Etat de l’art du filtrage microonde reconfigurable

Auparavant réservées aux applications militaires, les systèmes de télécommunication hyperfréquences ont vu leur spectre d’applications se diversifier. Les récents développements scientifiques et technologiques ont engendré des besoins émergents de systèmes de communication et d’information tels que la téléphonie mobile, les réseaux indoor, l’internet, la télévision numérique par satellite. Avec l’augmentation sans cesse grandissante du nombre d’utilisateurs du spectre de fréquence, les bandes de fréquences libres se sont raréfiées conduisant à une gestion rationnelle de la bande microonde et une augmentation progressive des fréquences de fonctionnement. Par conséquent, les éléments d’extrémité des systèmes de télécommunication ont vu leurs contraintes croîtrent en termes de performances électriques (sélectivité, pertes), d’encombrement, de poids et de coût de production. De plus, avec la généralisation des systèmes multi-fonction et, par conséquent, multinormes, de nouvelles contraintes sont apparues. En effet, une gestion utilisant une chaîne dédiée à chaque norme conduit inévitablement à une augmentation de l’encombrement des systèmes et du coût de production. Une alternative consiste à multiplier le nombre de composants pouvant répondre à l’ensemble des normes. On parle alors de composants reconfigurables dont les caractéristiques électriques (bandes passantes ou atténuées, fréquences) sont contrôlées par une commande extérieure. Ainsi, on réduit le nombre d’éléments constitutifs du système.

Néanmoins, la mise en œuvre de tels systèmes, si elle autorise une réduction du coût de production, augmente le coût de conception tant il est difficile de les concevoir. En effet, la maîtrise de conception pour des fonctions à gabarits figés en fréquence reste actuellement un point critique, notamment lorsque les sélectivités sont importantes. Ces difficultés de conception sont accrues dès lors que l’on souhaite réaliser des fonctions satisfaisant plusieurs gabarits.

ETAT DE L’ART DU FILTRAGE MICROONDE RECONFIGURABLE 

L’émergence d’applications telles que les communications inter-satellites, les réseaux de communication haut débit, l’imagerie micro-ondes, la radiométrie a engendré des besoins dans les bandes de fréquence millimétriques et submillimétriques. Les filtres doivent désormais répondre à des contraintes de plus en plus drastiques en termes de sélectivité (bande passante, réjection), de pertes, d’encombrement et de coût de production. Les contraintes sont d’autant plus difficiles à tenir que la fréquence augmente, compte tenu des faibles longueurs d’ondes mises en jeu dans ces gammes de fréquence.

De plus, les systèmes actuels doivent être multifonction et répondre à des besoins multinormes. Les solutions consistant à multiplier les chaînes de réception et à commuter le signal en fonction des signaux à traiter sont contraires aux objectifs de réduction de coût et d’encombrement. C’est pourquoi, on a vu ces derniers temps se multiplier les études visant à rendre multinormes l’ensemble des éléments constitutifs des chaînes d’émission/réception. L’une des solutions possible est de créer des composants multi-bande, mais ces solutions peuvent conduire à des effets néfastes notamment lorsque les bandes sont proches (perte de sélectivité). Une alternative consiste à utiliser des fonctions accordables dont les caractéristiques électriques (sélectivité, bande passante, fréquence) peuvent être modifiables sous l’effet d’une commande extérieure. L’utilisation de ces systèmes doit permettre d’améliorer les performances globales du système.

La conception de filtres reconfigurables en bande millimétrique est basée sur trois critères principaux : le choix d’une topologie de filtre favorisant l’accordabilité en fréquence, une technologie fiable et peu dispersive pour réponde aux contraintes liées à la gamme de fréquence, le choix d’une technologie pour la réalisation de l’élément assurant l’accord en fréquence.

CRITERES DE CHOIX TECHNOLOGIQUE POUR LES FILTRES MICROONDES

De nombreuses technologies sont accessibles pour réaliser les filtres microondes. Nous présentons ici trois grandes catégories dans ce domaine : les technologies volumiques, acoustiques et planaires. Il convient de choisir la technologie la plus appropriée pour répondre aux spécifications du filtre.

Les technologies volumiques

Les technologies volumiques se basent sur l’utilisation de guides d’ondes pour réaliser les filtres (guides d’ondes rectangulaires ou circulaires, coaxiaux, résonateurs diélectriques ou cavités métalliques). Lors de la mise en œuvre de filtre en guide d’onde, le couplage d’énergie entre résonateurs est assuré par des iris dont la forme définit à la fois la nature du couplage (électrique ou magnétique) et sa valeur. Les résonateurs peuvent être soit des cavités à parois électriques ou des résonateurs diélectriques .

Les filtres à mode transverse électromagnétique (TEM) coaxiaux sont largement utilisés pour des applications large bande dans des stations de base. Ils ont des facteurs de qualité limités (3000–5000 à 1,8 MHz) par rapport aux filtres volumiques mais leurs coûts de conception sont relativement faibles [19].

Avec le développement des matériaux diélectriques, les filtres à résonateurs diélectriques peuvent avoir un facteur de qualité Q important (>50000 à 1.8 GHz), une constante diélectrique élevée et une température basse dans le matériau [19]. Un filtre à résonateurs diélectriques typique comporte des nombreux résonateurs diélectriques montés à l’intérieur de cavités usinées dans un boîtier métallique (Figure I.19). De manière analogue aux filtres en guide d’onde, ce type de filtre utilise les propriétés des modes transverses (TE ou TM).

• Utilisations : Les technologies volumiques sont les mieux adaptées au filtrage à bande étroite pour les signaux de forte puissance. De plus, les pertes associées à ce type de structures sont faibles car ils utilisent l’air comme diélectrique dont les propriétés isolantes sont remarquables. D’autre part leur section est relativement grande, ainsi les pertes par effet joule sont très faibles.
• Inconvénients : Le principal inconvénient des technologies volumiques réside dans leur encombrement et leur poids important. De plus, les filtres volumiques sont complexes à mettre en oeuvre, ils requièrent un traitement mécanique spécial et un réglage après réalisation. Cette procédure de réglage contribue fortement à une augmentation des coûts de production.

Les technologies acoustiques

La technologie SAW (Surface Acoustic Wave)

Le principe de la technologie SAW repose sur l’effet piézo-électrique. Les ondes électriques sont converties en ondes acoustiques de surface à l’entrée de dispositif par un transducteur interdigité (TID) (ou un couple d’électrodes). Ces ondes acoustiques excitent une cavité acoustique demi-onde formée entre le transducteur et un résonateur ou dans le transducteur lui même. L’énergie est alors couplée à une autre cavité acoustique demi-onde et convertie en onde électrique via un autre TID de sortie [20]-[21]. Le couplage entre deux cavités acoustiques peut s’effectuer selon trois méthodes. Une méthode commune consiste en la génération d’un champ évanescent entre les deux cavités. On parle alors de « couplage de guide » ou « couplage de proximité ». Ces couplages peuvent aussi se faire par l’intermédiaire d’un coupleur multi-rubans ou de cavités colinéaires à l’onde de surface.

Plusieurs substrats sont envisageables pour la réalisation de technologies SAW mais le quartz est le matériau le plus utilisé compte tenu de ses performances en température. De même le métal utilisé est généralement l’aluminium pur ou en alliage avec du cuivre.
• Utilisations : Grâce à sa petite taille, sa forte réjection et ses faibles pertes, cette technologie est souvent utilisée comme élément de filtrage à l’extrémité des chaînes d’émission/réception des téléphones portables [23]-[24].
• Inconvénients : Ces techniques sont soumises à certaines limitations pratiques. Parmi ces limitations, nous pouvons citer la limitation en fréquence (f<3GHz), le coût élevé et la complexité de réalisation [25]. De plus, il est souvent nécessaire d’utiliser un réseau d’adaptation entre le dispositif en technologie SAW et les autres éléments du circuit.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : ETAT DE L’ART DU FILTRAGE MICROONDE RECONFIGURABLE
I.1. INTRODUCTION
I.2. THEORIE GENERALE DU FILTRE
I.2.1. Définition du filtrage
I.2.2. Approximations
I.2.2.1. Approximation de Butterworth
I.2.2.2. Approximation de Tchebychev
I.2.2.3. Approximation d’Elliptique
I.2.3. Transformations d’un filtre en éléments localisés à un filtre en éléments distribués
I.2.3.1. Transformation de Richard
I.2.3.2. Identités de Kuroda
I.2.3.3. Inverseurs d’impédance K et d’admittance J
I.3. CRITERES DE CHOIX DES TOPOLOGIES DE FILTRE PASSE BANDE
I.3.1. Les filtres à large bande et à bande moyenne
1.3.1.1. Topologie de filtre à stubs
1.3.1.2. Topologie de filtre à stubs repliés
I.3.2. Les filtres à bande étroite
1.3.2.1. Le filtre à lignes couplées quart d’onde
1.3.2.2. Le filtre en anneau
1.3.2.3. Le filtre DBR (Dual Behavior Resonator)
1.3.2.4. Autres filtres à bande étroite
I.4. CRITERES DE CHOIX TECHNOLOGIQUE POUR LES FILTRES MICROONDES
I.4.1. Les technologies volumiques
I.4.2. Les technologies acoustiques
I.4.2.1. La technologie SAW (Surface Acoustic Wave)
I.4.2.2. La technologie BAW (Bulk Acoustic Wave)
I.4.3. Les technologies planaires
I.4.3.1. La technologie microruban
I.4.3.2. La technologie coplanaire
I.4.3.3. La technologie multicouche / multi-technologies
I.4.4. La filière HTS (High Temperature Superconducting)
I.5. ROLE DE FILTRE ACCORDABLE DANS LE SYSTEME DE TELECOMMUNICATION A HYPERFREQUENCE
I.6. CRITIERES DE CHOIX TECHNOLOGIQUE POUR DES FONCTIONS MICROONDES RECONFIGURABLES
I.6.1. Semiconducteurs
I.6.2. Les matériaux à permittivité variable
I.6.3. Les matériaux magnétiques
I.6.4. Le contrôle optique
I.6.5. La technologie MEMS
I.7. CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE DU CHAPITRE I
CHAPITRE II : ETUDES DES FILIERES TECHNOLOGIQUES POUR LES FILTRES PASSE BANDE DANS LA BANDE W
II.1. INTRODUCTION
II.2. FILIERES TECHNOLOGIES PLANAIRES
II.2.1. Filière technologie sur GaAs (Arséniure de Gallium)
II.2.2. Filières technologiques sur Si (Silicium)
II.2.3. Technologie membrane sur silicium
II.2.4. Filière technologique à base de silicium
II.2.5. Conclusion
II.3. TECHNOLOGIE MEMBRANE POUR APPLICATION EN BANDE W (75 GHZ – 110 GHZ)
II.3.1. Dimensionnement optimal des lignes coplanaires
II.3.1.1. La distance inter masse
II.3.1.2. Le rapport w/d
II.3.1.3. L’épaisseur de métallisation
II.3.2. Problématique aux hautes fréquences
II.3.3. Technologie membrane sur silicium
II.3.3.1. Propriétés de la membrane
II.3.3.2. Procédé de la technologie membrane
II.3.4. Mise en œuvre des dispositifs dans la bande W
II.3.4.1. Application aux filtres large bande
II.3.4.2. Application aux filtres faible bande
II.3.5. Conclusion
II.4. TECHNOLOGIE BCB SUR SILICIUM
II.4.1. Etudes du matériau BCB
II.4.1.1. Propriétés du matériau BCB
II.4.1.2. Etude de l’épaisseur du BCB
II.4.2. Choix de la technologie d’implantation sur Si-BCB
II.4.2.1. Ligne coplanaire
II.4.2.2. Ligne micro-ruban
II.4.3. Problématiques de 20µm-BCB technologie et les solutions
II.4.3.1. Etudes de contrainte sur 20µm-BCB
II.4.3.2. Procédé technologique initial pour un dépôt de 20µm de BCB
II.4.3.3. Analyse et améliorations de la filière BCB-20µm
II.4.4. Procédé technologique de BCB-20µm avec trous-métallisés
II.4.5. Mise en œuvre des dispositifs dans la bande W
II.4.5.1. Application aux filtres large bande
II.4.5.2. Application aux filtres faible bande
II.4.6. Comparaisons et conclusion
II.5. CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE DU CHAPITRE II
CHAPITRE III : SYNTHESES DE FILTRES ACCORDABLES EN FREQUENCE CENTRALE
III.1. INTRODUCTION
III.2. FONCTION ACCORDABLE
III.2.1. Fonction accordable en fréquence
III.2.2. Fonction accordable en bande passante
III.2.3. Conservation des performances électriques
III.3. FILTRE EN ANNEAU
III.3.1. Topologie et synthèse d’un filtre en anneau
III.3.2. Synthèse du filtre en anneau accordable
III.3.3. Application de la synthèse pour un filtre accordable
III.3.4. Conclusion
III.4. DBR MODIFIE
III.4.1. Topologie et synthèse d’un DBR modifié
III.4.1.1. Synthèse générale
III.4.1.2. Simplification des résonateurs
III.4.1.3. Renforcement de synthèse
III.4.1.4. Conception du filtre à la base de résonateur
III.4.2. Synthèse de la topologie DBR modifiée accordable
III.4.2.1. Synthèse du DBR modifié accordable
III.4.2.2. Amélioration de topologie DBR modifiée accordable
III.4.3. Conclusion
III.5. CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE DU CHAPITRE III
CHAPITRE IV : MEMS RF ET APPLICATION DANS LE DOMAINE MILLIMETRIQUE
IV.1. INTRODUCTION
IV.2. MEMS RF POUR APPLICATION EN BANDE MILLIMETRIQUE
IV.2.1. MEMS et ses applications
IV.2.2. Topologies des MEMS
IV.2.2.1. MEMs de type pont
IV.2.2.2. MEMs de type cantilever
IV.3. ETUDE DE MEMS ADAPTE A LA TOPOLOGIE DE DBR MODIFIE
ACCORDABLE
IV.3.1. Choix de topologie de MEMs RF
IV.3.1.1. Choix de la géométrie
IV.3.1.2. Choix de type de contact
IV.3.2. Design du MEMs
IV.3.2.1. Conception d’un cantilever à contact ohmique
IV.3.2.2. Choix de dimensionnement
IV. 4. SIMULATION DU MEMS
IV.4.1. Simulation électromagnétique
IV.4.2. Simulation électromécanique
IV. 5. FABRICATION DU MEMS
IV.5.1. Premier procédé de fabrication
IV.5.2. Observation et modification du procédé technologique
IV.5.3. Modifications apportées pour le MEMs
IV. 6. CARACTERISATION DU MEMS
IV.6.1. Description des stations de mesure
IV.6.1.1. Mesure de paramètres S sous pointes
IV.6.1.2. Caractérisations en fiabilité du MEMs RF
IV.6.2. Caractérisation du cantilever
IV.6.2.1. Paramètres S
IV.6.2.2. Paramètres de la fiabilité
IV.6.2.3. Test de cyclage
IV.6.3. Conclusion
IV.7. RESONATEUR RECONFIGURABLE
IV.7.1. Simulation du résonateur DBR modifié reconfigurable
IV.7.1.1. DBR modifié avec intégration de MEMs
IV.7.1.2. Réseau de polarisation
IV.7.1.3. DBR modifié reconfigurable avec le réseau de polarisation
IV.7.2. Caractérisation du résonateur reconfigurable
IV.7.2.1. Résonateur sans réseau de polarisation
IV.7.2.2. Résonateur avec réseau de polarisation
IV.7.3. Modifications apportées pour le résonateur reconfigurable
IV.8. CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE DU CHAPITRE IV
CONCLUSION GENERALE

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