Le militaire
Chapitre III
Les circuits intégrés monolithiques hyperfréquences
La micro-électronique hyperfréquence s'est largement développée dans les années 1970 à 1980, couvrant l'ensemble des domaines d'applications : militaire, civil (professionnel et grand public) et spatial. Remplaçant avantageusement des parties encombrantes en guide d'ondes et/ou lignes coaxiales, elle a consisté dans une première étape à assembler sur un substrat adéquat (verre Téflon, céramique, etc.) les composants actifs et passifs nécessaires à la propagation (amplification, distribution, etc.) des signaux hyperfréquences. La seconde étape a permis de rassembler tous ces composants sur un même substrat et de donner ainsi naissance au Circuit Intégré Monolithique Hyperfréquence (ou MMIC dans sa dénomination anglaise : Monolithic Microwave Integrated Circuit), démarche déjà largement engagée avec les Circuits Intégrés Numériques ou Analogiques Basse Fréquence [9, 10]. Les solutions hybrides à composants discrets s'effacent progressivement au profit de solutions monolithiques dont les avantages sont une meilleure reproductibilité, fiabilité et des performances élevées, pour un coût et un encombrement plus faible [11].
Pour mieux comprendre les enjeux technologiques et commerciaux des MMIC, il est souhaitable d'avoir conscience de leurs applications. Le but de cette partie n'est cependant pas de faire une liste exhaustive de ces applications mais seulement d'en évoquer les principales. Bien que les différents domaines d'applications soient étroitement liés, on peut les classer comme suit :
Dans le domaine militaire, l'évolution générale des armements a conduit à l'utilisation de composants électroniques à base d'arséniure de gallium. En effet, d'une part, parce qu'en ce qui concerne la réception de l'information, on apprécie tout particulièrement les caractéristiques de très faible bruit et de forte bande passante de ces composants qui permettent une augmentation sensible des performances [12]. D'autre part, parce qu'au niveau de l'émission de puissance, ils offrent la possibilité de réaliser des sources d'émission compactes ne nécessitant qu'une faible tension d'alimentation. En effet, les dispositifs électroniques, embarqués à bord des missiles ou des munitions intelligentes, doivent être capables de consommer très peu de courant. De plus, les systèmes doivent fonctionner à des fréquences de plus en plus élevées (millimétriques), tout en étant moins encombrants et invulnérables aux radiations. De ce fait, les MMIC interviennent de plus en plus dans les programmes majeurs de la Défense Nationale pour satisfaire les objectifs de coût, de performance, d'encombrement et de poids [13]. Trois principales familles d'applications existent :
Ce sont principalement les radars au sol et aéroportés, les munitions intelligentes (radars de très courte portée) et les autodirecteurs de missiles. Une application importante est l'antenne active à balayage électronique. Seuls les circuits à base d'arséniure de gallium permettent de réaliser les modules actifs émission-réception (E/R modules) qui sont les principaux éléments constitutifs de ces radars, dont les principaux avantages sont les capacités antibrouillage, multicible, et la quasi-invulnérabilité. Des prototypes de modules et d'antennes ont déjà été réalisés pour des radars au sol en bandes L, S, C et X [14]. Notons également que la radiométrie passive [15] (munitions intelligentes) demande des amplificateurs très faible bruit fonctionnant en gamme d'ondes millimétriques.
Cela comprend les contre-mesures mais également les dispositifs de brouillage électronique qui doivent suivre l'élévation des fréquences des communications militaires. Les circuits pour les contre-mesures électroniques sont caractérisés par une très grande largeur de bande instantanée (typiquement 1-20 GHz), ces systèmes étant capables d'identifier et de suivre simultanément de multiples cibles au moyen de récepteurs, détecteurs, etc. et de déclencher une riposte appropriée sous forme de signaux de brouillage par l'intermédiaire d'une chaîne d'amplificateurs de puissance. Ces systèmes équipent la plupart des avions de combat et hélicoptères. Notons que le SPECTRA, Système d'autoProtECTion de l'avion de combat RAfale, sera le premier programme militaire français à engendrer une production significative de MMIC GaAs, tant dans le domaine du faible niveau que celui de la puissance.
Cela concerne les radiocommunications mais également les communications discrètes de champ de bataille.
On peut distinguer trois principales applications des MMIC :
Les communications satellites prennent de plus en plus d'essor avec le lancement de projets ambitieux visant à couvrir notre planète d'une gigantesque toile d'araignée satellitaire [16]. Les diverses applications visées (téléphonie sans fil, transports, multimédia, etc.) dépassent largement le cadre des communications entre individus. Cependant elles reposent toutes sur le transfert de données en ondes hyperfréquences. Parmi les applications existantes, on peut citer les systèmes permettant à une société de transports d'être en contact permanent avec une flotte de camions via des terminaux mobiles VSAT (Very Small Aperture Terminal) fonctionnant dans la bande des 20-30 GHz, mais également le système GPS (Global Positioning System). A l'origine, développé pour les besoins de l'armée américaine, le récepteur GPS, travaillant autour de 1,5 GHz, utilise trois signaux codés synchronisés émanant de trois satellites pour localiser le point de réception à mieux que 15 m dans les trois dimensions. Cette dernière application avantage le GaAs par rapport au silicium au niveau du facteur de bruit, car la sensibilité du récepteur doit être élevée compte tenu de la faible taille de l'antenne, et également au niveau de la consommation qui doit être la plus faible possible pour un système portable. Le récepteur comprend un amplificateur faible bruit, un mélangeur et une source de fréquence synthétisée. On citera également la balise SART (Search And Rescue Transponder) fonctionnant à 9,5 GHz : cette balise renvoie automatiquement un train d'impulsions de localisation lorsqu'elle est interrogée par les radars maritimes ou aéroportés. Enfin, l'application qui a été la première en volume pour les MMIC (circuits convertisseurs de fréquence à 12 GHz) est le récepteur DBS (Direct Broadcast Satellite) développé pour la télévision par satellite [17].
Les systèmes actuels de téléphonie sans fil (Wireless Local Area Networks) utilisent un réseau terrestre de stations de base permettant de relier entre eux les possesseurs de téléphone cellulaire. Ce système utilisera également dans le futur un réseau de satellites, comme cela a été évoqué précédemment, mais il concernera aussi les communications entre ordinateurs, c'est-à-dire le transfert de données. Les bandes de fréquences concernées pour les stations de base sont de 2,4 GHz (fréquence allouée aux U.S.A. et en Grande-Bretagne pour les faibles débits jusqu'à 1 Mbit/s), 18,5 GHz (fréquence choisie par Motorola pour son projet radiotéléphone, pour l'aptitude du signal à traverser les murs d'un bâtiment et s'atténuer rapidement à l'extérieur ; le débit peut atteindre aisément 15 Mbit/s) et 60 GHz (fréquence déjà allouée au Japon pour les débits de 100 Mbits/s).
En ce qui concerne le radiotéléphone numérique de l'utilisateur, si le silicium paraît en mesure d'occuper une place prépondérante dans les composants du GSM (Groupe Spécial Mobile) à 900 MHz, il en va différemment pour le PCN (Personal Communication Network) ou le DECT (Digital European Cordless Telephone) à 1 800 et 1 900 MHz. La première génération utilise des MMIC en technologie MESFET pour la partie réception, le commutateur E/R et l'amplificateur de puissance. L'avantage déterminant du GaAs est son rendement électrique supérieur à 60 % sous 3 V. La seconde génération verra peut-être l'émergence du HBT.
Les applications de l'arséniure de gallium sont pour l'instant limitées au pilote de diode laser et à l'amplificateur transimpédance en réception, principalement pour la distribution de canaux TV par câble. Cependant la demande pourrait croître très fortement si les projets de câblage des particuliers venaient à voir le jour commercialement. Toutefois, le développement de cette application nécessite une infrastructure import ante, ce qui la rend moins accessible que les communications sans fil.
Les applications des hyperfréquences dans ce domaine ne se limitent heureusement pas au radar de vitesse autoroutier ! En effet cela concerne également les fonctions de communications et de contrôle.
Cela comprend toutes les télécommunications à courte distance, c'est-à-dire la communication entre une balise fixe et un objet mobile du type badge, qui peut être passif ou alimenté par pile, dans une gamme de distances de 2 à 20 m. Les fréquences normalisées sont de 2,45 GHz pour la gestion des wagons et des containers, et 5,8 GHz pour les péages autoroutiers non-stop [18], les péages d'accès dans les grandes villes, la télémonétique, l'ouverture des portes d'automobiles, l'identification des objets volés, etc. L'intérêt du GaAs réside dans sa capacité à consommer moins de 1 µA en mode de veille, avant que le badge ne soit réveillé par la balise pour effectuer la liaison bidirectionnelle. Les communications entre véhicules et avec les infrastructures routières utiliseront la bande portée par 63 GHz. A cette fréquence, la très grande influence des interconnexions des divers composants sur les performances justifie pleinement l'utilisation des MMIC avec des technologies HEMT et P-HEMT (Ces composants sont présentés par la suite).
On retrouve ici le système GPS qui connaît un nombre grandissant d'applications civiles en aéronautique, où il est actuellement étudié comme alternative au MLS (Microwave Landing System), en navigation maritime ou en version terrestre portable, à des fins de cartographie ou guidage transport. Ce système a donné naissance à la navigation routière par satellite, proposée aujourd'hui aux automobilistes. L'application majeure est sans doute le radar anti-collision automobile. Initié par AEG Telefunken en Allemagne dès 1973 à 35 GHz, ce projet a été relancé à travers le programme européen Prometheus à 77 GHz, avec beaucoup plus de chances d'aboutir par suite des progrès enregistrés dans la fabrication des MMIC en ondes millimétriques. Les développements actuels devraient aboutir à des premières séries sur des autobus et des véhicules de haut de gamme avant l'an 2000.
Le domaine industriel est concerné par les capteurs pour l'analyse des matériaux, mais également ceux ayant trait à la robotique, aux télémesures et à l'instrumentation. Les applications médicales concernent la détection et le traitement de tumeurs, mais également les émetteurs et récepteurs pour applications biomédicales.
D'une part la technologie MMIC est théoriquement plus fiable qu'une version hybride des mêmes composants actifs et passifs du fait de l'intégration des interconnexions. D'autre part la réduction de la surface et du poids est également pour le domaine spatial un avantage déterminant. Ainsi le premier démonstrateur d'antenne active pour radar spatial en bande X : le projet SPOT RADAR [19] du CNES, nécessitait une antenne bande X à balayage électronique de 2,3 x 7,2 m², comportant plus de 6000 commandes de phase. La seule solution réaliste consistait à utiliser autant de modules actifs, incluant déphaseurs et amplificateurs (émission et réception), réalisés en série en technologie MMIC, connectés immédiatement derrière les éléments rayonnants. L'exemple précédent concerne l'observation de la terre [20, 21, 22], mais le spatial comprend également le domaine de l'astrophysique et de la radioastronomie. Dans ces domaines, la détection de molécules demande, comme pour les applications météorologiques, le développement de circuits fonctionnant en gamme d'ondes millimétriques et sub-millimétriques [23].
B. Spécificité et perspectives du marché des MMIC
Les chances d'un développement significatif du marché civil doivent être examinées surtout pour deux types d'application en expansion : l'automobile et le téléphone portable. Quant aux produits militaires, ils correspondent en grande majorité à un marché captif en raison de leur caractère confidentiel, particulièrement dans le domaine des radars, de la guerre électronique et des télécommunications discrètes.
Pour la plupart des applications automobiles, l'utilisation du GaAs sera probablement incontournable : dispositifs anti-collision, capteurs de vitesse pour systèmes ABS (Anti Blocking System), péage en route, etc.. De ce fait, le marché automobile pourrait s'ouvrir plus tôt qu'il n'était prévisible il y a quelques années : en effet chez Daimler-Benz, les véhicules Mercedes devraient être équipés d'un système anti-collision tout prochainement.
L'évolution du marché des téléphones portables est plus difficile à estimer : en effet, si la génération actuelle type GSM n'utilise que peu de composants GaAs, la nouvelle génération en préparation, dont la fréquence a été normalisée à 1,8 GHz en Europe, pourrait en utiliser sensiblement plus ; mais une partie des experts interrogés sur ce point considèrent que le GaAs est plus intéressant que le Silicium pendant une durée limitée de l'ordre de cinq ans. L'élément déterminant pour la percée du GaAs dans ce domaine des télécommunications est donc l'introduction suffisamment rapide sur le marché du téléphone portatif de la nouvelle génération (à 1,8 GHz). Si celle-ci est retardée, les composants GaAs verront diminuer leur avantage de faible consommation au profit des composants silicium moins chers qui accéderont prochainement à un niveau de performance voisin de celui de leur homologue GaAs pour les fréquences inférieures à 3 GHz.
L'importance quantitative du marché militaire est essentiellement liée aux programmes de radars à antenne active : en effet, les autres applications militaires de l'arséniure de gallium, telles que les équipements de guerre électronique, de communication et de navigation ne conduisent pas à des quantités significatives de composants. La disponibilité de ces technologies est toutefois stratégique pour ces dernières. On peut donc estimer que le marché militaire du GaAs restera très limité au cours de la prochaine décennie.
En conclusion, on peut dire que le marché militaire du GaAs restera quantitativement faible, même s'il est stratégiquement important, et que le marché civil pourrait reposer plus, à moyen terme, sur la réussite des applications automobiles que sur la nouvelle génération de téléphones portatifs dont la fréquence de fonctionnement permettra rapidement l'utilisation du Silicium. Cependant, le marché induit par les applications "téléphone portatif" devrait avoir un impact favorable sur celui des composants GaAs.
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