Les amplificateurs de puissance déployés dans les systèmes de communications radiofréquences entraînent généralement des distorsions aux signaux qui les alimentent. L'existence de ces distorsions compromet fortement la qualité de la voix ou des données à la réception. Cette thèse se veut une étude exhaustive des sources de distorsions linéaires et non linéaires qui influencent le comportement des amplificateurs radiofréquences et propose des solutions matérielles logicielles pour minimiser ou compenser leurs effets sur la qualité du signal.

La première partie de la thèse propose un banc de test réaliste, précis, versatile et sans induction d'effet thermique qui convient à la caractérisation instantanée du comportement complexe des amplificateurs de puissance radiofréquence (APRF) de troisième génération. Un APRF utilisant des transistors de type LDMOS opérants en classe AB avec une puissance à crête égale à 90 W est mesuré sous plusieurs types d'excitation tels que WCDMA, CDMA2000 et signaux de huit-tonalités. Les résultats obtenus montrent une divergence remarquable des courbes de conversion AM/AM et AM/PM comparées à celles issues des mesures basées sur l'utilisation d'analyseur de réseau vectoriel (HP8510C) en mode de balayage de puissance. Ceux-ci nous ont permis de prouver aussi l'insuffisance des techniques de caractérisation des non-linéarités des dispositifs microondes alimentés avec des ondes continues en raison de leur imprécision. Ces derniers exciteraient des phénomènes thermiques qui ne se manifestent pas dans des conditions de fonctionnement réelles;​ c'est-à-dire sous une excitation de type signal modulé. En plus, ils ne permettent pas de capter les effets dus aux comportements dynamiques de ces dispositifs.

Les effets de mémoire qui influencent le fonctionnement des amplificateurs de puissance RF et les linéarisateurs basés sur la technique de prédistorsion sont devenus de plus en plus significatifs et critiques dans la conception des APRFs en raison de l'accroissement de la largeur de bande de modulation des signaux d'excitation et de la puissance d'opération. Ainsi, nous nous sommes concentrés sur l'étude, la modélisation et la mesure des contributions des effets de mémoire;​ (i) thermique et (ii) électrique, dans la génération des distorsions à la sortie de l'APRF. Pour cela, nous avons développé une expression dynamique précise de la température de jonction instantanée du transistor en fonction de la puissance dissipée instantanée. Cette expression a servi dans l'élaboration d'un modèle électrothermique de l'APRF. Les paramètres du nouveau modèle comportemental proposé sont déterminés à partir des mesures de l'APRF sous test obtenues dans différentes conditions d'excitation (par exemple tests en petit-signal et RF pulsés). Cette étude nous a permis de conclure que les effets du phénomène d'autochauffage du transistor sont plus importants sous une excitation de type signal à bande étroite (par exemple EDGE-GSM) que pour des signaux avec une large bande de modulation (CDMA2000, UMTS). Le modèle nouvellement développé a été employé pour concevoir une fonction de prédistorsion avec compensation de l'effet d'autochauffage. Le spectre de la sortie et l'Error Vector Magnitude (EVM) de l'APRF linéarisé ont montré une amélioration significative des performances de la fonction de pré- distorsion augmentée par rapport à celle sans mémoire. Les résultats des mesures qui ont été conduites sur l'amplificateur sous test utilisant un transistor LDMOS sont en accord avec ceux obtenus à partir des simulations en utilisant les modèles de l'APRF et de la fonction de prédistorsion développée dans l'environnement d'Advanced Design System (ADS). Par ailleurs, nous avons examiné les effets de mémoire électrique sur le comportement de l'amplificateur. Ces derniers sont attribués à la variation en fréquence de l'impédance de la grille et du drain du transistor sur la bande de modulation du signal d'entrée. Pour cela, une structure de filtre multibranche a été utilisée pour augmenter un modèle comportemental sans mémoire de l'amplificateur afin d'inclure ces effets.

Les résultats de caractérisation obtenus par le banc de test proposé ont servi également à la conception d'une fonction de prédistorsion sans mémoire pour linéariser le comportement de l'amplificateur sous test. Pour cela, un algorithme de synthèse précise de cette fonction est présenté pour déduire une table de correspondance à partir des courbes AM/AM et AM/PM mesurées sans avoir besoin de dérivations analytiques supplémentaires et/ou de procédures d'optimisation numérique. La procédure de synthèse nécessite une seule itération, contrairement aux approches précédentes, qui exigent des algorithmes itératifs très lourds et lents à exécuter pour des performances semblables. Ceci constitue une contribution importante à la technologie de prédistorsion numérique. Nous avons proposé deux architectures pour l'implémentation de la fonction de prédistorsion numérique qui est appliquée soit aux signaux en bande de base soit aux signaux passebande (RF). Ces deux architectures ont été comparées en se basant sur les performances issues des deux prototypes développés à l'aide de circuits FPGA, de DSP, de convertisseurs rapides analogiques/numériques et numériques/analogiques. Les résultats de mesures effectuées sous différents types d'excitation tels que CDMA2000, WCDMA et multitonalités montrent la grande réduction, plus de 10 dB, du niveau de puissance émise en canaux adjacents à la sortie de l'amplificateur.

Les résultats remarquables qui ont été obtenus dans ce travail démontrent l'importance de la caractérisation instantanée dans la modélisation et la conception des amplificateurs de puissance et des linéarisateurs. Il est certain que la convergence de cette dernière, avec une approche de conception hybride RF/DSP des amplificateurs et des linéarisateurs et une technologie de fabrication RFIC, promet des performances excellentes en ce qui concerne l'efficacité spectrale ainsi qu'énergétique.

Power amplifiers deployed in radio frequencies communication systems introduce generally distortions to their input signals. Such distortions compromise greatly the quality of the voice and data at the receiver side. In this thesis we report a comprehensive study of linear and non-linear distortions sources that influence the behaviour of RF power amplifiers along with the means of minimizing and/or compensate their effects.

In the first part of this report, a realistic, accurate, versatile, and thermal-free complex behaviour test bed suitable for the characterization of third-generation power amplifiers (PA) is proposed. Using this approach, a 90-W peak PA, based on class-AB LDMOS transistors, is measured under several signal excitations such as W-CDMA, CDMA2000, and eight-tone signals. The obtained results show noticeable discrepancies compared to those measured using a vector network analyzer (HP-8510C) for both AM/AM and AM/PM curves.

Memory effects, which influence the performance of RF power amplifiers and predistortion based linearizers, become more significant and critical in designing these circuits as the modulation signal bandwidth and operation power increase. Thus, in this thesis we report an attempt to investigate, model and quantify the contributions of the electrical non-linearity effects and the thermal memory effects to a PA's distortion generation as well as how to compensate for these effects. For that, an accurate dynamicxii expression of the instantaneous junction temperature as a function of the instantaneous dissipated power is developped. This expression is used in the construction of an electrothermal model for the PA. Parameters for the new proposed behaviour model are determined from the PA measurements obtained under different excitation conditions (e.g. small signal and pulsed RF tests). This study concludes that the effects of the transistor self-heating phenomenon are more important under narrow pulsed band signal (e.g. EDGE-GSM) than for signals with wide modulation bandwidths (CDMA2000, UMTS). The newly developed model is then used to design a temperature-compensated predistortion function to compensate for these effects. The linearized PA output spectrum and Error Vector Magnitude (EVM) show a significant performance improvement in the temperature compensated predistortion function over a memoryless one. The results of the measurements that have been conducted on the LDMOS PA are in agreement with those obtained from simulations using the developed PA and the predistorter models implemented in Advanced Design System (ADS) environment. Moreover, electrical memory effects, due to the frequency variation of impedances at the gate and drains nodes over the modulation bandwidth of the PA input signal, has been examined. A multibranche filter topology was used in order to augment a PA memoryless behaviour model to handle such effects.

The characterization results obtained by the test bed have been used to design a digital predistorter for the LDMOS amplifier. An accurate algorithm intended for the synthesis of predistortion function is presented. Indeed, a memoryless digital predistorter lookup table is directly synthesized using the measured AM/AM and AM/PM curves without any need to perform additional analytical derivations and/or numerical optimizations. The predistorter synthesis procedure requires a single iteration, contrary to previous approaches, which required several iterations to obtain similar performance. This constitutes an important contribution to the digital predistortion technology. Measurement results, under different signal excitations such as CDMA2000 and multi-tones, show great improvement in the out-of-band spectrum regrowth at the high-power-amplifier output. Two schemes are proposed, (i) baseband, and (ii) bandpass RF for the implementation of digital predistorters. These two schemes are compared with respect to the measured performance of the correspondent prototype implementations using FPGA, DSP, fast A/D and D/A converters.

The valuable results rising from this work demonstrate the importance of the instantaneous characterization in the modeling and design of power amplifiers and linearizers field. I believe that the convergence of this latter with a mixed RF/DSP design approaches of PAs and linearizers and RFIC fabrication technology will lead to enhanced performances of wireless PAs with enhanced power efficiency and linearity.