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- Instrumentation pour l'Electronique non linéaire de puissance
- Instrumentation avancée pour l'Electronique linéaire de puissance
Instrumentation pour l'Electronique non linéaire de puissance
Le laboratoire XLIM possède des équipements et des bancs de test RF et microondes permettant la caractérisation de composants, de circuits et de sous-systèmes dans des conditions réelles de fonctionnement en régime établi fortement non linéaire. Ces équipements sont différents selon les gammes de puissance, les gammes de fréquences des dispositifs à tester.
Il est possible de distinguer actuellement des bancs de caractérisation matures permettant :
- d’évaluer les performances brutes des dispositifs sous tests avec différents signaux de tests basiques
- de valider finement des modèles électrothermiques de composants ou des modèles « système » de composants
- de prédire les oscillations paramétriques hors bande pouvant apparaître en fonction des conditions opératoires lorsque les composants fonctionnent en régime fort signal.
Banc de caractérisation fonctionnelle dans le domaine fréquentiel de type charge et de source active/passive à partir d’excitation monoporteuse ou monoporteuse impulsionnelle.
Ce banc permet de caractériser des transistors de puissance RF dans un environnement de type charge et/ou source active/passive multiharmoniques.
Les caractéristiques techniques et les applications possibles de ce banc sont les suivantes :
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Type d'excitation |
Polarisation |
Variation de Charge |
Gamme de fréquence |
Gamme de Puissance |
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CW (1 ton) |
Continue /impulsionnelle |
Active / Passive |
500MHz-26,5GHz |
<33 dBm |
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CW (1 ton) impulsionnel |
Continue /impulsionnelle |
Active / Passive |
500MHz-26,5GHz |
<40 dBm |
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Biporteuse (2 tons) |
Continue /impulsionnelle |
Active / Passive |
500MHz-26,5GHz |
<33 dBm |
|
Biporteuse impulsionnelle |
Continue /impulsionnelle |
Active / Passive |
500MHz-26,5GHz |
<40 dBm |
Le fonctionnement du transistor polarisé en continu ou par des impulsions peut alors être optimisé en adaptant les impédances de source et/ou de charge suivant des critères de puissance, de rendement ou de linéarité.
Une fois étalonné par une procédure d’étalonnage complète, précise et rigoureuse, ce banc permet d'extraire les caractéristiques suivantes :
- Courbes AM/AM et AM/PM au fondamental et aux harmoniques,
- Rendements en fonction de Pe,
- Produits d'intermodulation d'ordre 3,
- Impédances d'entrée et de sortie au fondamental et aux harmoniques,
Les objectifs finaux sont :
- d’optimiser le fonctionnement des transistors Radiofréquences
- d’évaluer les performances des composants pour des excitations monoporteuses/biporteuses CW/impulsionnelles
- de valider des modèles électrothermiques
Banc de caractérisation de paramètres S à chaud dans le domaine fréquentiel dans un environnement de type charge et de source active
Le banc de caractérisation de paramètres S à chaud dans le domaine fréquentiel dans un environnement de type charge et de source active est dédié à l’étude fondé sur l’utilisation d’un signal de pompe et d’une perturbation, permettant ainsi de prédire les phénomènes d’instabilités paramétriques hors bandes en fonction des conditions de fermetures aux accès du dispositif sous test et du niveau de puissance du signal de pompe. Ce banc de mesure s’avère précieux comme outil pour l’analyse prédictive des conditions de fonctionnement vis à vis de la stabilité hors bande.
Banc de caractérisation fonctionnelle dans le domaine temporel de type charge et de source active à partir d’excitation monoporteuse
LSNA (Large Signal Network Analyser)
Fondé sur un matériel prototype au mode de fonctionnement innovant, il donne accès à la mesure absolue (et non relative) des ondes incidentes et réfléchies aux fréquences fondamentales et harmoniques dans les plans du transistor.
L’étalonnage de ce banc de caractérisation nécessite une étape supplémentaire par rapport à l’étalonnage du premier banc de caractérisation fonctionnelle dans le domaine fréquentiel : il s’agit d’un calibrage en phase à partir d’un nouveau standard de référence en phase dont le signal de sortie constitué, dans le domaine fréquentiel, d’un peigne de Dirac est parfaitement connu en amplitude et en phase.
Grâce à cet étalonnage supplémentaire il est donc possible de mesurer la forme temporelle des ondes de puissances aux accès du dispositif sous test lorsqu’il fonctionne en régime fortement non linéaire avec des signaux tests d’excitation monoporteuse.
Les caractéristiques techniques et les applications possibles de ce banc sont les suivantes :
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Type d'excitation |
Polarisation |
Variation de Charge |
Gamme de fréquence |
Gamme de Puissance |
|
CW (1 ton) |
Continue |
Active / Passive |
500MHz-50GHz |
<33 dBm |
Une fois étalonné, ce banc permet :
- d’optimiser le fonctionnement des transistors Radiofréquences et microondes en termes de puissance ajoutée, de rendement en puissance ajoutée et en linéarité en modifiant les impédances de charge et de source aux trois premières fréquences harmoniques. Cette optimisation se fait en observant les formes des tensions et courants (ou du cycle de charge extrinsèque) aux bornes des dispositifs à tester.
- De valider encore plus finement les modèles électrothermiques associés aux composants testés.
Banc de caractérisation fonctionnelle de dispositifs adaptés par la mesure des enveloppes des signaux dans le domaine temporel à partir d’excitation multiporteuses
Banc de caractérisation d'enveloppes
Ce banc permet de réaliser des mesures calibrées d’enveloppes temporelles de modulation de signaux micro-ondes aux accès de modules d'amplificateurs de puissance.
Ce banc de mesure permet de caractériser la linéarité des amplificateurs de puissance « multi-porteuses » par le critère du NPR : « Noise power ratio ».
Cette activité permet aussi la caractérisation et l’identification de phénomènes non linéaires a dynamique lente d’origine électrique ou thermique.
Ce banc a aussi pour vocation de permettre l’élaboration de modèle qualifié de modèle comportemental (boîte noire).
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Type d'excitation |
Polarisation |
Variation de Charge |
Bande passante (signaux modulés) |
Dynamique |
Gamme de fréquence (fréquence porteuse) |
Gamme de Puissance |
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Multiporteuses (signaux modulés) |
Continue |
Active / Passive |
<250 MHz |
<48 dB |
1 GHz-4GHz |
<33 dBm |
Instrumentation avancée pour l'Electronique linéaire de puissance
Les objectifs de recherche à l’avenir concernent principalement :
Adaptation des bancs présentés précédemment
Objectifs avérés :
- de montée en fréquence (typiquement, 35 GHz et 65 GHz) et
- de montée en puissance (20W ou 50W en monoporteuse avec un rapport de 10% pour des signaux d’excitation monoporteuse pulsée).
Recherche de nouveaux standards de référence
Objectif : extraire des formes d’ondes temporelles à partir de signaux de test multiporteuses dans des bandes pouvant atteindre 250 à 500 MHz.
Etude, la veille technologique et/ou la conception ainsi que la mise en oeuvre de modules de têtes d’échantillonnage ultra-hautes fréquences
Principe de l'Echantillonnage Ultra Haute Fréquence
Les techniques d'échantillonnage rapides sont la base pour la caractérisation du comportement non-linéaire des composants à haute fréquence.
Les convertisseurs analogiques numériques ultra hautes fréquences 4 voies synchronisées n'existent pas actuellement pour mesurer simplement et directement des signaux hyperfréquence ou microondes.
La principale limitation concernant cette technologie est liée à la fréquence maximale d’entrée des têtes d’échantillonnage (limitée à 50 GHz) qu’il faudrait étendre à 100 voire 200 GHz et à la bande passante des signaux analysables avec les technologies actuelles (20 MHz) qu’il faudrait étendre à 50, 100 ou 250 MHz. Ces modifications de performances impliquent une recherche de composants adéquats pour concevoir de nouvelles têtes d’échantillonnage. Le développement de circuits intégrés associés à la conception de ces nouvelles têtes d’échantillonnage est très coûteux mais la recherche dans ce domaine constitue la clef de voûte de l’instrumentation avancée dans les année à venir.
Bancs de mesures de dispositifs micro-ondes et sub-millimétriques linéaires
Le laboratoire XLIM possède des équipements et des bancs de test RF et microondes permettant la caractérisation de composants, de circuits et de matériaux dans le domaine linéaire. Ces équipements sont différents selon les gammes de fréquences des dispositifs à tester.
Bancs de caractérisation de dispositifs micro-ondes en paramètres [S] jusqu’à 170GHz :
10 analyseurs de réseaux vectoriels pour les mesures de paramètres [S] :
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Caractérisation de matériaux diélectriques massifs ou en couches minces
Eprouvée depuis de nombreuses années, la méthode en cavité à fente (photo ci-dessous) permet de caractériser dans un très large domaine de fréquences des matériaux diélectriques à température ambiante ou en température. Grâce à un ensemble de cavités de dimensions variées, la caractérisation de matériaux peut se faire aux fréquences pertinentes du secteur des télécommunications hyperfréquences de 2 GHz à 90 GHz.
L’échantillon doit recouvrir toute la section de la cavité.
Le décalage en fréquence du mode de résonance de la cavité chargée par l’échantillon par rapport à celle de la cavité à vide permet de remonter à la valeur de sa permittivité réelle.
La comparaison entre les facteurs de qualité en charge de la cavité avec et sans permet de remonter à sa tangente de pertes diélectriques.
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Caractérisation de matériaux par la méthode des cavités cylindriques:
Vue en coupe de la cavité / Champ E @ f0 (TE01δ)
Cette technique de caractérisation permet de remonter aux propriétés diélectriques (ɛ,tgδ) de matériaux sous forme de « pastilles » diélectriques.
Machine de gravure par ablation laser :
Machine de gravure par ablation laser de longueur d’onde 1064 nm et de forte puissance (20W max). Elle repose sur un système piloté par ordinateur acceptant les fichiers CAO de type Gerber et IGS (2D et 3D).
Possiblités d’ablation de couches métalliques pour la création de lignes de transmission, circuits planaires, … La forte puissance de ce laser permet la découpe de substrats céramiques et leur perçage (vias cylindriques par exemple).
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Banc de mesure de fiabilité de MEMS RF :
Ce banc est constitué d’une station sous pointes équipé d’un chuck thermostaté (-180°C et 250°C) et d’une chambre hermétique permettant de travailler soit sous vide secondaire ou sous atmosphère contrôlée d’azote. Cette station, garantissant une atmosphère dépourvue d’humidité, est principalement utilisée pour mener des études de fiabilité sur des composants MEMS non packagés.
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Mesures topographiques pour la caractérisation optique de composants MEMS :
Microscope à Holographie numérique (DHM-R2100, de chez Lyncéetec -Suisse), en réflexion double longueur d'onde permettant les mesures 2D et 3D avec résolution nano- métrique, en temps réel, des différents dispositifs micro- et nano-métrique (NEMS/MEMS, MOEMS, etc.) changement de phase et/ou indice de réfraction des matériaux, topographie de surfaces, morphologie des spécimens biologiques etc. Equipé avec un module stroboscopique vidéo/pulsé (7.5ns) - 0.1Hz à 25MHz permettant des mesures en mode dynamique (mesures des temps de commutation, fréquences de résonance spécifiques etc.)
Images de phase enregistrées avec le microscope DHM d’un élément MOEMS (poutre suspendue de deux cotés) à l’état haut, non actionné (a) et lors de son actionnement à 1450 kHz (b). Les profils en axe Z de la membrane suspendue suivant les coupes longitudinales sont illustrés sur la figure (c).
Instrumentation Electromagnétisme
Antennes
Le laboratoire XLIM possède trois bases de mesures d'antennes (une base en champ lointain, une base compacte et un banc de caractérisation outdoor)
- Base en champ lointain de mesure d'antenne XLIM
- Base compacte de mesure d'antennes XLIM/CISTEME
- Banc de caractérisation outdoor d'antennes
Base en champ lointain de mesure d'antennes XLIM
Base en champ lointain
La figure ci-dessus est une photographie de la base en champ lointain d'XLIM fonctionnant entre 500 MHz et 12 GHz. La détermination des caractéristiques de rayonnement est effectuée en mesurant la liaison d'un système comprenant l'antenne sous test et une antenne de référence, l'une en émission et l'autre en réception. La distance entre les deux antennes doit respecter une distance permettant de placer ces deux antennes en champ lointain (2*D^2/lamda), avec D la plus grande dimension des deux antennes et lambda la longueur d'ondes du signal.
Caractéristiques :
- Fréquence de fonctionnement : 0,5 GHz à 12 GHz
- Faradisation et anéchoïque totale
- Dimensions extérieures: 9 m x 5 m x 5 m
- Taille des antennes susceptibles d'être mesurées :
1 m à 500 MHz à 0,3 m à 12 GHz
Poids maximum : 20 Kg
Mesures réalisables :
- Adaptation (|S11|)
- Diagramme de rayonnement (1°)
- Diagramme de polarisation
- Gain réalisé fréquentiel (précision de ± 0.5 dB)
- Directivité (précision du gain)
Base compacte de mesure d'antennes XLIM/CISTEME
Base compacte
La fonction d’une base compacte de mesure d’antennes est de reproduire la condition de champ lointain à une distance relativement faible. Une onde sphérique provenant de la source d’émission est transformée en onde plane après réflexion sur la parabole. Elle est, ensuite, dirigée vers l’antenne sous test. Le volume dans lequel l’onde est parfaitement plane est appelé zone tranquille. La solution technique la plus simple utilise une parabole à source décalée. Cette base fonctionne entre 8 et 75 GHz.
Caractéristiques :
- Anéchoique totale
- Dimensions extérieures : 8 m x 5 m x 5 m
- Zone tranquille (zone de test) : 80 cm
- Poids maximum : 6 Kg
Mesures réalisables :
- Adaptation (|S11|)
- Diagramme de rayonnement (pas possible de 0.25°)
- Diagramme de polarisation
- Gain réalisé fréquentiel (précision de ± 0.35 dB)
- Directivité (précision du gain)
Banc de caractérisation outdoor d'antennes
Réseau d’antennes Valentine sur plateau tournant
Principe :
- Mesure de la réponse transitoire de l’antenne sous test,
- Fenêtrage temporel de l’impulsion utile,
- Calcul des caractéristiques de l’antenne à partir des TF des signaux utiles (gain, diagramme de rayonnement)
Éléments du banc de test :
- Générateurs impulsionnels (220V crête, temps de montée 120ps)
- Oscilloscope séquentiel 20 GHz
- Oscilloscope temps réel 8 GHz
- Sonde, atténuateurs, diviseur de puissance, lignes à retard, … U.L.B. forte puissance
- Plateau tournant piloté par liaison GPIB
- Antennes large bande de référence (conception XLIM)
Ces trois dispositifs permettent de mesurer la plupart de nos prototypes d'antennes étudiés au sein de notre laboratoire sur une bande de fréquences comprise entre 100 MHz et 50 GHz.
Instrumentation optique laser (OPTOLAS)
Le laboratoire regroupe à la fois un parc laser varié, des instruments et bancs de caractérisation de rayonnements optiques ou de matériaux pour l’optique et des systèmes d’imagerie avancée. Il dispose également d’instruments et de systèmes adaptés à la mise en forme de faisceaux lasers ou d’impulsions brèves.
THEMES
- Sources et amplificateurs pour l'instrumentation laser avancée
- Instruments eet bancs de caractérisation de rayonnements optique ou de matériaux pour l'optique
- Systèmes d'imagerie avancée
- Instruments et synthèse de mise en forme de faisceaux ou d'impulsion brèves
Sources et amplificateurs pour l'instrumentation laser avancée
La plateforme est équipée de plusieurs oscillateurs et amplificateurs tout solide récents fonctionnant dans des gammes spectrales et des régimes de fonctionnement très différents :
- Oscillateurs femtoseconde
- large bande accordable (Dl=10nm; Dt=100fs; @0,7µm-1µm)
- ultra-large bande (Dl=100nm; Dt=10fs; @0,8µm)
- compact (Dl=7nm; Dt=180fs; @1,03µm)
- OPO (500 mW, Dt < 200 fs, @1150-1300 nm)
- Oscillateurs picoseconde
- amplifié, longueur d’onde télécom
- accordable par OPG du visible au moyen infrarouge
- Oscillateurs nanoseconde et sub-nanoseconde à 1064nm
- Continuum de lumière du visible au proche infrarouge en régime sub-nanoseconde
- Sources télécoms haute cohérence (Dn<1kHz)
Ces sources peuvent aussi bien être utilisées dans des expériences d’optique non-linéaire, que d’imagerie ou encore de caractérisation.
Instruments et bancs de caractérisation de rayonnements optiques ou de matériau pour l'optique
Plusieurs bancs de caractérisation ont été développés pour les besoins des équipes de recherche du département photonique et peuvent être accessibles à travers la plateforme technologique. Certains d’entre eux sont suffisamment polyvalents pour être adaptés aux besoins d’autres utilisateurs.
- SPIRIT - Banc de mesure cohérente d’impulsions femtosecondes (10 fs – 100 nm)
- Dispositif de mesure de réponse non linéaire (excitation 0,7µm-1µm; détection 0,3µm-0,9µm)
- Module de compensation de dispersion jusqu’à l’ordre 3 sur de larges bandes spectrales autour de 800nm
Au-delà des bancs de caractérisation, des instruments scientifiques spécifiques complètent les moyens de caractérisation de la lumière au sein de la plateforme.
- Autocorrélateurs intensimétriques et interférométriques de 0,7µm à 1,9µm
- Détecteurs à comptage de photons
- Polarimètre
Systèmes d’imagerie avancée
La plateforme regroupe différents systèmes d’imagerie dont des microscopes qui peuvent être couplés à des sources lasers. La plateforme dispose également d’instruments de hautes performances d’analyse spatiale de rayonnements optiques allant de la caméra rapide à l’analyseur de front d’onde.
- Microscope confocal multiphotonique fibré
- Microscope Raman (Horiba LabRAM HR Evolution)
- Microscope inversé multimodal (Olympus IX71) (fluorescence, contraste de phase, polarisation)
- Analyseur de front d’onde Shack-Hartmann (visible – proche infrarouge)
- Caméras de haute résolution, haute dynamique ou rapide
Un autre volet concerne des bancs d’imagerie haute résolution dédiés principalement à l’astronomie. Ces instruments comprennent :
- Simulateur d’ensemble configurable d’objets lumineux discrets
- Réseau d’antennes configurable pour capter ce rayonnement
- Système adapté d’imagerie directe ou indirecte
- Détecteurs classiques ou hybrides mettant en œuvre des processus SFG
- Modules de traitement de données pour fournir les observables (mesure de contrastes et clôture de phase)
Instruments et systèmes de mise en forme de faisceaux ou d'impulsions brèves
La plateforme technologique possède des dispositifs et composants adaptés à la mise en forme spatiale, spectrale ou temporelle de faisceaux lasers.
- Femto Shaper – Dispositif de profilage d’impulsions brèves (sub-picoseconde dans le visible et proche infrarouge)
- Modulateurs spatiaux de lumière haute résolution
- de phase pure 2D en réflexion (1920x1080 pixels, 8µm de pitch, 2p à 1µm)
- de phase et d’amplitude 1D en transmission (640 pixels)
Miroir déformable à 140 actuateurs (400µm de pitch, 5,5µm de course en piston)
UMR CNRS n°7252
123, avenue Albert Thomas - 87060 LIMOGES CEDEX.
Tél. +33(0) 587 50 67 00 - Fax +33(0) 555 45 76 97