Les systèmes de télécommunications sans fils et mobiles: évolution et enjeux actuels

Les systèmes de télécommunications sans fils et mobiles: évolution et enjeux
actuels :

Évolution des systèmes de télécommunications sans fils 

Au fil des dernières décennies, les systèmes d’infonnation et de communication ont connu une crOlssance fulgurante avec un impact considérable sur la sphère socioéconomique. Avec un nombre d’usagers « connectés» en constante progressIOn, les systèmes de communications ont aujourd’hui une influence marquante sur les secteurs de la production et de la consommation en facilitant l’accès à innovation et la création de nouveaux produits et services.

Ces progrès relatifs aux systèmes d’infonnation et de communication sont à mettre au crédit de l’avènement de la microélectronique. Celle-ci a favorisé la démocratisation des technologies autrefois réservées aux applications militaires, en permettant le développement rapide et à grande échelle, d ‘architectures radio évoluées et à coûts réduits. L’exemple le plus remarquable reste le téléphone cellulaire qui dévêtit de sa fonction première (transmission de VOIX uniquement) et de son caractère obsolète des années soixante-dix pour évoluer vers des terminaux mobiles « intelligents », multistandard, multifonctionnels, compacts, et accessibles à un grand public.

Du point de vue de l’architecture des systèmes radiofréquences, cette évolution s’est traduite par une démultiplication des front-end RF ainsi que des composants dédiés au traitement du signal analogique afin de faire face aux multitudes de protocoles et à l’accroissement de la complexité des fonctions intégrées dans un seul dispositif de communication.

Dans ce contexte, la miniaturisation des architectures radiofréquences apparaît comme l’un des enjeux majeurs pour l’industrie des semi-conducteurs dont le leitmotiv est le développement de systèmes électroniques intégrant un maximum de fonctionnalités dans un minimum d’espace.

Les enjeux de la miniaturisation des composants passifs 

Occupant près de 80 % de la surface totale d’une carte électronique et comptant pour 95 % des coûts d’assemblage, les composants passifs (filtres, coupleurs, combineur/diviseurs, adaptateur d’impédance, transformateurs) jouent un rôle primordial dans les systèmes de communication. Leur densité d’intégration constitue un enjeu crucial pour la miniaturisation des architectures radiofréquences car ils ont une influence considérable sur les performances, la taille et le coût du système global. Les solutions traditionnelles d’intégration des composants passifs sont basées sur l’utilisation d’élément discret inductances, capacités, résistances etc. ou de structures planaires à base de lignes de transmissions.

Les techniques de miniaturisation de composants RF passifs basés sur la propagation des ondes électromagnétiques 

Dans les applications radio opérant autour du GHz, l’emploie d’éléments discrets reste limité du fait que ces derniers présentent de fortes valeurs difficiles à intégrer ainsi que des facteurs de qualité relativement faibles. En ce qui concerne les solutions basées sur les lignes de transmissions, elles s’appuient généralement sur différentes techniques de miniaturisation telles que:

– La modification géométrique des structures avec l’introduction de méandres et repliements pour réduire les dimensions physiques des lignes [2] ;
– L’utilisation de substrats à haute permittivité relative permettant d’atténuer la vitesse de l’onde électromagnétique et donc de réduire les longueurs électriques [3] [4] ;
– L’implémentation de ligne de transmissions lignes à ondes lentes qUi sont des structures périodiquement perturbées par des éléments capacitifs ou inductifs [5]. Bien qu’offrant un fort taux de miniaturisation aux fréquences micro-ondes et millimétriques, les composants passifs, même dits compacts, conservent quand même des tailles relativement larges pour des applications telles que la téléphonie mobile, opérant dans la gamme de fréquences 400 MHz -5 GHz. Face à cette problématique, il existe un besoin important en solutions alternatives permettant une miniaturisation poussée des composants passifs afin de faciliter leur adoption dans les systèmes portatifs de communication sans fil.

Les microsystèmes acoustiques comme alternative pour une miniaturisation poussée des composants passifs 

Les microsystèmes acoustiques sont identifiés comme étant une technologie clé pour la miniaturisation des composants passifs. Ils combinent la technologie des microsystèmes RF et la propagation des ondes acoustiques dans un substrat piézoélectrique pour améliorer la compacité des dispositifs passifs applicables aux architectures radiofréquences. Les ondes acoustiques présentent en effet des longueurs d’onde beaucoup pl us courtes (de l’ordre 10³ à 10⁵ fois moins longues) que les longueurs d’onde électriques. Ceci permet de réduire drastiquement la taille physique des circuits. Ces propriétés relatives aux ondes acoustiques ont été exploitées avec un fort taux de succès dans l’implémentation de microsystèmes passifs et compacts que l’on retrouve aujourd’hui dans la plupart des appareils de radio télécommunication. De nos jours, le marché des composants RF acoustiques s’évalue à près de 2 milliards de dollars avec essentiellement des composants tels que: des résonateurs/filtres/duplexeurs à ondes de volume (BA W) ou à ondes de surface (SA W) pour le filtrage RF, des microphones acoustiques, et des oscillateurs programmables. Malgré une large adoption dans les appareils portables actuels, l’application de la technologie acoustique à la miniaturisation des composants passifs complexes tels que les combineurs/diviseurs de puissance, les coupleurs hybrides, reste une solution très peu exploitée actuellement, aussi bien au niveau industriel que de la recherche académique. En d’autres termes, il n’existe sur le marché aucun type de combineur/diviseur de puissance exploitant la propagation des ondes acoustiques. Cette thèse permet de répondre en partie à la problématique de miniaturisation de ces composants complexes en proposant le développement de combineurs/diviseurs de puissance exploitant la propagation des ondes acoustiques.