Cours 4 - Circuits actifs RF

Côté émission : l'amplificateur de puissance

Chapitre 7Durée ≈ 35 minNiveau : BUT 3 GEIIPrérequis : chapitre 6 (compression, intermodulation) ; cours 2 (modulations OFDM, terminal et antenne-relais)

Objectifs du chapitre

Définir le rendement et le rendement en puissance ajoutée (PAE) d'un amplificateur de puissance
Décrire les classes A, AB, B et C par leur angle de conduction, et citer leur rendement théorique
Expliquer le compromis entre linéarité et rendement, et l'effet du recul (back-off)
Expliquer pourquoi les signaux OFDM compliquent la vie des amplificateurs de puissance
Citer les techniques qui réconcilient rendement et linéarité (Doherty, prédistorsion, suivi d'enveloppe)

1. Où passe l'énergie ?

Pendant un long appel vidéo en 4G, votre téléphone chauffe et sa batterie fond. Une bonne part de cette énergie part dans un composant de quelques millimètres : l'amplificateur de puissance (PA, Power Amplifier), qui pousse le signal vers l'antenne. Dans une antenne-relais, c'est pire : les PA y représentent plus de la moitié de la consommation électrique. Chaque point de rendement gagné, c'est de l'autonomie, de la chaleur en moins, et des mégawattheures économisés à l'échelle d'un réseau.

Nous avons suivi tout ce cours le signal reçu par le LNB. Changeons de bout : l'émetteur. Le PA reçoit une puissance continue $P_{D C}$ de l'alimentation et une puissance RF $P_{i n}$ de l'étage précédent ; il délivre $P_{o u t}$ à l'antenne. Le reste devient de la chaleur.

η = \frac{P_{o u t}}{P_{D C}} PAE = \frac{P_{o u t} - P_{i n}}{P_{D C}} P_{c h a l e u r} = P_{D C} + P_{i n} - P_{o u t}

Le rendement en puissance ajoutée (PAE, Power Added Efficiency) retire la puissance d'entrée : il pénalise un PA qui a peu de gain et qui « recycle » simplement la puissance qu'on lui donne.

Exemple chiffré (non évalué)

Le PA d'un smartphone délivre 23 dBm (200 mW) à partir de 5 dBm en entrée, en consommant 500 mW sur sa batterie. Calculez $η$ , PAE et la chaleur dissipée.

Voir la correction

$P_{i n} = 10^{0,5} \approx 3,2$ mW.

η = \frac{200}{500} = 40 % PAE = \frac{200 - 3,2}{500} \approx 39 % P_{c h a l e u r} = 500 + 3,2 - 200 \approx 303 mW

Plus de puissance part en chaleur qu'en ondes. Avec un gain de 18 dB, $η$ et PAE sont très proches ; avec un gain de 3 dB, ils divergeraient nettement.

Un PA de station de base délivre 40 W en consommant 100 W sur son alimentation. Que devient le reste ?

Il est rayonné par l'antenne sur d'autres fréquences
Il est dissipé en chaleur, qu'il faut évacuer
Il est renvoyé vers l'alimentation

2. Les classes de fonctionnement

Le rendement dépend d'abord de la façon dont on polarise le transistor, c'est-à-dire de la fraction de la période pendant laquelle il conduit : son angle de conduction.

Classe	Angle de conduction	Rendement théorique max.	Linéarité
A	360° : conduit tout le temps	50 %	excellente
AB	entre 180° et 360°	entre 50 et 78,5 %	bonne : le compromis le plus courant
B	180° : une demi-période	78,5 % ( $\frac{π}{4}$ )	moyenne (montage push-pull en basse fréquence)
C	moins de 180°	tend vers 100 %, mais la puissance tend vers 0	mauvaise : réservée aux signaux d'amplitude constante
D, E, F…	transistor en interrupteur	très élevé en théorie	aucune en amplitude : il faut d'autres astuces

Plus le transistor conduit brièvement, moins il dissipe (il ne conduit que quand la tension à ses bornes est faible), mais plus son courant est déformé. Un circuit accordé en sortie filtre les harmoniques et rend une sinusoïde à l'antenne.

l'angle de conduction

Angle de conduction :

Transistor idéal, charge résistive accordée, même courant crête dans tous les cas. Puissance relative : puissance de sortie au fondamental, comparée à la classe A.

Pourquoi un amplificateur en classe C, très efficace, ne convient-il pas à un signal 64-QAM ?

Parce qu'il ne fonctionne qu'en basse fréquence
Parce que son gain est trop élevé
Parce qu'il ne reproduit pas fidèlement les variations d'amplitude, essentielles en QAM

3. Le prix de la linéarité : le recul

Le rendement maximal n'est atteint qu'à la puissance maximale, près de la saturation. Or les modulations modernes ont une enveloppe très variable. Un signal OFDM (4G, 5G, Wi-Fi, cours 2) additionne des centaines de sous-porteuses : de temps en temps, elles s'alignent et produisent un pic bien plus fort que la puissance moyenne. Le rapport entre les deux est le PAPR (Peak to Average Power Ratio), de l'ordre de 10 dB pour un signal OFDM non traité (ordre de grandeur).

Pour que ces pics ne soient pas écrêtés (chapitre 6), on règle la puissance moyenne en dessous du point de compression, avec une marge appelée recul (back-off). Et le rendement s'effondre :

en classe A, la consommation est constante : le rendement est proportionnel à la puissance de sortie. 10 dB de recul : $50 % \times \frac{1}{10} = 5 %$ ;
en classe B, il est proportionnel à la racine de la puissance : $78,5 % \times \frac{1}{\sqrt{10}} \approx 25 %$ .

recul, rendement et pollution des canaux voisins

Recul de la puissance moyenne par rapport à P1dB :

Modèle illustratif : signal OFDM de PAPR ≈ 10 dB ; épaulements (remontée spectrale) qui baissent de 2 dB par dB de recul ; masque d'exemple à −40 dBc ; rendements théoriques des classes A et B.

Trop peu de recul : le PA écrête les pics, ce qui déforme la constellation (erreurs de démodulation) et fait déborder le spectre sur les canaux voisins, au-delà de ce qu'autorise le masque spectral de la norme. Trop de recul : le rendement s'effondre, la batterie aussi.

Pourquoi un PA qui amplifie un signal OFDM a-t-il un rendement moyen bien plus faible que sur une porteuse pure ?

Parce qu'il doit travailler en recul pour ne pas écrêter les pics, là où son rendement est faible
Parce que l'OFDM utilise des fréquences plus élevées
Parce que l'OFDM exige un transistor en classe C

4. Réconcilier rendement et linéarité

Les ingénieurs ont trois grandes familles de solutions, souvent combinées :

L'amplificateur Doherty : deux amplificateurs en parallèle. Le principal (classe AB) travaille seul aux puissances moyennes, près de sa propre saturation, donc avec un bon rendement ; l'auxiliaire (classe C) ne se réveille que pendant les pics. Le rendement reste élevé sur plusieurs dB de recul.
La prédistorsion numérique (DPD) : on mesure la distorsion du PA et on déforme volontairement le signal numérique en sens inverse, avant le PA. Les deux distorsions s'annulent : on peut travailler plus près de la compression.
Le suivi d'enveloppe (envelope tracking) : la tension d'alimentation du PA suit en temps réel l'enveloppe du signal. Quand le signal est faible, on baisse la tension : le transistor gaspille moins. C'est une technique courante dans les smartphones.

En 1936, William Doherty, ingénieur des laboratoires Bell, publie « A New High Efficiency Power Amplifier for Modulated Waves ». Son but : réduire la facture d'électricité des grands émetteurs de radio AM. Le premier usage est un émetteur de 500 kW. Oublié pendant des décennies, son montage est revenu en force avec les modulations numériques : associé à la prédistorsion numérique, il est aujourd'hui une architecture courante des PA d'antennes-relais 4G et 5G, avec des transistors LDMOS ou en nitrure de gallium (GaN).

Associez chaque technique à son principe.

Un amplificateur auxiliaire n'entre en jeu que pendant les pics
Le signal est déformé à l'avance, à l'inverse de la distorsion du PA
La tension d'alimentation suit l'amplitude instantanée du signal

5. Ce que l'on retiendra, et le voyage complet

Bilan de notre parabole : au sol, le LNB change de fréquence (chapitres 1 et 5), sans laisser entrer l'image ; son LNA, premier étage (chapitre 4), adapté pour le bruit et rendu stable (chapitres 2 et 3), fixe la sensibilité de toute la chaîne. Là-haut, à 36 000 km, l'amplificateur de puissance du satellite fait l'inverse : il pousse le signal le plus fort possible, avec le meilleur rendement possible, sans déborder sur les canaux voisins (chapitres 6 et 7). Entre les deux, vous savez désormais lire chaque ligne de la fiche technique.

$η = \frac{P_{o u t}}{P_{D C}}$ ; $PAE = \frac{P_{o u t} - P_{i n}}{P_{D C}}$ ; le reste est de la chaleur.
Classes A (360°, 50 %), AB, B (180°, 78,5 %), C (moins de 180°) : plus la conduction est brève, meilleur est le rendement et pire est la linéarité. Classes D, E, F : transistor en interrupteur.
Signaux à enveloppe variable (OFDM, PAPR de l'ordre de 10 dB) : il faut du recul, et le rendement chute (proportionnel à $P_{o u t}$ en classe A, à $\sqrt{P_{o u t}}$ en classe B).
Trop peu de recul : écrêtage, erreurs, débordement hors du masque spectral.
Solutions : amplificateur Doherty, prédistorsion numérique, suivi d'enveloppe.

Avant de passer au quiz, vérifiez que vous savez :

calculer un rendement, une PAE et une puissance dissipée ;
classer les classes A, AB, B et C par angle de conduction, rendement et linéarité ;
expliquer le recul et son effet sur le rendement ;
expliquer le principe du Doherty, de la prédistorsion et du suivi d'enveloppe.

William H. Doherty, « A New High Efficiency Power Amplifier for Modulated Waves », Proceedings of the IRE, vol. 24, n° 9, p. 1163-1182, septembre 1936 ; premier usage dans un émetteur AM de 500 kW : Wikipedia, « Doherty amplifier » (consulté le 11/10/2026).
Rendement théorique selon l'angle de conduction (charge résistive, transistor idéal) : formules classiques des cours d'amplificateurs de puissance (par exemple S. C. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications).
Simulateur de recul (masque, épaulements spectraux) : modèle illustratif, pas une norme.
Amplificateur Doherty dans les stations de base : Wikipedia « Doherty amplifier » ; brevets ZTE et Huawei (Doherty + DPD, architecture courante des stations de base) ; Microwaves & RF (GaN pour stations LTE) (vérifié le 2026-10-11)