Brevet FR2926417A1 — publié le 20090717

-1- FILTRE D'AMPLIFICATION DE PUISSANCE DE SIGNAUX RADIOFREQUENCE DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rattache au domaine des modules d'amplification électronique utilisés dans le cadre de chaînes de traitement et d'amplification du signal, en particulier pour les terminaux de communication mobile. Elle vise plus particulièrement une architecture d'amplificateur utilisant des composants de type résonateurs à ondes acoustiques de volume, permettant d'optimiser la consommation énergétique en relation avec des performances et une qualité d'amplification. TECHNIQUES ANTERIEURES De nombreux appareils de communication mobiles, tel que téléphones portables et autres terminaux informatiques fonctionnent par l'émission et la réception d'ondes dans la bande de fréquence radio. Ces appareils comportent un module d'émission qui délivre à une antenne un signal élaboré à partir des signaux de données, généralement numériques. En termes de performance, ces modules d'émission doivent être analysés par rapport à différents paramètres. Ainsi, dans la mesure où les appareils qu'ils équipent sont fréquemment portables, un critère important concerne leur consommation d'énergie, puisqu'elle a une influence directe sur l'autonomie de l'appareil. Une faible consommation énergétique est donc généralement recherchée. Par ailleurs, pour des raisons d'occupation spectrale, les signaux subissent avant émission des opérations de modulation tant en phase qu'en amplitude. Or, les signaux à amplitude non constante, ou à enveloppe variable, imposent généralement des contraintes sur le type d'amplificateur à utiliser. En effet, pour éviter les distorsions, on préfère utiliser des amplificateurs à réponse linéaire pour amplifier les signaux d'amplitude non constante. Or, les amplificateurs linéaires sont malheureusement moins performants en termes de consommation d'énergie que les amplificateurs à caractéristique non linéaire. Par ailleurs, compte tenu de la densité d'occupation des systèmes de communication qui partagent la même gamme de fréquence, il est essentiel que les systèmes d'émission ne génèrent que très peu de parasites dans les bandes de fréquences avoisinantes, et mettant en oeuvre un filtrage très sélectif en sortie. A ce jour, certaines techniques ont été élaborées pour permettre l'utilisation d'amplificateurs non linéaires pour amplifier des signaux d'amplitude non constante. Une technique connue sous le terme d"'outphasing" permet d'aboutir à des résultats satisfaisants. Ainsi, cette technique consiste, à partir d'un signal d'amplitude variable, à générer deux signaux d'amplitude constante, mais dont le déphasage est lui variable en fonction de l'amplitude du signal d'origine. Ces deux signaux intermédiaires, qui possèdent une amplitude constante peuvent ainsi être amplifiés par des amplificateurs à caractéristique non linéaire, sans risque d'introduire de distorsions de signal, puisque l'information d'amplitude n'est plus porteuse d'information. Ces deux signaux intermédiaires sont ainsi additionnés par un étage de recombinaison. Grâce au déphasage opposé des deux signaux intermédiaires, cette recombinaison permet d'obtenir en sortie un signal dont l'amplitude est variable, par la même fonction que celle du signal d'origine, et après amplification. Cette technique d"'outphasing", basée sur les travaux théoriques présentés par CHIREIX dans "High power outphasing modulation", in Proc IRE, volume 23 Novembre 1935, pages 1370 à 1392, a fait l'objet de diverses évolutions dont celle décrite dans le document US 2006/0078067. A ce jour, les modules d'amplification fonctionnant sur le principe de l"'outphasing" mettent en oeuvre des étages de recombinaison des signaux qui emploient des composants passifs tels que des transformateurs, des lignes de transmission de longueur quart d'ondes, ou des coupleurs magnétiques. De tels composants sont par nature relativement encombrants et globalement peu performants, ce qui rend leur emploi inadapté pour les applications dans des terminaux mobiles. 3 Un des objectifs de l'invention est donc de fournir une solution qui pour la réalisation de l'étage de recombinaison, qui soit satisfaisante en termes d'encombrement et de rendement. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention concerne donc un filtre d'amplification de puissance de signaux radiofréquence, possédant une architecture de type "outphasing". De façon classique, cette architecture comporte donc un premier étage apte à générer, à partir d'un signal d'entrée, deux signaux de même amplitude et déphasés l'un par rapport à l'autre en fonction de l'amplitude du signal d'entrée. Ce filtre comporte également un second étage d'amplification des deux signaux ainsi générés, et un troisième étage de recombinaison, apte à sommer les deux signaux issus du second étage, après amplification. Conformément à l'invention, le filtre se caractérise en ce que l'étage de recombinaison inclut un ensemble de résonateurs à ondes acoustiques de volume couplés entre eux, une fraction de ces résonateurs, dits "résonateurs d'entrée" étant connectés aux sorties du second étage, et une fraction complémentaire de ces résonateurs, dits "résonateurs de sortie" étant connectés aux bornes de sortie du filtre. Autrement dit, l'invention consiste à assurer la recombinaison des deux signaux amplifiés par l'emploi de filtre à ondes acoustiques de volume, également connues sous l'appellation filtre BAW-CRF pour l'expression anglo-saxonne � bulk acoustic wave coupled resonator filter �. Ce type de filtre se révèle particulièrement adapté à l'étage de recombinaison des amplificateurs "outphasing", car les résonateurs d'entrée de cet étage ne sont pas électriquement couplés aux résonateurs de sortie. En outre, les performances en termes de rendement, combinées à un encombrement très limité font des filtres BAW-CRF une solution acceptable pour l'utilisation d'un filtrage de type "outphasing" dans un matériel mobile. Les filtres BAW-CRF sont constitués par un empilement de plusieurs résonateurs à ondes acoustiques de volume, qui sont couplés par un ensemble de couches acoustiquement passives. Chaque résonateur comporte une couche piézo-électrique, qui est prise en sandwich entre deux électrodes. En pratique, différentes architectures peuvent être employées pour réaliser l'étage de 5 recombinaison, en fonction du nombre et de l'agencement relatif des différents résonateurs entre eux. Ainsi, dans une première forme de réalisation, il est possible que les résonateurs d'entrée soient acoustiquement couplés aux résonateurs de sortie, dont les électrodes 10 forment alors les bornes de sortie du filtre. Autrement dit, les résonateurs d'entrée et le résonateur de sortie sont réalisés dans une configuration empilée, dans l'axe de propagation de l'énergie acoustique. La recombinaison des deux signaux acoustiques émis par chacun des résonateurs d'entrée 15 s'effectue au sein du résonateur de sortie, par la propagation au travers des différentes couches de couplages mécaniques entre ces résonateurs. Dans une seconde forme de réalisation, les résonateurs de sortie peuvent être électriquement reliés entre eux, de telle sorte que les signaux électriques générés par 20 chacun des résonateurs de sortie se combinent, afin de délivrer le signal global recombiné, par exemple, par une sommation de tensions dans le cas où les résonateurs de sortie sont électriquement reliés en série. En pratique, la transmission d'énergie entre les résonateurs d'entrée et les 25 résonateurs de sortie peut se faire directement, au travers de couches de couplage acoustique, soit encore au travers d'une ou plusieurs séries de résonateurs intermédiaires. En pratique, il est possible de prévoir des agencements particuliers en ce qui concerne les liaisons électriques des résonateurs d'entrée entre eux, et des résonateurs de 30 sortie entre eux également, dans le but d'assurer une adaptation d'impédance. Ainsi, les différents résonateurs d'entrée qui sont reliés à l'une des sorties de l'étage d'amplification peuvent être reliés électriquement en parallèle tandis que les résonateurs de sortie correspondants peuvent être tous reliés en série, ce qui permet de réaliser la conversion d'impédance entre l'entrée de l'étage de recombinaison, et par rapport à sa sortie. 35 L'impédance de sortie peut être ainsi adaptée par rapport à la valeur d'impédance à l'antenne. Dans une variante avantageuse, le filtre amplificateur peut inclure un étage de 5 filtrage intermédiaire interposé entre les premier et second étages, c'est-à-dire en amont de l'amplification de puissance. Pour améliorer la compacité, cet étage de filtrage intermédiaire peut avantageusement inclure des ensembles de résonateurs couplés à ondes acoustiques. DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES La manière de réaliser l'invention, ainsi que les avantages qui en découlent ressortiront bien de la description des modes de réalisation qui suivent, à l'appui des figures annexées, dans lesquelles : La figure 1 est une vue schématique globale d'un système de filtrage conforme à l'invention, dont le fonctionnement apparaît à la figure 2. Les figures 3 et 4 sont des vues en coupe schématiques des filtres à résonateurs acoustiques. La figure 5 est un schéma illustrant une première variante de réalisation de l'étage 20 de recombinaison. Les figures 6, 7 et 8 sont des vues analogues illustrant d'autres variantes de réalisation. MANIERE DE REALISER L'INVENTION 25 Comme déjà évoqué, l'invention concerne un filtre d'amplification à puissance pour signaux radiofréquence, qui possède une architecture globale telle qu'illustrée à la figure 1. Ainsi, le filtre (1) possède un premier étage (2) recevant en entrée le signal S(t) destiné à être amplifié. Ce premier étage (2) délivre deux signaux S1(t) et S2(t). Un second étage 30 (3) assurant l'amplification de puissance. Cet étage d'amplification (3) délivre deux signaux amplifiés S'1(t) et S'2(t). Un troisième étage de recombinaison (4), qui lui-même délivre le signal amplifié S3(t) à l'antenne (6). Ce filtre (1) fonctionne selon le principe de l'amplification dite "outphasing", dont 35 le principe est illustré à la figure 2. 6 Ainsi, le signal d'entrée S(t) possède une amplitude variable, s(t) = A(t).cos(wt) . Le premier étage (2) a pour fonction la génération, à partir du signal d'entrée S2(t), de deux signaux d'amplitude constante A0, mais déphasés l'un par rapport à l'autre d'un déphasage go, respectivement en avance et en retard, selon les équations suivantes : s~ (t) = Ao cos(wt + ~p) sz (t) = Ao cos(wt û q ) Le déphasage ç est choisi comme une fonction de l'amplitude A d'état du signal d'entrée (q = cos-' [A(t)]) . Le second étage (3) assure l'amplification des deux signaux ainsi générés, avec des structures amplificatrices qui peuvent être avantageusement choisies à caractéristique non linéaire, dans un but d'optimiser le rendement énergétique. Les deux signaux ainsi générés sont donc amplifiés, selon les deux équations suivantes : sf(t) = Go.s1(t) = Go.Ao.cos(wt+~p) sz(t) = Go.s2(t) = Go.Ao.cos(wtûq ) Le troisième étage caractéristique (4) assure la recombinaison des deux signaux s'i(t), s'2(t), de manière à les sommer. Cette sommation permet d'obtenir le signal s3 défini comme suit : s3(t) = Go.Ao.cos(wt+~p)+Go.Ao.cos(wtùq ) Grâce au déphasage opposé des deux signaux intermédiaires S'1(t) et S'2(t), cette addition permet d'obtenir un signal de sortie s3 correspondant au signal d'entrée S(t) amplifié, selon les équations suivantes : s3(t) = Go.Ao.[2.cos( wt).cos( ç9) ] = G0.Ao.[2.cos( wt).cos(cos �A(t))]= 2.G0.A0.A(t).cos( wt) = 2.Go.Ao.s(t) Ainsi donc, avec l'utilisation d'un étage amplificateur à caractéristique non linéaire, on aboutit à une amplification globale à très faible distorsion, pour des signaux d'amplitude ou d'enveloppe variables. Conformément à l'invention, le troisième étage de recombinaison (4) est réalisé à partir de filtres incluant des résonateurs à ondes acoustiques de volume, qui sont couplées entre eux. De tels filtres sont connus sous l'appellation BAW-CRF, et fonctionnent de manière simplifiée selon des structures représentées de façon schématique à la figure 3. Une telle structure de filtre comprend deux résonateurs (10, 11). Chaque résonateur comprend une couche centrale en matériau piézo-électrique (12) qui est prise en sandwich entre deux électrodes (13, 14). Le second résonateur (11) comprend une structure analogue avec une couche centrale (15) prise en sandwich entre deux électrodes (16, 17). Les deux résonateurs (10, 11) sont séparés par un ensemble de couches. Cet ensemble de couches (20) inclut des couches de faible impédance acoustique (21, 22) entre lesquelles sont interposées des couches (23) de haute impédance acoustique. Dans l'exemple illustré, le nombre de couches représentées est de trois, mais il peut être plus élevé en fonctions des applications. Ces matériaux utilisés sont, de façon classique, des matériaux diélectriques pour les couches de faible impédance acoustique, ou métalliques pour les couches de forte impédance acoustique. Ainsi, un signal électrique appliqué entre les deux électrodes (13, 14) du premier résonateur provoque la génération d'un champ acoustique. Ce champ acoustique traverse l'ensemble de couches de couplage (21-23) dans la gamme de fréquence définie par les propriétés acoustiques de cet empilement de couches. Le champ acoustique agissant ainsi sur la couche centrale (15) du second résonateur provoque la création d'un signal électrique aux bornes des électrodes (16, 17) du second résonateur. Dans une forme de réalisation particulière, illustrée à la figure 4, les deux résonateurs d'entrée (30) et de sortie (31) peuvent être couplés non pas directement comme dans le cas de la figure 3, mais par l'intermédiaire d'un ensemble de résonateurs complémentaires (32, 33). Ces résonateurs intermédiaires (32, 33) respectivement reçoivent et transmettent les champs acoustiques reçus respectivement depuis le résonateur d'entrée (30), et à destination du résonateur de sortie (31). 35 8 Conformément à l'invention, l'étage de recombinaison (4) peut être réalisé de différentes manières, en fonction des structures de couplage que l'on souhaite mettre en oeuvre. Ainsi, comme illustré à la figure 5, les deux signaux amplifiés s'i et s'2 sont appliqués respectivement à des résonateurs d'entrée (50, 51). Les champs acoustiques générés par chacun de ces résonateurs d'entrée (50, 51) se transmettent au niveau du résonateur de sortie (52) par l'intermédiaire des empilements de couches acoustiques (53, 54). Dans ce cas, le couplage entre le résonateur d'entrée et le résonateur de sortie est uniquement acoustique. Les champs acoustiques se somment donc au niveau du résonateur de sortie qui délivre un signal de sortie s3 correspondant, aux pertes acoustiques près, à la somme des deux signaux s'i et s'2. Dans ce cas de figure, les résonateurs d'entrée (50) et de sortie (51) de l'étage de 15 recombinaison doivent être réalisés en étant empilés les uns sur les autres dans l'axe de propagation de l'énergie acoustique. Dans un second mode de réalisation illustrée à la figure 6, les deux résonateurs d'entrée (60, 61) sont individuellement reliés à deux résonateurs de sortie (62, 63). 20 Chaque résonateur de sortie (62, 63) élabore donc un signal s3 électrique correspondant respectivement aux signaux amplifiés s'i, Les résonateurs de sortie (62, 63) sont reliés électriquement en série, de telle sorte que le signal de sortie correspond à la somme des tensions générées par chacun des 25 résonateurs de sortie (62, 63). La sommation des deux signaux amplifiés se fait donc par la mise en série des deux résonateurs de sortie. Dans une forme de réalisation alternative, illustrée à la figure 7, les résonateurs d'entrée (70, 71) ne sont pas directement acoustiquement reliés aux résonateurs de sortie 30 (72, 73). En revanche, l'ensemble des résonateurs complémentaires (75, 76, 77, 78) assurent la transmission du champ acoustique entre les résonateurs d'entrée et les résonateurs de sortie. 9 Ceci permet comme dans la forme de réalisation illustrée à la figure 4, de réaliser des résonateurs de sortie et d'entrée qui sont situés dans le même plan. La structure de filtrage peut ainsi être considérée comme une structure à deux étages. Selon une autre caractéristique de l'invention, il est possible de réaliser une combinaison de filtres BAW-CRF de telle sorte à assurer une adaptation d'impédance à l'impédance de sortie, généralement fixée par l'antenne d'émission. Ainsi, comme illustrée à la figure 8, le signal d'entrée s'i, alimente deux résonateurs d'entrée (80, 81), dont les électrodes sont en parallèle. L'impédance vue au niveau de l'entrée correspond donc à la moitié de l'impédance de chacun des résonateurs. Ces résonateurs d'entrée (80, 81) sont reliés avec des résonateurs de sortie (82, 83), dans la forme illustrée par l'intermédiaire d'un étage de résonateur (85). Il en va de même pour le traitement du second signal amplifié qui alimente deux résonateurs d'entrée (86, 87), acoustiquement couplés avec des résonateurs de sortie (88, 89). Les quatre résonateurs de sortie (82, 83, 88, 89) sont également reliés en série, de telle sorte que l'impédance de sortie correspond sensiblement à quatre fois l'impédance unitaire d'un résonateur de sortie. Ce montage permet d'assurer une conversion d'impédance entre l'entrée et la sortie de l'étage, en vue de son adaptation à la valeur d'impédance demandée. Ainsi, on peut atteindre le niveau de puissance requis par les normes d'émission des applications mobiles, en cohérence avec les niveaux de tension de polarisation faible 25 généralement pratiqués sur ce type de structure filtrante. Bien entendu, des montages plus complexes incluant un nombre de résonateurs différents peuvent être réalisés en fonction des valeurs recherchées. 30 De manière générale, les autres organes des différents étages du filtre peuvent être réalisés selon des technologies classiques. Ainsi, le premier étage (2) générant des signaux déphasés peut être réalisé à partir de technologies d'intégration du type CMOS ou Bi CMOS. De même, l'étage d'identification (3) peut-être réalisé avec le même type de technologies, voire préférentiellement selon des techniques d'intégration GaAs ou InP, ou 35 analogue. 10 Dans une forme particulière de réalisation, le premier étage peut inclure des filtres intermédiaires, permettant d'éliminer d'éventuelles distorsions de signaux déphasés. Ces filtres permettent de réduire le spectre des signaux fournis aux amplificateurs de puissance, en améliorant donc l'efficacité de l'amplification en termes de génération de bruit et d'harmonique. Ces filtres intermédiaires peuvent être réalisés dans diverses technologies et préférentiellement en technologie BAW-CRF afin d'obtenir un faible encombrement de moindre perte d'insertion. Il ressort de ce qui précède que les modules d'amplification conformes à l'invention présentent de multiples avantages, et en particulier une consommation d'énergie réduite par rapport aux solutions connues à ce jour. En effet, l'invention permet l'utilisation d'amplificateur de puissance à caractéristique de transfert non linéaire, qui possède un très fort rendement énergétique, ce qui permet donc la réduction de la puissance consommée par le filtre. Par ailleurs, les pertes d"insertion des filtres BAW-CRF sont très réduites, de l'ordre de 2 à 3 décibels, ce qui permet de réduire la dissipation de l'énergie au niveau de l'étage de recombinaison, voire même dans le cas de filtre intermédiaire BAW-CRF de réduire le gain nécessaire pour les amplificateurs de puissance, et par conséquent de réduire leur puissance consommée. En outre, les filtres conformes à l'invention permettent donc l'amplification par amplificateurs non linéaires d'un signal complexe à enveloppe variable, et ce sans introduction de distorsions majeures. De plus, grâce à la sélectivité importante des filtres BAW-CRF, il est possible de réduire très fortement la génération de parasites en dehors de la bande de fréquence du module d'amplification. 30 Enfin, les filtres conformes à l'invention sont particulièrement avantageux en termes d'encombrement et en termes de coût, puisqu'ils peuvent intégrer des composants montés sur les techniques de flip-chip.25 L'invention trouve donc une application toute particulière mais non exclusive pour les modules d'amplification radiofréquence dans les systèmes de téléphonie mobile du type EDGE ou 3ème génération. REVENDICATIONS , 1. Filtre d'amplification de puissance des signaux radiofréquence, possédant une architecture de type "outphasing", comportant un premier étage (2) apte à générer à partir d'un signal d'entrée s(t), deux signaux si(t), s2(t) de même amplitude et déphasés l'un par rapport à l'autre, un second étage d'amplification (3) desdits signaux si(t), s2(t), et un troisième étage de recombinaison (4) apte à sommer les deux signaux s'i(t), s'2(t)issus du second étage (3), caractérisé en ce que l'étage de recombinaison (4) inclut un ensemble de résonateur à ondes acoustiques couplés entre eux, une fraction de ces résonateurs dits "résonateurs d'entrée" (50, 51) étant connectée aux sorties du second étage (4) et une fraction complémentaire de ces résonateurs, dits "résonateurs de sortie" (52) étant connectés aux bornes de sortie du filtre. 2. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les résonateurs d'entrée (50, 51) sont acoustiquement reliés aux résonateurs de sortie dont les électrodes de sortie (52) dont les bornes des électrodes forment des bornes de sortie des filtres. 3. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les résonateurs de sortie (62, 63, 72) sont électriquement reliés entre eux. 4. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les résonateurs d'entrée (70, 71) sont reliés aux résonateurs de sortie (72, 73) par une ou plusieurs séries de résonateurs intermédiaires (75, 76, 77, 78). 5. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les résonateurs de sortie sont électriquement reliés en série. 6. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les résonateurs d'entrée (80, 81 30 ; 86, 87) affectés à une sortie (s'i, s'2) de l'étage d'amplification (3) sont reliés en parallèle. 7. Filtre d'amplification selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un étage de filtrage intermédiaire interposé entre les premier et second étages (2, 3).2513 8. Filtre d'amplification selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étage de filtrage intermédiaire inclut un ensemble de résonateurs couplés à ondes acoustiques de volume.