Résonateurs à Ondes Acoustiques Guidées sur Miroir de Bragg

De nos jours les systèmes de communication prennent une place de plus en plus importante dans notre environnement. Entre autres, le marché de la téléphonie mobile est un marché qui croit de façon exponentielle avec une augmentation annuelle moyenne comprise entre 20 et 30% depuis les années 1990. Selon certains analystes [Rep06a], plus d’un milliard de téléphones mobiles ont été vendus dans le monde sur l’année 2006 , dont la moitié pour cause de renouvellement. Jamais aucun produit d’une telle complexité n’avait été vendu à un tel volume annuel dans l’histoire de l’industrie électronique. On estime ainsi que sur environ 6.5 milliards d’habitants sur Terre 2.75 milliards ont déjà souscrit à un abonnement téléphonique.

En plus de la téléphonie mobile, les appareils communicants sont de plus en plus utilisés dans la domotique. Dans ce domaine en pleine croissance, souvent dénommé « Home Automation » ou maison autonome, on utilise en général des appareils (capteurs, contrôleurs, …) connectés entre eux par un réseau sans fil [Wir].

Deux besoins majeurs se posent dans de tels systèmes :

– Pouvoir faire communiquer un grand nombre d’appareils simultanément,
– Pouvoir envoyer le plus de données possibles par unité de temps.
Pour y arriver, il est devenu nécessaire d’allouer des tranches de fréquence appelées bandes d’émission et de réception à différents types d’appareils communicants. Chacune de ces bandes correspond à une application. L’allocation des bandes de fréquence est réglementée.

Des filtres sont utilisés pour limiter l’émission et la réception des données uniquement dans le canal alloué. Des oscillateurs génèrent des signaux de référence aux fréquences correspondantes. Ces filtres et ces oscillateurs étaient composés à l’origine de circuits LC, mais avec le besoin croissant d’augmenter le débit de communication, la diminution de la consommation des circuits, les contraintes de diminution de la taille des appareils et de réduction des coûts (coût de fabrication et d’assemblage des composants) et avec le fait que ce type de composants intégré présente de fortes pertes aux fréquences considérées, la tendance a changé. D’autres composants ont alors vu le jour comme les filtres à quartz et autres composants à ondes acoustiques tels que les SAW (Surface Acoustic Wave Resonator ou résonateurs à ondes de surface) et plus récemment les BAW (Bulk Acoustic Wave ou résonateurs à ondes de volume).

Ces contraintes poussent également à une co-intégration poussée des différents composants. C’est de plus en plus le cas pour les parties actives, comme les amplificateurs qui tirent partie des progrès de l’électronique sur silicium, mais pas pour les composants passifs acoustiques (SAW ou BAW) qui restent distincts. Pour les filtres SAW, ceci est dû au fait que les spécifications de chaque filtre imposent l’utilisation d’un certain type de substrat piézoélectrique, et rend donc difficile la co integration de plusieurs filtres sur une même puce. Pour les filtres BAW, qui utilisent des substrats silicium, le frein à la co-intégration provient du fait que la fréquence est entièrement déterminée par les épaisseurs des matériaux déposés : une fabrication spécifique est donc nécessaire pour chaque filtre. Les filtres sont donc nécessairement fabriqués séparément, augmentant considérablement le coût d’assemblage. Dans les architectures combinant les filtres d’antenne SAW ou BAW (étage haute-fréquence ou RF) pour leur large bande passante et les filtres SAW comme filtres en fréquence intermédiaire (étage FI) pour le filtrage de canal, l’impossibilité de co-intégrer ces deux types de composant impose la séparation des étages RF et FI car leurs technologies ne sont pas compatibles entre elles et/ou avec la technologie des circuits intégrés (substrats exotiques pour les SAW, approche above-IC non rentable pour les BAW). Alexandre Volatier, dans ses travaux de thèse [Vol07], a montré la possibilité de cointégrer des résonateurs à ondes de Lamb (permettant de réaliser des filtres en fréquence intermédiaire) avec des résonateurs BAW-FBAR (pour Film Bulk Acoustic Resonator) : résonateurs à ondes de volume réalisés sous forme de membranes suspendues au-dessus du sustrat). Toutefois, depuis cette thèse, STMicroelectronics et le CEA-Leti se sont concentrés sur une technologie SMR (pour Solidly Mounted Resonator) : résonateurs à ondes de volume utilisant un miroir acoustique plutôt qu’une membrane pour isoler acoustiquement le résonateur du substrat). Le but de mes travaux consiste à présent à reproduire un schéma similaire : réaliser des résonateurs analogues aux résonateurs à ondes de Lamb, mais cette fois-ci cointegrables avec des résonateurs BAW-SMR.

Architectures de récepteurs 

Cette section présente les architectures radio-fréquence (RF) les plus utilisées de nos jours. L’étude de ces architectures permettra de déterminer les fonctions électroniques envisageables avec les résonateurs et notamment avec ceux utilisant les ondes acoustiques. De nos jours, la majorité des architectures comporte deux voix de communication, une pour émettre les données (émetteur), l’autre pour recevoir les données (récepeteur). Un contact (switch) commandé par l’électronique permet de choisir d’émettre ou de récevoir uniquement à un instant t (half-duplex). Dans le cas de l’émission, le signal issu de l’antenne est filtré pour garder les données en rapport avec la bande d’utilisation de l’application réalisée. Ce signal est en général très faible et doit être amplifié par un amplificateur faible bruit. La bande étant subdivisée en plusieurs gammes de fréquences (appéleés canaux) beaucoup moins larges que la bande principale, un deuxième filtrage est effectué pour récuperer les données des canaux d’utilisation. La subdivision de la bande principale en canaux permet, dans le cas de certaines techniques de modulation comme la modulation OFDM [XP09], à plusieurs appareils utilisant la même bande principale, de communiquer simultanément (multiplexage) sans risque d’interférences. Ou de transmettre des données plus efficacement par rapport aux perturbations volontaires ou involontaires du milieu de transmission comme dans le cas de la modulation DSSS (Direct-sequence Spread Spectrum). Dans le cas de certains types de modulation, comme la modulation OFDM, deux canaux peuvent être utilisés pour réaliser une communication full-duplex entre deux appareils (un canal par direction de communication). Pour faciliter la conception des filtres de canal, certaines architectures utilisent le décalage de la bande de fréquence vers les basses fréquences en utilisant des circuits mélangeurs (mixer en anglais).

Récepteur superhétérodyne

Le principe du récepteur superhétérodyne est basé sur le changement de la fréquence porteuse du signal reçu de l’antenne (aussi désigné par signal RF) . Ce signal est filtré par un filtre passe-bande, large bande, qui peut être un filtre à ondes acoustiques de surface SAW  ou à ondes acoustiques de volume BAW . Le signal est ensuite amplifié par un LNA (Low Noise Amplifier) puis envoyé vers un mélangeur. Le mélangeur effectue la multiplication du signal par un signal à fréquence déterminée, généré par un oscillateur local. Le produit de cette multiplication est le mélange :

– D’un signal à une fréquence porteuse égale à la somme des fréquences du signal RF et du signal de l’oscillateur. Ce signal est filtré par le filtre de canal. Ce filtre est aussi appelé filtre réjecteur d’image.
– D’un signal à une fréquence porteuse égale à la différence des fréquences des deux signaux. Ce signal est appelé signal fréquence intermédiaire (FI) et est fixe quelque soit la fréquence porteuse du signal RF centré sur la fréquence porteuse du canal désiré.

Ce signal est ensuite envoyé en bande de base pour le traitement des données. Il peut éventuellement être amplifié à l’aide d’un amplificateur à gain contrôlé afin de réduire la dynamique du signal imposée aux blocs suivants, avant d’être envoyé à la bande de base. Le choix de la fréquence intermédiaire résulte d’un compromis entre la réjection de la fréquence image, nécessitant une FI élevée et la sélectivité du canal, nécessitant une FI faible. Lorsque la FI est grande, la réjection de la fréquence image est aisée mais il est difficile d’obtenir une bonne sélectivité. Un meilleur compromis est de fixer la FI entre 5 et 10% de la fréquence RF. Dans certaines spécifications, comme celles concernant les récepteurs ondes courtes, de signaux radar ou de satellite, ou dans les applications de téléphonie professionnelle (Tetrapole) ou de télécommunication (réseaux de données), il arrive que le compromis entre la sélectivité et la réjection de la fréquence image, soit très fort. Dans ce cas on utilise deux ou plusieurs étages de changement de fréquence du signal. La raison principale est que les technologies existantes de nos jours permettent de réaliser des composants de filtrage à une bande passante étroite et des flancs très raides .

Table des matières

Introduction générale
I État de l’Art des Composants et des Architectures RF
1 État de l’art des résonateurs micro-mécaniques (MEMS) et acoustiques
1.1 Architectures de récepteurs
1.1.1 Récepteur superhétérodyne
1.1.2 Récepteur à conversion directe ou zéro-FI
1.1.3 Récepteur à faible fréquence intermédiaire
1.1.4 Récepteur multistandard
1.2 Fonctions et spécifications associées
1.2.1 Filtres
1.2.1.1 Filtrage large bande
1.2.1.2 Filtrage de canal direct
1.2.2 Oscillateurs
1.3 Études des composants réalisant les fonctions
1.3.1 Composants passifs discrets
1.3.2 Composants acoustiques
1.3.2.1 Motivation pour les composants à ondes acoustiques
1.3.2.2 Principe de base des résonateurs à ondes acoustiques
1.3.2.3 Les oscillateurs et les filtres à Quartz
1.3.2.4 Composants à ondes acoustiques de surface (SAW)
1.3.2.5 Résonateurs BAW (Bulk Acoustic Wave)
1.3.2.6 Résonateurs à ondes de Lamb et à ondes guidées
1.3.3 Résonateur MEMS
1.3.3.1 Résonateur électromécanique à actionnement électrostatique
1.3.3.2 Résonateurs électromécaniques à actionnement piézoélectrique
1.3.4 Résonateurs à ondes de Lamb et à ondes guidées
1.3.4.1 Résonateur à ondes de Lamb
1.3.4.2 Résonateur à ondes acoustiques guidées
1.4 Conclusion
II Étude Théorique
2 Ondes acoustiques guidées
2.1 Ondes de Lamb
2.1.1 Élasticité linéaire : Loi de Hooke
2.1.2 Élasticité dynamique : Propagation
2.1.3 Ondes de Lamb, relations de dispersion
2.1.4 Guide d’onde piézoélectrique : Problématiques
2.2 Ondes évanescentes dans le substrat
2.2.1 Condition d’obtention d’ondes évanescentes dans le substrat : loi de Snell-Descrates
2.2.2 Première méthode : Obtention d’évanescence par création d’ondes de Love ou d’ondes de Lamb généralisées
2.2.3 Deuxième méthode : Obtention d’évanescence en utilisant une structure guidante multi-couches
2.2.3.1 Courbe de dispersion et structure multi-couches
2.2.3.2 Simulation numérique
2.2.3.3 Choix des épaisseurs pour une évanescence des ondes acoustiques plus forte dans le substrat
2.2.3.4 Validation de l’isolement du substrat
2.2.3.5 Limites de la méthode de ralentissement des ondes
2.3 Utilisation d’un miroir de Bragg désaccordé
2.3.1 Introduction
2.3.2 Modélisation : méthode de la matrice de réflexion
2.3.3 Utilisation de la méthode de la matrice de réflexion : dimensionnement
2.3.4 Calcul de la réponse d’un résonateur utilisant des peignes interdigités
2.4 Conclusion
III Conclusions

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