Soutenance mémoire
ARCHITECTURES DE RECEPTEUR
L’architecture « superhétérodyne » est largement utilisée dans les systèmes de réception de télécommunication RF de part de ses performances en sensibilité et sélectivité [B1.3, 4]. Malheureusement l’obtention de ces performances optimales requiert l’utilisation de filtre RF à très faibles pertes d’insertion ou FI (pour fréquence Intermédiaire) à facteur de qualité Q élevé. Or, la non intégrabilité de ces filtres se traduit par une intégration hétérogène des circuits conduisant à une dégradation des performances et de l’encombrement due aux interconnexions et des différents niveaux de packaging des sous-systèmes. Ainsi de nombreuses recherches se sont axées sur le développement d’architectures (à conversion directe [B1.1, 3, 4], structure d’Hartley [B1.5, 6, 9, 11], …) ou de technologies (BAW = Bulk Acoustic Wave [B1.13],…) contournant cette problématique. Le récepteur à conversion directe permet par exemple d’éliminer le filtre FI à fort facteur de qualité, cependant, cette structure présente d’énormes problèmes de dérive des composantes DC et de bruit basse fréquence rendant sa réalisation difficile. Cette structure devient néanmoins de moins en moins nécessaire vues les fortes potentialités d’intégration sur puces de filtres BAW fonctionnant jusqu’à quelques GigaHertz [B1.2]. Cependant, les filtres BAW ne peuvent actuellement pas fonctionner à des fréquences micro-ondes (au delà de 10 GHz) ce qui limite leurs utilisations au filtrage FI (ainsi qu’au filtrage RF lorsque fRF < quelques GigaHertz ce qui n’est pas notre cas [B1.2]). Le récepteur à réjection de la fréquence image offre quant à lui une solution attractive car il permet l’élimination du filtrage RF en amont (ou permet d’en relaxer fortement les contraintes). Cette solution est d’autant plus attractive qu’elle est parfaitement adaptée aux systèmes adoptant plusieurs standards de communication. Le niveau d’intégration de ce type de récepteur est ainsi fortement amélioré mais les performances RF deviennent fortement liées aux performances d’équilibrage des structures.
Les architectures des récepteurs superhétérodynes et à réjection de fréquence image sont présentées dans les paragraphes suivants. Les performances de réjection de la fréquence image sont évaluées pour chaque architecture ainsi que les caractéristiques des circuits les influençant majoritairement.
Architecture superhétérodyne
Dans le récepteur à architecture superhétérodyne illustré sur la figure PI.1, la bande du signal utile (typiquement de l’ordre des GigaHertz) est transposée vers des bandes de fréquences plus faibles (généralement des centaines de MHertz), ce qui a pour effet de relâcher les contraintes sur le facteur de qualité du filtre FI de sélection de canal.
La transposition de fréquence de la bande RF vers des fréquences plus faibles FI, est réalisée par un mélangeur qui peut être considéré comme un multiplicateur analogique. Une description plus détaillée de son principe de fonctionnement est présentée dans le chapitre I. Un signal RF centré à la fréquence fRF est transposé vers une fréquence fFI à l’aide d’un signal OL (pour oscillateur local).
Le processus de transposition de fréquence crée malheureusement une transposition de fréquence supplémentaire à celle utilisée nominalement dont il est primordial d’étudier les conséquences.
Le microsystème, Mélangeur à Réjection de Fréquence Image, introduit dans la première partie de ce manuscrit nécessite la conception de mélangeurs faisant interface entre la partie haute fréquence (dénommée RF pour Radio-Fréquence) et la partie basse fréquence (dénommée FI pour Fréquence Intermédiaire) .
FONCTION DE MELANGE
La Transposition de Fréquence
Dans chaque système de communication radiofréquence, il est nécessaire de translater en fréquence le spectre d’un signal informatif vers des fréquences supérieures ou inférieures à celle d’origine. La première raison de cette translation repose sur la non compatibilité entre le signal informatif, la voix humaine par exemple, et le canal de transmission radiofréquence, l’espace par exemple. La deuxième raison repose, quant à elle, sur les interférences provoquées entre signaux de même fréquence [B2.1, 2, 4].
A l’émission, la translation est réalisée vers des fréquences plus élevées que celle d’origine. D’après l’appellation anglo-saxonne, cette opération est appelée ‘Up Conversion’. Dans le cas contraire, elle est nommée ‘Down Conversion’.
Le Mélangeur
Les mélangeurs sont des dispositifs qui effectuent le mélange de deux signaux afin d’obtenir une transposition de fréquence du signal utile tout en gardant intacte l’information contenue dans ce dernier. Ils se basent sur le principe de la transposition de fréquence décrite dans la partie précédente.
Le signal d’entrée est noté RF (pour signal Radio Fréquence) : il correspond au signal sur lequel nous voulons appliquer la translation de fréquence. Ce dernier est mélangé avec le signal OL (pour le signal Oscillateur Local) provenant de l’oscillateur local. Ce signal OL permet le mélange et sa fréquence correspond à la quantité de la translation fréquentielle. Le signal de sortie résultant de ce mélange est nommé FI (pour le signal Fréquence Intermédiaire).
Définition des différents paramètres de performance des mélangeurs
Gain de conversion
Cette caractéristique donne une indication sur l’efficacité de conversion de la puissance d’une fréquence à la fréquence de sortie désirée. Dans le cas général, le gain est défini comme le rapport de la puissance en sortie sur la puissance d’entrée. Le terme ‘conversion’ est utilisé pour indiquer que ces puissances sont considérées à des fréquences différentes. La puissance de sortie est prise à la fréquence intermédiaire alors que pour la puissance d’entrée, la fréquence à considérer est à la fréquence d’entrée RF.
Point d’interception d’ordre 3
Ce paramètre de performance primordial pour les mélangeurs indique le niveau de linéarité du circuit vis-à-vis d’une excitation multi-porteuses. Afin de déterminer cette caractéristique, il est nécessaire de considérer à l’entrée RF du mélangeur, deux signaux sinusoïdaux de même amplitude et de fréquences voisines. En effet, le signal RF est constitué, en pratique, de multiples raies spectrales contenant chacune une information. Lorsque ces deux signaux sont appliqués au mélangeur, l’interférence de ces derniers produit de l’intermodulation qui a pour effet de générer des composantes fréquentielles indésirables en sortie du système. Les produits d’intermodulation les plus gênants sont ceux d’ordre 3 car elles génèrent des signaux parasites très proches des signaux utiles en sortie, donc très délicat à filtrer.
Facteur de Bruit
Cette caractéristique rend compte de l’ajout par le mélangeur de bruit au signal traité. Il permet ainsi de jauger la capacité à traiter les faibles puissances RF par le circuit.
Point de compression à 1dB
Ce point est aussi un indicateur de linéarité. Cette caractéristique est un indicateur de linéarité vis-à-vis de la puissance d’entrée. Elle est très importante car elle rend compte de la limite haute de la puissance d’entrée RF au-delà de laquelle le mélangeur introduit des phénomènes de compression et de saturation sur le signal informatif.
Isolation
L’isolation donne une indication sur l’efficacité d’isoler des signaux provenant d’un accès vers un autre. Il existe deux principales isolations définies par l’isolation des ports d’entrées OL et RF vers le port de sortie FI. De plus, du fait des fortes amplitudes du signal OL, une isolation du port OL vers le port RF est également définie.
Consommation
Cette caractéristique importante pour les systèmes embarqués et portatifs se traduit de plus par des contraintes de dimensionnement de la dissipation thermique du circuit et donc de son encombrement.
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Table des matières
INTRODUCTION
POSITIONNEMENT DE NOS TRAVAUX DE RECHERCHE
I. Architectures de Récepteur
I.1. Architecture superhétérodyne
I.2. Problématique de la Fréquence Image
I.3. Mélangeur à réjection de fréquence image de type Hartley
II. Conclusion
BIBLIOGRAPHIE
CONCEPTION D’UN MELANGEUR MILLIMETRIQUE EN BANDE K INTEGRE EN TECHNOLOGIE BiCMOS SiGe
I. Introduction
II. Fonction de Mélange
II.1. La Transposition de Fréquence
II.2. Le Mélangeur
II.3. Le Mélangeur Idéal
II.4. Définition des différents paramètres de performance des mélangeurs
II.5. Topologies actives de mélange
III.La Topologie MICROMIXER
III.1. Principe de fonctionnement de la cellule de Gilbert
III.2. Principe de fonctionnement du Micromixer
IV.Technologies d’Intégration de Circuits Actifs
IV.1. Description de la Technologie STMicroelectronics BiCMOS SiGe
IV.2. Optimisation de la Polarisation et du Dimensionnement des Transistors Bipolaires BiCMOS SiGe
V. Conception d’un Mélangeur Millimétrique Intégré en Technologie BiCMOS SiGe : Application à la Topologie Micromixer
V.1. Présentation des lignes directrices suivies lors de la conception
V.2. Présentation de l’intégration en Technologie BiCMOS SiGe
V.3. Performances Simulées
V.4. Performances Mesurées
V.5. Proposition d’amélioration
VI.Conclusion
BIBLIOGRAPHIE
CONCEPTION DE COUPLEURS EN BANDE K INTEGRES EN TECHNOLOGIE MULTICOUCHES POLYMERE
I. Introduction
II. Technologie Multicouches Polymère
II.1. Intérêt de la technologie Multicouches Polymère
II.2. Impédances caractéristiques réalisables
II.3. Evaluation des performances de la technologie MultiCouches polymère développée au LAAS-CNRS
III.Conception de Coupleurs Passifs Distribués Intégrés en Technologie Multicouches Polymère
III.1. Différents types de coupleur étudiés
III.2. Conditions nécessaires pour le fonctionnement du coupleur ‘BranchLine’
III.3. Conditions nécessaires pour le fonctionnement du coupleur ‘Broadside’
III.4. Conception de coupleur BranchLine
III.5. Conception de coupleur Broadside
IV.Technique de Miniaturisation de Coupleurs Intégrés en Technologie Multicouches Polymère : Application aux coupleurs
IV.1. Méthode de réduction de lignes de transmission
IV.2. Conception de coupleur Branchline miniaturisé
IV.3. Etude approfondie sur les pertes d’insertions des coupleurs BranchLine miniaturisés
IV.4. Conception de coupleur BroadSide miniaturisé
IV.5. Conception de coupleur Marchand miniaturisé
V. CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
SYNTHESE DE NOS TRAVAUX DE RECHERCHE
ESTIMATION DES PERFORMANCES DE L’INTEGRATION DE L’ARCHITECTURE D‘HARTLEY
I. Architecture superhétérodyne ‘classique’
II. Architecture d‘Hartley
III.Comparaison des deux architectures
CONCLUSION GENERALE
ANNEXES
Annexe 1 : Point d’Interception d’Ordre 3
Annexe 2 : Point d’Interception d’Ordre 3 – Cellule de Gilbert
