Conception et analyse des dispositifs multibandes et d'amplificateur de puissance pour les applications de communication sans fil

摘要

RÉSUMÉ: Dans les systèmes modernes de communication sans fil, il existe plusieurs standards de communication, comme WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), WLANs (Wireless Local Area Networks), GSM (Global Systems for Mobile Communications), WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), et LTE (Long Term Evolution). L'interopérabilité et la coexistence entre les multistandards deviennent les principaux points communs entre les applications multibandes. En outre, pour les standards de téléphonie mobile de quatrième génération (4G) à large bande passante comme LTE Advanced pouvant fonctionner jusqu'à 100 MHz, il est nécessaire d'augmenter le débit de données et la vitesse de communication mobile. Pour satisfaire aux applications multibandes dans ce mémoire, j'ai analysé, conçu, et fabriqué un diviseur de Wilkinson multibande, une jonction rat-race multibande, et un amplificateur de puissance multibande. Pour satisfaire aux exigences larges bandes de 4G, en particulier pour améliorer le PAE (power added efficiency), un PA à large bande et à haut PAE utilisant le MRS (microstrip radial stub) pour supprimer les harmoniques est présenté. Dans le chapitre 1, une ligne de transmission quarte d'onde multibande en forme de Pi avec des résonateurs est présentée et analysée à l'aide de la matrice ABCD. Un diviseur de Wilkinson bibande, un diviseur de Wilkinson tribande, et une jonction ratrace tribande sont analysés, conçus, et fabriqués pour démontrer la méthode de conception multibande proposée. La compacité est réalisée en mettant les lignes des circuits ouverts des deux circuits adjacents multibandes en forme de Pi à l'intérieur des composants multibandes proposés. En comparant la simulation et la mesure, les résultats de la simulation sont en bon accord avec les résultats de mesure.udDans le chapitre 2, les méthodes de conception multibande des amplificateurs de puissance bibande et tribande sont présentées. Pour réaliser un amplificateur de puissance bibande fonctionnel, les résonateurs avec les lignes circuits ouverts sont analysés et appliqués à la fois dans les réseaux d'adaptation (MNs) d'entrée et de sortie. Deux amplificateurs de puissance bibandes sont conçus, fabriqués, et mesurés. Le réseau d'adaptation tribande est réalisé en utilisant un groupe de résonateurs qui se compose de deux résonateurs pour sélectionner la fréquence. La méthode de conception du réseau d'adaptation tribande est analysée et améliorée. Un amplificateur de puissance tribande est conçu, fabriqué, et mesuré pour démontrer la méthode de conception tri bande proposée. Les résultats mesurés montrent qu'à différentes fréquences, les amplificateurs de puissance bibande et tribande ont d'excellentes performances. Dans le chapitre 3, un PA à large bande à haut PAE est présenté en utilisant le MRS dans le réseau d'adaptation. Avec la caractéristique de suppression à large bande du MRS, le MRS est utilisé pour supprimer les harmoniques du PA et satisfaire l'exigence de la 4G à large bande. Le MRS est comparé à la ligne quarte d'onde circuit ouvert par simulation et mesure. Avec le résultat de la mesure du PA fabriqué en utilisant le MRS, au moins 50 % de PAE et 37 dBm de puissance de sortie sont obtenus sur une largeur de bande de 12% à partir de 2 GHz à 2,26 GHz. Le PAE maximal peut atteindre 80,52% avec 40,53 dBm de puissance de sortie à 2,14 GHz. La méthode de conception proposée à large bande peut être utilisée pour le LTE Advanced.udLa méthode et la procédure de conception multibande proposées du diviseur de Wilkinson, de la jonction rat-race, du PA, et la méthode de conception de PA à large bande dans ce mémoire peuvent être largement appliquées dans les applications des systèmes de communication modernes et futures. -- Mots-clés: Harmonie suppression, microstrip radial stub, multiband, power added efficiency, power amplifier, rat-race coupler, resonator, wide bandwidth, Wilkinson power divider. --ABSTRACT: In the modern wireless communication systems, there are many communication standards exist, such as WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), WLANs (Wireless Local Area Networks), GSM (Global Systems for Mobile Communications), WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), and LTE (Long Term Evolution). Interoperability and co-existence between multi-standards become the main issue of multiband applications. In addition, for the 4G mobile telecommunications network systems, wide bandwidth is required to increase the data rate and speed of mobile communication, such as LTE Advanced is up to 100 MHz. In this thesis, to meet the multiband applications of the present, l analyzed, designed, and fabricated multiband Wilkinson power divider, multiband rat-race coupler, and multiband power amplifier (PA). To satisfy wideband requirement for 4G, especially to enhance P AE (power added efficiency) of PA in wide bandwidth, a wideband PA with high PAE using MRS (microstrip radial stub) to suppress harmonic components is presented. In chapter 1, a multiband quarter wavelength Pi-shaped transmission line with resonators is introduced and analyzed by using ABCD matrix. A dual-band Wilkinson power divider, a tri-band Wilkinson power divider, and a tri-band rat-race coupler are analyzed, designed, and fabricated to demonstrate the proposed multiband design method using the proposed multiband Pi-shaped structure. Compactness is realized by sharing the open-circuited stubs of the two adjacent multiband Pi-shaped circuits and putting all stubs inside the proposed multiband components themselves. Comparing the simulation and measurement, the simulated results are in good agreement with the measured results.udIn chapter 2, the multiband design methods of dual-band PAs and tri-band PA are presented. To realize dual-band operation of PA, resonator with open-circuited stub is analyzed and applied in both input and output matching networks. Two dual-band PAs are designed, fabricated, and measured. Tri-band matching network is realized by employing resonator group which consists of two resonators as frequency selection element. Tri-band matching network design method is analyzed and advanced. One tri-band PA is designed, fabricated, and measured to demonstrate the proposed tri-band design method. Measured results show that at different frequencies, the proposed dual-band and tri-band PAs have excellent performance. In chapter 3, one wideband high PAE PA is presented using MRS in matching network. With the wide bandwidth suppression characteristic of MRS, MRS is used to suppress harmonic components for PA to satisfy wideband requirement of 4G. MRS is compared with normal quarter wavelength open-circuited stub by both simulation and measurement. With measured result of the fabricated PA using MRS, at least 50% PAE and 37 dBm output power over a 12% bandwidth from 2 GHz to 2.26 GHz is achieved. The maximum PAB can reach to 80.52% with 40.53 dBm output power at 2.14 GHz. The proposed wideband design method can be used for LTE Advanced.udThe proposed multiband design method and procedure of Wilkinson power divider, rat-race coupler, and PA, and the wideband design method of PA presented in This thesis can be widely applied in applications of modern and future communication systems. -- Keywords: Harmonic suppression, microstrip radial stub, multiband, power added efficiency, power amplifier, rat-race coupler, resonator, wide bandwidth, Wilkinson power divider.