Dans le cadre de coopérations scientifiques européennes, nous développons des modèles non linéaires de composants pour les filières technologiques émergentes GaN. Ces actions de modélisation sont primordiales dans le processus de suivi et d'amélioration des process technologiques dont les principaux enjeux sont la gestion des effets thermiques et des effets de piège à des niveaux de puissance très importants.

Modélisation des technologies émergentes GaN

PHEMT GaN  12x75µm

Des techniques très performantes de mesures pulsées I-V et (S) ont été développées au laboratoire afin de permettre en particulier la discrimination des effets thermiques et des effets de piège dans les composants de puissance. 

Ces équipements sont aujourd'hui en constante évolution pour repousser les différents challenges représentés par la caractérisation des nouvelles filières technologiques GaN dont les densités de puissance présentent un facteur 10 par rapport aux technologies actuelles GaAs. Dans ce cadre, nous développons les modèles non linéaires électrothermiques des composants PHEMT de puissance pour les nouvelles filières technologiques GaN.

Conception d'amplificateurs de puissance sur matériau GaN

Puce cascode distribuée GaN

L'expertise acquise dans le suivi et la modélisation des filières technologiques nous permet de mettre en oeuvre des démonstrateurs utilisant les dernières évolutions technologiques. On illustre ici la mise en oeuvre d'un amplificateur distribué de puissance 4-18GHz à puce cascode distribuée GaN reportée en flip-chip sur un subtrat AlN intégrant les réseaux passifs d'adaptation.

Notre groupe dispose d'une compétence spécifique dans les méthodes de conception des amplificateurs de puissance à très large bande passante pour lesquels nous avons développé des architectures optimales adaptées au cas de bandes passantes modérées (octave) ou très larges.

Architectures d'amplificateurs distribués de puissance

Amplificateur distribué non uniforme 1W, 4-18GHz

Les architectures distribuées optimales en puissance sont fondées sur l'adoption d'un profil de capacités série sur la grille et l'intégration de composants non uniformes ou de cellules cascode pré-adaptées selon les bandes passantes visées.

Circuits ultra large bande pour l'interface optique-microonde

Amplificateur DC-40GHz 

Notre expérience dans la conception d' amplificateurs distribués de puissance nous a permis de mettre en oeuvre des architectures spécifiques de circuits distribués pour l'interface optique microonde.

Les principaux démonstrateurs réalisés sont des drivers de modulateurs électro-optiques à 40GHz ainsi qu'une architecture originale d'amplificateur transimpédance distribué DC-40GHz pour des communications optiques à 40Gb/s. De nouvelles perspectives sont offertes dans le domaine opto-microonde par les technologies InP.

La conception des amplificateurs de puissance est aujourd'hui confrontée à un compromis très strict entre le niveau de puissance, le rendement et la linéarité imposée par les modulations complexes utilisées. Dans le cas général, la seule méthode permettant de respecter la spécification en linéarité consiste à adopter un back-off fixé par le PAR (Peak-to-Average-Ratio) de la modulation utilisée au détriment du rendement. Une autre approche développée dans notre projet consiste à dévélopper des architectures d'amplificateurs dont la polarisation est dynamiquement gérée et adaptée au niveau du signal d'entrée permettant ainsi de repousser le compromis rendement-linéarité.

Amplificateurs de puissance à gestion dynamique de polarisation et de charge

Constellation 16QAM sans et avec gestion dynamique des polarisations

Dans ce cadre, nous avons développé une méthode de conception et des démonstrateurs de puissance à 20GHz avec gestion dynamique des polarisations dans le cas d'une modulation 16QAM permettant une amélioration très nette du rendement et de l'EVM. 

Les recherches dans ce domaine de la linéarité à très forte puissance sont aujourd'hui orientées vers les architectures Doherty en technologie GaN ainsi que la gestion dynamique pour les modulations OFDM.

Assistant expert de conception

En collaboration avec le CNES, nous avons développé un outil informatique d'assistance à la conception des amplificateurs de puissance. Cet outil est organisé autour d'une base de données de connaissances regroupant une bibliothèque technologique tandis que les règles de conception sont mises en oeuvre à travers des interfaces IHM et des éxécutables. L'assistant est aujourd'hui en évolution pour être appliqué aux méthodes de conception d'autres fonctions actives (oscillateurs,...) et passives (filtres,...).

Circuits non linéaires

Mélangeur sous-harmonique équilibré 40GHz à HEMT froid

Notre expérience de modélisation et de conception sur les amplificateurs de puissance nous conduit de manière générale à étudier des architectures et des méthodes de conception pour des fonctions fortement non linéaires. 

                  En particulier, nous avons développé une méthode de conception et une nouvelle architecture pour les mélangeurs sous-harmoniques d'ordre 2 à HEMTs froids.