Développement des méthodes de stabilisation pour la conception des circuits hyperfréquences : application à l'optimisation d'un amplificateur de puissance spatial

Abstract

[fre]Eviter toute oscillation non désirée est une question majeure pour la conception optimale de tout type de circuits hyperfréquences. Ceci est d'autant plus critique en technologie MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) car le réglage ultérieur est impossible. Des nombreux travaux ont concerné cet aspect critique pendant la phase de la conception de ces circuits. Néanmoins, cette analyse est généralement menée à la fin du processus afin de vérifier, a posteriori, la stabilité du circuit. Cette stabilité est habituellement garantie à partir de stratégies de stabilisation très conservatrices et sécurisantes car la stabilité de ces circuits doit être garantie sous conditions d'opération strictes (variations en température, polarisation, vieillissement, etc.). Par conséquent, ces stratégies de stabilisation peuvent entrainer une perte des performances RF du circuit, ce qui affecte directement à la charge utile du satellite. L'objectif principal de cette thèse a été de montrer l'intérêt potentiel d'intégrer l'analyse de stabilité basée sur l'identification pôle-zéro dès les premières étapes de la conception des circuits hyperfréquences. Ceci a permis de garantir la stabilité du circuit avec une marge suffisante, tout en optimisant le fonctionnement en termes de performances RF en régime linéaire et non linéaire. Pour cela, une approche systématique de stabilisation des circuits microondes a été développée permettant de concevoir des réseaux de stabilisation optimaux en fonction de la topologie du circuit, de son technologie et du type d'oscillation parasite. Les méthodologies de stabilisation proposées ont été appliquées sur un circuit issu d'une conception industrielle pour une application spatiale : Un amplificateur de puissance MMIC en bande Ku conçu par Thales Alenia Space - France (TAS-F) pour intégrer une antenne active en émission pour des applications de télécommunications spatiales, sous contrat de l'Agence Spatiale Française CNES. Cependant les techniques et les procédures de stabilisation proposées tout au long de cette thèse peuvent être appliquées à d'autres circuits hyperfréquences.

[eng]Avoiding spurious oscillations of any kind is a key issue in microwave circuit design, especially in MMIC (Monolothic Microwave Integrated Circuit) technology as any subsequent modification is impossible. There are many works concerning this critical aspect during the design stage of these circuits. Nevertheless, this analysis is generally performed at the end of the process in order to verify, a posteriori, circuit stability. This stability is commonly satisfied by applying stabilisation strategies that are very conservatives as the circuit stability must be guaranteed under very strict operating conditions (temperature variations, bias, input drive, aging, etc.). As a consequence, they can negatively impact circuit performances at the operating frequency band, with a direct effect on satellite payload. The principal aim of this thesis has been to show the potential interest of integrating the pole-zero identification based stability analysis from the first steps of the microwave circuits design process. This has been useful to guarantee circuit stability within a certain margin while optimising its RF performances in both linear and non-linear regimes. To do so, a systematic methodology for microwave circuit stabilisation has been developed in order to design optimal stabilisation networks as a function of circuit topology, technology and the kind of spurious oscillation detected. The proposed stabilisation techniques have been applied to a Ku-band MMIC power amplifier designed at Thales Alenia Space France (TAS-F) with the support of the French Spatial Agency CNES, as a part of an active antenna array for a telecommunication space application. However, the stabilisation techniques and procedures described along this work can also be applied for the stabilisation of other microwave circuits.