Brevet FR2930374A1 — publié le 20091023

Circulateur radiofréquence à base de MEMS Le domaine de l'invention est celui des circulateurs radiofréquence RF et de leurs applications dans des systèmes de télécommunication radiofréquence ou hyperfréquence tel que les systèmes radars, ou de téléphonie sans fil. Un circulateur RF est un dispositif à n ports, permettant à un signal RF de circuler dans une seule direction. On considère un circulateur avec trois ports p1, p2, p3. Un signal injecté dans un port p1 est transmis au port p2 et isolé du port p3, tandis qu'un signal entrant via le port p2 est transmis au port p3 et isolé du port p1. On a ainsi un découplage des signaux émis et reçus. Une illustration symbolique correspondante d'un tel circulateur dont le port p2 est relié à une antenne est donnée sur les figures la et 1 b. Si le circulateur reçoit sur le port p1 adapté en impédance un signal radiofréquence, on a un chemin à faible pertes d'insertion dans le sens des aiguilles d'une montre et l'on observe de fortes pertes dans le sens opposé. La puissance est donc dirigée quasiment sans pertes vers le port p2 et rayonnée par l'antenne. La même chose s'applique du port p2 vers le port p3, et du port p3 vers le port p1. Le circulateur a ainsi pour qualités essentielles de transmettre sans pertes dans un sens donné et d'atténuer très fortement les ondes réfléchies. Les circulateurs sont notamment utilisés dans les systèmes de télécommunication ou radars, selon le principe illustré sur la figure 2. La figure 2 schématise un exemple de système d'émission et de réception de signaux électromagnétiques pour applications notamment de type radars, couramment désigné sous le nom de T/R module composé essentiellement de trois étages comme décrit ci-après. Le premier étage, le coeur du système CA sert à gérer et à traiter les signaux reçus et émis. Le second étage est composé des éléments amplificateur de puissance. 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 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 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 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 nom 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 ce type de chaînes de transmission/réception 20 comporte des circulateurs à base de matériaux ferromagnétiques et des limiteurs à base de diodes. Les défauts existants sont principalement : le coût élevé de ces composants qui ne sont pas facilement reproductibles car ils nécessitent une intervention humaine pour 25 être réglés correctement ; - les pertes engendrées par ces composants de l'ordre de 4 à 8 dB dans leur bande de fréquence elle même très étroite (0.2 à 2 GHz) pour les circulateurs et de l'ordre de 1 dB pour les limiteurs à base de diodes de puissance. 30 Ces composants occupent actuellement 80% de la place dans un système de télécommunication et sont un frein supplémentaire à la miniaturisation. Les circulateurs couramment employés étant des composants à base de ferrites sont par nature des composants actifs et consomment de 1 énergie, ils sont aussi très volumineux (de l'ordre de 70% de la masse par rapport au volume du T/R module) et du fait de leur difficulté de reproductibilité sont très chers. Les diodes quant à elles sont des composants présentant 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 télécommunication et représentent par la même un frein supplémentaire à la miniaturisation . II a déjà été proposé dans l'art antérieur d'utiliser des micro-commutateurs hyperfréquences encore dénommés switch MEMS RF. II s'agit de micro-dispositifs de type capacitif, fonctionnant comme des commutateurs, micro-dispositifs que l'on appelle micro-commutateurs dans la suite. Les micro-commutateurs de type capacitif sont particulièrement appréciés dans les applications hyperfréquence, notamment pour leurs faibles temps de réponse alliés à des tensions de commande peu élevées allant de quelques volts à quelques dizaines de volts. Ils sont avantageusement très petits, de taille millimétrique (2 à 10 mrn2), soit en moyenne dix fois plus petits qu'un circulateur ferromagnétique et beaucoup plus léger. Ils consomment très peu. Ils sont peu coûteux à produire car ils utilisent les techniques de fabrication usuelles en microélectronique, depuis un substrat généralement silicium et sont très facilement reproductibles. Leurs pertes par insertion sont très faibles, généralement de l'ordre de 0.1 à 0.2 dB sur une très large bande de fréquence, 18 à 19 GigaHertz. Selon cette solution il est proposé plus précisément des micro-commutateurs de type série : une ligne de signal d'entrée et une ligne de signal de sortie dans le prolongement l'une de l'autre, séparées par une zone de comrutation, et isolées électriquement, et au-dessus de la zone de commutation, une membrane flexible, reposant sur des piliers. La zone de commutation est recouverte d'un diélectrique. La membrane est soit en position de repos, haute, la capacité formée par la zone de commutation, le diélectrique et la membrane ayant une valeur Coff faible, de sorte que les deux lignes de signal sont isolées, soit en position basse de sorte que les deux portions de ligne sont couplées de façon capacitive, la capacité formée par la zone de commutation, le diélectrique et la membrane ayant une valeur Con élevée, permettant la transmission d'un signal radiofréquence ou hyperfréquence. La commande de la membrane est une commande en tension appliquée de manière appropriée dans la zone de commutation, la membrane étant portée à un potentiel de référence (masse électrique) par les piliers. Les performances de commutation (transmission, isolation) dépendent notamment du rapport Con sur Coff qui doit être le plus élevé possible. Le circulateur comprend au moins un premier et un deuxième plots de contact pour appliquer des tensions de commande à l'état on ou off sur au moins une des parties de l'électrode de commande du premier micro-commutateur et du deuxième micro-commutateur. Les tensions d'activation sont de l'ordre du volt à quelques dizaines de volts. Les micro-commutateurs peuvent être commandés simultanément à l'état off, ou l'un à l'état on et l'autre à l'état off. Afin de réduire encore les coûts de ce type de circulateur, la présente invention propose un nouveau type de circulateur comportant des 15 composants auto-actionnés. Plus précisément la présente invention a pour objet un circulateur à au moins trois ports, un port d'entrée pour recevoir un signal radiofréquence à transmettre vers un port destiné à être connecté à une antenne d'émission/réception appelée port d'antenne, un port de sortie apte à être 20 connecté à un dispositif récepteur ou une charge, caractérisé en ce qu'il comprend : - un premier et un second micro-commutateurs à actionnement électrostatique de type condensateur formés sur un même substrat et comportant chacun deux armatures dont la première est une membrane 25 flexible et la seconde comporte au moins une zone d'une ligne signal, les deux armatures étant séparées par une épaisseur de vide ou de gaz ; - les ports d'antenne et de sortie étant disposés sur une ligne signal principale, le port d'entrée étant situé sur une ligne signal secondaire ; - le premier micro-commutateur étant disposé de manière à relier la 30 ligne signal principale et la ligne signal secondaire par auto-actionnement de la membrane sous l'effet d'une puissance de signal d'entrée ; - le second micro-commutateur ayant une membrane permettant de relier la ligne principale à des plans de masse par auto-actionnerent de la membrane sous l'effet d'une puissance de signal d'entrée ; - les micro-commutateurs étant séparés d'une distance de l'ordre du quart de la longueur d'onde correspondant à la fréquence du signal. Selon une variante de l'invention, la ligne signal principale est une ligne discontinue. Selon une variante de l'invention, la ligne signal secondaire est une ligne continue. Selon une variante de l'invention, la ligne secondaire comporte un élément de masse séparé d'une distance de l'ordre du quart de la longueur d'onde correspondant à la fréquence du signal. ~o Selon une variante de l'invention, les lignes principale et secondaire sont en or et/ou en cuivre et/ou en alliage de titane/tungstène. Selon une variante de l'invention, les lignes principale et secondaire comportent en outre une couche supérieure en matériau isolant au niveau de parties affinées situées sous les membranes. 15 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 a aussi pour objet un module de transmission/réception de signaux hyperfréquences comportant une antenne, un premier étage de 20 traitement des signaux hyperfréquence émis et réçus, un deuxième étage d'amplification desdits signaux et un étage intermédiaire comportant au moins un circulateur selon l'invention. Selon une variante de l'invention, l'étage intermédiaire comporte en outre au moins un limiteur de puissance. 25 Selon une variante de l'invention, le module de transmission/réception comporte un limiteur de puissance sur le port de sortie en direction du récepteur ou de la charge et/ou un second limiteur de puissance sur le port d'antenne. Selon une variante de l'invention, le ou les limiteurs de puissance 30 comportent une ligne principale avec une entrée pour recevoir une puissance incidente et une sortie, leur ligne principale comprenant un micro-commutateur 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 micro-commutateur comportant en outre deux plans de masse reliés par ladite membrane. Selon une variante de l'invention, le micro-commutateur du ou des limiteurs est 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 ainsi bloquer le signal hyperfréquence. 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 : les figures la et 1 b illustrent les modes de fonctionnement classique d'un circulateur ; la figure 2 illustre un exemple de système d'émission et de réception de signaux électromagnétiques pour applications notamment de type radars selon l'art connu ; - la figure 3 illustre un exemple de circulateur selon l'invention ; les figures 4a et 4b 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 5a, 5b, 5c et 5d illustrent différentes vues d'un micro- commutateur utilisé dans un circulateur selon l'invention ; la figure 6 illustre l'étage intermédiaire d'une chaîne de transmission/réception intégrant un circulateur selon l'invention. De manière générale, le circulateur faisant l'objet de la présente 30 invention comporte deux micro-commutateurs à base de composants MEMS RF, à activation électrostatique. La figure 3 représente une vue de dessus d'un exemple de circulateur selon l'invention. Une ligne principale continue RF , Lp , comporte le port de sortie p3 en direction d'un récepteur ou d'une charge et le port d'antenne p2 en direction d'une antenne d'émission/réception. Cette ligne principale, Lp, forme une croix avec une ligne Rf secondaire discontinue Ls, ladite ligne secondaire comportant le port d'entrée p1 susceptible de recevoir un signal radiofréquence. Un premier micro-commutateur MEMSI est situé à la croisée des lignes principale et secondaire, permettant lorsque la membrane est abaissée de mettre en contact les deux éléments discontinus de la ligne secondaire. Par ailleurs un second micro-commutateur MEMS2 est positionné également au niveau de la ligne principale en direction du port p3 et permet de court-circuiter à la masse ladite ligne principale, en position abaissée de la membrane dudit second micro-commutateur. En effet des plans de masse PM1 et PM2 sont situés de part et d'autre de la ligne secondaire. Les deux micro-commutateurs sont séparés d'une distance égale au quart de la longueur d'onde À correspondant à la fréquence du signal de fonctionnement dudit circulateur et la ligne secondaire comporte en outre un élément de masse EM (pour masses électromagnétiques, similaires à une masse pour le courant continu, ces masses EM correspondent à un potentiel de référence pour la ligne centrale) situé à une distance égale également au quart de la longueur d'onde À. Ainsi lorsque les deux micro-commutateurs sont en position état 1, correspondant à des membranes non abaissées, un signal reçu depuis l'antenne peut se propager le long de la ligne principale en direction du port p3 et ne pas circuler en direction des ports p1 et de l'élément de masse EM. Lorsque les deux micro-commutateurs sont en position état 2, correspondant à des membranes abaissées, un signal en provenance du port p1, peut circuler dans chacune des quatre branches de la croix formée. En effet une partie du signal transite en direction du port p3, néanmoins le MEMS2 est en position de court-circuiter le signal, le signal parcourt un aller sur une distance de À/4 et un retour en opposition de phase dudit signal aller. De même, la partie de signal en direction de l'élément de masse EM parcourt également une distance aller sur une distance de h/4 en opposition de phase avec un signal retour sur ladite même branche de la croix. En sommant les différents signaux en opposition de phase, seul 35 demeure un signal en direction du port p2 de l'antenne. On peut ainsi résumer les deux états du circulateur : état 1 : les MEMS1 et MEMS2 sont en position haute, le circulateur fonctionne de p2 vers p3. état 2: les MEMS1 et MEMS2 sont en position basse, le 5 circulateur fonctionne de p1 vers p2. Selon l'invention, le grand intérêt de ce type de circulateur est qu'il fonctionne grâce à la présence de deux micro-commutateurs auto-actionnables et donc sans tension de fonctionnement à consommer. En effet, tout signal radiofréquence possède une puissance associée qui de fait 10 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. Le mouvement de la membrane de ce switch RF MEMS lors de 15 l'actionnement suit le parcours illustré en figure 4a qui fournit la distance de la membrane surplombant la zone de ligne coplanaire en fonction de la tension d'actionnement de ladite membrane appelée hauteur. La tension Vp est la tension d'activation (Vp pour Voltage pull) 20 déterminée par l'équation suivante : V = 8kgô P 27sowW 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 suivante : V J2k(o ùtd)tdr r =. e sowWe, 30 où td est l'épaisseur de diélectrique séparant la ligne de la membrane etsr la permittivité du diélectrique. On obtient le cycle montré en figure 4b pour le mouvement de la membrane en fonction de la tension appliquée. 25 35 A la puissance du signal traversant le MEMS RF correspond une 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 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, auto-maintient, mais 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 15 fonctionnement du MEMS RF. Nous allons décrire ci-après plus en détails, un exemple de micro-commutateur utilisé dans un circulateur selon l'invention, et notamment le MEMS2 qui dans une position abaissée permet de relier la ligne centrale à 20 des plans de masse : Les figures 5a, 5b, 5c et 5d 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 25 SiO2, une ligne hyperfréquence 22 est réalisée typiquement en or, recouverte selon l'art connu d'une couche de diélectrique 23 de type PZT. Des piliers 24a et 24b permettent de relier des lignes de masse 24 et supportent la membrane constituée d'une couche de matériau conducteur 25. La figure 5c met en évidence la ligne hyperfréquence 22 recouverte d'une couche de 30 matériau piézoélectrique 23, alors que la figure 5d 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 d'environ 5 pm dans les parties non-affinées sous la membrane ; couche 23 : de l'ordre de 0,2 à 0.4 microns ; membrane 25 : de l'ordre de 500 à 700 nanomètres. La figure 6 illustre l'étage intermédiaire d'une chaîne de transmission/réception comportant des limiteurs de puissance et un circulateur selon l'invention, une telle chaîne pouvant typiquement être celle illustrée en figure 2. Ainsi selon l'invention, le troisième étage de cette chaîne d'émission/réception comporte en sortie de l'amplificateur du signal d'émission 11, un circulateur composé des deux micro-commutateurs MEMS1 et MEMS2 selon l'invention, ce troisième étage comporte également pour le signal hyperfréquence de réception un premier limiteur 12 entre le circulateur et le port d'antenne p2 et un second limiteur 15 dont la ligne principale est reliée en entrée au circulateur comportant les deux micro-commutateurs MEMS1 et MEMS2 et en sortie à un amplificateur 16, LNA. L'intérêt du circulateur et des limiteurs à base de switchs MEMS RF est qu'ils ne consomment pas ou très peu d'énergie en mode auto-actionnable, qu'ils sont très petits donc permettent un gain de place et de masse très important, le circulateur et les limiteurs à base de switchs MEMS RF sont par ailleurs très facilement reproductibles et donc très peut coûteux. REVENDICATIONS1. Circulateur à au moins trois ports (pi, p2, p3), un port d'entrée (pi) pour recevoir un signal radiofréquence à transmettre vers un port (p2) destiné à être connecté à une antenne d'émission/réception (A) appelé port d'antenne, un port de sortie (p3) apte à être connecté à un dispositif récepteur ou une charge, caractérisé en ce qu'il comprend : - un premier et un second micro-commutateurs (MEMS1, MEMS2) à actionnement électrostatique de type condensateur formés sur un même substrat et comportant chacun deux armatures dont la première est une membrane flexible et la seconde comporte au moins une zone d'une ligne signal, les deux armatures étant séparées par une épaisseur de vide ou de gaz ; - les ports d'antenne et de sortie étant disposés sur une ligne signal principale, le port d'entrée étant situé sur une ligne signal secondaire ; - le premier micro-commutateur étant disposé de manière à relier la 15 ligne signal principale et la ligne signal secondaire par auto-actionnement de la membrane sous l'effet d'une puissance de signal d'entrée ; - le second micro-commutateur ayant une membrane permettant de relier la ligne principale à des plans de masse par auto-actionnement de la membrane sous l'effet d'une puissance de signal d'entrée ; 20 - les micro-commutateurs étant séparés d'une distance de l'ordre du quart de la longueur d'onde correspondant à la fréquence du signal. 2. Circulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ligne signal principale est une ligne discontinue. 3. Circulateur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la ligne signal secondaire est une ligne continue. 25 4. Circulateur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la ligne secondaire comporte un élément de masse séparé d'une distance de l'ordre du quart de la longueur d'onde correspondant à la fréquence du signal. 5. Circulateur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les lignes principale et secondaire sont en or et/ou en cuivre et/ou en alliage de titane/tungstène. 10 6. Circulateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les lignes principale et secondaire comportent en outre une couche supérieure en matériau isolant au niveau de parties affinées situées sous les membranes. 15 7. Circulateur selon l'une des revendications 1 à 6 , caractérisé en ce que le matériau isolant est en PZT ou en ZrO2 ou en Si3N4. 8. Module de transmission/réception de signaux radiofréquence comportant une antenne, un premier étage de traitement des signaux 20 radiofréquence émis et réçus, un deuxième étage d'amplification desdits signaux et un étage intermédiaire comportant au moins un circulateur selon l'une des revendications 1 à 7. 9. Module de transmission/réception selon la revendication 8, 25 caractérisé en ce que l'étage intermédiaire comporte en outre au moins un limiteur de puissance. 10. Module de transmission/réception selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte un limiteur de puissance sur le port de sortie 30 en direction du récepteur ou de la charge et/ou un second limiteur de puissance sur le port d'antenne.5 11. Module de transmission/réception selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que le ou les limiteurs de puissance comportent une ligne principale avec une entrée pour recevoir une puissance incidente et une sortie, leur ligne principale comprenant un micro-commutateur 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 micro-commutateur comportant en outre deux plans de masse reliés par ladite membrane. 12. Module de transmission/réception selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit micro-commutateur du ou des lirniteurs est actionnable par une tension. 13. Module de transmission/réception selon la revendication 11, caractérisé en ce que le micro-commutateur du ou des limiteurs est 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 radiofréquence.20