en fréquence. En effet, une large bande passante génère une très faible densité
d’énergie émise et donc offre la possibilité de superposer les émissions UWB aux
émissions traditionnelles (sur-utilisation du spectre).
Il existe plusieurs définitions de l’UWB, mais nous ne retiendrons que celle apportée par la FCC (Federal Communication Commission) [FCC02] qui définit le rapport relatif de la largeur de la bande passante sur la fréquence centrale comme étant supérieur ou égal à 20 % ou une largeur de bande absolue supérieure à 500 MHz.
Le premier avantage de l’UWB est la faible densité d’énergie transmise (<-41.3 dBm/MHz d’après la réglementation FCC). Ainsi, vis à vis des systèmes traditionnels de radiocommunications en bande étroite, les transmissions UWB sont perçues comme du bruit et par conséquent sont très difficilement détectables, d’où leur application dans le domaine militaire.
Le deuxième avantage lié à ce faible niveau d’énergie réside dans le fait de pouvoir superposer les larges bandes de l’UWB aux transmissions en bande étroite et obtenir des débits importants, typiquement 100 Mbit/s à 10-15m, voire 1 Gbit/s à très courte portée.
Les transmissions UWB sont également immunisées face aux problèmes engendrés par les multi-trajets (multipath cancellation effects) observables dans des environnements mobiles ou intérieurs. Ce phénomène de propagation se produit quand des signaux à cause de réflexions multiples atteignent l’antenne de réception par deux ou plusieurs voies. Cela peut engendrer des interférences voire même la perte du signal, mais grâce à la très faible durée des impulsions des signaux UWB, les signaux réfléchis atteignent le récepteur bien après le signal principal. Il ne peut alors y avoir d’interférences.
Les inconvénients de ces systèmes sont peu nombreux. Cependant, on peut citer la concurrence des fibres optiques à haute capacité en terme de débit, mais pour un coût d’exploitation plus important. Les applications de l’UWB peuvent être classées en trois catégories à savoir les systèmes de communication et de mesure, les radars et l’imagerie médicale, et l’automotive.
Les circuits sur lesquels se porte notre intérêt concernent les communications pour lesquelles la puissance maximale autorisée EIRP (Effective Isotropically Radiated Power) par la norme UWB est donnée figure 111. Donc, pour ce genre d’applications, la bande privilégiée s’étend de 3.1 GHz à 10.6 GHz.
Figure 111 : Masque EIRP pour les systèmes de communication.
Pour ce qui concerne la partie radiofréquence, le défi consiste à concevoir des LNA et mélangeurs très large bande et faible consommation. La technologie adoptée vue les applications visées sera une technologie bas coût à haut degré d’intégration (CMOS 0.25μm, CMOS 0.18 μm, …) avec des
longueurs de grille qui permettent la réalisation de circuits RF fonctionnant à quelques dizaines de gigahertzs.
Se pose ensuite le choix du type d’architecture. Un exemple d’amplificateur distribué (figure 112) fabriqué en technologie CMOS 0,18 μm [FRA02] est susceptible de répondre aux besoins des LNA UWB en terme de performances, mais la consommation ainsi que la surface silicium occupée pour ce type d’architecture à ondes travelling sont très souvent prohibitives.
NF
S21
S11
S22
Figure 112 : LNA distribué [FRA02].
Il existe aussi des architectures de LNA source commune à rétroaction parallèle CSSF (Common-Source Shunt-Feedback) (figure 113) en technologie CMOS 0,25 μm [BRU02], mais encore limités en fréquence (2MHz-1,6 GHz).
Figure 113 : LNA CSSF [BRU02].
La solution envisagée consiste à utiliser un amplificateur différentiel source commune avec un réseau accordé [LEE98] [BEH00].
Chapitre 3 Projet de recherche
Figure 114 : LNA à structure cascode [BEH00].
Cependant, l’exemple de la figure 114 en technologie CMOS 0,6 μm montre que sa bande passante est limitée (1,25GHz de bande passante à –10dB), c’est pourquoi avec Jean-Baptiste BEGUERET, nous proposons un LNA source commune dans une configuration cascode avec plusieurs circuits résonants afin d’obtenir la courbe de gain décrite figure 115.
Figure 115 : LNA accordé. Une solution à base de transformateur intégré sera également testée.
L’ensemble de ces axes de recherche sur les nouvelles architectures de récepteur multi-bande et multi-mode préfigure le futur récepteur RFFE (RF Front-End) qui serait totalement intégré sur une seul et même puce silicium, du filtre après l’antenne jusqu’au convertisseur analogique-numérique.
Conclusion
Mon projet de recherche s’applique donc en premier lieu à développer et adapter les activités sur lesquelles je travaille depuis 14 ans, à savoir la conception et la réalisation de circuits (amplificateurs et filtres) micro-ondes pour des applications embarquées sur les répéteurs satellite. Pour illustrer cette volonté, j’ai exposé deux des thèmes de recherche (filtres multimodes en bande Ka et amplificateur de puissance à ondes travelling sur substrat silicium), sachant que j’aurai pu également évoquer le fait d’appliquer la méthode des fréquences réelles au traitement des fréquences harmoniques pour les amplificateurs fortement non-linéaires de puissance.
Les autres axes de recherche présentés sont tous dans le domaine de la conception de circuits dits radiofréquences. La particularité de ces circuits à application téléphonie mobile ou WLAN se situe au niveau des nouvelles techniques de conception qui diffèrent de l’approche classique du concepteur analogique ; en effet, elles font souvent intervenir des caractérisations électromagnétiques afin d’extraire des modèles électriques équivalents (balun, résonateur BAW). De plus, la montée en fréquence pour certaine des applications RF, autorisant des débits plus grands et donc des bandes passantes plus large (UWB), ou encore les systèmes multi-bande et multi-mode (GSM, DCS, PCS WCDMA, bluetooth) nécessitent des circuits d’adaptation multi-bande ou large bande dont certains pourront directement s’inspirer des architectures micro-ondes existantes.
Mon projet de recherche consiste donc à appliquer une approche micro-onde à la conception de circuits intégrés sur silicium. Il ne s’agit évidemment pas de la substituer à l’approche analogique classique, mais au contraire à rendre les deux approches complémentaires, afin qu’elles s’en enrichissent.
Chapitre 3 Projet de recherche