Susceptibilité d’un récepteur RF à un signal hors bande de ...
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XX èmes Journées Nationales Microondes 16-19 Mai 2017 - Saint-Malo Susceptibilité d’un récepteur RF à un signal hors bande de faible puissance P. Payet, A. Martorell, J. Raoult, L. Chusseau IES, Université de Montpellier, 860 rue de Saint Priest, 34095 Montpellier, France [email protected] Résumé — Cet article traite des effets des interférences électromagnétiques (EMI) à partir d’un signal hors-bande sur un récepteur RF en fonctionnement. Le signal d’en- trée @2,4 GHz a été balayé avec des niveaux de puissance de -40 à 0 dBm dans la zone linéaire de fonctionnement. Le signal d’injection est rayonné en champ proche à une fréquence de 60 GHz au dessus du boitier de réception. En raison du comportement non-linéaire de certains dis- positifs actifs, des changements de gain indésirables al- lant jusqu’à l’inhibition de la fonction du récepteur et des consommations supplémentaires peuvent se produire. 1. Introduction Avec les progrès technologiques, nous augmentons le niveau et la qualité des services qui peuvent être offerts au grand public, au prix d’une vulnérabilité accrue à une grande variété de menaces. En effet, on sait que l’abais- sement des niveaux de tension et l’augmentation de la fré- quence remet en question la sécurité des systèmes [1, 2]. Il est connu que l’électronique réagit aux signaux qui ont des fréquences proches de la fréquence de fonctionnement [3]. Certains composants sont aussi sensibles en dehors de leur bande passante (signaux hors-bande). Ces signaux haute fréquence ne contribuent pas au signal de sortie, mais en raison du comportement non linéaire des dispositifs actifs dans l’amplificateur, des décalages en courant continu et des variations d’amplitude basse fréquence peuvent être présents à la sortie [4]. Les sources de ces perturbations sont d’origines multiples et peuvent être classées selon leur puissance ou encore leur bande de fréquence. Pour les plus connues, on retrouve des sources haute puissance en bande étroite comme les sources HPM, HIRF. Pour les sources hautes puissance large bande on retrouve le UWB. Les effets sur l’électronique sont divers, ils peuvent al- ler du mauvais fonctionnement au dommage permanent [5, 6], en passant par un redémarrage du système ou un abaissement de la durée de vie du système [7]. Dans ce papier, nous abordons le sujet de la suscepti- bilité d’une RF front-end à un signal hors-bande à 60 GHz de type impulsionnel avec une source de faible puissance et de petite taille mais placée en champ proche. 2. Détails du banc d’expérimentation Notre système d’injection se compose d’un oscillateur Gunn d’une puissance de sortie de 20 dBm. Nous pouvons Figure 1. Banc d’expérimentation ajuster mécaniquement la fréquence d’oscillation. Pour notre application, elle est réglée à 60 GHz. Une caracté- ristique de cette source est qu’elle peut être modulée en tout-ou-rien à une fréquence de quelques kHz. Pour proté- ger cette source, nous avons intégré un isolateur 35 dB. Nous contrôlons la puissance injectée par la source via une diode Schoktty avec une sensibilité de 3600 mV/mW. Le signal à 60 GHz alimente le guide d’onde WR15 connecté en série. L’ouverture du guide d’onde transmet le signal vers le dispositif sous test (DUT) par rayonne- ment. Compte tenu de la faible puissance de la source et de la longueur d’onde (λ =5 mm), nous nous plaçons dans le champ proche du DUT. Nous pouvons ainsi assurer que le maximum de signal sera transféré. Nous détectons le courant d’alimentation avec une sonde de conversion de courant 1A/V. Ce courant alimente un amplificateur à détection synchrone Signal Recovery (modèle 7265) pour mesurer la composante variable. Un schéma de la configu- ration expérimentale est représenté sur la Fig. 1. Le DUT (RF6535, Qorvo) est un module grand public qui permet des applications Wifi et Zigbee dans la bande 2,4 GHz à 2,5 GHz. Il intègre un commutateur permettant de sélec- tionner le chemin d’émission ou de réception. Il est po- sitionné sur le chemin de réception activant le LNA. Le RF6535 fonctionne avec une puissance de sortie maximale de 20 dBm et fournit 8,6 dB de gain typique avec un cou- rant moyen d’alimentation de 10,66 mA. Un synthétiseur fournit le signal utile à 2,4 GHz. Pour être dans la zone linéaire de fonctionnement, la puissance d’entrée est fixée à -20 dBm. Nous avons choisi d’observer la sortie du mo- XX èmes Journées Nationales Microondes, 16-19 Mai 2017 - Saint-Malo
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XXèmes Journées Nationales Microondes16-19 Mai 2017 - Saint-Malo
Susceptibilité d’un récepteur RF à un signal hors bande de faiblepuissance
P. Payet, A. Martorell, J. Raoult, L. Chusseau
IES, Université de Montpellier, 860 rue de Saint Priest, 34095 Montpellier, [email protected]
Résumé — Cet article traite des effets des interférencesélectromagnétiques (EMI) à partir d’un signal hors-bandesur un récepteur RF en fonctionnement. Le signal d’en-trée @2,4 GHz a été balayé avec des niveaux de puissancede -40 à 0 dBm dans la zone linéaire de fonctionnement.Le signal d’injection est rayonné en champ proche à unefréquence de 60 GHz au dessus du boitier de réception.En raison du comportement non-linéaire de certains dis-positifs actifs, des changements de gain indésirables al-lant jusqu’à l’inhibition de la fonction du récepteur et desconsommations supplémentaires peuvent se produire.
1. IntroductionAvec les progrès technologiques, nous augmentons le
niveau et la qualité des services qui peuvent être offertsau grand public, au prix d’une vulnérabilité accrue à unegrande variété de menaces. En effet, on sait que l’abais-sement des niveaux de tension et l’augmentation de la fré-quence remet en question la sécurité des systèmes [1, 2]. Ilest connu que l’électronique réagit aux signaux qui ont desfréquences proches de la fréquence de fonctionnement [3].Certains composants sont aussi sensibles en dehors de leurbande passante (signaux hors-bande). Ces signaux hautefréquence ne contribuent pas au signal de sortie, mais enraison du comportement non linéaire des dispositifs actifsdans l’amplificateur, des décalages en courant continu etdes variations d’amplitude basse fréquence peuvent êtreprésents à la sortie [4]. Les sources de ces perturbationssont d’origines multiples et peuvent être classées selonleur puissance ou encore leur bande de fréquence. Pourles plus connues, on retrouve des sources haute puissanceen bande étroite comme les sources HPM, HIRF. Pour lessources hautes puissance large bande on retrouve le UWB.Les effets sur l’électronique sont divers, ils peuvent al-ler du mauvais fonctionnement au dommage permanent[5, 6], en passant par un redémarrage du système ou unabaissement de la durée de vie du système [7].
Dans ce papier, nous abordons le sujet de la suscepti-bilité d’une RF front-end à un signal hors-bande à 60 GHzde type impulsionnel avec une source de faible puissanceet de petite taille mais placée en champ proche.
2. Détails du banc d’expérimentationNotre système d’injection se compose d’un oscillateur
Gunn d’une puissance de sortie de 20 dBm. Nous pouvons
Figure 1. Banc d’expérimentation
ajuster mécaniquement la fréquence d’oscillation. Pournotre application, elle est réglée à 60 GHz. Une caracté-ristique de cette source est qu’elle peut être modulée entout-ou-rien à une fréquence de quelques kHz. Pour proté-ger cette source, nous avons intégré un isolateur 35 dB.Nous contrôlons la puissance injectée par la source viaune diode Schoktty avec une sensibilité de 3600 mV/mW.Le signal à 60 GHz alimente le guide d’onde WR15connecté en série. L’ouverture du guide d’onde transmetle signal vers le dispositif sous test (DUT) par rayonne-ment. Compte tenu de la faible puissance de la source etde la longueur d’onde (λ = 5 mm), nous nous plaçonsdans le champ proche du DUT. Nous pouvons ainsi assurerque le maximum de signal sera transféré. Nous détectonsle courant d’alimentation avec une sonde de conversionde courant 1A/V. Ce courant alimente un amplificateur àdétection synchrone Signal Recovery (modèle 7265) pourmesurer la composante variable. Un schéma de la configu-ration expérimentale est représenté sur la Fig. 1. Le DUT(RF6535, Qorvo) est un module grand public qui permetdes applications Wifi et Zigbee dans la bande 2,4 GHz à2,5 GHz. Il intègre un commutateur permettant de sélec-tionner le chemin d’émission ou de réception. Il est po-sitionné sur le chemin de réception activant le LNA. LeRF6535 fonctionne avec une puissance de sortie maximalede 20 dBm et fournit 8,6 dB de gain typique avec un cou-rant moyen d’alimentation de 10,66 mA. Un synthétiseurfournit le signal utile à 2,4 GHz. Pour être dans la zonelinéaire de fonctionnement, la puissance d’entrée est fixéeà -20 dBm. Nous avons choisi d’observer la sortie du mo-
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Figure 2. Capture d’écran du signal temporel en sortiedu récepteur (en vert) et signal de modulation
appliqué à la source 60 GHz (en jaune)
Figure 3. Mesure fréquentielle du signal de sortie avecPin = -20 dBm, fm= 20 kHz, h = 300 µm
dule en temporel et en fréquentiel. Un analyseur de spectreet un oscilloscope sont placés en sortie. Le positionnementdu guide d’onde a été déterminé après un balayage au des-sus de la puce, avec comme critère de positionnement lapuissance au fondamentale la plus faible à l’analyseur despectre. Nous discutons des effets des interférences micro-ondes sur le gain et le courant d’alimentation, mais aussisur l’effet engendré par un changement de fréquence surla modulation de la source.
3. Résultats et discussionNous avons relevé à l’oscilloscope le signal de mo-
dulation afin de le comparer avec le signal de sortie duLNA Fig. 2. Lorsque le signal de modulation est sur unétat bas, alors la diode Gunn injecte le signal de perturba-tion. On remarque l’extinction immédiate de la fonctionde pré-amplification pendant toute la durée de l’agression.Malgré que la fréquence d’injection appliquée est 25 foissupérieure à la bande de fréquence du LNA. Nous sommestotalement hors bande et il n’y a pas de contact entre leguide d’onde WR15 et le circuit. En fonctionnement no-minal, le LNA devrait pré-amplifier le signal de 8,6 dB.Or, lorsque nous rayonnons un signal de 60 GHz moduléà 20 kHz, nous enregistrons une baisse de la puissance aufondamental qui est de fait reliée à l’extinction de la fonc-tion pendant une partie du temps. Le spectre est donnéFig. 3. Nous retrouvons une raie centrale à la fréquencede la porteuse de 2,4 GHz et des raies latérales à la fré-quence du modulant fm. Un ∆P de 5,5 dB est relevé entrela raie fondamentale et la première bande latérale ce quirend compte d’un encombrement spectral important au-
Figure 4. Evolution du gain et de la variation decourant d’alimentation en fonction de la hauteur
tour du fondamental. On constate une décroissance bienplus importante pour les raies d’ordre supérieur. On relèveune diminution de 5 dB entre le gain en fonctionnementnominal et le gain sous agression. La diminution du gainest corrélée avec l’augmentation de ∆I du courant d’ali-mentation Fig. 4. ∆I représente la variation de courant au-tour du courant moyen d’alimentation.
4. ConclusionNous avons présenté un système d’injection par micro-
onde à 60 GHz. Nous avons privilégié une injection faiblepuissance et très largement hors-bande. Ce travail s’est fo-calisé sur l’impact de l’injection sur la fonction de pré-amplification du LNA. Elle a conduit à une inhibition to-tale de la fonction. En modulant la source micro-onde,nous encombrons le spectre par des raies à la fréquencede modulation. Cette méthode d’injection sera testée surd’autres modules de réception avec d’autres fréquences defonctionnement et avec d’autres formes de pulse.
Références[1] D. Watts, "Security and vulnerability in electric power sys-
tems," in 35th North American Power Symposium NAPS2003, Missouri, 2003, pp. 559-566.
[2] M. Amin, "Toward self-healing energy infrastructure sys-tems," Computer Applications in Power, IEEE, vol. 14, pp.20-28, 2001.
[3] D. Mansson et al., "Vulnerability of European Rail TrafficManagement System to Radiated Intentional EMI," Electro-magnetic Compatibility, IEEE Transactions on, vol. 50, pp.101-109, 2008.
[4] M. J. van der Horst et al., "Amplitude-Modulation Detec-tion in Single-Stage Negative-Feedback Amplifiers Due toInterfering Out-of-Band Signals"
[5] R. Hoad et al., "Trends in EM susceptibility of IT equip-ment," Electromagnetic Compatibility, IEEE Transactionson, vol. 46, pp. 390-395, 2004.
[6] R. Thottappillil et al., "Response of electrified railway fa-cilities to intentional electromagnetic interference : Reviewof research at Uppsala University," Asia-Pacific Symposiumon APEMC 2008, pp. 291-294.
[7] W. A. Radasky and E. Savage, "Intentional ElectromagneticInterference (IEMI) and Its Impact on the U.S. Power Grid(Meta-R-323)," Metatech Corporation, Goleta, CA 2010.
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