Brevet FR2930373A1 — publié le 20091023

Limiteur de puissance à base de MEMS Le domaine de l'invention est celui des limiteurs de puissance dans les gammes hyperfréquences, utilisés pour des applications de télécommunications et notamment dans des radars. De manière générale, un limiteur de fréquence a pour but de couper 5 la circulation d'un signal hyperfréquence si la puissance de ce dernier dépasse un certain seuil, protégeant ainsi les composants situés en aval dudit limiteur. La figure 1 schématise un exemple de dispositif utilisé dans les radars notamment, destiné à limiter la puissance pouvant alimenter des 10 composants à protéger. Il s'agit d'un système de réception/transmission de signaux hyperfréquences couramment appelé T/R module, un système d'émission et de réception de signaux électromagnétiques composé essentiellement de trois étages. Le premier étage, le coeur du système Cl sert à gérer et à traiter 15 les signaux reçus et émis. Le second étage peut être composé d'éléments amplificateurs de puissance 10, 11 et 16. Ces éléments se distribuent en deux fonctionnalités, l'amplificateur de forte puissance couramment dénommé HPA, 11 qui sert à donner de la puissance au signal sortant du premier étage pour être émis par l'antenne et l'amplificateur de puissance 20 faible bruit couramment dénommé LNA, 16 qui sert à amplifier la puissance du signal reçu par l'antenne tout en limitant au maximum les parasites. Ces deux composants sont très sensibles à la puissance reçue par l'antenne. Le LNA dans la mesure où la puissance qui entre dans ce dernier ne doit pas excéder un certain seuil sans quoi le composant est mis à mal et détruit. Le 25 HPA qui dans la mesure où il est toujours branché avec une boucle de retour sur la sortie ne doit en aucun cas recevoir de puissance sur sa sortie si l'on ne veut pas le dégrader voir le détruire. C'est pour cette raison que l'on trouve dans le troisième étage des éléments appelés limiteurs 12 et 15 qui sont des composants électroniques dont la fonction est de couper le signal 30 hyperfréquence si la puissance de celui-ci dépasse un certain seuil. On trouve aussi dans ce troisième étage des éléments appelés circulateurs 13 et 14. Ce sont des composants dits actifs qui dirigent un flux entrant vers une sortie spécifique à l'entrée utilisée. Par exemple du port 1 vers le port 2, du port 2 vers le port 3, d'où ce terme de circulateur. Cela implique physiquement que quelle que soit l'impédance du circuit en sortie, il n'y a pratiquement aucun retour sur l'entrée du circulateur. S'il doit y avoir une réflexion, l'énergie est considérée comme un flux entrant par la première sortie et est donc dirigée vers la sortie suivante, isolant presque parfaitement l'entrée. A l'heure actuelle dans ce type de chaînes de transmission/réception, les limiteurs sont couramment des dispositifs à base de diodes. Cependant ces composants présentent des coûts importants et les pertes engendrées par ces composants sont de l'ordre de 1 dB. Par ailleurs les diodes occupent une part importante de la place dans les systèmes de télécommunications et représentent par la même un frein supplémentaire à la miniaturisation. C'est pour répondre à l'ensemble de ces problèmes que la présente invention propose de remplacer les limiteurs à base de diodes par des microcommutateurs hyperfréquences encore dénommés switch MEMS RF. Plus précisément, l'invention a pour objet un limiteur de puissance comportant une ligne principale avec une entrée pour recevoir une puissance incidente et une sortie, caractérisé en ce que la ligne principale comprend un microcommutateur à actuation électrostatique de type condensateur comportant deux armatures dont la première est une membrane flexible et la seconde comporte au moins une zone de la ligne principale, les deux armatures étant séparées par une épaisseur de vide ou de gaz, ledit microcommutateur comportant en outre deux plans de masse reliés par ladite membrane auto-actionnable par une puissance incidente supérieure à une valeur seuil de manière à mettre en contact ladite zone de la ligne principale et les deux plans de masse et bloquer le signal hyperfréquence. Selon une variante de l'invention, la ligne principale est en or et/ou en cuivre et/ou en alliage de titane/tungstène. Selon une variante de l'invention, le matériau isolant est en PZT ou en ZrO2 ou en Si3N4 ou en tout autre diélectrique dont la permittivité relative sera adapté à la fréquence de travail de l'élément. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 illustre un exemple de module d'émission/réception comportant un limiteur de puissance selon l'art connu ; les figures 2a et 2b illustrent respectivement l'évolution du gap séparant la membrane de la zone de ligne coplanaire en fonction de la tension d'actionnement de ladite membrane et le cycle pouvant être effectué par la membrane sous l'action d'une tension de commande; les figures 3a, 3b, 3c et 3d illustrent un microcommutateur utilisé dans un limiteur de puissance selon l'invention ; la figure 4 illustre une comparaison de l'étage intermédiaire d'une chaîne de transmission/réception intégrant des limiteurs selon l'art connu et selon l'invention. De manière générale, le limiteur de puissance hyperfréquence de l'invention est à base de microcommutateur de type MEMS RF qui 20 présentent notamment les avantages suivants : être très facilement reproductible et ouvrir la voie à des coûts de fabrication beaucoup plus faibles que ceux des diodes classiques ; générer des pertes de l'ordre de 0.1 à 0.2 dB par composant, 25 c'est à dire en moyenne 0.1 dB par limiteur de puissance à base de switch MEMS RF sur une très large bande de fréquence (entre 18 et 19 GHz de bande) ; - être de taille millimétrique typiquement de surface de l'ordre de 2 à 6 mm2) en moyenne 10 fois plus petit que les diodes 30 actuelles. Le limiteur de l'invention comporte ainsi un dispositif très simple comportant une zone appartenant à une ligne principale de transmission. 10 15 Cette zone peut avantageusement être affinée de manière à affiner l'épaisseur de la ligne sous la membrane afin de créer un espace (gap) entre la ligne et la membrane. Typiquement entre 1.5 et 4.5 pm de gap d'air pour une épaisseur de ligne initiale entre 2 et 5 pm. Ainsi la ligne peut être recouverte d'une couche isolante de type diélectrique sans créer de surépaisseur. Une membrane conductrice est suspendue et reliée à deux plans de masse de part et d'autre de la ligne de transmission au dessus de la partie affinée et recouverte de diélectrique. Nous allons décrire ci-après son fonctionnement. De manière générale, un limiteur de puissance hyperfréquence bloque tout passage de signal hyperfréquence si la puissance de celui-ci dépasse un certain seuil. C'est un système que l'on rencontre systématiquement dans les systèmes de télécommunication tels que les téléphones portables mais aussi dans les systèmes sensibles aux attaques électroniques tels que es radars. Dans le cadre de l'invention, il est proposé un limiteur de puissance hyperfréquence à base de microcommutateur MEMS RF à activation électrostatique. Dans ce cas, tout signal hyperfréquence possède une puissance associée qui de fait équivaut à une tension et une intensité efficace. Si la tension efficace du signal dépasse un certain seuil, il se produit un phénomène d'auto-activation de la membrane qui court-circuite le signal hyperfréquence vers la masse, protégeant les composants situés en aval. Selon l'invention, le switch RF MEMS utilisé est composé d'une zone appartenant à la ligne coplanaire et d'une membrane surplombant la ligne et reliant deux plans de masse situés de part et d'autre de la ligne coplanaire. Pour des raisons pratiques la ligne est affinée sous la membrane, cela permet d'éviter de surélever la membrane. Le mouvement de la membrane de ce switch RF MEMS lors de l'actionnement suit le parcours illustré en figure 2a qui fournit la distance de la membrane surplombant la zone de ligne coplanaire en fonction de la tension d'actionnement de ladite membrane. La tension Vp est la tension d'activation (Vp pour Voltage pull) déterminée par l'équation suivante : V = 8kgô 27s0wW où wW est la surface en regard, go le gap initial et k le coefficient de raideur de la membrane. On obtient la tension de relâchement Vr définie selon la formule 5 suivante : J 2k go ù td, td s'eowWE; où td est l'épaisseur de diélectrique séparant la ligne de la membrane et er la permittivité du diélectrique. On obtient le cycle montré en figure 2b pour le mouvement de la membrane en fonction de la tension appliquée. A la puissance du signal traversant le MEMS RF correspond une 15 tension moyenne Veq. Trois cas de configurations sont possibles : • Premier cas : la tension Veq engendrée par le signal est supérieure à la tension Vp, on se trouve dans le cas de l'auto-actionnement pour un switch de cette sorte. Cela signifie que le simple fait de faire 20 passer le signal à travers le MEMS RF provoque son actionnement. • Second cas : la tension Veq est comprise entre les tensions Vr et Vp, on se trouve dans le cas de l'auto-maintient. Cela signifie que le simple fait de faire passer le signal à travers le MEMS RF empêche la membrane de remonter après actionnement, il y a une position d' 25 auto-maintient, sans pour autant provoquer d'auto-actionnement. • Troisième cas : la tension Veq est inférieure à la tension Vr, le MEMS fonctionne de manière simple, le signal ne perturbe pas le fonctionnement du MEMS RF. 30 L'intérêt de la présente invention consiste principalernent dans l'obtention d'un microcommutateur dont la tension d'auto-actionnement est équivalente à la puissance seuil à partir de laquelle on souhaite bloquer le signal hyperfréquence. V =10 Nous allons décrire ci-après un exemple de microcommutateur utilisé dans un limiteur de fréquence selon l'invention : Les figures 3a, 3b, 3c et 3d illustrent respectivement une vue en perspective, une vue en coupe, une vue de dessus avant réalisation de la membrane et une vue de dessus après réalisation de la membrane. Sur un susbtrat de silicium 20, recouvert d'une couche 21 de diélectrique de type SiO2, une ligne hyperfréquence 22 est réalisée typiquement en or, recouverte selon l'art connu d'une couche de diélectrique 23 de type PZT. Les éléments 24a et 24b représentent deux lignes de masses et supportent la membrane constituée d'une couche de matériau conducteur 25. La figure 3c met en évidence la ligne hyperfréquence 22 recouverte d'une couche de matériau piézoélectrique 23, alors que la figure 3d met en évidence la membrane 25 surplombant ladite ligne hyperfréquence 22 recouverte de la couche diélectrique 23. Typiquement les épaisseurs des couches sont respectivement : couche 21 : de l'ordre de 1 à 2 microns ; couche 22 : de l'ordre de 0,5 à 0,7 microns dans la partie affinée, et de 2 à 5 pm dans les parties non-affinées ; couche 23 : de l'ordre de 0,2 à 0.4 microns ; membrane 25 : de l'ordre de 500 à 700 nanomètres. La figure 4 illustre de manière comparative l'étage intermédiaire d'une chaîne de transmission/réception comportant des limiteurs de fréquence selon l'art connu, illustré en figure 4a et selon l'invention illustré en figure 4b, une telle chaîne pouvant typiquement être celle illustrée en figure 1. Le troisième étage de cette chaîne d'émission/réception comporte en sortie de l'amplificateur du signal d'émission un premier limiteur 12b comportant un microcommutateur dont la ligne principale est reliée en entrée à un ensemble de circulateurs 13b+14b pouvant avantageusement être également réalisés à partir de microcommmutateurs et en sortie vers une antenne. Ce troisième étage comporte également pour le signal hyperfréquence de réception un second limiteur 15b dont la ligne principale REVENDICATIONS1. Limiteur de puissance comportant une ligne principale avec une entrée pour recevoir une puissance incidente et une sortie, caractérisé en ce que la ligne principale comprend un microcommutateur à actuation électrostatique de type condensateur comportant deux armatures dont la première est une membrane flexible (25) et la seconde comporte au moins une zone de la ligne principale, les deux armatures étant séparées par une épaisseur de vide ou de gaz, ledit microcommutateur comportant en outre deux plans de masse (24a, 24b) reliés par ladite membrane auto-actionnable par une puissance incidente supérieure à une valeur seuil de manière à mettre en contact ladite zone (23) de la ligne principale et les deux plans de masse et bloquer le signal hyperfréquence. 2. Limiteur de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ligne principale est en or et/ou en cuivre et/ou en alliage de 15 titane/tungstène. 3. Limiteur de puissance selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la ligne principale comporte en outre une couche supérieure en matériau isolant. 4. Limiteur de puissance selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau isolant est en PZT, ou en ZrO2 ou en Si3N4.