- Alors que les réseaux de communication mobile de cinquième génération (5G) sont en cours de déploiement, les travaux de recherche en vue de l’élaboration des technologies sans fil de sixième génération (6G) sont déjà lancés.
- Les composants exploités pour la communication 6G vont opérer à des bandes de fréquences encore plus importantes que celles exploitées par la 5G.
- Ce qui pose de nouvelles problématiques de test pour caractérisation des composants utilisés par les futurs équipements de communication 6G.
Navneet Kataria, responsable produit chez Anritsu
1. En quoi diffèrent les composants et les matériaux 6G de leurs équivalents 5G ?
Navneet Kataria : La technologie 6G se révèle drastiquement différente de la 5G. Le principal facteur de différenciation est l’emploi de fréquences extrêmement hautes, de 140 jusqu’à 240GHz, offrant ainsi des bandes passantes conséquentes, permettant de véhiculer plusieurs Gigaoctets de données. En 5G, les fréquences utilisées se situent dans la gamme 28/39GHz. Tenant compte des avancées technologiques en matière de fabrication, d’intégration et en mesure, il est simple aujourd’hui de concevoir, de mesurer et d’optimiser un composant 5G. L’utilisation de très hautes fréquences pour la 6G n’est pas sans conséquences, les composants 6G doivent être dimensionnés et conçus pour un fonctionnement sur une plage de fréquences identique. De ce fait, les méthodologies applicables à la 5G ne sont pas forcément valables avec la 6G. Les signaux se propageant à travers les composants 6G vont se confronter à plusieurs problématiques physiques, dont l’une est l’atténuation, qui se révèle particulièrement critique à hautes fréquences ; c’est pourquoi les matériaux spécifiques 6G font l’objet de discussions constantes. Les matériaux, tel que le Silicium-germanium (SiGe), sont utilisés et favorisés dans le processus de fabrication, puisqu’ils ont l’avantage de présenter une épaisseur approximative de 50 à 125µm ; ce qui permet de concevoir et développer des composants performants, minimisant l’affaiblissement du signal. Ces précédents aspects technologiques confortent le besoin de garantir, pour très hautes fréquences, une fiabilité et une précision de mesure accrues, pour une mise en évidence des performances des matériaux.
Outre les matériaux, la 6G va également souligner l’importance de la caractérisation des composants. Les composants 6G exploitent de très hautes fréquences, leurs caractérisations sont donc indispensables pour comprendre les comportements et performances relevés, à des fréquences plus élevées. Le conditionnement doit être aussi considéré puisque la 6G tend à minimiser la taille et l’architecture électronique des composants. La caractérisation d’éléments aussi réduits nécessite une instrumentation spécifique, notamment un analyseur de réseau vectoriel (VNA) couplé à une station de mesure sous pointes (proposant des écartements très fins de 100µm, voire 75µm entre les pointes) et une caméra haute résolution. L’utilisation et la manipulation de ces moyens d’essais exige de solides compétences techniques et expérimentales. En effet, il s’agit de positionner la pointe en contact avec le circuit électronique, et en parallèle, de juger de l’intégrité des étalonnages et des mesures. La caractérisation d’un composant se montre particulièrement indispensable, pour une population travaillant sur des thématiques de modélisation. Il sera intéressant de connaître la réponse en fréquence large bande des composants 6G, et de vérifier le contenu harmonique de ces derniers. Pour de telles mesures en large bande, un VNA (adapté en termes de fréquences) répond aisément à ce besoin.
2. Quels sont les indicateurs de performance clés ?
Navneet Kataria : Du point de vue des matériaux et des mesures associées, les indicateurs de performance devant être mesurés et validés sont leurs propriétés physiques. On retrouve les constantes diélectriques, la permittivité effective, les pertes tangentielles, la conductivité, etc. Quels que soient les matériaux en question, les paramètres mesurés demeurent les mêmes. Ici, les défis qu’apportent les matériaux 6G, se concentrent plutôt sur les techniques de mesure de ces paramètres en question. L’épaisseur des matériaux étant particulièrement fine et que ces derniers sont censés fonctionner à des fréquences extrêmement élevées, il convient d’être scrupuleusement prudent sur la méthode adoptée et la réalisation des mesures. Plusieurs articles scientifiques expliquent diverses méthodes sur la mesure des matériaux, chacune ayant ses avantages et inconvénients.
En ce qui concerne la caractérisation des composants, la principale caractéristique qu’on va communément chercher à mesurer est le paramètre S, témoignant ainsi sur le bon ou mauvais comportement du composant testé. Les paramètres S (Dispersion ou « Scattering » en Anglais) sont une indication sur la quantité du signal qui est réfléchie par le composant (S11) et sur la quantité du signal qui traverse ce dernier (S21). La mesure de ces paramètres S à des fréquences aussi élevées (140 à 240GHz) n’est pas une chose simple, compte tenu de la taille et du comportement des composants dont il est question. Un large panel de composants actifs comme passifs ont déjà été testés et mesurés par Anritsu dans ces gammes de fréquences.
3. Quelles sont les problématiques de test de ces composants et ces matériaux ?
Navneet Kataria : Les mesures de matériaux sont toujours très complexes à réaliser mais restent néanmoins très intéressantes. Les ingénieurs s’interrogent en permanence sur les sujets suivants :
• Quelle méthode de mesure est la plus adaptée à leurs matériaux ? Méthodes résonantes ou non-résonantes ? Mesure en espace libre ?
• Qu’est-ce qui est le plus important ? La précision de mesure ou bien une mesure large bande ?
• Quelle méthode de mesure donnera les résultats les plus rapides et les plus précis ?
• Quels supports pourront permettre le maintien de matériaux/substrats très fins ?
• Quel type d’environnement est nécessaire pour tester le matériau concerné ?
• Une fois les mesures effectuées, comment s’assurer qu’elles sont correctes ?
Toutes ces questions hantent les ingénieurs et ne cessent de les faire douter. Choisir la bonne technique de mesure est un enjeu de taille, sur lequel il est vraiment important de consacrer du temps. La répétabilité des mesures est un autre défi majeur qui a le mérite qu’on s’y intéresse.
Les spécialistes en conception et surtout en modélisation de composants sont très friands du contenu harmonique (en particulier les harmoniques de rang 3 et 5) de leurs travaux sous test. C’est pourquoi les solutions de mesure à balayage large bande (pouvant couvrir de très basses fréquences, jusqu’à des fréquences extrêmement élevées, par exemple de 70kHz à 220GHz) sont bien souvent préférées, pour l’étude et la mesure de paramètres S. Ainsi, ils peuvent facilement repérer les zones critiques que présentent leurs travaux et décider quelles seraient la ou les mesures préventives à suivre. Comme évoqué précédemment, un défi majeur se pose autour des mesures hautes fréquences ; on évoque la répétabilité des mesures, leur stabilité en fonction du temps et de la température et enfin leur précision.
4. En quoi ces problématiques de test diffèrent-elles de celles de la 5G ?
Navneet Kataria : Les enjeux de mesure pour la 6G sont un peu plus complexes et de nature différente, en comparaison avec la 5G. Étant donné que les fréquences 5G sont comparativement plus basses (28/39GHz), la complexité de fabrication, des mesures et des tests est relativement amoindrie par rapport à la 6G. Qu’il s’agisse de mesurer des matériaux ou de caractériser des composants, les besoins initiaux restent inchangés ; en ce qui concerne la 6G, la complexité réside sur le processus de réalisation des mesures, comme le soulignent les réponses aux questions précédentes.
Les enjeux dépendent également des mesures que l’utilisateur veut effectuer. Par exemple, un utilisateur souhaitant caractériser un amplificateur de puissance large bande, aura besoin de niveaux de puissance extrêmement faibles (par exemple autour de -50 dBm) ; générer une puissance de cet ordre de grandeur sur une couverture large bande n’est pas une chose facile. À l’inverse, un utilisateur souhaitant caractériser un guide d’ondes à 140 GHz aura besoin d’une puissance plus élevée.
5. Quel est l’instrument le plus approprié à la réalisation de ces mesures ?
Navneet Kataria : L’analyseur de réseau vectoriel (VNA) est un instrument essentiel pour la réalisation de toutes les mesures évoquées jusqu’à présent, que ce soit en 5G ou en 6G. Par défaut, un VNA génère et injecte un signal à travers le dispositif sous test (DUT), et observe le signal en sortie de ce dernier. Le principe de fonctionnement d’un VNA se base sur un concept de « super récepteur » où les données relatives à la transmission du signal (en termes de fréquences et puissance) sont aussi connues en réception. À l’ère de la 6G, l’utilisation du VNA se fait davantage ressentir, où les composants de plus en plus réduits, exploitent des fréquences de plus en plus élevées. Les caractéristiques les plus importantes d’un VNA restent la génération de signaux précis, leur détection mais aussi la mesure de ces derniers où nous pourrions être confronté à des niveaux en réception extrêmement faibles. Par définition, un VNA est capable de balayer la fréquence d’un signal, ce qui permet notamment de caractériser un DUT sur une bande de fréquences définie. Le VectorStar d’Anritsu peut par exemple balayer une bande de fréquences allant de 70kHz à 220GHz en un seul passage. Il existe d’autres applications pour lesquelles les composants 6G doivent être testés uniquement « par bande », ce qui signifie que l’utilisateur ne s’intéresse qu’au balayage d’une certaine bande de fréquence. Les VNA peuvent être combinés à des multiplicateurs mmWave (à ondes millimétriques) externes, pour n’effectuer des mesures que dans une bande de fréquences restreinte. Que ce soit dans une bande limitée ou en large bande, le VNA joue toujours le rôle le plus important à travers toute mesure de caractérisation/modélisation.
Même constat pour des mesures hautes fréquences sur des matériaux, l’élément moteur qui pilote et calcule la permittivité effective, les pertes tangentielles, la conductivité, etc. reste le VNA. Tous ces paramètres sont calculés à partir des mesures de paramètres S, réalisées par le VNA. En fonction de certaines applications ou des attentes de l’utilisateur, ce dernier peut être amené à configurer une mesure par bande (dans le plus souvent des cas) ou bien en large bande. Outre le VNA, les mesures de matériaux requièrent un support approprié pour le positionnement et le maintien des matériaux sous test, avant de procéder aux mesures.
Puisque la plupart des composants actifs/passifs 6G sont sur substrats (« on wafer » en Anglais) et fonctionnent à des fréquences très élevées, un VNA qu’on associe à une station de mesure sous pointes (manuelle ou automatique), avec des écartements appropriés entre les pointes, constituent une solution complète pour caractériser n’importe quel composant 6G.
Finalement, le VNA constitue la pierre angulaire pour toute mesure 5G/6G, que ce soit au stade de la conception, du conditionnement, ou bien lors de la finalisation du produit. Chaque étape demande des tests approfondis redondants, pour vérifier et valider le bon fonctionnement du produit. Le VNA garantit cette performance.
6. Quelles sont les solutions proposées par Anritsu pour les applications de mesure et d’analyse 6G ?
Navneet Kataria : Anritsu propose plusieurs solutions pour la 6G. Parmi leurs solutions phares figure un analyseur de réseau vectoriel large bande, capable de balayer une gamme de fréquences à partir de 70kHz jusqu’à 110/125/145/220 GHz, en une seule fois. Par ailleurs, ceci s’avère être un avantage conséquent pour les clients concernés par la caractérisation et la modélisation de composants.
Jusqu’à récemment, les mesures étaient effectuées par bandes (par exemple, de 90 à 110 GHz, de 110 à 140 GHz et de 140 à 220 GHz) et, par la suite, les mesures étaient commutées pour obtenir la réponse en fréquence large bande des composants mesurés.
Cette approche de mesure (par bandes de fréquences) comporte plusieurs désavantages, que ce soit à l’échelle de la mesure où la présence de multiples discontinuités peut facilement perturber l’exploitation des mesures, ou bien sur un plan économique, où l’achat de plusieurs modules millimétriques fonctionnant chacun sur une bande de fréquences précise, d’interfaces permettant une liaison électrique entre les guides d’ondes et les pointes, sans oublier les pointes en elles-mêmes, génèrerait une coût total exorbitant.
Cette même approche oblige également les clients à permuter l’intégralité du matériel précédemment cité, lorsqu’ils doivent passer d’une bande de fréquence à une autre. La reconfiguration répétée du système de test compromet sur le long terme la répétabilité des mesures et la stabilité du système. Les solutions large bande d’Anritsu pallient ces contraintes, offrant une couverture en fréquences unique allant de 70kHz jusqu’à 145/220GHz, avec de réelles valeurs ajoutées pour les clients, en termes de temps, d’énergie déployée et de coût.
L’analyseur de réseau vectoriel VectorStar est également compatible avec la quasi-totalité des solutions tierces proposées pour les mesures de matériaux. Cette collaboration est très appréciée des clients, puisqu’ils disposent aujourd’hui de plusieurs options disponibles sur le marché, leur permettant de prendre les meilleures décisions technologiques en adéquation avec leurs applications, tout en étant rassurés niveau compatibilité.
Cet analyseur de réseau vectoriel ne se limite pas à la caractérisation et mesures de matériaux, la plateforme est également compatible avec la quasi-totalité des applications en mesure d’antenne. Compte tenu de ses performances et de son évolutivité (nombre de ports/sources/fréquences large bande), cette solution est adaptée aux mesures d’antennes 6G. Plusieurs mesures sollicitant notamment des antennes 6G actives et passives, des antennes AiP (« Antenna in Package » en Anglais / Technologie d’antenne intégrée) etc. sont supportées et réalisables avec cet instrument.
