Composants centraux pour les solutions technologiques du futur – des puces hétéro-integrees aux amplificateurs de puissance numériques

Module d'amplification de puissance numérique pour la 5G, la communication mobile du futur (© FBH/schurian.com) / Module d'amplification de puissance numérique pour la 5G, la communication mobile du futur (© FBH/schurian.com)

Circuits hétérointégrés, combinant les avantages de deux mondes technologiques : les hautes puissances de sortie de l'indium phosphide avec la complexité de la technologie silicium (© FBH/schurian.com) / Circuits hétérointégrés, alliant les avantages de deux univers technologiques : les puissances de sortie élevées de l'indium phosphide avec la complexité de la technologie silicium (© FBH/schurian.com)

Une sélection des développements actuels en matière d'amplificateurs de puissance, de circuits et de puces hétéro-inégrées présente l'Institut Ferdinand-Braun, Institut Leibniz pour la technologie des hautes fréquences (FBH), lors du salon professionnel « Productronica » à Munich du 14 au 17 novembre 2017 dans la halle B2, stand 317. L'institut Leibniz se présente sur le stand commun de la Microélectronique Deutschland, une usine de recherche financée par le ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche (BMBF). Il y présente, en collaboration avec les partenaires du réseau Fraunhofer Microélectronique et l'Institut Leibniz IHP.

Le FBH offre toute la chaîne de valeur en interne : de la conception aux puces en passant par les modules. Sur le stand, on peut notamment voir des puces hétéro-inégrées pour des applications térahertz, qui combinent les avantages de deux mondes technologiques au niveau des puces : les hautes performances de sortie de l'indium phosphure avec la complexité de la technologie silicium. D'autres expositions visent la numérisation et la future norme de téléphonie mobile 5G, comme par exemple des amplificateurs de puissance numériques, qui associent une gestion efficace de la puissance à une flexibilité maximale et fonctionnent en large bande.

Repousser les limites de fréquence et combiner les avantages avec des puces hétéro-inégrées

Les fréquences dans la gamme sub-térahertz deviennent un point central lorsqu'il s'agit de la communication performante de l'avenir. Pour cela, des liaisons de transmission sans fil dans la gamme de fréquences comprise entre 100 et 500 GHz sont nécessaires, capables de gérer l'augmentation significative du volume de données pour des courtes distances. D'autres applications dans cette gamme de fréquences incluent la vérification des matériaux, la sécurité lors des contrôles de personnes et de bagages, ainsi que la technologie radar haute résolution pour des applications robotiques délicates. De telles applications systémiques nécessitent des circuits électroniques capables de fournir une haute puissance de sortie dans la gamme sub-térahertz. Comme cela ne peut pas être réalisé avec la technologie semi-conductrice conventionnelle, le FBH utilise le matériau semi-conducteur indium phosphure (InP) pour ses circuits intégrés. Les transistors bipolaires hétéro-in hybrides InP (InP-HBT) atteignent actuellement des fréquences de coupure de plus de 500 GHz (fmax) avec un courant de collecteur de 20 mA. La tension de claquage est supérieure à 4 V, permettant une haute puissance de sortie. Dans le cadre de l'initiative BMBF lancée en avril, la « Fabrik de recherche en microélectronique Allemagne », le FBH construit une ligne de processus pour fabriquer des wafers de circuits InP avec des équipements de pointe dans un but industriel. La ligne de processus offre également la possibilité d'intégrer des circuits InP-DHBT sur silicium-germanium en collaboration avec l'Institut Leibniz IHP. Cela permet de combiner la haute puissance de sortie de l'InP avec la complexité de la technologie silicium. Ainsi, il est possible de réaliser des modules à très haute fréquence sur une seule puce, ce qui est crucial pour des applications portables et économiques. Ce processus est également proposé à des clients externes sous forme de service de fonderie.

Composants pour la norme de téléphonie mobile 5G de l'avenir

Pour rendre l'infrastructure technique des stations de base compatible avec la 5G, les composants matériels doivent devenir plus efficaces et plus flexibles. Cela peut notamment être réalisé par une augmentation de la part numérique. Les amplificateurs de puissance sont au centre de cette évolution, car ils dominent l'efficacité globale du système et, par conséquent, les coûts d'exploitation. Jusqu'à présent, des modules distincts sont nécessaires pour différents standards de communication et fréquences. Le FBH développe depuis plusieurs années de nouvelles architectures d'amplificateurs numériques, qui combinent une gestion efficace de la puissance avec une flexibilité maximale et fonctionnent en large bande. L'objectif à long terme est un transmetteur entièrement numérique, où une seule puce peut couvrir toutes les bandes de fréquences. En complément, le FBH étudie des méthodes de modulation ou de codage performantes, qui influencent de manière décisive les caractéristiques des amplificateurs numériques. Le FBH a ainsi développé un modulateur innovant, réalisable avec des composants numériques courants, capable de générer des signaux selon diverses méthodes de modulation.

Les amplificateurs de puissance numériques du FBH atteignent désormais des valeurs compétitives en termes d'efficacité globale et de linéarité, comparables aux concepts d'amplificateurs analogiques établis comme le Doherty. Un amplificateur de puissance récemment développé par le FBH offre une efficacité globale élevée de plus de 40 % avec un PAPR de 10 dB dans la gamme d'environ 1 GHz.

Une autre variante de la numérisation des amplificateurs de puissance est le Discrete Envelope Tracking (ET). Ici, la tension d'alimentation de la dernière étape de l'amplificateur est variable pour assurer une bonne efficacité énergétique, malgré la forte fluctuation de la puissance instantanée lors de l'utilisation de techniques de modulation large bande modernes. Dans le cas du Discrete Envelope Tracking, cette variation est réalisée de manière discrète, c'est-à-dire qu'elle oscille uniquement entre plusieurs valeurs de tension constantes. Cette version numérisée de l'ET conduit à des solutions très efficaces et à large bande. Récemment, le FBH a atteint de nouveaux records internationaux avec une bande de modulation de 120 MHz pour un amplificateur de 75 W dans la gamme de 1,8 GHz. Le concept ET peut également être relativement facilement transféré aux amplificateurs millimétriques, ce qui est crucial pour la 5G dans les stations de base.