Electronique - Les filtres à ondes de surface

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Les filtres à ondes de surface
Petit, efficace et robuste, le filtre à ondes de surface s'est imposé comme l'élément incontournable des systèmes de communications sans fil, et plus particulièrement des équipements portables. Cet engouement s'explique par ses atouts en coût, taille et performances directement dérivés de ses propriétés physiques.

Hélène Trézéguet , Electronique Mensuel, le 18/04/2005 à 07h00

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	Sommaire du dossier
	Les filtres à ondes de surface
	Bien établir les priorités du système

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Pour comprendre l'impact des filtres à ondes de surface dans le domaine des radiocommunications, il faut revenir à leur principe de base. Ces composants transforment via un transducteur les ondes électro-magnétiques entrantes en ondes acoustiques. Celles-ci se propagent à faible vitesse (v < < c: vitesse de la lumière) en surface du milieu piézoélectrique d'une longueur l fixe constituant le filtre. En sortie, la transformation inverse est effectuée : acoustique vers électromagnétique (figure 1). Les ondes acoustiques (SAW pour surface acoustic waves, d'où l'appellation de filtre SAW) évoluent en surface du substrat, suivant le mode de propagation d'une déformation dans un solide (mode de Rayleigh), avec un temps de propagation égal au rapport de l sur v.

La longueur d'onde ? associée est de la forme v/f, f étant la fréquence. Comme la vitesse v est de quelques km/s (typiquement 3 km/s), la valeur de l est faible permettant une longueur l de substrat de petite taille. Par exemple, une onde électromagnétique de fréquence 100 MHz a une longueur d'onde de trois mètres dans l'air qui devient, en acoustique, une valeur de ? de trente microns dans un filtre SAW. De plus, les transducteurs d'entrée et de sortie sont constitués d'électrodes métalliques en forme de peigne aux doigts entrelacés (interdigités) dont l'écartement est de l'ordre de l/4 ; la réponse en fréquence du filtre va dépendre directement du jeu d'électrodes. Résultat : une fonction filtre est réalisée par un composant qui, en taille et en procédé de fabrication (photolithographie), appartient au domaine des semiconducteurs (production en fort volume de puces économiques et reproductibles). Cette technologie apporte une solution pour réaliser un filtre efficace miniaturisé dans un petit boîtier.

La gamme de fréquences des filtres à ondes de surface s'étend de 70 MHz à 2,4 GHz. Au-dessus des 2,4 GHz, l'intervalle entre les doigts des électrodes devient trop petit pour la photolithographie ; au-dessous des 70 MHz, la longueur l du substrat est de plus en plus grande, annulant l'effet « filtre miniature » : il est alors préférable d'opter pour d'autres solutions concurrentes.

Avec la structure d'électrodes interdigitées, la réponse impulsionnelle du filtre ainsi réalisé est définie par la géométrie du transducteur d'entrée. La longueur du chevauchement des doigts entrelacés (apodisation) détermine l'amplitude de cette réponse impulsionnelle et l'espacement entre ces doigts établit la loi en phase du filtre, généralement linéaire en fréquence. La réponse fréquentielle est du type (sinf/f) ² , soit la caractéristique d'un filtre passe-bande. Le choix du matériau piézoélectrique a également son importance puisqu'il fixe la vitesse de propagation de l'onde acoustique, conditionne la stabilité en température et, par le biais de son coefficient de couplage électro-mécanique, limite plus ou moins les réflexions d'ondes indésirables.

Pour réduire, voire éliminer, les ondes réfléchies parasites, un élément absorbant est placé aux deux extrémités du substrat piézoélectrique. En effet, l'architecture élémentaire du filtre à ondes de surface, telle qu'elle est présentée sur la figure 1, est intrinsèquement bidirectionnelle puisque les électrodes en entrée et en sortie envoient la même énergie dans les deux sens de propagation opposés. Ainsi, côté entrée, seule la moitié de l'énergie atteint le transducteur de sortie qui, réciproquement, n'en reconvertit que la moitié en énergie électrique ; ainsi 6 dB de pertes sont inhérents à cette structure.

L'incontournable des radiocommunications
Il y a vingt ans, les filtres à ondes de surface ont fait leurs débuts dans des applications militaires tels les équipements radar (lignes à retard, filtres de bande...). Leur première manifestation commerciale est intervenue dans les récepteurs TV, mais ils ont connu leur véritable heure de gloire en devenant les composants indispensables des systèmes de communications sans fil. Ils ont deux positions stratégiques : soit en tant que filtre RF (ou filtre de tête ou encore filtre d'antenne) placé près de l'antenne pour sélectionner la fréquence attendue (téléphone cellulaire, GPS, WLan...) ; soit comme filtre FI ou filtre de fréquence intermédiaire. Les filtres RF couvrent la gamme de fréquence entre 400 MHz et 2,4 GHz, les versions FI s'attribuent la plage de 70 à 400 MHz. Vu l'explosion commerciale des systèmes de radiocommunications numériques, les téléphones cellulaires en tête, l'immense succès actuel des filtres à ondes de surface est une évidence. Et même si l'adoption de la conversion directe dans les téléphones portables fait marquer le pas du côté des filtres FI, les fournisseurs restent très optimistes, d'une part, parce que les ventes de filtres RF se portent très bien, d'autre part, car les filtres FI vont retrouver un créneau confortable dans de prochaines applications comme l'UMTS.

Outre l'énorme marché de la téléphonie cellulaire, les systèmes de communications sans fil les plus divers sont dépendants de ces filtres : réseaux locaux sans fil (WLan), communications par satellite, GPS, sans oublier toutes les applications dans les domaines automobile, industriel et de la domotique (alarme, télécom mande, ouverture des portes, interphone...). A ce sujet, Fabrice Vincent, directeur de Frank & Schulte, prévoit deux secteurs de forte croissance dans les années à venir : l'un concerne la domotique qui indubitablement doit prendre son envol ; l'autre viendra du système GPS européen Galileo avec même des modules bimodes.

Performances croissantes, tailles décroissantes
Nombre des avantages des filtres à ondes de surface sont dérivés de leur structure physique. Ils sont compacts, intrinsèquement robustes, fiables et reproductibles à fort volume. La fréquence centrale des filtres et leur réponse en fréquence étant établies par procédé de photolithographie, ils nécessitent peu, voire généralement pas, d'opérations de réglage. En outre, leurs techniques de fabrication étant celles en usage dans l'industrie du circuit intégré, ils sont parfaitement adaptés à une production en grande série avec un rapport prix/performance sans équivalent. Enfin, à travers plusieurs architectures possibles, ces filtres sont aptes à répondre aux spécifications les plus diverses, notamment en matière de sélectivité.

Le seul inconvénient notable lié à la structure même du filtre à ondes de surface est la perte d'insertion. D'autant plus que, dans la réalité, plusieurs effets secondaires, comme un mauvais couplage, des réflexions parasites, ou un problème d'adaptation d'impédance, font passer la perte d'insertion théorique de 6 dB à une plage de 15 à 30 dB.

Mais, stimulés par les contraintes imposées par leurs applications phares dans les radiocommunications mobiles, les filtres ont su évoluer. Une des contraintes consiste à accroître l'autonomie des dispositifs qui les intègrent, donc à diminuer les pertes. Pour un filtre RF, des pertes d'insertion élevées affectent le facteur de bruit, obligent à une amplification et donc grèvent la consommation. De nombreuses architectures de filtres SAW ont été développées pour réduire ces pertes d'insertion. Citons, à titre d'exemple, la plus efficace d'entre elles, le filtre unidirectionnel ou SPUDT (single phase unidirectional transducer). Il contient des réflecteurs acoustiques au sein même de ses électrodes interdigitées qui servent à rediriger la plupart de l'énergie acoustique, normalement perdue dans une architecture bidirectionnelle classique. Ainsi les pertes sont limitées entre 2 et 15 dB.

Plus généralement, la figure 2 présente les principales architectures existantes. Il s'agit toujours de dispositifs passe-bande. La structure élémentaire bidirectionnelle que nous avons vue jusqu'ici, avec une paire de transducteurs interdigités (d'où son nom 2IDT pour interdigital transducers) uniformes et similaires, correspond à un filtre classique, dit transversal. Son principal atout est la possibilité de contrôler de façon indépendante les réponses en amplitude, en phase et en temps de groupe. De tels filtres sont caractérisés par de faibles ondulations en amplitude (0,1 à 1 dB), des variations de temps de groupe relativement limitées (5 à 250 ns), une large bande passante, des flancs raides et une bonne atténuation hors-bande. Dans cette catégorie de filtres transversaux, on distingue deux autres structures : la version IIDT (à 4 transducteurs) à pertes d'insertion réduites et la SPUDT, décrite précédemment, également pour de faibles pertes d'insertion.

Mais le problème avec l'architecture transversale est qu'il est délicat de trouver le bon compromis entre les trois caractéristiques principales : bande passante, pertes d'insertion et variation du temps de groupe. En effet, si la bande passante est large, les pertes d'insertion sont importantes et, si la variation du temps de groupe est faible, il faut élargir la bande passante. Là intervient l'alternative au filtre transversal, le SAW du type résonateur, qui permet un excellent compromis entre ces trois caractéristiques. Il allie faibles pertes d'insertion et bande passante étroite. La cavité résonnante est obtenue en insérant le transducteur entre deux réflecteurs acoustiques. Le filtre est réalisé en couplant acoustiquement et/ ou électriquement les cavités résonnantes. Suivant le mode de couplage, il existe trois groupes : longitudinal avec une bande passante moyenne ; transversal avec une bande passante étroite et filtre en échelle pour une plus large bande passante. Notons que, contrairement aux filtres transversaux classiques, ceux de type résonateur ne permettent pas un contrôle indépendant de l'amplitude et de la phase. De plus, la réponse impulsionnelle étant infinie, ils affichent de fortes variations du retard de groupe dans la bande.

L'autre point sur lequel il y a eu beaucoup de progrès ces dernières années est la taille des boîtiers. L'encombrement d'un filtre SAW pour un téléphone cellulaire est passé de 3,8 x 3 x 8 mm à 2,5 x 2 x 1,15 entre 1992 et 2000. Depuis, les grands constructeurs du domaine n'ont cessé de mettre à profit les techniques d'encapsulation les plus avancées pour réduire encore l'empreinte de leurs filtres : technique de montage sur puce retournée (flip-chip), connexion directe au boîtier éliminant les fils de liaison. Aujourd'hui, des volumes de 2 x 1,6 x 0,6 mm sont fréquents. AVX/ Kyocera, Murata, Triquint, Samsung Electro-Mechanics ou encore Epcos se distinguent avec des boîtiers d'un peu plus d'un millimètre en longueur et largeur et du demi-millimètre en hauteur (figure 3). Et tous les espoirs sont permis avec la soudure de tranche par liaisons covalentes, technologie mise au point par l'américain Ziptronic ( Electronique n° 143, p. 48). Une autre manière de gagner de la place dans les systèmes consiste à intégrer deux filtres dans un même boîtier pour les applications bi-bandes.