Pourquoi un LNA approprié est la clé d'un circuit d'entrée d'antenne viable

L'une des premières leçons sur les liaisons RF et sans fil que tout étudiant apprend est que les antennes adhèrent au principe de réciprocité. Cela signifie que les caractéristiques d'émission et de réception d'une antenne sont identiques, sans différences d'attributs comme le gain d'émission ou de réception, la largeur du faisceau ou les diagrammes de rayonnement entre les deux modes. Si vous connaissez les spécifications de l'antenne en mode émission, alors vous les connaissez également en mode réception. Bien sûr, les antennes pour une émission à plus haute puissance sont souvent composées d'éléments physiques plus grands afin de pouvoir gérer la puissance, mais la réciprocité demeure.

Des recherches sont menées autour des antennes non réciproques utilisant des métasurfaces et des métalentilles, mais elles sont encore au stade de la recherche et du développement, et nous ne les aborderons pas ici.

La réciprocité est certainement un principe de conception simplificateur, mais les trajets d'une antenne côtés émission et réception ne se limitent pas à l'antenne. Le côté émission a une tâche assez facile, car il s'agit d'une fonction déterministe : il prend un signal connu, relativement fort et avec des attributs définis, qui a traversé l'amplificateur de puissance, et le « présente » à l'antenne. Il y a peu d'inconnus dans le trajet, à l'exception du contenu détaillé du signal qui module la porteuse, et ce facteur est sans grande importance pour l'antenne.

En revanche, le trajet du signal du récepteur fonctionne quant à lui selon un scénario aléatoire beaucoup plus difficile. Il doit localiser et capturer une petite quantité de puissance de signal RF et agir comme un transducteur de champ électromagnétique (EM) pour convertir cette puissance en tension utilisable. Il doit le faire malgré les divers types et sources de bruit et d'interférences dans la bande, malgré une certaine dérive de l'émetteur, et même malgré des déplacements de fréquence provoqués par l'effet Doppler dans certaines applications.

Cette puissance reçue est assez faible, de l'ordre de quelques milliwatts (mW) dans certains cas et de quelques microwatts (µW) dans la plupart des cas, et la tension correspondante créée au niveau de l'antenne est donc généralement de l'ordre de quelques microvolts. La tension est trop faible pour être utilisée directement pour la démodulation dans la plupart des cas. La solution est alors évidente : il suffit de l'amplifier. Pour donner un ordre d'idée, la puissance du signal reçu pour les signaux GPS est typiquement comprise entre -127 et -25 décibels (dB) par rapport à un milliwatt (dBm), et les signaux Wi-Fi viables se situent entre -50 dBm et -75 dBm.

Un faible rapport signal/bruit constitue un problème supplémentaire

La solution de l'amplification ne constitue qu'une partie de l'histoire du récepteur. Il n'est pas difficile d'amplifier un signal, même de l'ordre du microvolt, de plusieurs ordres de grandeur. Cependant, le signal d'origine comporte aussi du bruit, et ce qui affecte réellement la capacité à démoduler et à décoder le signal reçu, c'est son rapport signal/bruit (SNR). Toute amplification du signal reçu amplifiera également le bruit qu'il comporte. L'utilisation d'une plus grande antenne avec un gain passif plus élevé augmentera la puissance du signal reçu, mais le rapport signal/bruit restera inchangé.

L'une des mesures clés liées aux performances d'un système est son taux d'erreur sur les bits (TEB) par rapport au rapport signal/bruit (Figure 1). Les détails de ces courbes dépendent de nombreux facteurs, notamment la force du signal reçu, le rapport signal/bruit et le type de codage des données brutes pour le code de correction d'erreurs (ECC) utilisé au niveau de l'émetteur. C'est la raison pour laquelle les graphiques plus détaillés montrent le taux d'erreur sur les bits par rapport au rapport signal/bruit pour le train de bits non corrigés bruts, ainsi que pour les bits corrigés (QAM = modulation d'amplitude en quadrature).

Figure 1 : Le graphique standard du taux d'erreurs sur les bits par rapport au rapport signal/bruit nous apprend beaucoup sur les performances du système. Notez que des techniques de modulation plus avancées comme 256-QAM peuvent augmenter le débit de données effectif, mais au détriment du taux d'erreur sur les bits à un rapport signal/bruit donné. (Source de l'image : Julia Computing, Inc.)

Quelles sont les valeurs de rapport signal/bruit typiques qui donnent une démodulation réussie avec un taux d'erreur sur les bits suffisamment faible ? Il n'y a évidemment pas de réponse universelle, mais un rapport signal/bruit acceptable pour un signal Wi-Fi est compris entre 20 et 40 dB, entre 40 et 50 dB pour un vieux téléviseur entièrement analogique, et présente environ les mêmes valeurs pour les liaisons cellulaires.

Bien sûr, il existe des exemples extrêmes : des signaux sont encore reçus de la part des engins spatiaux Voyager 1 et Voyager 2, lancés en 1977 et maintenant à plus de 18 milliards de kilomètres de la Terre. Ces signaux arrivent ici depuis leurs émetteurs de 23 watts (W) avec une puissance de signal de moins d'un attowatt (un milliardième d'un milliardième de watt) et un rapport signal/bruit de seulement quelques dB. Pour compenser cela dans une certaine mesure, leur débit de données est maintenant réduit à environ 100 bits/seconde, contre les quelques kilobits/seconde (kb/s) lorsqu'ils étaient plus proches et présentaient une force de signal reçu bien plus élevée.

Les amplificateurs à faible bruit (LNA) à la rescousse

Il existe un cliché d'ingénierie qui remonte aux débuts de l'ère du « sans fil » et qui reste valable : s'il n'y avait pas de bruit, les défis de la plupart des conceptions de système seraient bien plus simples. C'est valable pour la liaison d'antenne d'un récepteur pour une simple raison. L'amplificateur, qui est nécessaire pour « améliorer le gain » du signal reçu faible, ajoute son propre bruit dans ce signal, comme le fait tout câblage d'interconnexion entre une antenne et un circuit d'entrée de récepteur.

Le besoin d'amplifier le signal reçu présente un dilemme. D'un côté, le signal non amplifié est trop faible pour être utile ; de l'autre côté, l'amplification augmente l'ampleur du signal, mais dégrade également le rapport signal/bruit et, de ce fait, les performances de liaison potentielles. Ce dilemme est résolu en grande partie en choisissant un amplificateur qui ajoute le moins de bruit possible.

L'amplificateur à faible bruit (LNA) d'entrée présente deux paramètres essentiels : la quantité de bruit qu'il ajoute au signal et la quantité de gain qu'il peut fournir. Les LNA fabriqués avec des processeurs analogiques hautement spécialisés brillent dans l'exécution d'une tâche (fournir un gain avec peu de bruit de leur part) et ne conviennent pas aux applications non prévues pour les LNA.

Le SKY67180-306LF de Skyworks Solutions est un exemple de LNA à gain élevé à deux étages pour les applications de 1,5 à 3,8 gigahertz (GHz), comme les répéteurs cellulaires et les sites à petites cellules/macrocellules pour les applications LTE, GSM et WCDMA, ainsi que les récepteurs à bruit ultrafaible en bande S et en bande C (Figure 2).

Figure 2 : Le SKY67180-306LF de Skyworks Solutions est un LNA à gain de 31 dB, à deux étages pour les applications de 1,5 à 3,8 GHz avec un bruit de fond de 0,8 dB. Le premier étage est optimisé pour un facteur de bruit faible, tandis que le deuxième étage fournit un gain supplémentaire. (Source de l'image : Skyworks Solutions)

Le premier étage de ce dispositif QFN à 16 sorties utilise des transistors pHEMT GaAs pour un facteur de bruit (NF) ultrafaible, tandis que l'étage de sortie (transistors bipolaires à hétérojonction) fournit un gain supplémentaire à cette fréquence, avec un niveau élevé de linéarité et de rendement. Cela donne un LNA avec un bruit de fond de 0,8 dB et un gain de 31 dB à 3,5 GHz.

Un autre problème crucial est l'emplacement physique du LNA. Il est clairement plus facile de le placer avec le reste des circuits du récepteur. Cependant, cela signifie que le bruit thermique inévitable du câble transportant le signal amplifié du LNA vers le système sera ajouté au signal non amplifié, réduisant davantage le rapport signal/bruit. Pour cette raison, même les applications grand public comme les antennes paraboliques de microstation terrienne (VSAT) placent le LNA directement au niveau du point focal de l'antenne parabolique.

Conclusion

Bien que les fonctions d'émission et de réception d'une antenne adhèrent au principe de réciprocité, leurs défis réels divergent. Pour de nombreuses situations d'antenne RF, un LNA dédié constitue souvent le meilleur voire le seul moyen d'amplifier le signal reçu à une valeur utilisable tout en ayant un impact minimal sur le rapport signal/bruit. Il existe des LNA spécialisés adaptés à des bandes de fréquences spécifiques, et dont les valeurs de gain permettent de résoudre le dilemme de niveau du signal/rapport signal/bruit.

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Références

• Increase Broadband Speed, "Wi-Fi Setup Guide: What is a Good Signal Level or Signal-to-Noise Ratio (SNR) for Wi-Fi?"
• Nordic Semiconductor, "GPS functionality test"
• The Great Courses Daily, "Voyager 2 Sends Messages from Interstellar Space with Minimal Signal"
• National Radio Astronomy Observatory, "How Strong is the Signal from the Voyager 1 Spacecraft When it Reaches Earth?"
• IEEE Communications Society, "Voyager - A Space Exploration Mission Like No Other"