Soutenance mémoire
Evolution des standards de télécommunications cellulaires
Depuis plus de 25 ans, le domaine des systèmes cellulaires et sans fil a connu une croissance phénoménale. Entre la première génération 1G et la 4G, le débit a été multiplié par plus que 1000. Les terminaux mobiles doivent suivre cette évolution et assurer une compatibilité descendante pour ces normes (excepté la 1G) tout en réduisant les tailles de leurs systèmes RF.
Un bref historique du développement des systèmes de communications mobiles va être évoqué. Il sera ensuite suivi des divers frontaux permettant d‟aborder les nouveaux besoins des standards.
Première génération
La première génération de téléphonie mobile (notée 1G) possédait un fonctionnement analogique et était constituée d’appareils relativement volumineux. Le premier standard de réseau cellulaire nord-américain est AMPS (Advanced Mobile Phone System) [1]. Deux bandes de 25 MHz sont allouées: la voie montante de 824 MHz à 849 MHz et la voie descendante de 869 MHz et 894 MHz, l‟espacement entre les canaux montant et descendant vaut 45 MHz et la largeur du canal est de 30 KHz. La puissance maximale du mobile est de l‟ordre de 3W. La limitation des services offerts (capacité de trafic moyen, saturation) a stimulé l’émergence d’une nouvelle génération de systèmes. Les réseaux cellulaires de première génération ont été rendus obsolètes avec l’apparition d’une seconde génération entièrement numérique.
Deuxième génération
La seconde génération de réseaux mobiles (notée 2G) a marqué une rupture avec la première génération de téléphones cellulaires grâce au passage de l’analogique vers le numérique [2]. Elle permet de transmettre des données de faibles volumes, en plus de la voix. Un nouveau standard est adopté en Europe: il s‟agit du GSM (Global System for Mobile communications) utilisant une technique de découpage temporel des canaux de communication TDMA (Time division Multiple Access), afin d’augmenter le volume de données transmis simultanément. Ce standard utilise les bandes de fréquences 900 MHz et 1800 MHz en Europe (GSM 1800 MHz est souvent appelé DCS, Digital Cellular System). Aux Etats Unis par contre, les bandes de fréquences utilisées sont les bandes 850 MHz et 1900 MHz (GSM 1900 MHz est souvent présenté par PCS (Personal Communications Service). La largeur du canal GSM est 200 KHz et la puissance maximale du téléphone est 2W.
L‟architecture des frontaux RF (RFFE), l‟ensemble des éléments situés entre l‟émetteurrécepteur et l‟antenne, pour des systèmes 2G est simple. On trouve des RFFE à une seule bande, bi-bandes, tri-bandes et quadri-bandes [3]. En émission, le signal traverse un amplificateur de puissance (appelé PA par la suite). Le rôle d‟un amplificateur de puissance est d‟augmenter le niveau du signal et de compenser les pertes du signal entre l‟utilisateur et la station de base. Le signal est dirigé vers une antenne couvrant la bande 900 MHz via un commutateur (nommé ASW : Access SWitch). En réception, le signal entre dans un filtre à onde acoustique de surface (nommé SAW : Surface Acoustic Wave) qui permet d‟isoler les fréquences d‟intérêt du signal reçu, avant d‟être traité par l‟émetteur-récepteur. Les téléphones portables de la deuxième génération étaient suffisamment volumineux et simple et leurs contraintes demeuraient faibles (intégration, nombre de bandes, linéarité…). Pour adresser les autres bandes, il suffit de rajouter une nouvelle branche pour chaque bande de fréquence RF ajoutée.
Afin d‟améliorer le débit (le débit moyen initial du GSM est de 9.6 Kbit/s), tout en conservant l‟infrastructure existante, le GPRS (General Packet Radio Service), aussi appelé 2.5G, est introduit au début des années 2000. Le GPRS permet d‟obtenir des débits théoriques de l‟ordre de 114 Kbit/s, plus proche de 40 Kbit/s dans la réalité, grâce à la transmission par paquet où les ressources ne sont allouées que lorsque les données sont échangées. La norme EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution), présentée comme 2.75G a permis d‟augmenter le débit pratique moyen jusqu‟à 384 Kbit/s, ouvrant ainsi la porte aux applications multimédias, mais implique la modification des stations de base et des terminaux mobiles. De plus le progrès de la miniaturisation de l‟électronique autorise une réduction de la taille et du poids des terminaux, aboutissant au concept du terminal portatif de poche.
Troisième génération
L‟idée de la troisième génération de systèmes cellulaires est née du concept de l‟homogénéisation globale des standards. La troisième génération (3G), assimilée en Europe à l‟UMTS (Universal Mobile Telecommunications Services) [4], a été principalement conçue afin de satisfaire l‟acheminement de données multimédia telles que la transmission de vidéos, la visio-conférence ou l’accès à internet haut débit. Celle-ci permet d‟augmenter les débits théoriques, jusqu‟à 2 Mbit/s. Les réseaux 3G utilisent des bandes de fréquences différentes des réseaux précédents: 1885-2025 MHz et 2110-2200 MHz. La norme UMTS alloue pour chaque cellule une largeur spectrale fixe de 2 x 5 MHz (une bande pour l’émission, une autre pour la réception), plus large qu’en GSM (qui utilise au maximum dix à vingt canaux de 200 kHz par cellule). La puissance maximale autorisée est 23 dBm.
Afin d‟assurer une continuité, un système 3G doit être compatible avec un système 2G. Selon le standard, le chemin RF n‟est pas le même [5]. La partie 2G est isolée de celle de la 3G. Un système 3G fonctionne en transmission full duplex, le lien RF transporte l’information simultanément dans les deux sens (bidirectionnel: émission et réception). Chaque bande de fréquence 3G a un chemin RF spécifique. En émission un amplificateur de puissance est suivi d‟un duplexeur. Celui-ci sert à séparer et isoler les signaux d‟émission et de réception, transmis sur deux porteuses de fréquences différentes . L‟antenne est multi-bande ou large bande pour couvrir les bandes de 2G et 3G. Le RFFE devient plus complexe avec l‟apparition de certaines contraintes d‟intégration.
La norme HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access), présentée comme 3.5G permet d‟atteindre des débits de l‟ordre de 8 à 10 Mbit/s. HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access), aussi appelé 3.75G [6] est le complément de HSDPA pour la voie montante. L’intérêt d‟HSUPA est d’offrir la possibilité d’émettre facilement des contenus volumineux (photos, audio, vidéo) vers d’autres mobiles mais également vers les plates-formes de partage sur Internet.
Quatrième génération
La quatrième génération (4G) définie par le consortium 3GPP, constitue une nouvelle avancée technologique dans la téléphonie mobile [7]. La 4G, constitue aujourd’hui une véritable révolution puisqu’elle propose une multiplication des débits grâce à deux innovations. La première consiste à faire circuler les appels vocaux non plus sur le réseau téléphonique commuté, mais directement sur internet (voix sur IP). La seconde consiste à recourir à une méthode appelée agrégation de porteuses (CA, Carrier Aggregation) qui autorise l‟envoie ou la réception sur plusieurs porteuses simultanément, ce qui permet d’augmenter les débits qui vont de 100 Mbit/s jusqu‟au 1Gb/s. La 4G utilise la diversité spatiale pour obtenir un gain significatif de performance. Comparée aux générations précédentes, la 4G intègre un grand nombre de bandes de fréquences (des nouvelles bandes mais également les anciennes) . Lorsqu‟il s‟agit du duplexage FDD (Frequency Division Duplexing), l’émission et la réception des données se font simultanément sur deux bandes de fréquence différentes: une en émission (UL, Uplink) et une autre en réception (DL, Downlink) avec une bande passante (BW) entre 10 MHz et 90 MHz. Le duplex Spacing (DPX) défini l‟écart centre à centre entre le canal d‟émission et réception et le Gap est l‟intervalle entre les bandes UL et DL . Le TDD (Time Division Duplexing), permet à un canal de multiplexer dans le temps l’émission et la réception.
Cinquième génération
La cinquième génération de systèmes de communication mobile est actuellement en cours de définition et de normalisation au niveau mondial [15]. La 5G est une nouvelle technologie de réseau et d’infrastructure qui apportera les capacités nécessaires pour faire face au développement considérable de leur utilisation. Les réseaux mobiles 5G offriront des débits 50 fois plus rapides que ceux de la 4G, un temps de latence de l‟ordre de 5 millisecondes et surtout la plus forte capacité de données jamais échangée entre un terminal mobile et l‟antenne émettrice.
La multiplication de ces standards a conduit à une évolution des architectures Radio et un développement de nouveaux concepts technologiques. En effet, chaque génération incorpore de nouveaux scénarios et jusqu‟à présent la versatilité a surtout été au niveau logiciel (Software). Depuis la 4G, l‟électronique a énormément progressé et donc le hardware doit être également reconfigurable pour tenir les spectres et être optimale à chaque instant. Ce dernier point est primordial puisque la 4G ne fonctionne que sur des canaux de largeur maximale 20 MHz. De plus, la simultanéité de fonctionnement des standards n‟est pas autorisée.
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Table des matières
Introduction Générale
Chapitre I: Contexte et Enjeux
Introduction
1. Evolution des standards de télécommunications cellulaires
1.1. Première génération
1.2. Deuxième génération
1.3. Troisième génération
1.4. Quatrième génération
1.5. Cinquième génération
1.6. Conclusion
2. Problématique
2.1. Contrainte architecturale
2.2. Les antennes miniatures
2.2.1. Définition des antennes miniatures
2.2.2. Limitation physique des antennes miniatures
2.2.3. Techniques de miniaturisation
2.2.4. Récapitulatif des techniques de miniaturisation
2.3. Approche retenue: la co-conception
3. Etat de l‟art sur la co-conception
3.1. La co-conception antenne/circuits passifs
3.1.1. La co-conception antenne/filtre
3.1.2. Antenne/circuit d‟adaptation
3.2. La co-conception antenne/circuits actifs
3.2.1. La co-conception antenne/amplificateur de puissance
3.2.2. La co-conception antenne/composants agiles
4. Démarche et organisation du mémoire de thèse
Conclusion
Références du chapitre I
Chapitre II: Etude de l‟Amplificateur de Puissance pour la Co-conception
Introduction
1. Spécification d‟un amplificateur de puissance
1.1. Paramètres d‟un amplificateur de puissance
1.1.1. Puissance
1.1.2. Gain
1.1.3. Rendement
1.2. Linéarité
1.2.1. Caractérisation mono porteuse (CW)
1.2.2. Caractérisation avec un signal à deux tons (intermodulation)
1.2.3. Caractérisation avec un signal modulé
2. Caractérisation de l‟amplificateur de puissance utilisé
2.1. Régime petit signal
2.2. Régime grand signal
2.2.1. Méthode « load pull »
2.3. Conclusion
3. Résultats de simulation
3.1. Description du réseau d‟adaptation
3.2. Comparaison des résultats
4. Solution proposée
4.1. Spécifications de l‟antenne co-conçue
4.1.1. Première configuration
4.1.2. Deuxième configuration
4.1.3. Troisième configuration
4.1.4. Discussion
5. Cahier des charges de l‟antenne
Conclusion
Références du chapitre II
4 Table des Matières
Chapitre III: Co-conception Antenne et Amplificateur de Puissance
Introduction
1. Antenne micro-ruban
1.1. Antenne micro-ruban classique
1.1.1. Présentation
1.1.2. Impédance d‟entrée
1.1.3. Rayonnement
1.2. Antenne micro-ruban avec contrôle d‟harmonique
1.2.1. Contrôle d‟impédance à la fréquence fondamentale f0
1.2.2. Contrôle d‟impédance à la deuxième harmonique 2f0
1.2.3. Performances de l‟antenne micro-ruban avec contrôle d‟harmoniques
2. Co-conception antenne et amplificateur de puissance
2.1. Processus de simulation
2.2. Co-simulation antenne micro-ruban avec contrôle d‟harmonique et PA
2.2.1. Rendement (signal CW)
2.2.2. Linéarité (signal 2 tons)
2.2.3. Conclusion
3. Antenne fil-plaque monopolaire filtrante
3.1. Règles de conception d‟une antenne fil-plaque
3.2. Description de l‟antenne fil-plaque monopolaire filtrante
3.3. Performances de l‟antenne fil-plaque monopolaire filtrante
Conclusion
Références du chapitre III
Chapitre IV: Co-conception Antenne et Composants Agiles
Introduction
1. Antenne fente
1.1. Présentation
1.2. Caractéristiques de l‟antenne fente sélectionnée
1.3. Modélisation par lignes de transmission
1.3.1. Variation de l‟épaisseur du substrat « e »
1.3.2. Variation de la permittivité diélectrique du substrat
1.3.3. Variation de la position de l‟excitation
1.3.4. Variation de la longueur de la fente «Ln»
1.3.5. Variation de la largeur de la fente « Wn »
1.4. Effet de la position de la fente
2. Co-conception antenne fente/composant agile
2.1. Les Composants agiles
2.1.1. Capacité variables en technologies SOI
2.2. Antenne fente intégrant le DTC
2.2.1. Description de l‟antenne fente intégrant la capacité (DTC)
2.2.2. Position de la charge capacitive
2.2.3. Ajout de la charge capacitive
2.2.4. Conclusion
3. Comparaison antenne passive et antenne active
4. Antenne double bande
4.1. Description de l‟antenne double bande
4.2. Antenne double bande reconfigurable
Conclusion Générale
