Cavité en technologie SIW

Principe de fonctionnement

La réalisation de circuits à base de cavités enterrées dans des substrats planaires a été appelée Substrate Integrated Waveguide (SIW). Celle-ci a été introduite en 2001[24]. Ce concept SIW associe l’utilisation d’une technologie de réalisation planaire de type microruban et le fonctionnement de cavités dans lesquelles vont exister des modes volumiques. Techniquement, les cavités sont incluses dans le substrat et sont délimitées pour les faces supérieures et inférieures par des plans métalliques et pour les faces latérales par des rangées de trous métallisés. Ces vias doivent avoir un diamètre et un espacement suffisamment faibles pour apparaître comme des murs électriques parfaits ou quasi parfaits à la fréquence de résonance du mode considéré [25]. Cependant, la substitution de murs électriques réels par des trous métallisés implique que certains modes ne peuvent pas résonner.

Les modes qui ne peuvent pas s’établir sont ceux dont les lignes de courant sont perpendiculaires aux vias [26]. Les guides SIW propagent uniquement des modes TE10 dans l’épaisseur du substrat . Le mode de résonance fondamental associé est le TE101. Le coefficient de qualité à vide associé à ces structures est de l’ordre de 280.
L’alimentation des cavités se fait grâce à une transition propre au mode excité [24]. Ainsi, le circuit peut facilement être connecté aux autres éléments de façon planaire.
Les outils utilisés pour le développement de ces structures sont les mêmes que ceux utilisés dans le cas de technologies volumiques. En effet, ces structures peuvent être assimilées à des structures volumiques dont les couplages d’entrée-sortie et les processus de fabrication sont planaires. Au cours de l’étude de filtres SIW, les logiciels utilisés sont donc des simulateurs électromagnétiques tridimensionnels.
L’intérêt de ce type de structures réside principalement dans le fait d’avoir un facteur de qualité meilleur que ceux atteignables avec les topologies planaires. Par ailleurs, ces circuits présentent une bonne compatibilité, un poids faible et un coût de fabrication peu important au regard des techniques volumiques. De plus, la reproductibilité de ces structures est bonne.

La technologie SIW associe donc la fabrication et l’intégration aisée et faibles coûts des structures planaires aux performances des filtres volumiques. Elle constitue donc un très bon compromis entre intégration et performance. Ces dernières dépendent cependant des pertes du substrat diélectrique utilisé.

Règles de conception

Une cavité SIW n’est pas une cavité idéale puisque les murs électriques, habituellement matérialisés par des plans métalliques en technologie volumique classique, sont réalisés ici par des rangées de vias en SIW. La figure I-19 donne une vue tridimensionnelle d’un tel guide d’onde.

La dimension d correspond au diamètre des vias, et p à la distance entre deux vias adjacents centre à centre. L’écartement réel ar entre les deux rangées de vias (centre à centre) ne correspond pas à la largeur effective du guide d’onde. D’un point de vue électromagnétique, la frontière électrique créée par les rangées de vias est sensiblement différente de la frontière physique et géométrique que l’on peut attribuer à la ligne imaginaire formée par les centres des vias. Une première équation empirique a été proposée dans [28] pour obtenir une valeur approchée de la largeur effective du guide d’onde. En pratique, cette valeur correspond à la largeur d’un guide d’onde rectangulaire en technologie volumique classique (avec de vrais murs électriques latéraux) dont la fréquence de coupure est identique au guide SIW considéré. Cette équation (I.9) est donnée avec une précision ±5% et n’est valide que dans le cas où l’écartement p entre deux vias est inférieur à la largeur ar, et que b< 4d (où b est la hauteur de la cavité).

Dimensions et fréquence de résonance

Le concept SIW impose les deux parois métalliques parallèles que sont les métallisations inférieure et supérieure du substrat planaire. Le concepteur est ensuite libre de choisir la forme de ce qui matérialisera la (les) paroi(s) perpendiculaire(s) à ces plans métalliques. La figure I-21 montre une cavité SIW parallélépipédique peut être vue comme un tronçon de guide d’onde rectangulaire fermé par deux murs électriques, où a, b et l sont respectivement les largeurs, hauteur et longueur de la cavité. Dans un premier temps, il faut dimensionner la section du guide dans laquelle sera délimitée la cavité. Cela revient à déterminer les deux dimensions que sont la largeur a et la hauteur b de la cavité.
La largeur du tronçon du guide d’onde ne doit pas être choisie au hasard. Cette dimension conditionne la fréquence de coupure du guide, au-dessus de laquelle l’affaiblissement des champs devient exponentiel au fur et à mesure de la propagation [32]. Autrement dit, un tel guide d’onde peut être considéré comme un filtre passe bas dont la fréquence de coupure est fixée entre autre par la largeur.

Cavité en technologie SIW

Un composant SIW très utile est la cavité résonnante, qui peut être utilisée dans la conception de filtre et d’oscillateur. Un premier exemple de ce composant a été proposé (Hill, Ziolkowski et Papapolymerou 2001), où la cavité est réalisée avec plusieurs rangées de trous métallisés. Cette cavité a été excitée avec une ligne microruban réalisée sur un autre substrat diélectrique et a été couplée avec la cavité à travers une ouverture dans le plan métallique commun aux deux substrats diélectriques. L’ouverture se trouve au centre de la cavité. Ici cette méthode d’excitation multi-couches est remplacée par une approche faible coût où la cavité résonnante et le circuit planaire sont réalisés sur un même substrat. Pour ce faire, de nouvelles méthodes de couplage sont proposées entre une cavité résonnante SIW et un circuit planaire qui peut être une ligne microruban (MLINE) ou une ligne coplanaire (CPW), comme illustré à la figure I-23. Ces circuits de couplage entre la cavité SIW et la MLINE ou la CPW sont équivalents à des sondes de courant dont le positionnement peut être utilisé pour exciter un mode résonnant spécifique [34].

Couplages d’accès

Plusieurs solutions existent pour réaliser l’accès d’un filtre SIW, l’utilisation du microruban étant probablement la plus répandue [24]. Cependant, pour avoir une compacité plus importante, l’utilisation des accès coplanaires est plus avantageuse [35] car :
 Leur intégration n’implique pas d’augmentation significative de la surface du dispositif puisqu’ils pourront être intégrés aux cavités d’accès (cavité 1 et 6).
 La ligne coplanaire permet d’utiliser une station sous pointe pour mesurer les performances électriques du filtre.
 La ligne coplanaire permet aussi un report du dispositif dans un boitier par des fils de bonding si son extrémité est placée suffisamment proche du bord du substrat.
La figure I-26 montre une vue schématique des accès coplanaires. Les pointes de mesure sont posées là où la ligne CPW (Co-Planar Waveguide) prend naissance (en circuit ouvert). Les deux plans de masse (droit et gauche) sont ramenés au même potentiel au départ de la ligne CPW. Celle-ci est terminée par deux fentes perpendiculaires, assurant le couplage entre elle-même et la cavité sur laquelle elle est gravée.

Les fentes de couplages à 90° se terminent par un court-circuit où le champ électrique est nul et le champ magnétique élevé, comme le montre la figure I-27.Or ces extrémités se trouvent à l’endroit où, dans la cavité, le champ magnétique est le plus fort et le champ électrique est le plus faible. De plus, la jonction à 90° entre la ligne CPW et les fentes de couplages est située vers le centre de la cavité, là où le champ électrique est le plus fort, à la fois pour la ligne CPW et pour la cavité. La position de ces fentes est donc très importante et influera directement sur la qualité et/ou l’intensité de couplage.

Couplages horizontaux

Les cavités adjacentes situées sur un même étage seront couplés horizontalement. La manière la plus simple d’effectuer un tel couplage est de créer une ouverture dans la paroi qui les sépare. Ce type d’ouverture est appelé iris. En SIW, cela revient à retirer un ou plusieurs vias de la rangée qui sépare les deux cavités, et à ajuster l’écart entre les vias qui encadrent l’ouverture ainsi créée. La figure I-28 donne des exemples d’iris réalisés entre des cavités SIW [14].

Couplages verticaux 

Selon la topologie illustrée par la figure I-25, les cavités 3 et 4 empilées sur les cavités 2 et 5 respectivement. Elles sont donc couplées verticalement. Ces cavités sont séparées par un plan métallique. Le moyen le plus simple de réaliser un couplage est de graver une fente dans ce plan métallique. Afin d’obtenir un couplage à forte dominante magnétique, comme c’est le cas pour les couplages horizontaux, la fente devra être placée le long de bord des cavités, comme on peut le voir sur la figure I-30. Nous avons donc le choix entre quatre localisations correspondant aux quatre côtés des cavités. Nous pouvons cependant en éliminer deux en raison de leur proximité avec les éléments de couplages horizontaux. En effet, la présence de l’iris entre les cavités 1 et 2 (ou 5 et 6) rend inapproprié la localisation de la fente de couplage verticale sur ce côté de la cavité 2 (ou 5). De même, la présence de l’iris entre les cavités 3 et 4 inapproprié la localisation de la fente de couplage vertical sur ce côté de la cavité 3 (ou 4).
La proximité entre ces deux moyens de couplage impliquerait un couplage croisé non désiré entre cavités non adjacentes (entre les cavités 1 et 3 par exemple). Il faut donc limiter tout couplage croisé en éloignant au maximum les éléments de couplages les uns des autres. Les fentes doivent donc être placées le long des parois des cavités qui ne sont pas pourvues d’iris, comme illustré dans la figure I-30.

Afin de fournir un couplage à dominante magnétique forte, la fente doit être placée au plus près du bord des cavités. Mais il est recommandé de laisser une marge d’environ 50μm entre le contour d’un via et le bord d’une fente.
Dans une cavité rectangulaire SIW résonnant en mode TE101, le champ électrique est concentré au centre de la cavité et est orienté verticalement, comme illustré sur la figure I-31(a). Le champ magnétique quant à lui est orienté horizontalement et tourne le long des bords intérieurs de la cavité, comme illustré sur la figure I-31(b).
L’iris se situe donc au niveau d’un maximum de champ magnétique des cavités qu’il couple, il semble donc évident que la nature de ce type de couplage soit à forte dominante magnétique. Il est donc important de conserver un couplage de nature magnétique dans l’ensemble de filtre. Cette information est importante pour la réalisation des couplages verticaux décrits précédemment [14].

Transition de guides d’onde – ligne microruban 

Une fois le SIW fabriqué, on doit le tester. Il faut donc obligatoirement avoir une transition vers une ligne de transmission qui est reliée à un analyseur de réseau. La ligne microruban est une des lignes de transmission les plus utilisées dans la conception de systèmes micro-ondes. Une transition du SIW vers une ligne microruban a été proposée par Deslandes [36]. La topologie de la structure est donnée dans la figure I-32.
Finalement, ce tronçon quart d’onde peut aussi être optimisé avec un logiciel à onde complète afin de minimiser les pertes de retour.
Une transition efficace entre un guide d’onde rectangulaire et une ligne microruban requière une conformité des champs à l’interface entre les deux structures, ainsi qu’une adaptation d’impédance.
Les lignes de champs du mode TE10 et ceux quasi-TEM d’une ligne microruban sont représentés par la figure I-33, il est apparent que les champs sont les deux capolarisés de la même façon. Par contre, les champs du guide d’onde couvrent une région plus grande par rapport à ceux de la ligne microruban qui sont plus concentrés entre le plan de masse et le conducteur. Une des manières pour remédier à cela consisterait donc à forcer les lignes de champ du guide à se concentrer de façon continue ou périodique.

Applications en bandes C et S

La bande C 

La bande C est la partie du spectre électromagnétique définie par les fréquences :
 De 3.4 à 4.2 GHz en réception et de 5.725 et 7.075 GHz en émission attribué au service de Radiodiffusion par Satellite (Broadcasting) particulièrement utilisée sur les zones tropicales et faiblement sur les autres zones.
 De 4 à 8 GHz pour des usages comme les radars météorologiques.
La puissance d’émission, qui lui est généralement associée, est relativement faible, en comparaison avec la bande Ku par exemple. Elle nécessite donc des paraboles de grande taille pour sa réception (de 2.5 à 3 mètres de diamètre). Cependant la bande C est moins sensible à la pluie que la bande Ku.
Les radars bande C sont aussi utilisés en trajectographie. En France le BEM Monge (bâtiment d’essais et de mesures) possède deux radars bande C : Armor conçus par Thales.

La bande S

La bande S est une bande de fréquences définie sur la partie du spectre électromagnétique allant de 2 à 4 GHz.
La bande S est notamment utilisée dans les applications suivantes :
 Radars météorologiques et certains radars militaires de surveillance aérienne (exemple AN/SPY-1 ou SAMPSON).
 Quelques satellites de communication, spécialement ceux que la NASA emploie pour communiquer avec leurs navettes spatiales et la Station spatiale internationale.
 Certains transmetteurs audio/vidéo de puissance maximale 20 mW.
 Les réseaux sans fil utilisant le protocole Wi-Fi (2400 à 2485 MHz).
 Les réseaux mobiles LTE (2500 à 2690 MHz).

Conclusion

Au cours de ce chapitre, nous avons présenté des généralités sur les technologies volumique, planaire et SIW ainsi que la théorie de couplages de ses cavités.
La technologie SIW « Substrate Integrated Waveguide » se base sur une technologie planaire de type microruban à laquelle on associe des faces latérales métallisées, formant ainsi des cavités intégrées au substrat, dans lesquelles se propagent des modes volumiques. Elle constitue donc un très bon compromis entre intégration des microrubans et performance des filtres volumiques. En vue des nombreux avantages que présente la technologie SIW, cette dernière répond aux exigences actuelles du domaine spatial.

Table des matières

Remerciements
Liste des figures
Liste des tableaux
Liste des abréviations et acronymes
Introduction générale
Chapitre I : Généralités sur la technologie SIW
I.1. Introduction
I.2. Guides d’ondes et modes de propagation
I.2.1. Guide d’onde rectangulaire
I.2.2. Modes de propagation
I.2. Technologies planaire et volumique
I.2.1. Technologie volumique
I.2.1.1. Les filtres à résonateurs diélectriques
I.2.1.2. Les filtres à cavités métalliques
I.2.1.3. Les filtres à guides d’ondes
I.2.2. Technologie planaire
I.2.2.1. La technologie microruban
I.2.2.2. Technologie coplanaire
I.2.2.3. Technologie triplaque
I.2.2.4. Technologie LTCC
I.3. Technologie SIW
I.3.1. Filtres hybrides SIW
I.3.2. Principe de fonctionnement
I.3.3. Règles de conception
I.3.4. Dimensions et fréquence de résonance
I.3.5. Cavité en technologie SIW
I.3.6. Couplages
I.3.6.1. Couplages d’accès
I.3.6.2. Couplages horizontaux
I.3.6.3. Couplages verticaux
I.4. Transition de guides d’onde – ligne micro ruban
I.5. Applications en bandes C et S
I.5.1. La bande C
I.5.2. La bande S
I.6. Conclusion
Chapitre II : Les filtres passe-bande
II.1. Introduction
II.2. Rôle du filtre
II.3. Théorie des filtres
II.3.1. Classification des filtres
a. Par fonctions
b. Par gabarits
c. Par ordres
d. Actifs/Passifs
II.3.2. Matrice S du quadripôle
II.3.3. Fonction de transfert
II.4. Principes de filtrage micro-onde
II.4.1. Exemple de filtre microonde dans un système de téléphonie mobile
II.5. Filtre passe-bande
II.5.1. Caractéristiques
II.6. Exemples d’application de filtres passe-bande (de la littérature)
II.6.1. Nouveaux filtres passe-bande SIW utilisant des poteaux chargés pour une application dans un système WLAN de 5,8 GHz
II.6.2. Comparaison des filtres classiques et des filtres de guides d’ondes intégrés pour la communication par satellite
II.6.3. Un filtre passe-bande double bande basé sur la structure hybride du guide d’onde intégré au substrat et de la ligne coaxiale intégrée
II.6.4. Utilisation de la méthode des éléments finis à deux dimensions
II.6.5. Filtre passe-bande intégré au substrat double-mode (SIW)
II.6.5.1. Cavité à double mode
II.6.5.2. Conception de filtre d’ordre quatre à deux modes
II.7. Outils de simulation
II.7.1. Méthodes temporelles
II.7.1.1. Méthode d’intégration finie (FIT)
II.7.1.2. Méthode de la matrice des lignes de transmission (TLM)
II.7.2. Méthodes fréquentielles
II.7.2.1. Méthode des éléments finis (FEM)
II.7.2.2. Méthode des moments (MoM)
II.7.3. Remarques
II.8. Conclusion
Chapitre III : Présentation des résultats de simulation
III.1. Introduction
III.2. Conception du guide SIW opérant en bande C
III.3. Adaptation du guide d’ondes en technologie SIW
III.4. Conception du guide HMSIW (demi-mode) opérant en bande C
III.5. Conception du guide SIW opérant en bande S
III.6. Conception du guide HMSIW (demi-mode) opérant en bande S
III.7. Conception du premier filtre SIW passe-bande à cavités couplées
III.7.1. Etude de la première structure du filtre SIW passe-bande
III.7.1.1. Filtre SIW d’ordre 3
III.7.1.2. Filtre passe-bande d’ordre 5
III.7.1.3. Filtre passe-bande d’ordre 7
III.7.2. La première structure du filtre HMSIW
III.8. Conception du second filtre SIW passe-bande à cavités couplées
III.8.1. Etude de la deuxième structure du filtre SIW passe-bande
III.8.1.1. Filtre SIW d’ordre 3
III.8.1.2. Filtre SIW d’ordre 5
III.8.1.3. Filtre SIW d’ordre 7
III.8.2. La deuxième structure du filtre HMSIW
III.9. Etude comparative des différentes structures conçues de filtre
III.10. Conclusion
Conclusion générale 
Bibliographie 

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