Monsieur CHARIF Mohamed Fakih d’Itsinkoudi Wachili (Ngazidja) a soutenu avec brio sa thèse de doctorat le jeudi 3 avril à l’ENTS (École nationale supérieure des télécommunications) Paris, avec la Mention Très honorable et les Félicitations du jury .

Les travaux ont porté sur la réalisation d’une puce de surface 6mm2 intégrant 70 transistors permettant de démoduler tous signaux numériques modulés de porteuse comprise dans la bande [1-24]GHz, une première mondiale.

Titre : Conception d’un démodulateur Low IF MMIC multi-mode dans la bande (1-24) GHz utilisant la technique “cinq-port”.

Résumé :

Les systèmes de télécommunications mobiles (GSM900, DCS1800, UMTS,...) utilisent des signaux porteurs radiofréquences (RF) de fréquences 900MHz à 2GHz, ceux de transmission de donnée sans fil (WLAN, Bluetooth, Hiperlan ...) des fréquences de 2.4GHz à 5.8GHz, et ceux de positionnement par satellite (Gallileo, GPS...) des fréquences de 1GHz à 1.5GHz. De plus, les modulations de ces signaux porteurs sont très divers (FSK, PSK, GMSK, QAM, OFDM,...). Pour traiter ces signaux, on utilise actuellement un récepteur adapté respectivement à chacun des signaux porteurs et à leur modulation associée.

L’objectif de cette thèse est de concevoir et de réaliser en technologie monolithique intégrée microonde (MMIC) un démodulateur Low IF de signaux RF pour un récepteur multimode et multibande opérant dans la bande de fréquence [1-24]GHz et permettant de restituer les signaux en bande de base. Ce circuit sera utilisé dans un système multistandard offrant un maximum de service de télécommunication.
Une étude analytique du fonctionnement du démodulateur Low IF large bande nous a permis de déterminer les valeurs requises des phases des trois signaux bandes de base de sortie. A la suite de cette étude, nous avons proposé une architecture de démodulateur large bande intégrable constitué par un circuit générateur de trois voies RF triphasées, un circuit générateur de trois voies OL identiques en phase et en amplitude et enfin un mélangeur bigrille distribué large bande. Ce mélangeur offre un gain de conversion variant de 3.5dB à 1 GHz à -4.5dB à 24GHz pour une puissance OL supérieure 5dB. L’isolation entre les différents accès varie de -39dB à 1GHz à -14dB à 24GHz pour l’isolation OL/RF.
La réalisation du démodulateur large bande a été faite avec la technologie intégrée monolithique micro-onde AsGa ED02AH de la fonderie OMMIC. La surface de la puce est 2mmX3mm. Les mesures ont été effectuées avec la station sous pointe de Telecom Paristech (Télécom Paris). Les pertes de conversion du démodulateur ont été évaluées par connexion aux accès RF et OL de 2 générateurs de signaux CW [1-24]GHz décalés de 100 kHz. Elles varient de -8dB à 10dB pour toute la bande. Les écarts de phase mesurés en sortie respectent la condition de démodulation, ce qui montre que notre démodulateur est multistandard. La restitution de la constellation (BPSK, QPSK, QAM ....) est faite par projection des signaux en bande de base sur une base orthogonale au vecteur parasite résultant des produits d’intermodulation d’ordre 2. La sensibilité estimée du démodulateur est de -70dBm pour un signal QPSK de débit 100kss et une puissance OL supérieure à 5dBm.

Mots-clés : Récepteur Low IF, Mixer large bande, Mixer dual-gate, Mixer distribué, Déphaseur large bande, technique Cinq-port, modulation numérique.

PHOTOS :

ÉCLAIRAGE :

http://www.eudil.fr/eudil/tec35/hyper/hyperc1.htm

Les ondes hyperfréquences

A. Le domaine hyperfréquence ou micro-onde

Qu’est-ce qu’une onde électromagnétique ? C’est la propagation, à la vitesse de la lumière, d’une déformation harmonique des propriétés électriques et magnétiques de l’espace. L’amplitude de cette déformation est ce que l’on appelle la longueur d’onde. On définit également une onde par sa fréquence, c’est-à-dire le rapport entre sa vitesse et sa longueur d’onde. La fréquence (en Hertz) représente la quantité d’ondes passant en un point donné en une seconde.


La figure I-1 décrit les différentes radiations du spectre électromagnétique. Leur dénomination tient à des raisons historiques mais également à la façon dont elles ont été générées. Les frontières entre les différentes radiations sont toutes artificielles. En allant des ondes radio vers les rayons gamma, la longueur d’onde devient plus courte (les ondes deviennent plus pénétrantes), la fréquence augmente (les oscillations nécessaires pour les produire deviennent plus rapides), et l’énergie devient plus élevée (cela demande plus d’énergie pour produire des rayons gamma que cela n’en demande pour les ondes radio). Notons qu’au-delà des rayons gamma se trouvent les rayons cosmiques dont la longueur d’onde est de l’ordre de 1030 Hertz.
Intéressons nous plus en détail au domaine qui nous concerne, celui qui se situe à cheval entre les ondes radio et l’infrarouge : le domaine micro-onde. Bien que la définition du domaine des micro-ondes puisse prêter à contestation, nous le situerons comme appartenant à une bande de fréquences comprises entre 300 MHz et 300 GHz, soit des longueurs d’onde dans l’air ou le vide comprises entre 1 m et 1 mm. Analysons la place qu’occupent les micro-ondes dans le spectre des fréquences des ondes électromagnétiques. On peut y distinguer trois zones pour lesquelles ces ondes, pour être de même nature, ne se distinguent pas moins dans leur manifestation physique. De ce fait, le paramètre d’usage pour caractériser les ondes en question peut varier. De la fréquence de distribution de l’énergie électrique (50 Hertz) jusqu’à celle des télécommunications, on utilise effectivement le terme de fréquence. Dans le domaine de l’infrarouge et de l’optique en revanche, jusqu’aux rayons X, c’est la longueur d’onde dans le vide que l’on considère. Enfin, l’énergie quantique associée à l’onde est plus volontiers utilisée pour caractériser les rayonnements ionisants. A ces trois domaines, sont bien sûr associées deux frontières qui, loin d’être des ruptures, sont de larges zones de recouvrement. En effet, de même que l’ultraviolet et les rayons X relèvent de la double description de l’optique et des rayonnements ionisants, les micro-ondes se situent à une autre frontière, celle des ondes électriques et de l’optique. Cette double appartenance confère aux micro-ondes une richesse particulière : des caractéristiques électriques pour leur production par exemple, des propriétés qui relèvent de l’optique pour leur propagation.
L’image populaire des micro-ondes restera sans doute celle du four du même nom apparu en 1950 dont le principe est de générer des ondes capables de faire vibrer des molécules d’eau assez rapidement pour les échauffer (L’interaction des micro-ondes avec la matière est largement dominée par le mécanisme d’absorption diélectrique, celle-ci étant due aux interactions entre les molécules ou éléments polaires). Ainsi seul les aliments contenant de l’eau sont concernés [1]. Ces fours fonctionnent dans la gamme de fréquence 915 MHz -2,45 GHz.
Les différentes sources de génération d’ondes électromagnétiques sont illustrées sur la figure I-1. Les micro-ondes peuvent quant à elles être créées par le mouvement des électrons dans une petite boîte en métal sous vide. C’est ce qu’on appelle un magnétron, élément présent dans tous les fours micro-ondes. Un découpage plus précis du domaine hyperfréquence a été réalisé : ce sont les bandes IEEE (Institute of Electrotechnical and Electrical Engineers) données par le tableau I-1. Notons qu’il existe d’autres désignations, moins utilisées, comme celles du département de la défense américaine.

B. Particularités des ondes hyperfréquences

Mais pourquoi utiliser des micro-ondes pour les télécommunications et la détection ? Les diverses raisons, qui incitent à l’utilisation d’ondes courtes, peuvent être illustrées par l’exemple de la détection radar [2], dont le principe est d’illuminer une "cible" par des impulsions électromagnétiques pour en récupérer l’écho. Tout d’abord, il y a la concentration de l’énergie rayonnée : plus la longueur de l’onde est faible par rapport aux dimensions de l’aérien, plus le faisceau est étroit, c’est-à-dire meilleure est la directivité de l’onde et donc sa "précision". Le second point a été évoqué précédemment : des obstacles ne peuvent être détectés que si leurs dimensions sont au moins comparables à la longueur d’onde, sinon, l’énergie rayonnée devient trop faible. Pour déceler des éléments petits, les micro-ondes sont donc très appropriées. D’une façon générale, les micro-ondes sont appréciées pour leur large bande passante, leur résolution spatiale élevée et leur grande immunité aux interférences. Toutefois, une conséquence pratique importante de l’interaction des ondes électromagnétiques avec la matière et les différents composés de l’atmosphère est que, seuls certains domaines d’ondes peuvent pénétrer facilement l’atmosphère. Ces régions sont appelées des fenêtres atmosphériques. La figure I-2 illustre cette absorption pour différentes longueurs d’ondes dans l’atmosphère. Ces fenêtres correspondent aux régions où l’altitude de demi-absorption (ou l’atténuation) de l’atmosphère est très faible. Les fenêtres dominantes dans l’atmosphère sont dans le domaine visible, le domaine radio et micro-onde, alors que les rayons X et ultraviolet sont fortement absorbés, et les rayons gamma et l’infrarouge le sont un peu moins.



Les micro-ondes apparaissent donc comme très intéressantes pour les télécommunications, la détection, etc. Soulignons toutefois que ce domaine possède ses propres fenêtres atmosphériques, données en médaillon de la figure I-2. Ces fenêtres vont déterminer les fréquences utilisées pour diverses applications.