Développement et intégration de MEMS RF dans les
architectures d’amplificateur faible bruit reconfigurables

Les circuits reconfigurables 

Chaîne de réception RF et intérêts de la reconfigurabilité

 L’engouement actuel pour les communications sans fil grand public comme la téléphonie mobile avec le GSM, le GPRS, et l’UMTS ou bien les communications entre divers appareils électroniques (Bluetooth, WIFI,…) imposent à l’industrie d’innover afin d’améliorer les performances et réduire les coûts de production. En effet les modules hyperfréquences doivent de plus en plus présenter non seulement des performances électriques sans cesse améliorées (bruit, linéarité, consommation) mais aussi des fonctionnalités nouvelles (réglages, reconfigurabilité, fonctionnement multi-standard) ainsi que des compacités améliorées et des coûts de fabrication les plus réduits possibles. Les perspectives apportées par l’utilisation des technologies SiGe permettent d’envisager la réalisation de circuits intégrés jusqu’aux fréquences millimétriques mais cela ne suffira certainement pas pour satisfaire aux exigences du futur. De nos jours les téléphones portables sont devenus multi fonctions (Figure I. 1) avec lecteur de musique mp3, console de jeux, agenda et bien sur toutes les fonctions liées aux radiofréquences. La Figure I. 2 propose une vue de l’intérieur de ce téléphone portable avec les différents blocks correspondants aux diverses fonctions. Nous pouvons constater que les parties électroniques traitant les communications radiofréquences occupent près d’un tiers de Chapitre 1 : Architectures de circuits reconfigurables à base de MEMS RF – 16 – la surface disponible, ce qui démontre l’intérêt de travailler sur ces architectures afin de gagner sur la surface occupée. Figure I. 2: Intérieur d’un téléphone mobile multi fonctions. Mais pour cela il faut comprendre pourquoi ces circuits occupent autant de surface et une partie de la réponse est donnée sur la Figure I. 3, qui présente le schéma électrique d’un module de réception RF bi-bande GSM / DCS. Nous pouvons constater que la plupart des composants (LNA, PA, SAW FILTER,…) sont présents deux fois, c’est-à-dire qu’une chaîne de réception RF propre est attribuée à chaque bande de fréquence. Il est donc intéressant d’envisager des architectures où ces composants seraient reconfigurables et permettraient un fonctionnement sur l’une ou l’autre bande fréquentielle (ces dernières ne sont jamais utilisées en même temps mais plutôt par alternance suivant la disponibilité des réseaux). Nous aurions alors un gain significatif en terme de surface occupée qui se traduirait par une minimisation du coût de fabrication, dans la limite où les nouvelles architectures soient d’un coût équivalent aux anciennes. Cet aspect de reconfigurabilité sera d’autant plus attrayant que de nouvelles normes fréquentielles font leur apparition (UMTS, GPRS, 3G,…) et que les nouveaux récepteurs devront donc gérer non pas deux fréquences mais sans doute plus de quatre fréquences avec toutes les conséquences en terme de surface occupée. Pour optimiser cette surface occupée, on pourrait simplement profiter des progrès technologiques réalisés chaque jour en microélectronique qui consistent à réduire la taille des composants élémentaires. Mais dans le futur, nous serions alors confronté à une limitation technologique. On peut aussi songer en introduisant de nouveaux composants à optimiser les récepteurs RF avec le développement de nouvelles architectures reconfigurables qui apporteraient de réels avantages en matière de performance. Figure I. 3 : Schéma électrique d’un récepteur RF bi-bande. Pour ces nouvelles topologies reconfigurables, deux approches peuvent être considérées. La première consisterait à introduire des commutateurs permettant la commutation du signal RF vers les différents éléments de la chaîne de réception RF ou bien de commuter le signal entre divers réseaux d’adaptation. Comme le montre la figure 1 .3 où l’on peut voir les deux commutateurs Tx/Rx, leur utilisation est déjà mise en œuvre et donne satisfaction. La deuxième approche serait d’introduire des composants variables (capacités ou inductances) au niveau même des éléments de la chaîne de réception RF, qui modifieraient le fonctionnement de ces circuits en modifiant les caractéristiques des réseaux d’adaptation. Quelque soit la méthodologie retenue, les composants introduits devront donc être variables et compatibles avec les procédés technologiques des circuits intégrés à base d’hétérostructures SiGe. Nous allons présenter dans le paragraphe suivant quelques composants permettant d’aller dans le sens de la reconfigurabilité des circuits radiofréquences. Chapitre 1 : Architectures de circuits reconfigurables à base de MEMS RF 

Composants permettant d’introduire la fonction de reconfigurabilité 

Afin d’introduire la notion de reconfigurabilité et pouvoir définir de nouvelles architectures, de nombreux composants sont disponibles sur le marché. L’objectif de ces paragraphes est d’expliciter et d’évaluer ces différentes technologies. Nous présenterons en premier lieu des composants issus des filières microélectroniques classiques tels que des commutateurs FET ou bien des Diodes PIN et ensuite nous verrons les performances actuelles des composants MEMS RF en présentant quelques réalisations comme des commutateurs ou des varactors. Pour finir nous porterons quelques conclusions sur ces composants. 1) Les composants intégrés Il existe de nombreuses publications présentant des commutateurs ou des capacités variables réalisés sur des filières technologiques classiques comme les technologies AsGa ou SiGe. Nous allons commencer notre étude par les commutateurs de signaux radiofréquences. Comme nous l’avons vu précédemment sur la figure 1.3, des commutateurs sont déjà utilisés dans les chaînes de réception RF et sont en charge de commuter le signal RF entre la chaîne de réception et celle de transmission (d’où leur dénomination Switch Tx/Rx). La première famille de commutateurs RF est constituée par les diodes PIN [6]..[8]. Ces composants sont très souvent utilisés dans les systèmes RF et peuvent couvrir des plages fréquentielles allant des fréquences HF aux fréquences millimétriques. Leurs bonnes performances leur ont permis d’être utilisés autant dans les applications à faible consommation que dans les applications fortes puissances telles que les applications militaires. La Figure I. 4 présente deux configurations de commutateurs à base de diodes PIN [9], une configuration série et une configuration parallèle. Dans le cas du commutateur série, la diode PIN présente une faible impédance lorsqu’elle est polarisée et permet ainsi le passage du signal RF sans perturbation. Lorsque la diode n’est pas polarisée ou polarisée en inverse, elle présente une forte impédance causant la réflexion du signal RF. En ce qui concerne le commutateur parallèle, le fonctionnement est l’inverse du fonctionnement série: lorsque la diode est polarisée, elle présente une faible impédance et le signal est alors réfléchi, tandis que lorsqu’elle est non polarisée ou polarisée négativement, le signal RF peut passer.