Chapitre I. Caractérisation fort signal en bande de fréquence millimétrique : État de l’art et
I.3.3. La détection de signaux en bande G
Après avoir étudié les synthétiseurs d’impédance et les sources de puissance commerciaux (ou en cours de développement), nous nous intéressons dans ce paragraphe aux détecteurs de puissance.
Rappelons que lors d’une caractérisation load-pull, la détection du signal est utilisée pour connaître les niveaux de puissance en entrée et en sortie du DST (Figure 26).
Figure 26 : Détecteurs de puissance dans un banc de caractérisation load pull
En entrée, un coupleur est inséré entre la source de puissance et le DST pour connaître la puissance réellement injectée Pin DST. Cependant, ce coupleur vient rajouter des pertes et limiter le niveau de puissance disponible dans le plan du composant à caractériser. Pour ces raisons, nous utiliserons uniquement un détecteur de puissance en sortie. Nous expliquerons dans le chapitre 4 de ce manuscrit, comment remonter à la puissance disponible Pin du DST après épluchage des éléments.
Il existe aujourd’hui plusieurs types de détecteurs de puissance : ceux à base de composants électroniques (diodes et/ou transistors), et les détecteurs de type calorimètre à effet Joule que nous allons maintenant décrire.
• Détecteur de type calorimètre
Pour la mesure de puissance à haute fréquence, l’IEMN dispose d’un calorimètre fabriqué par Virgina Diodes qui est capable de mesurer des niveaux de puissance allant de 1 µW à 200 mW sur une bande de fréquence de 75 GHz à > 3 THz. Le principe de la calorimétrie est basé sur un matériau absorbant qui capte le signal incident et qui induit un échauffement selon la puissance du signal. Ce matériau est relié à une référence thermique dont la température est maintenue à température constante. La différence de température entre l’échauffement du matériau et la référence thermique est mesurée via une thermistance. Cette différence permet de connaître le niveau de puissance du signal injecté. Pour la détection de signaux en dessous de 200 µW les temps de mesures peuvent vite devenir très longs. En effet, entre deux mesures, il faut attendre
• Détecteur de puissance électronique
Les détecteurs de puissance à base de composants électroniques utilisent la jonction PN d’une diode ou d’un transistor bipolaire. Le courant 𝐼𝐷 à travers la jonction PN s’exprime par la
relation : 𝐼𝐷 = 𝐼𝑠(exp ( 𝑉𝐷 𝑉𝑡 ) − 1) = 𝐼𝑠 𝑉𝐷 𝑉𝑡 +𝐼𝑆 2( 𝑉𝐷 𝑉𝑡 ) 2 + ⋯ (I.10)
Avec 𝐼𝑠 le courant de saturation dans la diode, 𝑉𝑡 la tension thermique de la jonction et 𝑛
une constante technologique. Si on exprime le signal RF appliqué en entrée de la diode 𝑉𝐷 = 𝑣𝑅𝐹 = 𝑉𝑎𝑐. cos (𝜔𝑡) alors on peut décomposer le courant à travers la jonction. Ainsi :
𝐼𝐷 = 𝐼𝑠 𝑉𝑎𝑐. cos (𝜔𝑡) 𝑉𝑡 +𝐼𝑆 2. 𝑉𝑎𝑐2 𝑉𝑡2 ( 1 + cos (𝜔𝑡) 2 ) + ⋯ (I.11)
Après filtrage des harmoniques du courant, on obtient une composante statique (𝑉𝑎𝑐2
𝑉𝑡2
⁄ ) indépendante de la fréquence et proportionnelle à la puissance du signal RF Vac. Ce
type de détecteur a l’avantage de proposer un temps de réponse faible ce qui le rend plus compatible à un contexte industriel. Cependant ce type de détecteur est limité en dynamique de détection. Sa sensibilité est limitée par le bruit de la diode et la puissance maximale détectable par l’effet de saturation. A titre d’exemple, Virgina Diode commercialise des détecteurs utilisant des diodes avec une sensibilité de 2000 V/W en bande G mais avec une puissance maximale détectable de -15 dBm [44] (Figure 27).
Figure 27 : Fonction de transfert de Détection de puissance d’une diode commercialisée par VDI, représentant la tension de sortie détectée en fonction de la puissance en entrée à 140 GHz [44]
Au vue de cette faible puissance maximale détectable, ce type de détecteur n’est pas utilisable dans notre application. Ainsi, dans le but de réaliser un banc load pull tout intégré, nous avons aussi réalisé un détecteur de puissance électronique intégré. Les spécifications du détecteur de puissance que nous souhaitons réaliser sont regroupées dans le Tableau 5 suivant :
Min Max
Plage de détection -20 dBm 10 dBm
Bande passante < -10 dB 130 GHz 220 GHz
Niveau de tension détectable en sortie 1 mV /
Tableau 5 : Spécifications du détecteur de puissance
Le détecteur de puissance doit être optimisé autour des niveaux de puissance attendus en sortie du synthétiseur d’impédances soit entre -20 dBm et 10 dBm. L’intégration du détecteur permet également de n’avoir plus qu’une tension statique à mesurer en sortie du banc de caractérisation ce qui rend la mesure plus simple et rapide. Cette tension devra cependant être suffisamment élevée pour être mesurable précisément soit d’au moins 1 mV pour une puissance détectée de – 20 dBm. L’étude de ce circuit fera l’objet du chapitre 3 de ce manuscrit.
Conclusion du Chapitre I
Dans ce chapitre nous avons présenté les différentes méthodes load-pull, passives et actives existantes. Les bancs conventionnels utilisés dans le commerce impliquent des temps de caractérisation très long dus aux nombreuses étapes de calibration de chaque appareil pour remonter aux niveaux de puissance dans le plan du composant sous test. De plus, nous savons que les pertes dues aux connectiques en bande G ne permettent pas de réaliser une caractérisation load-pull conventionnelle avec des équipements sur table. En ce qui concerne le synthétiseur d’impédances, son intégration directe au plus près du DST, permet de l’optimiser pour qu’il génère une constellation d’impédances compatible avec les impédances optimales du DST. Il en est de même des sources de puissance commerciales externes qui compte tenu des pertes dans les câbles et les sondes ne permettent pas de présenter au DST les puissances nécessaires. Là aussi, le choix de son intégration sur silicium au plus près du DST permet de disposer d’une puissance suffisamment importante dans la bande G afin d’amener le DST en zone de fonctionnement non linéaire. Enfin, en ce qui concerne le détecteur de puissance intégré en sortie du tuner, il doit être
L’étude et la conception de ces trois fonctions (la source de puissance, le synthétiseur d’impédances et le détecteur de puissance) en technologie BiCMOS 55nm font l’objet des deux chapitres suivants.