Nouvelles architectures de «duplexeur» pour les communications sans fil

Avec l’augmentation du nombre de téléphones cellulaires et la grande diversité des besoins des usagers, la communication mobile n’a jamais progressé aussi rapidement. Des milliards de dollars sont investis en recherche à chaque année pour optimiser, pour miniaturiser et pour trouver de nouvelles solutions moins coûteuses afin de combler les besoins d’un marché extrêmement prolifique. De ce fait, une grande partie des recherches est axée sur des composantes électroniques de plus en plus performantes, petites et peu coûteuses.

Considérant le besoin de miniaturiser toutes ces composantes, il est opportun de s’attarder sur celles qui présentent le plus grand volume. Une de ces composantes est le duplexeur. Le duplexeur est habituellement une composante passive fondamentale de tout téléphone cellulaire opérant en mode de duplexage des fréquences (FDD : Frequency Division Duplexing). Il joue le rôle d’interface entre l’émetteur, le récepteur et l’antenne. Le rôle du duplexeur est de faire passer le signal provenant du transmetteur vers l’antenne et d’acheminer le signal reçu par l’antenne vers le récepteur. Idéalement, aucune puissance ne devrait passer du transmetteur directement vers le récepteur et viceversa. Pour ce faire, les duplexeurs utilisent des filtres analogiques dans la majorité des cas. Ainsi, depuis les vingt dernières années, les chercheurs ont surtout concentré la majorité de leurs efforts dans la découverte de nouvelles technologies de filtres et peu dans l’élaboration de différentes topologies de duplexeurs.

Ainsi, ce projet d’étude propose différentes nouvelles topologies de duplexeur. L’ajout de quelques composants contrôlés par voltage à un duplexeur fixe permet à celui-ci d’obtenir un aspect plus intelligent en améliorant significativement ses performances. L’ajout de ces composants se compare aux différentes techniques utilisées pour les amplificateurs à post compensation ifeedforward) qui consistent à introduire une boucle d’annulation (cancellation) des signaux non désirés. La complexité de cette étude ne réside pas dans la compréhension des diverses topologies mais plutôt et surtout dans l’intégration de celles-ci sous une forme réelle et efficace. Ce projet d’étude nécessitait l’utilisation du logiciel ADS de la compagnie Agilent Technologies et une bonne connaissance des différents instruments de mesure tels que l’analyseur de réseau et l’analyseur de spectre afin d’obtenir des mesures très précises. Il fut aussi nécessaire de concevoir et de fabriquer des composants de radiofréquences (RF) tels que des atténuateurs, des déphaseurs variables et des  directionnels pour valider les simulations avec la création et la caractérisation expérimentale de quelques prototypes.

Caractéristiques d’un duplexeur

Le duplexeur est une composante essentielle de tout système de communication sans fil qui opère en mode de duplexage de fréquence (FDD: Frequency Division Duplexing). Il s’agit d’une composante RF passive composée de trois ports: un de transmission, un de réception et un attaché à l’antenne. Il inclut essentiellement deux filtres passe-bande servant à isoler le port de transmission et de réception. Théoriquement, toute la puissance d’un signal provenant du port du transmetteur devrait être acheminée sans perte vers le port de l’antenne où elle sera rayonnée à la fréquence de transmission. De même, toute la puissance d’un signal reçu et provenant du port de l’antenne à la fréquence de réception devrait être acheminée sans perte vers le port de réception. Il va de soi que les fréquences de transmission et de réception sont différentes. Afin d’occuper une petite largeur de bande fréquentielle totale sur le spectre, la bande de fréquence assignée à la transmission est normalement très rapprochée de celle assignée à la réception. De ce fait, l’utilisation du spectre électromagnétique devient plus efficace. Cependant, il est nécessaire de maintenir une grande isolation entre le transmetteur et le récepteur afin d’éviter que ce dernier soit saturé et désensibilisé par la fuite du signal de transmission. De cela découle l’importance de concevoir le duplexeur avec des filtres ayant une très grande réjection.

Isolation et autres caractéristiques 

L’isolation d’un duplexeur définit sa capacité de rejeter la fréquence du transmetteur au port de réception et de rejeter la fréquence de la réception au port du transmetteur. Plus ces filtres auront la capacité de rejeter toutes les fréquences indésirables, meilleure sera alors l’isolation. Le résultat d’une meilleure isolation se traduira par une meilleure sensibilité à la réception donc par une qualité de transmission et de réception accrue : un meilleur rapport signal bruit (SNR) et par conséquent une faible probabilité d’erreur (BER). Ce projet se concentrera surtout sur l’amélioration de cette caractéristique (l’isolation) par l’intermédiaire de diverses techniques et par l’ajout de composants autour d’un duplexeur simple ou d’un circulateur.

Le délai de groupe est la mesure de linéarité de la phase. C’est le temps en secondes que prend un signal pour se propager de l’entrée d’un composant jusqu’à sa sortie. Ce délai est défini comme étant la dérivée de la phase par rapport à la fréquence. Une phase linéaire entraînera un délai de groupe constant. Le délai de groupe est une des caractéristiques qui sera un facteur déterminant sur les performances des nouvelles topologies du duplexeur limitant la largeur de bande.

La puissance maximale est la valeur moyenne de puissance en watt à partir de laquelle les performances du filtre se détériorent. Cette valeur dépend de la technologie utilisée pour réaliser le duplexeur. Pour certaines technologies, le haut niveau de puissance provoque la destruction des filtres ce qui se traduit par une mauvaise réponse en fréquence et par des pertes d’insertion accrues. La majorité des terminaux portables dans les systèmes de communication sans fil utilisent des puissances faibles à modérées. Ceci n’est pas le cas pour les stations de base qui doivent opérer à des puissances plus élevées pour couvrir un plus grand territoire. La majorité de ces puissances utilisées ne sont pas problématiques en soi mais elles doivent être prises en considération lors de la conception.

Performances de divers duplexeurs

La fonction de duplexage peut être assurée par une paire de filtres ou un circulateur. Le circulateur est un circuit à base de matériaux anisotropes et opère sur le principe de nonréciprocité de transmission entre ses ports. Les duplexeurs à base de filtres peuvent être réalisés de plusieurs façons, telles que l’utilisation de composants LC, de cavités, de composants YIG (Yttrium Iron Garnet), de guide d’ondes ou de composants SAW (Surface Acoustic Wave). Chacun de ces filtres possède des avantages et des inconvénients.

Duplexeur à base de filtres YIG 

Les duplexeurs à base de filtres YIG (Yttrium-Iron-Garnet) utilisent dans la majorité du temps deux filtres YIG passe-bande. Certains modèles de duplexeurs utilisent des filtres coupe-bande. Le fonctionnement de ces filtres est lié aux propriétés électromagnétiques anisotropes des cristaux YIG, un matériau ferromagnétique [8]. Ils possèdent une réjection bien supérieure aux filtres LC. Grâce à un système d’alimentation externe, le champ magnétique appliqué à ces filtres peut être ajusté de sorte à balayer leurs réponses fréquentielles sur une large plage de fréquences. Par contre, étant un système actif, ils possèdent un défaut majeur en étant très sensibles à la variation de température, c’est pourquoi le système de contrôle d’un filtre YIG renferme un petit circuit de chauffage afin de le maintenir toujours à la même température. Les applications de haute puissance ne doivent pas privilégier l’utilisation de ces types de filtres. L’utilisation d’une forte puissance de signal entraîne la saturation des filtres donc une grande dégradation des performances de la réponse en fréquence.