Electronique - Les relais pour les radiofréquences

Les relais pour les radiofréquences
Des approches électromécaniques en voie de miniaturisation aux circuits intégrés Cmos officiant jusqu'à plusieurs gigahertz, les fonctions de commutation de signaux radiofréquences disposent d'un large éventail de techniques plus ou moins exotiques.

Jean-Florent Helie , Electronique Mensuel, le 13/11/2006 à 07h00

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	Sommaire du dossier
	Les relais pour les radiofréquences
	Bien caractériser son besoin

Les applications radio sont portées par des nouveaux types de réseaux de télécommunications et par une intégration toujours plus poussée des terminaux et stations de base. Les utilisateurs de relais électromécaniques à connectique coaxiale et de diodes Pin doivent désormais considérer des alternatives à base de transistors (Mosfet, MesFet ou pHemt), qu'elles soient en technologie arséniure de gallium ou Cmos silicium. La gestion des compromis entre performance et intégration doit également compter avec des initiatives de miniaturisation importantes chez certains fournisseurs de solutions électromécaniques. La complexité des signaux à commuter rend la caractérisation de ces derniers composants sujette à caution, notamment lorsque l'on est exigeant sur le rythme imposé à la commande. Entre une application de commutation d'antennes alternative sur une station de base télécoms et un système de test en production de circuits intégrés, voire un radar militaire, les exigences seront très différentes et cela détermine l'effort de conception porté sur la commande du relais. Or, selon la technologie du produit, les principes électriques et les artefacts qui régissent le fonctionnement de la commande n'ont pas le même impact.

Une intégration maximale
L'époque à laquelle on pensait la technique Cmos impropre aux applications radiofréquences est révolue. C'est au contraire cette technologie qui rend à présent les terminaux mobiles multistandard accessibles au plus grand nombre, grâce à l'économie d'échelle apportée par l'intégration des fonctions RF et mixtes. Aujourd'hui, la technique Cmos est applicable au niveau même de la commutation d'antennes, jusqu'ici réservée aux modules LTCC regroupant passifs et diodes Pin. Cette dernière solution à base de semiconducteurs et de passifs intégrés a grandement profité aux conceptions multi-bandes.

Un GSM quadribande met en oeuvre six chemins RF vers l'antenne : deux pour les bandes d'émission et quatre pour la réception. Les vénérables diodes Pin établies depuis les années soixante-dix présentent des qualités reconnues en termes de pertes d'insertion et de distorsion, mais répondent difficilement à ce type d'intégration. En effet, une diode est nécessaire pour chaque chemin, chacune étant associée à une ligne de transmission et à des passifs de polarisation (condensateurs de blocage du courant continu sur le chemin RF inductances d'alimentation et blocage RF). La complexité croissante des terminaux allant de pair avec des exigences d'encombrement drastiques, les modules à base de diodes Pin semblent déclarer forfait malgré les progrès réalisés. Du GSM quadribande aux systèmes W-CDMA, il faut rajouter à présent deux chemins d'émission supplémentaires. En regard des bandes de fréquence adressables par les différents amplificateurs d'émission et de réception, et de la stratégie de filtrage, un tel système nécessite un commutateur unipolaire à sept directions (SP7T). Pour l'heure, les records d'intégration pour un tel nombre de voies semblent détenus par Peregrine Semiconductor, qui exploite une technique Cmos relativement exotique dans la mesure où elle fait appel à un substrat isolant, gage d'excellentes performances en matière de circuits intégrés RF.

Les commutateurs Cmos large bande, tels que ceux proposés par Analog Devices, sont principalement destinés à répondre aux besoins des appareils utilisant les bandes ISM au-delà de 900 MHz (figure). Cette technologie est bien adaptée aux prérequis pour une faible consommation et des puissances transmises allant jusqu'à 16 dBm.

Un des atouts, inhérent à la technique Cmos, réside dans l'intégration d'un décodeur logique compatible TTL. La polarisation de ces commutateurs est simplifiée : un léger niveau de tension continu peut cependant favoriser la puissance admissible sur les fréquences de l'ordre de la centaine de mégahertz. Il s'agit de limiter la durée de polarisation directe des diodes d'isolation du substrat. Leur plage d'alimentation va de 1,65 à 2,75 V chez Analog Devices. Choisir la tension la plus élevée assure de plus faibles pertes d'insertion, un paramètre à ne pas négliger lorsque l'on choisit de cascader plusieurs commutateurs. C'est souvent le moyen de plus simple de répondre à certaines contraintes d'isolation, par exemple pour la commutation d'oscillateurs. L'utilisation de plusieurs composants limités en fréquence, en lieu et place d'un commutateur très large bande, permettra de fournir un filtrage des harmoniques indésirables. Les produits de la société sont également déclinés selon le caractère dissipatif ou réflectif de leur terminaison, ce qui leur confère une certaine souplesse d'emploi en regard des charges et émetteurs utilisés.

Malgré les intérêts de la technique Cmos, l'utilisation de composants à base d'arséniure de gallium, qu'il s'agisse de MesFet ou pHemt, conserve un certain intérêt pour des pertes en général plus faibles et de meilleures performances en distorsion, ou en regard de la tenue aux décharges électrostatiques. Il n'est pas facile de comparer les techniques d'un produit à l'autre car les données sur la géométrie de la puce devraient être prises en compte. Les circuits étant développés avant tout pour répondre aux besoins de marché ciblés, peu de produits intégrés cherchent à se distinguer, par exemple en proposant un point de compression particulièrement élevé.

Du point de vue de l'utilisateur, pour des composants qui répondent au cahier des charges, c'est la mise en oeuvre qui va se compliquer quelque peu par rapport à un commutateur Cmos. En effet, le Mesfet à l'état de haute impédance demande une tension de grille négative. Certains produits sont adaptés à un emploi en commande positive, mais cela suppose une polarisation particulière de la puce qui se traduit par l'ajout de passifs externes.

Les transistors pHemt sur arséniure de gallium ont pu apporter une réponse aux contraintes d'isolation et autres spécifications d'immunité aux décharges électrostatiques, mais l'impossibilité d'intégrer de la logique de décodage complémentaire oblige à déporter la commande de ces commutateurs sur un second circuit, et pénalise l'intégration lorsqu'un grand nombre de voies est nécessaire. A ce niveau, les fabricants de produits pHemt en arrivent à proposer des circuits de commande en technique Cmos, qualifiée de très intéressante pour piloter les pHemt en mode tension avec peu de courant de fuite vers la grille du commutateur. La technique pHemt reste malgré tout pertinente dès que l'on monte en fréquence, pour qui veut une alternative plus intégrée que les relais électromécaniques.

Un produit de substitution
Huber+Suhner propose de se passer de relais à commande électronique dans un certain nombre d'applications, en mettant à disposition un connecteur doté d'une fonction de commutation mécanique. De manière semblable à ce qui se fait en matière de signaux audio pour commuter écouteurs et haut-parleurs, le PS92-TNC assurera une commutation automatique du signal, par exemple vers une antenne extérieure, immédiatement lors du branchement de cette dernière. La connexion automatique d'une charge fictive en sortie d'amplificateur pourra également être effectuée de manière transparente pour le système.

Une utilisation très répandue des relais RF vise en effet à dévier le signal vers une charge d'atténuation, cette dernière étant souvent plus encombrante que le commutateur lui-même. Teledyne propose pour ce faire une série de relais atténuateurs intégrant un réseau résistif sur substrat d'alumine. Le fabricant caractérise la durée de vie de la fonction d'atténuation complète par une variation inférieure à 0,5 %, dans la bande DC à 1 GHz, après dix millions de cycles d'opération sur une onde à 2 GHz de puissance constante (1 W) à 125°C. La variation est de 1 % sur la bande 1 à 2 GHz et inférieure à 3 % au-delà, jusqu'à 3 GHz.