Bensmida, Souheil (2005) Conception d'un système de caractérisation fonctionnelle d'amplificateur de puissance en présence de signaux modulés à l'aide de réflectomètres six-portes. PhD thesis ELECTRONIQUE ET COMMUNICATIONS, ENST - COMELEC Communication et Electronique, ENST.

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Abstract

In general, power amplifier large signal characterization is done in presence of a continuous wave (CW) signal in order to deliver information that will reach a compromise between output power and power added efficiency (PAE). However, in modern telecommunication systems, power amplifier is excited by digital modulated signals, thus his linearity is a capital criterion for the global performance of the system. It is then important to have a large signal characterization tool allowing to measure the device performance under realistic conditions.
In this work, we show the study and the implementation of a load-pull measurement system for power amplifier characterization using complex modulated signals. The output power, the power added efficiency (PAE) and the linearity can be optimized by varying fundamental load impedance and low frequency source/load impedances. These optimizations can be carried out using RF signals such as CW, CW-pulsed, multi-carried and modulated (GMSK, QPSK, QAM, etc.) signals.
A multiharmonic source-pull and load-pull measurement system has been developped at the ENST. This system is based on a six-port reflectometers technique, and is capable of optimizing the output power and the PAE in CW mode. In order to use modulated signals, fast and low-cost power detectors based on non-polarised Schottky diodes have been implemented for the power measurement of six-port connections. In addition, to optimise linearity, low frequency impedance control modules have been added at the input and the output of the device under test (DUT).
A MESFET power transistor has been tested in class A and AB operation in the presence of a QPSK modulated signal centered at 1.575GHz with a 1 MSps symbol-rate, and a bi-carried signal with 800 KHz separation. The measurements performed lead us to the following three conclusions.
The first one is that; the Output power, the PAE, the ACPR (Adjacent Channel Power Ratio) and the third (IM3) and fifth (IM5) intermodulation product load-pull contours show that the optimal output power, PAE and linearity fundamental impedances are different. So it is necessary to find a compromise between the different performances. On the other hand, the results show that there exists a strong correlation between the ACPR and the IM3 in class A operation (not in class AB). Therefore predicting the ACPR from the IM3 seams to be a difficult task.
The second one is the significant influence of low frequency source impedances for class AB operation in the saturation zone. This influence effects only the linearity (5dB on ACPR).
The last conclusion is the influence of low frequency load impedances that occurs significantly in class A and AB operation. This influence is more important in class AB. For instance, we observe 5 to 20 dB variations on the ACPR. Note that the optimal impedance is not necessarly a short circuit. However these impedances have a great influence on the PAE (a variation of 10 points) and the output power (variation of 1 dB).

Table of content

Introduction générale - 13
1. Définitions et état de l'art - 19
1.1 Introduction - 21
1.2 Caractéristiques des signaux RF - 21
1.2.1 Cas d'un signal CW (Continuous Wave) - 21
1.2.2 Cas d'un signal CW pulsé (Pulsed Continuous Wave) - 23
1.2.3 Cas d'un signal RF à enveloppe complexe - 27
1.3.1 Distorsions d'un amplificateur de puissance en présence d'un signal CW - 32
1.3.2 Distorsions d'un amplificateur de puissance en présence de deux signaux CW - 37
1.3.3 Distorsions d'un amplificateur de puissance en présence d'un signal à enveloppe complexe - 40
1.3.3.1 L'ACPR - 40
1.3.3.2 Le NPR (Noise Power Ratio) - 41
1.3.3.3 L'EVM (Error Vector Magnitude) - 42
1.4.1.1 Méthode de la charge passive - 45
1.4.1.2 Méthode de la charge active - 47
1.4.1 Bans de mesure Source-Pull/Load-Pull - 44
1.4.2 Systèmes mesurant la forme d'onde: domaine temporel - 50
1.4.3 Caractérisation d'enveloppes temporelles: banc de mesure de l'IRCOM - 53
1.3 Les effets non linéaires des amplificateurs de puissance - 32
1.4 Caractérisation des amplificateurs de puissance - 44
1.5 Conclusion - 54
Bibliographie - 57
2. Banc de caractérisation multiharmonique de l'ENST en mode CW - 65
2.1 Introduction - 67
2.1.1 Théorie du réflectomètre six-portes - 68
2.1.1.1 Principe d'un simple réflectomètre six-portes - 68
2.1.1.2 Principe d'un double réflectomètre six-portes - 73
2.1.2 Calibrage d'un double réflectomètre six-portes - 76
2.1.3 Conclusions - 81
2.2.1 Mesure simultanée des impédances de source et d'entrée par un réflectomètre six-portes - 82
2.2.2 Description du banc de mesure de l'ENST - 84
2.3.1 Introduction - 90
2.3.2 Mesures statiques - 90
2.3.3 Principe des mesures large signal source-pull/load-pull - 92
2.3.4 Optimisation de la puissance - 93
2.3.5 Optimisation du rendement en puissance ajoutée - 96
2.2 Le banc de caractérisation multiharmonique Source-Pull/Load-Pull de l'ENST en mode CW - 82
2.3 Caractérisation multiharmonique du transistor de puissance HBT (HT21670 2W) - 90
2.4 Conclusion - 100
Bibliographie - 101
3. Caractérisation large signal d'amplificateur de puissance en présence de signaux modulés - 105
3.1 Introduction - 107
3.2 Détecteurs de puissance - 108
3.2.1 Détection quadratique en présence de signaux CW - 108
3.2.2 Linéarisation des détecteurs à diode Schottky - 110
3.2.3 Détection de signaux à enveloppe variable - 116
3.2.3.1 Principe - 116
3.2.3.2 Exemple de mesure en présence de signaux CW pulsés - 122
3.2.3.3 Exemple de mesure en présence de signaux modulés QPSK - 124
3.5.2.1 Calibrage en puissance des réflectomètres six-portes - 140
3.5.2.2 Calibrage en puissance de l'analyseur de spectre - 144
3.5.1 Calibrage des réflectomètres six-portes - 135
3.5.2 Calibrage en puissance - 140
3.5.3 Conclusions - 148
3.3 Contrôle de impédances basse fréquence - 126
3.4 Architecture du banc de caractérisation fonctionnelle proposée - 129
3.5 Calibrage du banc de mesure Load-Pull - 135
3.6 Conclusion - 152
Bibliographie - 155
4. Caractérisation fonctionnelle en présence de signaux modulés: Application à un transistor à effet de champ - 159
4.1 Introduction - 161
4.2 Caractérisation en classe A - 162
4.2.1 Mesures "load-pull" - 162
4.2.2 Evolution des performances du transistor en fonction de la puissance d'entrée - 168
4.2.3 Influence des impédances de charge basse fréquence en sortie sur les performances du transistor - 170
4.2.4 Conclusions - 174
4.3.1 Influence des impédances de charge basse fréquence en sortie sur les performances du transistor - 175
4.3.2 Influence des impédances de source basse fréquence sur les performances du transistor - 178
4.3.3 Mesures "load-pull" - 182
4.3.4 Conclusions - 185
4.3 Caractérisation en classe AB - 175
4.4 Conclusions - 186
Bibliographie - 189
Conclusion générale - 191
Annexe A - 199
Annexe B - 207
Publications - 217

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