Cette thèse s’inscrit dans le domaine de l’amplification de puissance microonde linéaire et haut rendement en technologie GaN. Le premier chapitre décrit le contexte général de l’émission de signaux microondes de puissance pour les télécommunications sans fil, avec un focus particulier apporté sur l’amplificateur de puissance RF. Les différents critères de linéarité et d’efficacité énergétique sont introduits.Le second chapitre présente plus particulièrement la technologie GaN et le transistor de puissance comme brique de base pour l’amplification de puissance microonde. Une revue synthétique des différentes architectures relevées dans la littérature relative à l’amplification à haut rendement est faite.En troisième chapitre, le banc de mesure temporelle d’enveloppe développé et servant de support expérimental à cette étude est présenté. Les procédures d’étalonnage et de synchronisation sont décrites. En illustration, une nouvelle méthode de mesure du NPR large bande est présentée, et validée expérimentalement.Une solution d’amplification adaptative innovante est étudiée dans le quatrième chapitre, et constitue le cœur de ce mémoire. Celle-ci se base sur le contrôle dynamique de la polarisation de grille autour du point de pincement, au rythme de l’enveloppe de modulation. Un démonstrateur d’amplification 10W GaN en bande S (2.5GHz) est développé. Comparativement à la classe B fixe, une forte amélioration de la linéarité est obtenue, sans impact notable sur le rendement moyen de l’amplificateur RF. Finalement, une investigation de la technique proposée pour l’amélioration du rendement du modulateur dans l’architecture d’envelope tracking de drain est menée. / This work deals with linear and high efficiency microwave power amplification in GaN technology.The first chapter is dedicated to the general context of wireless telecommunication with a special emphasis on the RF power amplifier. The most representative figures of merit in terms of linearity and power efficiency are introduced.The second chapter deals more specifically with the GaN technology and GaN-based transistor for microwave power amplification. A description of the principal architectures found in the literature related to high efficiency and linear amplification is summarized.In the third chapter, the developed envelope time-domain test bench is presented. Time-synchronization and envelope calibration procedures are discussed. As an illustration, a new specific wideband NPR measurement is presented and experimentally validated.An innovative power amplifier architecture is presented in the fourth chapter. It is based on a specific dynamic gate biasing technique of the power amplifier biased close to the pinch-off point. A 10W GaN S-band demonstrator has been developed. Compared to fixed class-B conditions, a linearity improvement has been reported without any prohibitive efficiency degradation of the RF power amplifier. Finally, an investigation of the proposed technique for the efficiency improvement in the drain envelope tracking technique is proposed.

Les systèmes de transmission de l’information sans fil connaissent un essor considérable et sont intégrés dans la plupart des systèmes électroniques modernes. De manière plus spécifique, la consommation énergétique de la fonction amplification de puissance RF, qui constitue le cœur de ce travail de recherche, est un enjeu économique et écologique de premier plan. Dans ce sens, ce travail présente une architecture de polarisation de drain dynamique permettant de maintenir un rendement énergétique élevé sur une large dynamique de puissance de sortie. La conception et la réalisation d’un amplificateur de puissance RF large bande, d’un modulateur de polarisation de drain haute fréquence et d’un pilote de grille en technologie GaN sont présentés. L’architecture proposée démontre une amélioration du rendement énergétique global. Une focalisation sur la problématique de couplage non-linéaire entre l’amplificateur de puissance RF et le module d’alimentation agile met en évidence les répercussions de cette méthode sur l’intégrité du signal. Une étroite impulsion de polarisation de grille est appliquée afin d'atténuer l’impact de la polarisation dynamique de drain sur les formes d'onde de l'enveloppe du signal RF amplifié. Une validation expérimentale du démonstrateur proposée est effectuée pour un signal impulsionnel RF multi-niveaux de test. Cette méthode permet de maintenir un facteur de forme de l’enveloppe du signal de sortie RF quasi-rectangulaire sans impact majeur sur les performances globales énergétiques. / Wireless communications are experiencing tremendous growth and are integrated into most modern electronic systems. More precisely, saving energy consumption of RF power amplifier is the core of this thesis work. This work presents a dynamic drain bias architecture used to keep a high efficiency over a large output power range. Design and implementation of a wideband RF power amplifier, a drain supply modulator and a gate driver circuit in GaN technology are presented. The built-in prototype demonstrates an overall efficiency improvement. A specific focus on non-linear interaction between the RF power amplifier and the drain supply modulator highlights the effects of this technique on the output envelope signal shape. A narrow pulse gate bias peaking preceding drain bias voltage variations is applied in order to mitigate drain bias current, voltage overshoot and power droop, thus improving pulse envelope waveforms of the RF output signal. An experimental validation of the proposed demonstrator is performed for a RF pulsed test sequence having different power levels. This way enables to keep rectangular pulse envelope shape at the RF output signal without any major impact on overall efficiency performances.

Les systèmes radar nécessitent d’être de plus en plus performants et doivent émettre des impulsions les plus identiques possibles. Un critère permet de quantifier la bonne régularité des impulsions radar au cours du temps : la stabilité pulse à pulse. L’amplificateur de puissance est un élément essentiel du système radar. Dans ce sens, ce travail présente une analyse du critère de stabilité pulse à pulse dans le cas d’un amplificateur HEMT GaN. Les formules mathématiques permettant d’extraire la valeur de la stabilité pulse à pulse des mesures temporelles d’enveloppe sont présentées. La conception et la réalisation d’un amplificateur de puissance RF connectorisé 50 Ω sont décrites. Divers cas de rafales radar ont été étudiés au travers des mesures temporelles d’enveloppe pour en quantifier l’impact sur les valeurs de stabilité pulse à pulse. Un banc de mesure hétérodyne de la stabilité pulse à pulse a été spécialement développé pendant ces travaux de thèse. Finalement, ces résultats de stabilité pulse à pulse ont été utilisés pour optimiser le modèle électrique non linéaire du transistor HEMT GaN afin de prendre en compte lors des simulations temporelles d’enveloppe les effets de la thermique et des pièges. / Radar-oriented applications require stringent performances. Among them, emitting pulse train with uniform envelope characteristics in term of amplitude and phase. The criterion to quantify the self-consistency of radar signals over the pulse train is the pulse to pulse stability. The power amplifier is the most critical element in the RF radar chain because it has a strong impact on the overall pulse to pulse stability performances. In this context, this work is focused on the study of the impact of a HEMT GaN power amplifier on the pulse to pulse stability. Mathematical approach is presented to derive the pulse to pulse stability from time domain envelope measurements. Design and implementation of a 50Ω matched RF power amplifier are presented. Different radar bursts scenario are investigated and their impact on the pulse to pulse stability are quantified through extensive time domain envelope measurements. For that purpose, a dedicated experimental heterodyne time domain envelope test bench has been developed. These pulse to pulse stability measurements are finally used to optimize and fully validate a nonlinear electrical model of a HEMT GaN, allowing to quantify the relative impact of thermal and trapping effects during circuit envelope simulation in radar-oriented applications.

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.

Les HEMT AlGaN/GaN sont en passe de devenir incontournables dans le monde de l'amplification de puissance radiofréquence, grâce à leurs performances exceptionnelles. Cependant,en raison de la relative jeunesse de cette technologie, des études de fiabilité dans plusieurs modes de fonctionnement sont toujours nécessaires pour comprendre les mécanismes de défaillance propres à ces composants et responsables de leur vieillissement. Cette étude porte sur l'analyse des défaillances dans les transistors HEMT AlGaN/GaN de puissance,en régime de fonctionnement de type RADAR (pulsé et saturé). Elle s'appuie sur la conception d'amplificateurs de test, leur caractérisation et leur épreuve sur bancs de vieillissement. La mise en place d'une méthodologie visant à discriminer les mécanismes de dégradation prépondérants, conjointement à une analyse micro-structurale des composants vieillis, permet d'établir le lien entre l'évolution des performances électriques et l'origine physique de ces défauts. / AlGaN/GaN HEMTs are on the way to lead the radiofrequency power amplificationfield according to their outstanding performances. However, due to the relative youth of this technology, reliability studies in several types of operating conditions are still necessaryto understand failure mechanisms peculiar to these devices and responsible for their wearingout. This study deals with the failure analysis of power AlGaN/GaN HEMTs in RADARoperating mode (pulsed and saturated). This is based on the design of test amplifiers, theircharacterization and their stress on ageing benches. The setting up of a methodology aimingat discriminating predominant degradation modes, jointly with a micro-structural analysisof aged devices, permits to link the evolution of electrical performances with the physicalroots of these defects.

Les travaux développés ici traitent de la mise en Suvre de techniques de protection et de linéarisation permettant aux modules d'amplification de puissance de répondre à toutes les contraintes de la téléphonie mobile que sont la robustesse, la linéarité, une très faible consommation, la miniaturisation et le coût. Dans une première partie, nous traitons de l'amélioration de la robustesse des amplificateurs de puissance RF vis-à-vis des désadaptations d'impédance induites par les variations d'environnement de l'antenne du téléphone portable. L'analyse des mécanismes de défaillance, des transistors HBT GaAs et HBT SiGe, nous mène à conclure à la nécessaire limitation du courant de l'étage final. Nous avons alors conçu un circuit de protection original, basé sur la détection précise du courant collecteur des transistors de puissance. De très faibles dimensions et monolithiquement intégrable, ce circuit n'altère ni la puissance de sortie, ni le rendement en puissance ajoutée lorsque l'amplificateur est nominalement chargé sur 50 Ohms. Un amplificateur de puissance RF intégrant ce dispositif a supporté tous les tests de robustesse jusqu'à des valeurs de VSWR supérieures à dix et pour des tensions de batterie supérieures à cinq volts. La simplicité et l'efficacité du circuit de détection de courant nous a conduit, dans un second temps, à envisager la conception d'un circuit de linéarisation monolithiquement intégrable sur un amplificateur de puissance RF, pour les standards EDGE et WCDMA. Le principe de linéarisation par injection d'enveloppe a alors été mis en Suvre grâce à une nouvelle topologie pour la détection de l'enveloppe du signal modulé. En raison de la très faible consommation en courant du dispositif innovant de linéarisation, il devient possible de s'affranchir du compromis linéarité/rendement en puissance ajoutée, intervenant généralement. Ce dispositif a été implémenté sur un amplificateur de puissance en technologie HBT SiGe. La Linéarité de l'amplificate ur a ainsi été améliorée de 12 dB à la puissance de sortie nominale, tout en maintenant constant le rendement en puissance ajoutée de l'amplificateur, même pour les faibles puissances de sortie (low power mode).

Les fortes capacités actuelles et envisagées des futurs liens satellites de communication pour la 5G conduisent les signaux traités dans les charges utiles à présenter simultanément d'importantes variations d'amplitude (PAPR>10dB) et de très larges bandes passantes instantanées (BW>1GHz). A l'intérieur du sous-système d'émission hyperfréquence, le fonctionnement du module d'amplification de puissance se trouve très contraint par les formes d'ondes véhiculées, il se présente comme l'un des postes de consommation énergétique des plus importants, et ayant le plus d'impact sur l'intégrité du signal émis. Dans ce contexte, les fonctions dédiées au traitement numérique des signaux et couramment implémentées par le processeur numérique (telles que le filtrage, la canalisation, et éventuellement la démodulation et la régénération des signaux bande de base) embarquées dans les charges utiles, représentent une solution à fort potentiel qui permettrait de relâcher les contraintes reportées sur la fonction d'amplification de puissance afin de gérer au mieux la ressource électrique allouée. Ces travaux de thèse proposent d'étudier les potentialités d'amélioration du fonctionnement en rendement et linéarité d'un amplificateur de type Doherty à double entrée de gamme 20W en technologie GaN et fonctionnant en bande C. La combinaison des signaux de puissance sur la charge RF est optimisée par une distribution optimale des signaux en amplitude et phase à l'entrée par des moyens numériques de génération. Dans un premier temps une méthodologie de conception large bande d'un amplificateur Doherty est introduite et validée par la conception d'un démonstrateur en bande C. Dans un second temps, l'outil expérimental permettant l'extraction des lois optimales de distribution d'amplitude et de phase RF est présenté en détail, et la caractérisation expérimentale du dispositif en double entrée est réalisée puis comparée aux simulations. Finalement, en perspective à ces travaux, une étude préliminaire des potentialités de l'architecture Doherty à double entrée pour la gestion d’une désadaptation de la charge de sortie (gestion de TOS) est menée et des résultats sont mis en avant. / The high capabilities of current and future 5G communication satellite links lead the processed signals in the payloads to simultaneously exhibit large amplitude variations (PAPR>10dB) and wide instantaneous bandwidths (BW>1GHz). Within the microwave transmission subsystem, the operation of the power amplification stage is highly constrained by the transmitted waveforms, it is one of the most energy-consuming module of the payload affecting as well the integrity of the transmitted signal. In this context, the functions dedicated to digital signal processing and currently implemented by the digital processor (such as filtering, channeling, and possibly the demodulation and regeneration of baseband signals) embedded in the payloads, represent a potential solution that would reduce the constraints reported on the power amplification function and help to manage the allocated power ressource. This work proposes a study on the capability of dual input power amplifier architectures in order to manage the efficiency-linearity trade-off over a wide bandwidth. This study is carried out on a 20W GaN Doherty demonstrator operating in C band. The combination of the output signals on the RF load is managed by an optimal amplitude and phase distribution that is digitally controlled at the input. Firstly, a wideband design methodology of Doherty amplifier is introduced and validated on a C band demonstrator. In a second time the experimental tool allowing the extraction of amplitude and phase input distributions is presented, the dual input characterization is achieved and compared with simulation results. Finally, in perspective of this work, a preliminary study of the capabilities of the digital Doherty for the management of an output load mismatch (VSWR management) is carried out and the results are put forward.