Présentation des Tuners d’impédance

Les systèmes de télécommunications requièrent de plus en plus de compacité tout en intégrant toujours plus de fonctions. Le développement et l’intégration de systèmes reconfigurables, donc adaptables, est devenu indispensable pour satisfaire ces exigences. Parmi ces systèmes de plus en plus complexes, les tuners sont à l’origine du développement de réseaux d’adaptation en puissance reconfigurables.

Les tuners d’impédance sont des circuits produisant différentes impédances. Ils sont généralement constitués de composants actifs comme des diodes, des transistors, des commutateurs et des capacités variables. Cette technologie a déjà fait ses preuves grâce à la faible tension de commande (0-10 V), la vitesse de commutation (ns) et la facilité d’intégration avec d’autres composants. Par contre, ils présentent aussi certains inconvénients majeurs comme la production de bruit, de non-linéarité générée par les composants actifs qui s’ajoutent aux problèmes de fiabilité. De plus, des problèmes de résistance thermique et électrique se traduisent par des pertes thermiques importantes et non compatibles avec des applications portables.

Il existe plusieurs technologies de tuner mais nous nous limiterons dans cette étude à présenter celle développée par le LAAS. Dans la démarche de conception, les tuners sont développés à partir de commutateurs MEMS-RF. Par ailleurs, dans le but de maximiser les performances du tuner en terme notamment de couverture d’impédance, plusieurs paramètres importants entrent en jeu tels que : le nombre de commutateurs, la valeur de la capacité des commutateurs à l’état Haut et à l’état Bas, l’impédance des lignes de transmission, la permittivité diélectrique et la valeur des capacités fixes.

Après optimisation [Bordas08], le nombre de commutateurs qui constituent le tuner, a été limité à six afin de minimiser la complexité du circuit. Conformément à l’étude thermique des commutateurs simples, la configuration parallèle, plus stable thermiquement que la configuration série, a été choisie pour monter les commutateurs. Chaque commutateur est associé à une capacité fixe de type Métal-Isolant-Métal (MIM) qui est répartie sur les quatre ancrages. Cette

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association décrite dans la Figure 139 est appelée « cellule vecteur ». Les commutateurs fonctionnant en tout ou rien suivant l’état Haut ou Bas du pont, le nombre maximal d’impédances synthétisées par le tuner est donc égale à 64 (26_{). Des résistances en germanium,}

intégrées dans la structure de la « cellule vecteur », assurent une valeur d’impédance constante au niveau des commutateurs et les protègent des courts-circuits.

Résistances

Pont Diélectrique

Capacité fixe MIM

Figure 139. Description d’une « cellule varactor » : un commutateur parallèle avec une capacité fixe MIM

Ligne RF Lignes DC d’actionnement des commutateurs Accès RF Micro-commutateur Capacité fixe

Figure 140. Schéma descriptif du Tuner complet constitué de 6 commutateurs avec capacité MIM

Après optimisation de la topologie, la Figure 140 illustre la structure complète du tuner. Ce tuner présente plusieurs avantages, comme une grande bande passante et une grande couverture en impédance, mais a pour inconvénients d’augmenter les pertes et l’encombrement avec l’augmentation du nombre de commutateurs. La conception de ces tuners a été réalisée pour une bande de fréquence autour de 20 GHz.

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2.2. Le dispositif expérimental

L’objectif est de réaliser par thermographie infrarouge, la cartographie thermique de l’échauffement des Tuners MEMS-RF en fonction de la puissance appliquée. L’analyse de l’impact thermique de la puissance d’actionnement sur les différents commutateurs du tuner vise, d’une part à diagnostiquer des problèmes de fiabilité et d’autre part à définir le design optimum pour un maximum de performances.

Les mesures ont été réalisées au LAAS, mais pour des questions d’adaptabilité difficile entre les dispositifs de caractérisation RF et thermique, le banc de thermographie infrarouge n’a pas pu être monté en configuration de résolution maximale. A 0 W, l’image infrarouge en contraste d’émissivité de la Figure 141, donne un bon aperçu de la résolution spatiale atteinte pour les mesures dans cette configuration du banc.

400 µm Figure 141. Image infrarouge du tuner à l’état Off

Le dispositif mis en place permet de corréler, en dynamique, les cartographies thermiques avec le niveau de puissance appliquée ; ainsi il est possible de suivre l’évolution de la température du tuner dans son ensemble mais également dans chacun des six commutateurs constituant le tuner.

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2.3. Caractérisation thermique

L’étude thermique des tuners se déroule en plusieurs étapes : la première phase concerne l’analyse thermique des « cellules varactors » qui constituent le tuner afin de déterminer le comportement thermique des composants en fonction de la puissance appliquée. Ensuite, les profils de température de l’ensemble complet permettront de tester la tenue en puissance et de mettre en évidence d’éventuels problèmes de fiabilité liés à l’intégration des commutateurs.

Analyse des « cellules varactors »

Dans le cas d’applications d’adaptation d’impédance, la tenue en puissance est un paramètre critique. La tenue en puissance des commutateurs avec capacité fixe, développés pour être intégrés dans le tuner, est évaluée par analyse infrarouge. Dans ce cas, les circuits de test sont des wafers ne comportant que des « cellules varactors » indépendantes. La Figure 142 présente leur cartographie thermique obtenue en fonction de la puissance appliquée entre 1 et 4 W. L’échelle colorimétrique de température est identique pour les quatre cas de puissance. L’optimisation du design a permis de concevoir des commutateurs avec un comportement thermique relativement stable. En effet, la température moyenne enregistrée au niveau du pont est de 40°C, quelle que soit la puissance appliquée entre 1 et 4 W. Les images thermiques des « cellules varactors » mettent également en évidence l’échauffement très important au niveau des sondes RF.

Figure 142. Cartographies thermiques des « cellules varactors » avec résistances en Ge, sous puissance de 1 (a), 2(b), 3(c) et 4 W(d).

La stabilité thermique des commutateurs est assurée par les résistances en germanium qui s’échauffent très fortement dès la mise sous puissance. Elles jouent le rôle d’amortisseurs thermiques en concentrant les effets liés à la puissance. La température moyenne des résistances est de l’ordre 267°C ; à cette température les résistances en Ge présentent une bonne stabilité sous puissance, comme l’illustre la Figure 143, à travers leur linéarité thermique dans la gamme de

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puissance testée entre 1 et 4 W. Ceci s’explique par la température de transition très élevée du germanium (840°C) [Ranieri09]. Tous les commutateurs analysés présentent une bonne stabilité thermique sous puissance.

Figure 143. Evolution de la température des résistances en Ge en fonction de la puissance appliquée

Analyse du système complet

Il s’agit à présent d’analyser le comportement thermique sous puissance d’un tuner complet, comportant six « cellules varactors » identiques. La Figure 144 donne la distribution thermique du tuner pour deux cas de puissance 1 W et 2 W. Afin de comparer les deux cartographies, leur échelle de température est identique.

Résistances Ge BCB 450 µm (a) (b) 450 µm C1 C6 C2 C3 _C4 C5

Figure 144. Mesures thermiques d’un tuner à six commutateurs avec capacité fixe sous une puissance de 1 W (a) et 2 W (b)

Sous une puissance de 1 W, il apparait au niveau de chaque « cellule varactor », des zones d’échauffement bien localisées au niveau de la plupart des résistances en germanium. Leur température semble relativement homogène sur toute leur surface (Figure 145), alors que la

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structure de l’ensemble des commutateurs a une température moyenne de 40°C. Par contre, lorsque le tuner est soumis à 2 W, les effets thermiques liés à la puissance deviennent hétérogènes au niveau des résistances, comme l’illustre la Figure 145 présentant l’exemple de la distribution de température dans la résistance en germanium (cerclée en blanc) du commutateur C3 à 1 et 2 W. Alors que l’état thermique est relativement homogène pour une puissance de 1 W, nous observons, pour une puissance de 2 W, un sur-échauffement conséquent et hétérogène au niveau des résistances. La température maximale des résistances mesurée est de 135°C.

Figure 145. Distribution thermique le long de la résistance en germanium de la « cellule varactor » C3 sous une puissance de 1 et 2 W

Les variations de température sont également très différentes entre les commutateurs. Les analyses thermiques réalisées montrent un échauffement intense des résistances de quatre commutateurs (C3, C4, C5 et C6), alors que les deux autres « cellules varactors » (C1 et C2) présentent une température plus faible sous 2 W que sous 1 W, ceci pouvant s’expliquer par le phénomène d’auto-activation des commutateurs. Ceci révèle un problème de fonctionnement du tuner lié à l’intégration des commutateurs dans le circuit. L’histogramme de la Figure 146 donne les valeurs de la température maximale enregistrée dans chacun des six commutateurs pour les deux cas de puissance testée.

Figure 146. Evolution de la température maximale dans les 6 « cellules varactors » du tuner sous une puissance de 1 et 2 W

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Défaillance par auto-activation

Les analyses thermiques ont également permis de mettre en évidence le phénomène d’auto- activation, largement en cause dans les problèmes de fiabilité des commutateurs MEMS-RF. Les films infrarouges, réalisés sous une puissance de 2 W, visualisent les variations de température au niveau des résistances en germanium associées à l’auto-commutation des commutateurs.