Chapitre 1 Contexte de l’étude
5. Outils de conception
Dans ce paragraphe nous présentons les outils de conception utilisés dans le cadre de cette thèse. Ces outils peuvent être classés en trois types : électroniques, électromagnétiques et thermiques.
L’outil de conception électronique que nous avons choisi d’utiliser est le logiciel ADS (Advanced Design System) de la société Agilent Technologies [23]. Cet outil permet de faire des simulations 1D de circuits analogiques hyperfréquences, c'est-à-dire qu’il permet de rendre compte de phénomènes de propagation le long de lignes de transmission voire de guides d’ondes. Il permet la conception de circuits passifs à partir du moment où les discontinuités intervenant dans ces circuits ont été modélisés (schémas équivalents) ainsi que la simulation de performances de circuits actifs linéaires ou non linéaires. Il permet également l’analyse système et la co-simulation analogique/numérique. Du fait de son fort potentiel, cet outil très complet est de plus en plus utilisé dans le monde de la recherche universitaire et industrielle. Il permet d’obtenir un bon accord entre les simulations et mesures, pourvu que chaque entité intervenant dans la simulation soit bien caractérisée (matériaux) ou modélisée (dispersion des structures de propagation, discontinuités couplages parasites...). Nous utiliserons ce simulateur pour la conception des circuits de polarisation et des circuits d’adaptation de l’amplificateur de puissance, ainsi que pour la conception des filtres lorsque le couplage parasites entre éléments du filtre est faible. Dans le cas de structures complexes comportant de forts couplages entre ces éléments où la distribution des champs électromagnétiques a une influence importante sur le fonctionnement du circuit, le simulateur ADS est limité par sa nature 1D et il est nécessaire de faire appel à des simulateurs 2D ou 3D.
En hyperfréquence, les concepteurs raisonnent en terme d'énergie qui se propage le long de guide d'ondes, énergie transmise ou réfléchie, fréquence par fréquence. Outre les outils de
schématique et de ‘’layout’’ qui doivent gérer des objets en trois dimensions, la base d'un outil de CAO en hyperfréquence est le moteur de simulation électromagnétique en 2 ou 3 dimensions. Dans ces conditions, et pour les simulations électromagnétiques, nous avons choisi d’utiliser le logiciel HFSS (High-Frequency Structure Simulator) de la société ANSYS basé sur la méthode des éléments finis. HFSS est l'outil de simulation standard pour la simulation 3D complète des champs électromagnétiques [24]. Ce logiciel est un logiciel « fréquentiel », bien adapté à la conception des circuits « faible bande » que nous étudions. HFSS permet de calculer, en tout point du maillage, les champs électriques et magnétiques et les courants, donc de déterminer les champs proches et, par transformation de Fourier, les champs rayonnés. De ce fait, ce logiciel permet aussi d’avoir une approche plus globale en calculant, pour chaque fréquence d’étude, les paramètres S d’un multipôle de géométrie complexe au prix d’un temps calcul important. Par la suite, ce résultat en paramètres S peut être réintroduit dans ADS pour permettre la simulation d’un dispositif associant un grand nombre d’éléments. Pour aider le concepteur, HFSS génère automatiquement un maillage efficace et précis bien adapté au type de résolution utilisé. Dans la suite de notre travail, nous utilisons HFSS lorsque les structures étudiées sont de géométrie complexe afin de localiser les zones de champs forts et en tirer des conséquences quant à l’évolution possible de cette géométrie. Nous l’utilisons aussi pour prendre en compte les couplages entre éléments liés à la topologie spécifique de circuits (circuits multicouches notamment) et en tirer des paramètres S afin de les réintroduire dans ADS. Nous l’avons enfin utilisé pour la conception des antennes. Pour les outils de conception thermique, nous avons choisi d’utiliser le simulateur 3D COMSOL Multiphysics de la société Groupe COMSOL. Le logiciel COMSOL Multiphysics est, tout comme HFSS, basé aussi sur la méthode des éléments finis alliant généricité (mécaniques des fluides, électromagnétisme, mécaniques des structures, thermique) et puissance de calcul, permettant notamment d'étudier l’'interaction entre différents phénomènes physiques. Il facilite toutes les étapes du processus de modélisation, la définition de la géométrie, la génération du maillage, la résolution, puis la visualisation des résultats [25]. Nous utilisons le simulateur COMSOL, dans la partie des travaux de thèse traitant de la gestion thermique, et notamment pour ce qui concerne la simulation du transfert de chaleur dans les structures étudiées.
Finalement, pour les ‘’layouts’’ des circuits réalisés dans le cadre de thèse, nous avons utilisé les logiciels ADS et HFSS pour extraire les ‘’layouts’’ des circuits simulés sur ces logiciels ou le logiciel ‘’Altium Designer’’ couramment utilisé dans notre Laboratoire.
6.
Conclusion
La variation d’enveloppe des signaux à forte efficacité spectrale donc à forte fluctuation de puissance instantanée, introduit des contraintes importantes sur les caractéristiques de l’amplificateur de puissance notamment sur le rendement et la linéarité. Les caractéristiques entrée sortie de ces amplificateurs doivent être les plus linéaires possible ce, pour des rendements souhaités de plus en plus élevés. Par ailleurs, la consommation et l’encombrement de ces amplificateurs doivent être réduits au maximum.
Le rendement va conditionner la minimisation de la consommation du système et simplifier la gestion thermique. La linéarité est évidemment nécessaire pour respecter l’intégrité du signal transmis et elle est primordiale pour simplifier d’éventuels systèmes de linéarisation associés souvent synonymes de consommation supplémentaire non négligeable.
Pour certaines applications radar utilisant des antennes à balayage électronique, l’influence de l’amplificateur de puissance est importante sur les performances globales de la chaîne d’émission notamment en ce qui concerne les distorsions de phase, celles-ci étant en partie reliées à la gestion de la thermique au niveau de chacun des modules.
Les signaux radiofréquences utilisés dans les systèmes de communication peuvent être divisés en deux types principaux :
Signaux à enveloppe constante : ils utilisent principalement des modulations de fréquence ou de phase non filtrées, comme les modulations Q-PSK ou G-MSK (GSM) ou encore le signal radar. Le PAR pour ces signaux est de 0 dB. De tels signaux peuvent a priori être amplifiés par un amplificateur de puissance non-linéaire à haut rendement.
Signaux à enveloppe variable : ils utilisent principalement des modulations d'amplitude analogiques ou numériques, modulations de phase filtrées etc…, comme les modulations Q-PSK filtré, QAM, OFDM ou encore le WCDMA. Le PAR pour ces signaux varie entre 5 et 11 dB. De tels signaux nécessitent l’utilisation d’un amplificateur de puissance linéaire capable d'amplifier de manière fidèle des signaux à grande dynamique d’enveloppe. Dans le cadre de cette thèse, nous nous plaçons donc dans le cas le plus contraignant à savoir l’étude de modules de puissance intégrés utilisant des modulations numériques complexes et donc capables de transmettre un débit d’information élevé.
L’objectif est de développer de manière maîtrisée des sous ensembles de puissance miniaturisés. Compte tenu de l’état de l’art sur les émetteurs de puissance à haut rendement et des technologies de réalisation présentées, les émetteurs de puissance fortement intégrés sont en général limités à une puissance de sortie inférieure à quelques watts. En considérant les besoins futurs, nous nous intéresserons donc à l’étude de modules de puissance dont la puissance de sortie est de l’ordre de 10 W, réalisés à partir de filières technologiques permettant d’intégrer dans des conditions proches de l’optimal les différentes fonctions passives et actives. Aussi, au vu des applications actuelles, des capacités technologiques et des composants disponibles commercialement, la bande de fréquence a été choisie autour de 2 GHz.
Dans ces conditions, les étapes à franchir pour aboutir à cet objectif sont les suivantes :
L’étude des différentes filières technologiques proposées actuellement au niveau industriel afin de choisir celle permettant d’obtenir le meilleur compromis performance-taille- coût. Ce choix doit être complété par la détermination des paramètres de conception de la
filière technologique retenue afin de pouvoir fiabiliser la conception des modules envisagés. Cette caractérisation des paramètres de conception doit être une caractérisation « après process » des différents matériaux et motifs utiles à la conception.
Le choix et l’étude d’architectures spécifiques d’amplificateurs de puissance permettant d’obtenir un rendement élevé pour des dynamiques du signal d’entrée importantes, ceci afin de minimiser, par la suite, les problèmes de gestion thermique des modules intégrés.
La minimisation de la taille des circuits de refroidissement associés à l’amplificateur qui constitue à l’heure actuelle le frein principal à une plus grande miniaturisation des modules d’émission (antennes thermiquement actives). A ce niveau, il sera particulièrement important d’avoir une approche conjointe électromagnétique et thermique afin de préserver les performances des modules dont nous envisageons la réalisation.
L’optimisation électrique et thermique ainsi que l’intégration des circuits passifs permettant d’obtenir les meilleures performances pour le module émetteur tant au niveau de l’amplificateur lui-même (optimisation des circuits d’adaptation de l’amplificateur de puissance et des circuits passifs intervenant dans l’architecture choisie) que pour les filtres duplexeurs situés entre la sortie de l’amplificateur et l’antenne dont les performances peuvent être impactées de manière importante par la variation de température.
Ces différentes étapes correspondent à la manière dont nous avons structuré les chapitres suivants.