Highly linear RF amplifying transmitarray unit-cell with varactor-based reconfigurable phase and amplitude

Résumé

Ce travail de recherche propose une solution innovante comme cellule RF pour une matrice d’antennes en transmission reconfigurable (RTA) incluant une fonction d’amplification et des contrôles basés sur des réseaux de varacteurs pour ajuster la phase et l’amplitude indépendamment. Un aspect important de cette cellule pour RTA est sa capacité à délivrer des signaux RF hautement linéaires à des niveaux de puissances relativement élevés pour des émetteurs. De plus, la consommation de courant DC et le nombre de composantes sont minimisés afin de maximiser l’efficacité énergétique ainsi que la fiabilité. Ces fonctionnalités innovatrices sont rendues possible grâce à l’introduction de nouvelles solutions pour améliorer les performances des blocs de circuit et des réseaux de varacteurs, qui sont des éléments clés dans la cellule RF proposée pour les RTA. Ces circuits clés sont un réseau d’impédance accordable (TIN) à base de varacteurs permettant la reconfiguration des deux réseaux suivants : un réseau contrôlant la phase et un réseau incluant un contrôle de l’amplitude ainsi qu’une fonction d’amplification. Le TIN proposé dans ce travail consiste en une nouvelle technique de circuit basée sur des varacteurs avec une linéarité améliorée en présence de capacités parasites et d’inductances parasites. Le mécanisme causant la dégradation de la linéarité dans des réseaux de varacteurs en configuration anti-séries en présence d’éléments parasites – un aspect clé qui, à notre connaissance, n’a jamais été abordé dans la littérature – est d’abord étudié à l’aide d’une approche analytique basée sur une excitation à fréquences multiples (multi-tone). Il est démontré de façon analytique pour la première fois que simplement optimiser le rapport de dimensions entre les diodes est insuffisant pour contourner cette dégradation de linéarité. La compréhension du mécanisme de dégradation de la linéarité sert de base pour l’introduction d’une nouvelle topologie de varacteurs en configuration anti-séries modifiée (c.-à-d. le TIN proposé) qui génère un minimum de distorsions en présence d’éléments parasites. Dans la cellule pour RTA proposée, le réseau contrôlant la phase sur 360° et à faibles pertes est un déphaseur à base de varacteurs de type réflexion (V-B RTPS). Les performances en linéarité de ce V-B RTPS sont améliorées par rapport à l’état de l’art tout en considérant les pertes d’insertion (IL), la fréquence d’opération et la plage de déphasage (Δϕ). L’autre réseau reconfigurable impliqué dans la cellule RTA proposée est un amplificateur GaN RF d’un seul étage incluant des mécanismes de contrôle de l’amplitude sur une grande plage. Des résultats expérimentaux à une fréquence de 3.6GHz sur les deux réseaux contrôlables et sur un prototype d’une cellule pour RTA démontrent un déphasage jusqu’à 360°, une variation de l’amplitude de 10dB, et un comportement hautement linéaire à une puissance maximale de sortie allant de 14.1dBm à 19.1dBm, en réponse à une excitation à 2 tonalités. Par conséquent, la cellule pour RTA proposée et ses réseaux contrôlables avec de telles capacités de reconfigurations, tout en atteignant des performances hautement linéaires à des niveaux de puissance adéquats pour émetteurs, constituent une amélioration significative de l’état de l’art dans les domaines des TINs, des déphaseurs et des RTAs. En plus d’améliorer l’état de l’art en atteignant des performances inégalées, cette cellule pour RTA offre plusieurs opportunités pour de nouvelles fonctionnalités au niveau d’un système d’antenne RTA. Ceci est soutenu par des analyses de systèmes RTA basées sur des performances mesurées. Ces analyses révèlent que notre cellule pour RTA a le potentiel 1) d’améliorer considérablement les performances de linéarité à des niveaux de puissances élevés, contrairement à la plupart des solutions basées sur des varacteurs qui sont limités à des applications utilisant de faibles puissances, 2) de compenser la variation de la perte d’insertion (ΔIL) du déphaseur pour une meilleure qualité du faisceau de champ électromagnétique transmis, 3) d’améliorer considérablement l’efficacité d’une antenne planaire, ce qui n’a jamais été démontré à l’aide de performances mesurées et 4) de réduire l’influence négative de toutes les sources de pertes situées en amont de ces amplificateurs sur l’efficacité énergétique globale d’un système d’antennes RTA. Un aspect qui est rarement considéré dans la littérature, même pour des solutions employant des fonctions d’amplification.

Date	14 févr. 2022
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Nicolas Constantin (Directeur(-trice))