Limiteur de puissance hyperfréquence à diode distribuée sous vide

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Electronique durcie

L’utilisation de composants électroniques durcis fait également partie des moyens de protection contre les attaques électromagnétiques. Les composants militaires sont déjà spécifiés dans des domaines de fonctionnement plus larges, conçus pour mieux résister aux radiations. Cependant les LNA même durcis ne supporteront pas les puissances crêtes générées par les sources micro-ondes de fortes puissances.

Destruction de la source hostile

La meilleure méthode de protection contre les armes micro-ondes est de détruire leur source. Dans le cas de sources à impulsion unique, il s’agit de les repérer et de les détruire avant leur déclenchement. Pour des sources à impulsions multiples, leur localisation doit être effectuée tout en étant soumis aux micro-ondes de forte puissance, une désactivation temporaire de la chaîne de repérage n’est donc pas une option.

Eléments de protection

Afin d’assurer le fonctionnement correct d’une chaîne de détection (type radar) lors d’une attaque électromagnétique, un élément de protection doit empêcher la mise en saturation, voire la destruction des éléments radio récepteurs. Le système pourra alors repérer la source hostile afin de la détruire. C’est en particulier le rôle d’un limiteur de puissance.

Limiteurs de puissance

Un limiteur de puissance doit assurer la fonction de protection de la chaîne réceptrice dans le cas où la puissance incidente dépasse un certain seuil. Il doit assurer un fonctionnement correct à basse puissance et effectivement limiter la puissance sortante en dessous d’un certain seuil maximum défini par la puissance maximale admissible par la chaîne en aval.

Position dans une chaîne de transmission

Un limiteur de puissance se place en aval de l’antenne réceptrice et en amont de l’amplificateur à faible bruit comme le montre la Figure 1–5 [Loo04] [Agi99]. Il permet ainsi de protéger la chaîne de réception des attaques de type aveuglement par ondes micro-ondes de forte puissance.

Scénarios envisagés

Deux scénarios militaire et aéronautique sont principalement étudiés.

Applications militaires

Une des applications militaires du limiteur de puissance est la protection du radar de détection et de localisation de véhicules aéroportés. Un des principes mis en œuvre peut être la goniométrie en utilisant plusieurs sources radars comme illustré en Figure 1–6. Un traitement des informations reçues par chaque radar conduit à la localisation exacte du véhicule.

Applications aéronautiques

Un limiteur de puissance peut également être nécessaire dans les applications civiles comportant des puissances RF ou hyperfréquences importantes, par exemple dans le cas de radar d’approche ou bien encore dans les stations sols pour les communications satellitaires.
En effet il est possible que la puissance émise par un système lui soit directement renvoyée, dans le cas d’une réflexion de l’onde sur un obstacle par exemple. Dans le domaine de l’aviation civile, un aéronef peut croiser différentes sources micro-ondes de forte puissance (comme un radar d’approche) et provoquer un disfonctionnement de certains systèmes (incident d’Airship 600 : défaillance moteurs due au champ électrique issu d’un émetteur radio).
La valeur du champ électrique nécessaire pour induire des perturbations sur divers équipements embarqués tels que le TCAS (Traffic alert and Collision Avoidance System) ou l’ILS (Instrument Landing System) a été déterminée dans l’étude de Serafin [Ser05] à environ 6000 V/m dans une plage de fréquences comprises entre 500 MHz et 5 GHz, soit le double des recommandations des aviations civiles Américaine et Européenne en terme de certification sous champs intenses [FAA99].

Etude système

Une rapide étude système comprenant une analyse des scénarios envisageables et un état de l’art succinct des sources micro-ondes de forte puissance conduiront à la définition des spécifications du limiteur de puissance.

Forme d’onde impulsionnelle

Un exemple de forme d’onde à l’entrée d’une antenne soumise à des impulsions de forte puissance est donné en Figure 1–8.
Les paramètres les plus critiques sont les suivants :
• Emax : valeur crête du champ électrique (V/m), lié à la puissance crête.
• trep : période de répétition du signal (s).
• tpul : durée d’impulsion (s).

Performances de sources HPM

Le Tableau 1–1 présente une synthèse des performances (puissance crête P , fréquences f et durée d’impulsion tpul) de sources micro-ondes de forte puissance développées par différents pays. La plupart de ces données font référence à des dispositifs conçus il y a plusieurs années. Les caractéristiques des dispositifs militaires récents sont difficiles à obtenir pour des raisons évidentes de confidentialité.
Les sources présentées sont de type conventionnelles (c’est-à-dire non nucléaires) et génèrent des impulsions périodiques. Les sources mises en gras sont quant à elles à usage unique ou ayant une période très longue de répétition. L’évolution de ces sources tend vers leur miniaturisation, ainsi certaines sources pesant moins de 10 kg (250 g dans le cas de la Figure 1–9) deviennent facilement transportables [Shi05]. Ces sources miniaturisées posent alors un problème important de sécurité.

Régimes de fonctionnement

Un limiteur de puissance idéal doit présenter des pertes quasi nulles à faible puissance afin de ne pas perturber les systèmes en aval. Par contre dans le cas où la puissance incidente dépasserait un certain seuil, le limiteur de puissance doit dissiper le surplus de puissance. Les pertes du composant augmentent donc et doivent dans le cas idéal être proportionnelles à la puissance incidente. Ceci permettra de maintenir la puissance du signal arrivant sur les chaînes d’amplification en dessous d’une valeur maximale. Une caractéristique d’un limiteur idéal se trouve sur la Figure 1–13.
Le surplus de puissance peut :
• Etre dissipé par le limiteur.
• Etre détourné vers un circuit secondaire.
• Etre renvoyé vers l’antenne par réflexion partielle.
Ce dernier cas présente le plus d’inconvénients pour une application militaire. En effet, le signal réémis peut permettre la localisation exacte par l’adversaire des équipements à protéger. Ce n’est donc pas la solution privilégiée.
Le deuxième cas peut présenter des avantages, puisque l’analyse du signal aveuglant peut permettre de connaître la nature de la source émettrice. Par contre, le limiteur doit réagir suffisamment rapidement pour détourner le signal vers ce circuit secondaire d’analyse qui peut être remplacé par un atténuateur et une charge.
Finalement, la première solution semble être la plus simple à mettre en œuvre. Toutefois, le limiteur de puissance doit être suffisamment robuste pour résister aux IEM et aux ondes de forte puissance.

Etat de l’art des limiteurs de puissance existants

A la vue des caractéristiques en puissance d’un limiteur, il est nécessaire d’utiliser des composants ou des phénomènes non linéaires afin de remplir la fonction désirée. La première solution est donc d’utiliser des diodes semi-conductrices. Il s’agit de la méthode la plus répandue et qui est aussi commercialement disponible.
D’autres solutions telles que l’utilisation de matériaux avancés (supraconducteurs, ferroélectriques et ferromagnétiques) ont également été mis en œuvre. Des composants basés sur des éclateurs à gaz (Spark Gaps) ou bien électromécaniques sont de même possibles.
La plupart de ces solutions utilisent une topologie de dérivation de l’énergie à partir d’une ligne de transmission (Figure 1–14). La ligne de transmission est court-circuitée par l’élément limitant lorsque la puissance devient trop importante. Cette topologie n’est valable que pour les éléments discrets. Pour des éléments distribués comme avec les matériaux « actifs », c’est la ligne elle-même qui devient limitatrice.

Limiteurs à diodes semi-conductrices

La topologie de base la plus souvent employée dans le cadre de limiteurs de puissance à base de diodes semi-conductrices est illustrée en Figure 1–15. Des diodes sont placées de manière anti-parallèle à une ligne de transmission. Dès que le signal incident génère une tension dépassant la tension seuil des diodes, elles se mettent à conduire et à dissiper le surplus de puissance.
Les diodes utilisées peuvent être des diodes Schottky [Ben05], à avalanche [Adl92] ou bien encore de type PIN [Agi99] et sont le plus souvent placées de façon à dériver une ligne de type micro ruban ou coplanaire. En effet, il s’agit d’une méthode simple et économique pour fabriquer des limiteurs de puissance. Il existe aussi des limiteurs de type guide d’ondes qui demandent une construction plus sophistiquée [Dro99].
Les performances de ces limiteurs dépendent grandement du type de semi-conducteur utilisé ainsi que du dimensionnement des diodes. Différentes études sur la tenue en puissance des diodes silicium [Sta03] ou arséniure de gallium [Smi99] ont ainsi été conduites.
L’équipe de Smith de Raytheon Systems a ainsi évalué la tenue maximale en puissance des diodes GaAs à 1 GHz en utilisant la topologie de la Figure 1–15 pour le cas « double », où deux diodes sont mises en série (soit quatre diodes au total) ou bien la configuration « single » avec une diode simple, permettant ainsi d’obtenir deux seuils de déclenchements différents [Smi99]. Le seuil obtenu en plaçant deux diodes en série étant le double de celui obtenu avec une seule diode, la puissance dans le cas double est donc quatre fois supérieure à celle du cas simple (soit une différence de 6 dB).
Les résultats de ces mesures se trouvent sur la Figure 1–16. La tenue en puissance des diodes est clairement dépendante de leur largeur de jonction (comprise entre 15 µm et 50 µm). Plus cette largeur est importante, plus les diodes sont capables de supporter de puissance. De plus, la différence de seuil entre les configurations simple et double est bien de l’ordre de 6 dB. Malgré cela, les diodes ne supporteront pas des puissances supérieures à 10 W CW (correspondant à 40 dBm sur le graphe).
La même équipe a également étudié en 2002 la durée de vie ces limiteurs soumis à différentes puissances RF pendant différentes durées [Smi02]. Les résultats de cette étude se trouvent sur la Figure 1–17. Les composants utilisés alors étaient d’ores et déjà dimensionnés pour supporter de fortes puissances, les plus grandes dimensions de jonctions étant 3 fois supérieures à celle de l’étude de 1999. Malgré cela, les composants n’ont qu’une durée de vie très limitée au-delà de 10 W CW (moins d’une heure à 42 dBm, soit 16 W).
La fiabilité de tels composants soumis à des ondes pulsées a été étudiée par Stanislawiak de Thales Air Defence [Sta03]. Contrairement à l’étude de Smith, l’étude de Stanislawiak a porté sur des diodes PIN en silicium. Il est montré que soumis à des impulsions de 200 µs et 200 W crêtes, la température de jonction des diodes s’élevait à 137°C, ce qui est proche de la limite de fonctionnement des composants silicium. Des impulsions de plus fortes puissances pourront donc détruire ces composants, obligeant à recourir à de nouveaux matériaux comme le carbure de silicium (SiC) ou le nitrure de gallium (GaN). Le temps de réponse des limiteurs silicium a également été étudié par modélisation et simulation [Cav99] et évalué à 0,1 µs.
Il est également possible d’optimiser la topologie des limiteurs de puissance afin d’augmenter leur tenue en puissance. Il est ainsi possible de recourir à des limiteurs à étages multiples utilisant un nombre différent de diodes en série (Figure 1–18). Chaque étage ne dissipant qu’une partie de la puissance [Smi99] [Ben05].

Limiteurs à matériaux supraconducteurs

Une étude de limiteur de puissance basé sur des matériaux supraconducteurs dits « haute température » a été récemment conduite par l’équipe de Booth au NIST [Boo03] [Boo04]. Elle est basée sur une brusque augmentation de la résistivité du matériau avec la température. Dans ce cas, la ligne de transmission est elle-même constituée par ce matériau comme décrit en Figure 1–19. Ce principe de limiteur a été breveté en 1996 [Cad96].
Ici le supraconducteur, le YBa2Cu3O7-δ (YBCO), est déposé par ablation laser (PLD) sur un substrat de saphir. Il est ensuite usiné par faisceau d’ions (FIB) pour former une ligne coplanaire.
Ces dispositifs fonctionnent à basse température, 70K dans le cas du YBCO, et doivent donc être refroidis. L’augmentation de la température du conducteur provoquée par le passage de la puissance RF entraîne la transition du matériau de l’état supraconducteur vers un état normal. Une courbe d’atténuation dans ces deux cas et une courbe de mesures en puissance à 3 GHz sont présentées sur la Figure 1–20. Ainsi une élévation de température de 25 K provoque une importante augmentation des pertes linéiques à plus de 100 dB/cm à 40 GHz.
Le supraconducteur refroidi à 70 K permet de limiter la puissance de sortie à moins de 20 dBm pour des puissances incidentes de 40 dBm à 3 GHz. De plus, s’agissant d’un supraconducteur, les pertes initiales sont minimes (moins de 0,5 dB/cm) pour des fréquences allant jusqu’à 40 GHz. Mais l’expérience effectuée par Booth étant conduite dans une chambre cryogénique continuellement refroidie par hélium liquide, le matériau ne peut s’échauffer au-delà d’une certaine valeur de température. Le mécanisme de refroidissement participe donc à la tenue en puissance du dispositif. En effet, sans contrôle de la température, l’échauffement par le signal RF pourrait engendrer la destruction du conducteur.
Le temps de réponse du dispositif a lui été évalué à moins de 1 µs (Figure 1–21). Malgré ces bonnes performances, la mise en œuvre de tels dispositifs reste délicate. En effet, le processus de fabrication est assez coûteux et un dispositif de refroidissement est nécessaire.

Limiteurs à matériaux ferroélectriques

Les limiteurs utilisant des matériaux ferroélectriques sont basés sur la mise en parallèle d’une capacité ferroélectrique, variable avec le champ électrique, avec une ligne de transmission (Figure 1–22). La valeur de la capacité dépend de la permittivité du matériau ferroélectrique.
La variation de la capacité va conduire à la réflexion partielle du signal incident due à une désadaptation d’impédance ou bien à la dissipation du signal vers la masse pour de fortes valeurs de capacité. C’est ainsi que des études effectuées sur le PbTiO3 ont montré la possibilité de l’utiliser en tant que matériau limiteur. La variation de sa permittivité en fonction du champ électrique est donnée sur la Figure 1–23. Elle est basée sur l’étude de Cohn de 1965 [Coh65].
Le réglage de la permittivité du PbTiO3 a donc conduit l’équipe de Cohn mais aussi celle d’Horton [Hor67] à étudier les limiteurs de puissance ferroélectriques. Les performances de ces structures à 1 GHz montrent une limitation à partir de 200 W environ et une puissance de sortie stabilisée à 80 W, ce qui reste nettement supérieur à la puissance maximum admissible par les amplificateurs de type LNA. Cependant, les progrès obtenus dans la synthèse des matériaux ferroélectriques laissent à penser que ces valeurs peuvent être réduites dans le futur. Un brevet concernant un limiteur ferroélectrique a ainsi été déposé en 1996 par Das [Das96].

Limiteurs à matériaux ferromagnétiques

Des études dans les années 1960 ont été menées sur l’utilisation de matériaux ferromagnétiques dans des applications de type limiteur de puissance. Leur principe est basé sur la saturation d’un matériau magnétique par un champ magnétique de forte valeur dépendant de la puissance incidente.
Un schéma de principe, illustré en Figure 1–25, montre une ligne de transmission à laquelle a été associé un matériau de type ferromagnétique interagissant avec le champ magnétique induit par la ligne. La puissance augmentant, le champ magnétique s’intensifie et provoque la saturation du matériau magnétique à partir d’un certain seuil. L’excès de puissance est dissipé par le matériau sous forme calorifique.
La Figure 1–26 décrit une expérience menée par Krokstad en 1965 [Kro65]. Une cavité coaxiale a été chargée par un matériau ferromagnétique refroidi, un cristal de ferrite YIG (Yttrium Iron Garnet). La mesure s’effectuant avec un seul port, la puissance réfléchie sera dépendante des pertes dans la cavité. Les courbes de mesure à 2,1 GHz montrent une stabilisation de la valeur de puissance réfléchie malgré l’augmentation de la puissance incidente se traduisant par de plus fortes pertes dans la cavité. Le seuil de puissance incidente et les pertes peuvent être modulés par la position du matériau dans la cavité.
D’autres topologies de limiteurs à base de matériaux ferromagnétiques ont également été étudiées. Il est ainsi possible d’associer ces composants dans des cavités coaxiales résonantes [Bro62] ou bien de les inclure dans la synthèse de filtres / limiteurs [Com64]. Les résultats de ces études sont similaires à ceux de Krokstad en terme de fréquences, puissances maximums et puissances seuils.
La réponse temporelle de ces limiteurs n’a pas été étudiée dans les articles précités. Un limiteur ferromagnétique refroidi à basse température a été étudié par Sansalone [San61] à relativement faible puissance et à 3 GHz. Les réponses temporelles (Figure 1–27) de l’expérience décrite montrent de forts pics transitoires de puissance en sortie du limiteur avant limitation effective. Le temps de réponse est très supérieur à la microseconde. De plus ces pics de puissance peuvent contribuer à endommager les circuits situés en aval. Le limiteur ferromagnétique ne remplit donc pas toutes les fonctions nécessaires à la protection des équipements.

Limiteurs utilisant des éclateurs à gaz

Les éclateurs à gaz sont principalement utilisés pour protéger les lignes de transmissions (téléphoniques, alimentations…) des surtensions, le plus souvent produites par la foudre ou la mise en marche d’équipements lourds tels que des moteurs. Le circuit de protection de base est illustré sur la Figure 1–28.
Un éclateur à gaz est l’équivalent d’une capacité à basse puissance. Mais lorsque la tension à ses bornes est suffisamment élevée, le champ électrique devient assez intense pour ioniser un gaz. Un arc électrique se forme alors, transformant la capacité en résistance de faible valeur le temps de la décharge. Une fois l’énergie dissipée, l’arc électrique disparaît et le composant revient à son état initial.
Les éclateurs à gaz existent sous forme de composants discrets. Bien que leurs performances hautes fréquences ne soient pas adaptées aux applications de type radar, ils permettent déjà d’évaluer les avantages et inconvénients de ce type de structures. C’est ainsi que les caractéristiques temporelles d’éclateurs d’Epcos [Epc04] sur la Figure 1–29 montrent une bonne suppression des pics de tension suivie d’une dégradation du signal. Ceci est dû à une hystérésis dans la caractéristique du composant. En effet la tension de déclenchement est beaucoup plus élevée que la tension d’extinction de l’arc électrique. Malgré cela, leur tenue en puissance est bonne (plusieurs centaines de kilowatts crête) et n’est seulement limitée que par la dissipation thermique du packaging.
L’évaluation de ces structures à des fréquences micro-ondes jusqu’à 4 GHz a été effectuée par Bönisch à l’université de Berlin [Bon03]. Le but de cette étude était d’estimer les performances de ces éclateurs à gaz dans des applications de type protection contre les décharges électrostatiques. Le temps de réponse de leur structure a été évalué à 60 ps. L’apparition de l’arc électrique est donc quasi instantanée. La tenue dans le temps de ces dispositifs n’est limitée que par l’érosion des électrodes par les décharges successives.
Une autre variante de ce type de dispositifs est le limiteur à plasma. L’équipe de Patel [Pat89] a conçu un limiteur à plasma basé sur une ligne micro ruban suspendue et fonctionnant jusqu’à 18 GHz. Le dispositif est encapsulé dans un gaz à faible champ de claquage avec une source radioactive facilitant l’ionisation du gaz, réduisant ainsi les seuils à la centaine de watts.

Structures micro électromécaniques

Les structures de type MEMS-RF ont connu un développement important dans les années 1990-2000 avec l’essor des télécommunications. Les commutateurs MEMS-RF destinés à remplacer les composants de type diodes PIN ont été largement étudiés. Les travaux actuels se concentrent sur leur fiabilité et plus particulièrement sur leur tenue en puissance.
C’est ainsi que sont apparus des composants voisins des commutateurs MEMS-RF, tels que des détecteurs de puissance [Fer03]. En effet, avec l’augmentation de la puissance incidente, les structures mécaniques sont soumises à une force électrique dynamique non négligeable. En les dimensionnant correctement, il est possible de provoquer leur déplacement en injectant un signal RF de forte puissance. C’est ainsi que les détecteurs de puissance capacitifs fonctionnent, en exploitant un effet non désiré pour les applications de type commutateur. L’équipe de Ferndandez a ainsi montré une variation de capacité en fonction de la puissance incidente à partir d’environ 10 dBm (Figure 1–30). Le gap d’air entre la ligne RF et la partie mobile n’étant que de 1,7 µm, il est probable que pour des puissances supérieures à 30 dBm, la structure vienne court-circuiter la ligne RF.

Table des matières

Chapitre 1 : Méthodes de protection de systèmes radiorécepteurs
I Introduction
II Généralités et évolution des systèmes de guerre électronique
II.1 Chaîne de transmission radiofréquence
II.2 Scénarios d’attaques micro ondes
II.3 Méthodes de protection
III Limiteurs de puissance
III.1 Position dans une chaîne de transmission
III.2 Scénarios envisagés
III.3 Etude système
III.4 Régimes de fonctionnement
III.5 Etat de l’art des limiteurs de puissance existants
IV Conclusion
V Références
Chapitre 2 : Phénomènes d’émission électronique et applications
I Introduction
II Electronique sous vide
II.1 Historique rapide
II.2 Comparaisons des composants solides et sous vide
II.3 Applications usuelles de l’électronique sous vide
III Emission électronique
III.1 Généralités
III.2 Emission de champ
IV Avalanche électronique et effets de charge
IV.1 Ionisation gazeuse
IV.2 Décharges électriques
IV.3 Loi de Paschen
IV.4 Loi de Child-Langmuir
IV.5 Loi de Richardson-Dushman
IV.6 Décharges sous champs variables
IV.7 Synthèse des phénomènes d’émission électronique
V Axes de recherches
V.1 Miniaturisation de cathodes
V.2 Synthèse de nouveaux matériaux
VI Conclusion
VII Références
Chapitre 3 : Limiteur de puissance hyperfréquence à diode distribuée sous vide
I Introduction
II Concept et principes
II.1 Rappel : position du limiteur dans une chaîne de radioréception
II.2 Concept du limiteur de puissance à diodes distribuées
II.3 Principes et phénomènes de dissipation de puissance
II.4 Redondance des structures
III Outils de simulations
III.1 Outils de simulation électromagnétique statique
III.2 Outils de simulation électromagnétique RF
III.3 Outils de simulation particulaire
IV Conception et dimensionnement
IV.1 Dimensionnement de lignes de transmission sur silicium
IV.2 Conception de diodes à vide
IV.3 Répartition des éléments dissipatifs
IV.4 Contraintes hyperfréquences
IV.5 Simulations électromagnétiques
IV.6 Simulations particulaires
IV.7 Performances hyperfréquences
IV.8 Simulations thermiques
V Modélisation électrique
VI Mise en évidence des phénomènes d’émission électronique et de décharges
VI.1 Structures de référence
VI.2 Caractérisations électrostatiques
VII Conclusion
VIII Références
Chapitre 4 : Fabrication et encapsulation sous vide ou sous atmosphère contrôlée
I Introduction
II Encapsulation
II.1 Méthodes d’encapsulation
II.2 Etanchéité et herméticité d’encapsulations niveau tranche
II.3 Performances électriques hyperfréquences et interconnexions
III Couplage électromagnétique à travers un substrat
III.1 Principe
III.2 Méthodes possibles
III.3 Dimensionnement de structures de couplage capacitif
III.4 Simulations par la méthode des moments
III.5 Caractérisation de structures de test et comparaison aux modèles
IV Mise en oeuvre : fabrication du limiteur et caractérisation de l’encapsulation
IV.1 Procédé de fabrication
IV.2 Caractérisation du procédé fabrication
IV.3 Etanchéité de l’encapsulation
IV.4 Herméticité de l’encapsulation
IV.5 Analyse de la pression résiduelle
V Applications possibles de l’interconnexion par couplage électromagnétique
V.1 Systèmes abandonnés
V.2 Systèmes multi puces
V.3 Composants 3D
VI Conclusion
VII Références
Chapitre 5 : Caractérisation hyperfréquence de limiteurs encapsulés
I Introduction
II Caractérisations préliminaires basse puissance
II.1 Banc de mesure vectorielle large bande
II.2 Méthodes de calibration et précision de mesure
II.3 Mesures vectorielles de limiteurs encapsulés
II.4 Banc de mesure scalaire large bande
II.5 Comparaison mesures scalaires et vectorielles
III Caractérisations en puissance
III.1 Eléments de base d’une chaîne de mesure en puissance
III.2 Banc de mesure scalaire haute puissance impulsionnel
III.3 Mesures en puissance
IV Conclusion
Conclusion
Liste de publications

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