateurs classe D (demi-pont et pont en H) sont étudiés et les résultats expérimentaux permettent de valider ces différentes topologies

High efficiency GaN HEMT switching device with integrated driver for envelope tracking modulators

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Design and Prototyping of a Low-Cost Parasitic Element Antenna for a Telemetry-Telecommand Link on Ariane 6 Space Launcher

International audienceThis work presents a first prototype of a TMTC (telemetry-telecommand) S-band reconfigurable antenna, validating the architecture of ESPAR (Electronically steerable parasitic array radiator) in terms of performances, integration and power handling for use on space launcher environment. The originality of this work is based on the design of high efficiencyhigh power handling reflective phase shifters with reduced size and their association with a large radiating surface.</div

Conception d'une antenne à éléments parasites pilotés pour une application sur lanceur spatial

International audience-Le présent article porte sur la réalisation d'une antenne agile fonctionnant en bande S (2.2-2.3GHz) pour une utilisation sur lanceur spatial. Etant donné les contraintes d'environnement liées à l'application, les niveaux de puissance à rayonner (40W) et les contraintes d'encombrement, le choix d'architecture s'est porté sur une antenne à éléments parasites pilotés. Cet article présente le principe de réalisation ainsi que les performances des déphaseurs en réflexion d'un premier modèle de démonstrateur à polarisation linéaire en vue de la définition d'un modèle plus complet vérifiant l'ensemble des spécifications du cahier des charges

A New High Speed and High Efficiency GaN HEMT Switching Cell for Envelope Tracking Modulators

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Conception d'un modulateur de puissance large-bande à deux étages en technologie GaN

National audienceDans cet article, nous présentons un modulateur de puissance large-bande 25W, sans mélangeur, conçu en technologie GaN haute tension (50 V). L’objectif principal de cette étude est de démontrer l’intérêt à fusionner les fonctions de modulation d’amplitude et d’amplification de puissance afin d’obtenir des performances élevées : un rendement en puissance ajoutée d’environ 40% sur une bande passante de 400 MHz est atteint avec desvariations de gain de 10 dB. En utilisant une puissance d’oscillateur local de 19 dBm, une plage de gain en puissance allant de 13 à 24 dB est obtenue selon une commande de polarisation de drain variant entre 15 et 45V

Détection d'Obstacles par Radar Embarqué sur DrOne

International audienceDOREDO est un radar monostatique bande X, destiné à être embarqué sur un drone de fret, et est dédié à la détection et localisation d'obstacles de type mini ou microdrone, hélicoptère, avion de tourisme câbles ou pylônes EDF et autres infrastructures dans le souci de la protection de l'environnement humain et matériel. Un autre usage possible réside dans la surveillance des aéronefs en phase d'atterrissage sur un vertiport ou en approche de sites sensibles. Ce système est développé dans le cadre d'un projet RAPID supporté par la DGA

High Speed and Highly Efficient S-Band 20 W Mixerless Vector Power Modulator

International audienceThis paper presents a performance evaluation of an original highly efficient and linear GaN-HEMT Vector Power Modulator (VPM) based on the design of a two-stage saturated variable gain (SVG) amplifier and a multi-level discrete supply modulator (SM). The proposed novel architecture for transforming a digital baseband data stream into an RF Vector modulated power waveform (RF Power DAC) is validated using a specific laboratory test bench. The main objective of this study is to merge signal modulation and DC to RF energy conversion functions into a single and compact GaN based mixer-less circuit. Using high-voltage 50 V GaN technology, a 20 W S-band vector power modulator having overall average PAE of around 40 % is reported. The concept demonstrator is experimentally validated up to 100 Msymbols/sec 16-QAM modulation scheme. Functional time alignment with phase and amplitude compensation procedure focusing on measured constellation at 40 Msymbols/sec enables to reach excellent EVM performances of around 3.2 %