Soutenance mémoire
Dans la plupart des situations quotidiennes, que ce soit pour régler une station de radio, regarder la télévision, envoyer des messages texte, faire une analyse IRM (imagerie par résonance magnétique), vous utilisez l’énergie électromagnétique. Cette énergie voyage sous forme d’ondes électromagnétiques, soit dans l’air à la vitesse de la lumière, soit dans d’autres milieux où la vitesse de propagation est inférieure et liée aux caractéristiques électromagnétiques de ces milieux. Les ondes électromagnétiques ont été réparties en fonction des longueurs d’onde dans le spectre électromagnétique.
Avec le développement des systèmes de télécommunication, plusieurs études s’orientent vers l’utilisation de la bande de fréquence autour de 60 GHz, pour son aspect faible porté (notion de sécurité), et la transmission des données à haut débit. Avant de pouvoir concevoir des dispositifs de télécommunication complets, ces développements commencent par des études des composants passifs ou actifs et de circuits qui composent les circuits intégrés. Dans le cadre du développement de technologies plus intégrées et matures adaptées aux fréquences millimétriques, nous avons choisi de nous focaliser sur la technologie à faible coût LGP (Ligne de Goubau Planaire): cette technologie sur substrat silicium HR (Haute Résistivité) présente les pertes les plus faibles à 60 GHz (α<0.07 dB/mm) par rapport à l’état de l’art, d’après la thèse soutenue en Juillet 2010 au laboratoire ESYCOM par Julien ÉMOND. Nous souhaitons réaliser à l’aide de la technologie LGP des composants passifs à 60 GHz, tels que des filtres passe-bas et passe-bande.
Bande de fréquences millimétriques
La bande de fréquences millimétriques, connue également comme la bande extrêmement haute fréquence (EHF), occupe la bande de fréquences de 30 GHz à 300 GHz. Les ondes dans cette bande millimétrique ont une longueur d’onde λ courte entre 10 mm à 1 mm .
Au cours des dernières années, les bandes de fréquences entre 57GHz et 66GHz dans la bande de fréquences millimétriques ont été ouvertes au public gratuitement sans nécessiter de licence . Ces blocs continus de fréquences forment une bande intéressante et attendue, surtout en ce qui concerne l’exigence technologique d’une transmission haut débit sécurisée.
L’onde électromagnétique à 60 GHz
Profitant d’une transmission haut débit avec des caractéristiques spécifiques à la propagation autour de 60 GHz, cette bande a été utilisée largement dans les domaines de la sécurité et des applications militaires. La caractéristique de la propagation électromagnétique dans cette bande qui présente le plus d’intérêt est le phénomène naturel d’absorption par l’oxygène à 60 GHz, qui produit une atténuation très élevée de tous les signaux transmis autour 60 GHz.
Absorption par l’oxygène à 60 GHz
La molécule d’oxygène absorbe l’énergie électromagnétique ; cette absorption est plus élevée autour de 60 GHz que pour les autres bandes de fréquences utilisées pour des systèmes sans fil.
Par une réduction rapide de la portée des liaisons radio à 60 GHz sur une distance courte , cette atténuation présente les avantages suivants:
• Les signaux ne se transmettent pas au-delà du périmètre d’utilisation prévu.
• Les liaisons radio n’interfèrent pas entre elles
• Augmentation du nombre de liaisons radio utilisées dans la même région géographique (réutilisation de fréquence) .
Concernant les antennes, la directivité d’une antenne est limitée par le principe de diffraction qui précise que la largeur du faisceau est inversement proportionnelle avec la fréquence, par conséquent la largeur du faisceau d’une antenne à 60 GHz est plus petite que pour d’autres bandes de fréquences plus basses qui ne nécessitent pas de licence d’accès. Grâce à sa petite longueur d’onde, la taille et le poids des composants qui travaillent à ces fréquences (60 GHz et ses voisines) sont plus petits en comparaison avec ceux fonctionnant à des fréquences inférieures à 60 GHz. En conclusion la bande de fréquence gratuite (57GHz 66GHz) est assez élevée pour la miniaturisation des composants (Lignes de transmission, filtres, antennes..). Par ailleurs les composants dans cette bande seront compatibles avec les systèmes de communication qui exigent des liaisons sécurisées et courte portée, en raison du phénomène d’absorption par l’oxygène à 60 GHz.
Lignes de transmission
Les lignes de transmission permettent le transfert des signaux qui portent différents types d’informations, en conséquence les technologies utilisées pour les lignes de transmission dépendent du type d’information transférée.
Rappels sur la théorie des lignes de transmission
Il existe deux approches pour caractériser une ligne de transmission, à savoir l’application des équations de Maxwell (où la structure de la ligne de transmission dépend des caractéristiques et dimensions du substrat diélectrique, ainsi que de la propagation de champ électromagnétique dans ce substrat), ou la modélisation par des éléments localisés (où la ligne de transmission est représentée par des composants électriques, telles que des capacités et des inductances).
Dans l’approche par éléments localisés, la ligne de transmission est modélisée à l’aide de composants électriques discrets; ces composants sont définis en fonction de l’unité de longueur dz. L’inductance L.dz représente l’effet magnétique lié au passage du courant dans les conducteurs, la capacité C.dz modélise le condensateur induit par deux conducteurs portés à des potentiels différents, la résistance R.dz est liée aux pertes par effet Joule dans les conducteurs, et la conductance G.dz représente les pertes dans le diélectrique .
Lignes de transmission planaires
Les systèmes RF et micro-ondes ont nécessité au départ l’utilisation de guides d’ondes et de câbles coaxiaux. Les guides d’ondes ont pour avantage de permettre de manipuler des puissances avec des faibles pertes, mais ils sont volumineux et coûteux. Les câbles coaxiaux sont des structures ne permettant pas d’intégrer des composants micro-ondes. Les lignes de transmission planaires ont fourni une bonne alternative. Les lignes de transmission planaires sont compactes, moins chères que d’autres types de lignes de transmission et sont facilement intégrées dans les circuits actifs.
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Table des matières
1. CHAPITRE I: Introduction
1.1 Bande de fréquences millimétriques
1.2 L’onde électromagnétique à 60 GHz
1.3 Lignes de transmission
1.4 Lignes de transmission planaires
1.4.1 Ligne micro-ruban
1.4.2 Guide d’ondes coplanaire
1.4.3 Ligne micro-ruban inversée
1.5 Etat de l’art des composants à 60 GHz
1.5.1 Lignes de transmission à 60 GHz
1.5.2 Filtres à 60 GHz
1.6 Outil de simulation HFSS
1.7 Conclusion
1.8 Bibliographie
2 CHAPITRE II: Ligne de Goubau Planaire
2.1 Introduction
2.2 Propagation électromagnétique
2.3 Ligne de Goubau planaire sur silicium
2.3.1 Influence de l’épaisseur de la couche diélectrique
2.3.2 Influence de la permittivité diélectrique
2.4 Paramètres caractéristiques de la ligne de Goubau planaire
2.4.1 L’impédance caractéristique
2.4.2 La permittivité effective
2.4.3 Longueur d’onde
2.4.4 Constante de phase β
2.4.5 Le coefficient d’atténuation α
2.4.6 Le facteur de qualité
2.5 Conclusion
2.6 Bibliographie
3 CHAPITRE III: Ligne de Goubau Planaire sur Silicium et Verre
3.1 Introduction
3.2 Présentation de Ligne de Goubau planaire sur silicium et verre
3.3 Influence de la largeur de la ligne de Goubau planaire sur silicium+verre
3.3.1 Impédance caractéristique
3.3.2 La permittivité effective
3.3.3 Longueur d’onde
3.3.4 Les constantes de propagation α et β, et le coefficient de qualité Q
3.4 Propriétés des lignes simples de largeurs 50 et 350 µm
3.5 Etude paramétrique des lignes parallèles couplées
3.6 Transition
3.6.1 Transition ligne Coplanaire-Ligne de Goubau (50 µm)
3.6.2 Transition Coplanaire-Ligne de Goubau (350 µm)
3.7 Mesures sous pointes
3.7.1 TRL de-embedding
3.7.2 Résultats de mesures
3.8 Conclusion
3.9 Bibliographie
4 CHAPITRE IV: Filtres
4.1 Introduction
4.2 Méthodes de synthèse des filtres
4.2.1 Approximations en amplitude
4.2.2 Transformation du filtre
4.2.3 Synthèse des filtres passe-bas
4.2.4 Synthèse des filtres passe-bande
4.3 Mise en œuvre dans le domaine millimétrique
4.4 Topologies des filtres planaires
4.4.1 Les sauts d’impédance
4.4.2 Les résonateurs
4.5 Filtres en technologie ligne de Goubau Planaire
4.5.1 Filtre passe-bas à sauts d’impédance
4.5.2 Filtre passe-bande à résonateurs
4.5.3 Représentation électrique en éléments localisés
4.5.4 Étude de sensibilité de la structure du résonateur
4.6 Mesures des filtres passe-bas à sauts d’impédance et à résonateurs
4.7 Conclusion
4.8 Bibliographie
5 Conclusion Générale et Perspectives
6 Annexe : Dimensions des structures simulées
