Amplificateurs de puissance au service des applications à ondes millimétriques

Il était auparavant possible d'atteindre des débits de données sans fil plus élevés grâce à des schémas de modulation toujours plus complexes, permettant de comprimer davantage de bits dans les mêmes sections du spectre. Cette approche atteignant désormais ses limites pratiques, l'avenir dépend de bandes passantes plus larges plutôt que d'une modulation plus dense, que l'objectif soit de concevoir des applications 5G commerciales ou des liaisons militaires à haute capacité. Les concepteurs se tournent donc vers le spectre des ondes millimétriques (mmWave), où le spectre étendu offre de nouvelles capacités mais introduit des défis de conception très différents.

Les systèmes de communications 5G bénéficient d'années de recherche initialement menées par des entreprises du secteur de la défense. Par exemple, la technologie d'antennes à commande de phase issue de l'industrie de la défense, qui permet l'orientation du faisceau et le suivi simultané de plusieurs cibles, est désormais largement adoptée dans les applications 5G pour transmettre des flux de données simultanés à plusieurs utilisateurs. Les systèmes commerciaux fonctionnent de plus en plus dans des bandes de fréquences telles que 28 GHz et 39 GHz pour accéder à la bande passante nécessaire aux liaisons multi-gigabits.

Des entreprises comme Analog Devices, Inc. ont mis à profit leur expertise dans le domaine des ondes millimétriques acquise dans le secteur de la défense pour fournir des composants standard qui répondent à la fois aux exigences de performances de la défense et au niveau de fabricabilité requis pour les infrastructures commerciales. Les boîtiers à montage en surface avancés des circuits intégrés haute fréquence ont joué un rôle déterminant dans le déploiement à grande échelle de la 5G.

Les secteurs de la 5G et de la défense dépendent tous les deux de matériel haute fréquence de pointe. Si les réseaux 5G optimisent des sections de spectre étroites spécifiques pour maximiser le débit, les applications militaires, telles que la guerre électronique, requièrent de larges bandes passantes opérationnelles pour garantir la reconnaissance spectrale. Malgré ces différences, la recherche de larges bandes passantes de modulation dans la 5G a engendré un avantage symbiotique pour la fabrication.

La convergence de ces secteurs dans les technologies d'ondes millimétriques a permis d'atteindre l'échelle de production requise pour un déploiement commercial. Elle a également permis de considérablement réduire les coûts associés à la création d'applications militaires qui reposaient auparavant sur des processus d'assemblage de puces et de fils à faible volume coûteux.

Cette échelle repose sur des circuits intégrés radiofréquences (RFIC) hautement intégrés, des modules à commande de phase et des solutions de test accessibles, qui sont de plus en plus disponibles pour les petits ateliers de conception qui, historiquement, ne disposaient ni du budget ni de la spécialisation des grands entrepreneurs de la défense.

Cette synergie a également permis de créer une infrastructure de test partagée. Auparavant, les tests d'antennes à commande de phase à 28 GHz et 39 GHz nécessitaient de grandes chambres anéchoïques coûteuses. Le déploiement à grande échelle de la 5G a conduit au développement de solutions de test OTA abordables et prêtes à l'emploi que les entreprises de défense peuvent utiliser pour résoudre rapidement les défis de développement de produits sans investissement important. La disponibilité de blocs fonctionnels éprouvés et prêts à l'emploi permet aux entreprises de conception de toutes tailles d'aborder les ondes millimétriques comme un sous-système gérable, facilitant ainsi l'évolution d'une application à ondes millimétriques prometteuse du schéma fonctionnel au matériel déployable.

Innovations du spectre

Depuis plusieurs décennies, l'innovation sans fil s'inspire de deux approches fondamentalement différentes : coder plus d'informations dans chaque état de signal distinct (symbole) ou étendre l'espace spectral disponible pour transférer les informations.

Les schémas de modulation les plus simples privilégient la robustesse et l'intégrité des signaux, tandis que les schémas plus complexes augmentent le débit de données en transmettant des bits supplémentaires par symbole. La modulation de base représente chaque symbole par une petite quantité d'informations, comme un seul bit. Les concepteurs peuvent améliorer les performances du système en codant plus d'informations par symbole à l'aide de schémas de modulation plus complexes tels que QAM ou en accédant à des canaux spectraux plus larges dans les bandes à ondes millimétriques à plus haute fréquence.

La modulation détermine la manière dont les données sont chargées sur une porteuse, mais c'est l'amplificateur de puissance (PA) qui garantit que les bits de données atteignent leur destination prévue. Dans la 5G commerciale, les amplificateurs de puissance privilégient l'efficacité et la linéarité dans les bandes de fréquences spécifiées afin de prendre en charge les réseaux à commande de phase à haut débit. Les systèmes militaires, quant à eux, visent généralement une gamme de fréquences plus étendue et une puissance supérieure afin d'améliorer la clarté des radars, les communications par satellite et la facilité d'utilisation.

Même avec une modulation de plus en plus sophistiquée, il existe des limites fondamentales à la quantité de données pouvant être transmises via une bande de fréquence porteuse (F_C) donnée. Un principe clé est que le débit de données est directement lié à la largeur du canal, c'est-à-dire à la bande passante du signal modulé (F_BW). Pour atteindre des débits de données plus élevés, il est nécessaire d'utiliser des canaux de fréquence porteuse plus larges, comme si l'on passait d'une route à une seule voie encombrée à une autoroute à dix voies (Figure 1).

Figure 1 : Représentation de la bande passante de modulation centrée sur une fréquence porteuse. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Il faut également tenir compte de la limite de courant continu, qui stipule qu'un signal ne peut pas descendre sous 0 Hz. Lorsqu'un signal est modulé, il se propage autour de sa fréquence porteuse dans ce que les ingénieurs appellent les bandes latérales. Or, si la fréquence porteuse est trop basse, une partie du signal pourrait théoriquement s'étendre en dessous de cette limite, ce qui est physiquement impossible. Les ingénieurs doivent donc augmenter la fréquence porteuse à des fréquences plus élevées, comme celles des bandes d'ondes millimétriques, afin de garantir que le signal complet s'adapte confortablement dans un spectre utilisable. Cette limitation absolue en fonctionnement à haute fréquence est la condition sine qua non pour la création de canaux larges à haut débit.

Ensemble, ces deux principes permettent d'expliquer pourquoi les concepteurs se tournent vers les fréquences d'ondes millimétriques à la fois pour les systèmes 5G commerciaux et les systèmes de défense. Lorsque la complexité de modulation atteint ses limites pratiques, le seul moyen d'augmenter significativement le débit est de déplacer la porteuse plus haut en fréquence et d'ouvrir des voies spectrales beaucoup plus larges. Le passage aux ondes millimétriques n'est donc pas qu'une simple tendance : c'est une nécessité physique pour atteindre les débits de données massifs et la détection haute résolution qu'exigent les applications modernes.

Relever les défis de conception

Le passage aux fréquences d'ondes millimétriques redéfinit la conception physique du matériel sans fil d'une manière qui affecte à la fois les systèmes commerciaux et les systèmes de défense :

• Les hautes fréquences compriment les longueurs d'ondes, permettant la miniaturisation des antennes. Cette miniaturisation permet d'intégrer directement les matrices sur des puces ou des modules compacts.
• Des longueurs d'ondes plus courtes se traduisent par des faisceaux plus étroits, améliorant ainsi la résolution angulaire. Cela signifie que les radars peuvent distinguer des cibles très proches, et que les stations de base 5G peuvent concentrer avec précision l'énergie sur des utilisateurs individuels.
• Le déploiement commercial généralisé de ces technologies a conduit à une évolution vers la technologie de montage en surface (CMS). La technologie CMS prend en charge la production automatisée de modules hautement intégrés dans des boîtiers en plastique ou en céramique.

Ces changements fondamentaux présentent à la fois des opportunités et de nouveaux défis techniques pour les concepteurs de systèmes à ondes millimétriques, tels que les suivants :

• Le fonctionnement à haute fréquence entraîne une augmentation des pertes de propagation, une réduction du rendement d'antenne et une sensibilité accrue à la non-linéarité, aux effets thermiques et aux problèmes de configuration parasites.
• Les exigences de large bande passante imposent des contraintes strictes aux composants frontaux RF, tandis que les contraintes au niveau système, telles que la formation de faisceaux à commande de phase pour la 5G ou les radars haute résolution pour la défense, compliquent davantage le processus de conception.

Les concepteurs commerciaux doivent trouver un équilibre entre rendement, linéarité et intégration pour prendre en charge l'infrastructure 5G à grande échelle. Les concepteurs de systèmes de défense, quant à eux, ont souvent besoin d'une puissance de sortie plus élevée, d'une bande passante plus large et d'un fonctionnement adaptable sur plusieurs bandes pour les radars, les communications par satellite et les communications tactiques.

Les ingénieurs doivent choisir entre des circuits intégrés spécialisés. Le choix dépend souvent de la priorité accordée par l'application à l'optimisation des performances ou à la polyvalence opérationnelle.

Aux fréquences d'ondes millimétriques, les pertes de propagation augmentent considérablement et les schémas de modulation d'ordre supérieur sont plus sensibles à la distorsion. Par conséquent, pour la 5G commerciale, il est crucial de garantir que les antennes à commande de phase fournissent efficacement un haut débit sur leurs bandes respectives. Les systèmes militaires sont également confrontés à des défis similaires, même si leur objectif principal est souvent de maximiser la puissance de sortie pour la portée radar ou les liaisons de communications par satellite (SATCOM).

Pour répondre à ces besoins, le HMC863ALC4 d'ADI offre un amplificateur de puissance optimisé pour la bande qui peut être réglé pour un rendement de crête dans une bande étroite de 24 GHz à 29,5 GHz pour les applications 5G. Il présente une haute linéarité, un gain de 17 dB et une puissance de sortie de +21 dBm, et il atteint un rendement en puissance ajoutée (PAE) de 22,5 %, qui mesure la puissance RF supplémentaire produite par rapport à la puissance CC consommée. Il est fourni en boîtier CMS compact de 4 mm × 4 mm, et ces fonctionnalités permettent aux concepteurs commerciaux de maintenir un débit robuste tout en prenant en charge les processus d'assemblage automatisé. La carte d'évaluation EV1HMC863ALC4 (Figure 2) fournit aux concepteurs une plateforme matérielle pour valider les performances, le comportement thermique, le réseau de polarisation et la configuration de mesure de l'amplificateur de puissance avant de s'engager avec un front-end RF.

Figure 2 : La carte EV1HMC863ALC4 fournit une plateforme d'évaluation permettant de caractériser les performances réelles des applications à ondes millimétriques à bande étroite. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Les concepteurs de systèmes de défense utilisent souvent des bandes passantes plus larges pour atteindre une haute résolution radar ou des communications multibandes, et ils peuvent sacrifier le rendement pour atteindre cet objectif. Pour de tels cas, l'amplificateur de puissance ADPA7005CHIP offre une large plage de fonctionnement de 20 GHz à 44 GHz et atteint typiquement un rendement PAE de 8 % à 13 % selon la sous-bande de fréquence. Il délivre une puissance de sortie de +33 dBm, un gain de 14 dB et un rendement simple CC-RF de 45 %, et il est encapsulé dans un boîtier CMS compact de 7 mm × 7 mm, simplifiant l'intégration dans des modules compacts. Grâce à sa large couverture et à sa puissance élevée, il est parfaitement adapté aux applications de défense hautes performances flexibles, s'étendant des radars haute résolution aux communications longue portée. La plateforme de test ADPA7005-EVALZ (Figure 3) intègre un dissipateur thermique contribuant à fournir une décharge thermique lors du développement de conceptions plus complexes pour les applications à ondes millimétriques à large bande.

Figure 3 : La carte d'évaluation EVAL-ADPA7005AEHZ facilite le développement d'applications à ondes millimétriques à large bande plus complexes. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Conclusion

Le passage aux fréquences d'ondes millimétriques représente un tournant majeur dans les technologies de communications et de défense mondiales. Qu'il s'agisse d'infrastructures 5G à commande de phase ou de systèmes de guerre électronique compacts, l'intégration de modules à ondes millimétriques requiert des composants prenant en charge l'assemblage automatisé reproductible tout en maintenant les performances thermiques et de signaux. Conçus en tenant compte de facteurs tels que la bande passante, la linéarité et le rendement, les amplificateurs de puissance d'ADI permettent aux concepteurs de répondre aux exigences des systèmes à ondes millimétriques pour les applications commerciales et militaires.