Des matériaux avancés permettent aux filtres passe-bande de répondre aux exigences des communications par satellite à plus haute fréquence

Les communications par satellite évoluent vers des bandes de fréquences plus élevées, à la recherche d'une bande passante et d'un débit plus importants. La bande passante des bandes traditionnelles L (1 à 2 gigahertz [GHz]), C (4 à 8 GHz) et X (7 à 11 GHz) s'épuise rapidement, si bien que les concepteurs se tournent vers la bande Ku (12 à 18 GHz) et au-delà pour réduire l'encombrement de l'espace aérien. Tandis que les ingénieurs s'efforcent d'améliorer les performances des communications par satellite, les opérateurs commerciaux cherchent également à obtenir des engins spatiaux plus légers et plus compacts.

Figure 1 : L'orbite terrestre est de plus en plus encombrée. C'est pourquoi les ingénieurs s'intéressent aux bandes de fréquences plus élevées afin d'éviter les interférences issues des autres satellites. (Source de l'image : Knowles DLI)

L'élément essentiel d'un système de communications par satellite est le réseau d'antennes utilisé pour la radiodiffusion et la réception les signaux RF. Chaque élément du réseau fonctionne comme une mini-antenne. Les réseaux d'antennes ont largement remplacé les antennes satellites paraboliques conventionnelles, car ils offrent de meilleures performances, notamment un gain plus élevé, un meilleur rapport signal/bruit (SNR) et une réception en diversité améliorée. Cette dernière permet de remédier à l'évanouissement du signal. En outre, des lobes latéraux plus petits dans le diagramme de rayonnement de l'antenne améliorent l'orientabilité du faisceau de transmission et la sensibilité aux signaux entrants provenant d'une direction particulière.

Les réseaux d'antennes modernes utilisent le déphasage pour renforcer davantage les performances. Auparavant, les réseaux d'antennes devaient être réalignés mécaniquement pour rediriger une transmission par faisceau lorsque le satellite se déplaçait sur son orbite. Désormais, l'antenne réseau à commande de phase émet avec une différence de phase calculée par ordinateur entre chaque élément de l'antenne, induisant ainsi une interférence constructive dans les transmissions de chaque élément individuel et renforçant le signal dans une direction particulière.

Outre de meilleures performances, le fonctionnement à plus haute fréquence et les réseaux à commande de phase offrent la possibilité de rétrécir et d'alléger l'antenne. Cela contribue à la réduction de la taille, du poids et de la puissance (« SWaP ») des satellites de communication.

Dans un réseau d'antennes à commande de phase, l'espacement des éléments du réseau doit être inférieur à la moitié de la longueur d'onde de la fréquence de fonctionnement. Cela permet principalement d'éviter les lobes secondaires d'antenne réseau, qui sont des lobes latéraux dans le diagramme de transmission de l'antenne, responsables d'un gaspillage de puissance. Les fréquences plus élevées présentent des longueurs d'ondes plus courtes. Par exemple, la longueur d'onde centrale de la bande L est de 300 millimètres (mm), tandis que celle de la bande Ku est de 20 mm, ce qui réduit l'écart entre chaque élément de cette dernière. De plus, l'élimination de tout système d'orientation mécanique allège encore l'encombrement de l'antenne.

Filtre passe-bande : un composant essentiel des communications par satellite

Les filtres passe-bande permettent d'atténuer les signaux parasites, de respecter les normes d'interférence et de réduire le bruit du système dans les applications de communications par satellite. Il s'agit d'une tâche difficile dans un réseau d'antennes à commande de phase en raison des contraintes d'espace, du fonctionnement à hautes fréquences et de la nécessité d'un filtrage de précision pour exploiter le potentiel de communication haute vitesse du système de communications par satellite.

Les ingénieurs s'appuient sur le facteur Q du dispositif pour déterminer le degré de performances du filtre. Le facteur Q indique la capacité de la solution à bloquer les fréquences indésirables et permet le passage des fréquences cibles. Une bonne sélectivité est cruciale dans les environnements où les canaux adjacents sont proches les uns des autres, en particulier lorsque les concepteurs tentent de maximiser l'utilisation de la bande passante disponible.

Il existe plusieurs options commerciales éprouvées pour le filtrage de dérivation des communications par satellite dans la bande Ku. Les options privilégiées sont les guides d'ondes diélectriques, les guides d'ondes métalliques, les lignes rubans de cartes à circuit imprimé, la céramique co-cuite à basse température (LTCC) et les microrubans sur céramique à couches minces. Chacune possède ses avantages et ses inconvénients. Par exemple, les guides d'ondes métalliques constituent la meilleure option pour les fréquences supérieures à 70 GHz, mais sont encombrants et coûteux, tandis que les guides d'ondes diélectriques sont compacts, mais ne fonctionnent que jusqu'à 30 GHz et ont une tolérance de fréquence (une mesure de la déviation par rapport à la fréquence souhaitée) relativement faible.

Le filtre de dérivation microruban sur céramique à couches minces offre la meilleure solution globale pour les réseaux d'antennes à commande de phase fonctionnant dans la bande Ku. Il peut fonctionner jusqu'à des fréquences très élevées (il se place en deuxième position derrière les guides d'ondes métalliques), possède la meilleure tolérance de fréquence de 0,3 à 0,5 % (la plus élevée), a une taille inférieure à la moitié de la plus petite option suivante (LTCC) et peut être intégré directement derrière l'élément de réseau dans l'antenne (comme les lignes rubans de cartes à circuit imprimé et la LTCC).

La science des matériaux à la rescousse

Le choix du diélectrique est essentiel pour les performances d'un filtre de dérivation microruban sur céramique. Il est traditionnellement très difficile d'atteindre un facteur Q élevé dans les filtres compacts, mais les matériaux modernes à constante diélectrique (« K ») élevée relèvent ce défi. L'inconvénient de ces matériaux est qu'ils ont tendance à afficher une mauvaise tolérance de fréquence, notamment en cas de variations de température. Et dans le vide spatial, les variations de température sont inévitables.

C'est là qu'interviennent les scientifiques de Knowles DLI. L'entreprise, qui affiche une longue expérience en développement de matériaux, a produit un diélectrique pour les filtres de dérivation microruban sur céramique qui contourne les inconvénients des diélectriques à constante K élevée. En utilisant ce matériau, l'entreprise a fabriqué une gamme de dispositifs compacts avec une tolérance de fréquence étroite sur une large plage de températures. Le diélectrique présente l'avantage supplémentaire de limiter les pertes de puissance, ce qui améliore le rendement et contribue à la stabilité en température.

Le filtre passe-bande B148QF0S de 15 GHz fait partie de cette gamme de filtres adaptés au fonctionnement dans la bande Ku. Le dispositif mesure seulement 14 mm x 3,8 mm x 2,5 mm, ce qui permet de l'utiliser avec les contraintes d'espacement restreint d'une demi-longueur d'onde pour les éléments de réseaux d'antennes dans la bande Ku.

Il est fourni dans un boîtier à montage en surface qui permet un assemblage automatisé, réduisant ainsi le coût de production par rapport à l'approche hybride ou puce et fil de l'assemblage conventionnel des communications par satellite. L'assemblage CMS permet également d'accélérer la mise sur le marché. Autre avantage du produit : sa fabrication à couches minces qui permet d'obtenir des performances reproductibles, ce qui évite de devoir régler le dispositif.

Le filtre présente une bonne sélectivité avec une bande passante réelle (définie comme f_H - f_L où f_L est la coupure à -3 décibels (dB) en basses fréquences et f_H est la coupure à -3 dB en hautes fréquences) de 19,2 - 11,4 = 7,8 GHz, contre une bande passante Ku nominale de 18 - 12 = 6 GHz. Il convient de noter la rapidité avec laquelle la réponse en fréquence diminue après la coupure en basses et hautes fréquences jusqu'à atteindre un point de réjection bas potentiel ou haut potentiel (-40 dB pour le B148QF0S). Une bonne sélectivité équivaut à un gradient de 15 à 20 dB par décade. Le filtre passe-bande de Knowles DLI affiche une valeur d'environ 15 dB par décade (Figure 2).

Figure 2 : Réponse en fréquence du filtre passe-bande microruban sur céramique B148QF0S. Conçu pour le fonctionnement en bande Ku des communications par satellite, le dispositif présente une fréquence centrale de 15 GHz et une bande passante de 7,8 GHz. (Source de l'image : Knowles DLI)

Préparer l'avenir

À terme, même la bande Ku sera surchargée. C'est pourquoi les ingénieurs ont déjà commencé à concevoir des systèmes de communications par satellite pour les bandes K (18 à 26 GHz) et Ka (26 à 40 GHz). Cela signifie que les exigences SWaP qui ont conduit au développement de filtres passe-bande pour les réseaux d'antennes à commande de phase en bande Ku ne feront qu'augmenter. Heureusement, il a été démontré que les prototypes des filtres passe-bande microruban sur céramique pouvaient fonctionner jusqu'à 70 GHz, et des dispositifs commerciaux pouvant atteindre 40 GHz sont déjà disponibles. Ces produits constituent donc une solution appropriée non seulement pour les applications d'aujourd'hui, mais également pour les applications avancées de communications par satellite de demain.

Conclusion

Les travaux de Knowles DLI sur les matériaux diélectriques à constante K élevée ont donné naissance à des filtres passe-bande à facteur Q élevé qui permettent aux concepteurs de répondre aux besoins de la bande Ku, avec l'avantage supplémentaire de réduire les pertes de puissance, d'améliorer le rendement et de contribuer à la stabilité en température. Cette avancée intervient au moment où la bande Ku commence à être surchargée et où débutent des travaux pour passer aux bandes K et Ka. Il se trouve que les nouveaux matériaux sont bien adaptés aux fréquences plus élevées, avec des prototypes fonctionnant jusqu'à 70 GHz.