Les applications millimétriques en bandes W et G

Les systèmes RF 

   Les filtres millimétriques sont des composants essentiels dans divers systèmes électroniques, comme les réseaux pour les télécommunications téléphoniques, les radars ou encore les communications par satellite [1]. Par exemple, les filtres sont indispensables pour détecter un faible signal enfoui dans du bruit et améliorer la sensibilité d’un récepteur RF. Dans les systèmes de communication, les filtres passe-bande sont généralement utilisés à la fois dans les récepteurs et les émetteurs. Il leur faut donc répondre aux critères suivants: faibles pertes d’insertion, forte sélectivité aux hautes fréquences, linéarité de phase et absence d’harmoniques. La majorité des systèmes de communication dépendent des composants analogiques de la tête de réception. Néanmoins, aux hautes fréquences, le coût de ces circuits est très élevé, et une partie du traitement du signal se fait dans les basses fréquences.  De nombreux filtres sont présents dans les émetteurs et récepteurs de ce système. Ils sont répartis dans les étages successifs de l’émetteur-récepteur suivant les différentes fréquences : bande de base (BB), fréquence intermédiaire (FI) du mélangeur et radiofréquence (RF). Dans l’émetteur, les filtres passe-bandes sont situés avant et/ou après l’amplificateur de puissance (PA). Ils sont utilisés pour rejeter les signaux parasites générés, par exemple par l’oscillateur local (LO), et pour minimiser l’émission de puissance hors de la bande de fréquence souhaitée qui pourrait être générée par la non-linéarité PA. Dans le récepteur, les filtres passe-bande sont situés juste après l’antenne et l’amplificateur à faible bruit (LNA). Ils permettent de supprimer les bruits hors bande, d’éliminer la fréquence image dans les récepteurs superhétérodynes et plus généralement de limiter la bande passante du signal reçu. Cet exemple de système de télécommunication montre l’important rôle des filtres passe bande dans le fonctionnement des chaines d’émission et de réceptions pour la transmission des signaux en haute fréquences. De point de vue systèmes RF, les autres composants (comme l’antenne, et l’amplificateur de la chaine de réception) fonctionnant à la basse fréquence FI fixe.

Communication par satellite 

   La bande W a un grand potentiel pour les communications par satellite. L’ajout de la bande W aux autres bandes existantes Q/V permettra une réduction significative du coût global du système satellitaire [16]. De plus, la bande W permet d’avoir plus de flexibilité en termes de bande passante exploitée qui peut aller jusqu’à 5 GHz, pour l’émission et la réception des signaux. Cependant, avant que les solutions en bande W puissent être largement déployées, divers défis techniques doivent être relevés. Actuellement, le comportement de l’absorption atmosphérique dans cette bande de fréquences est encore imprévisible. Des mesures plus précises de propagation de signaux dans cette bande sont nécessaires pour une exploitation appropriée de cette bande millimétrique. Pour répondre à ces exigences [17], l’ESA (European Space Agency) a lancé plusieurs appels d’offres (Invitation To Tender, ITT) pour développer des composants et des technologies en bande W pour les futures liaisons de connexion à haut débit. À présent, seules quelques propositions de missions spatiales en bande W ont été fournies. Tel que, la mission ASI nommée DAVID (DAta et Video Interactive Distribution) [18], qui envisage une expérience de collecte de données (DCE) pour effectuer la validation et l’étude d’un système de communication par satellite à large bande pour la transmission de données via un satellite (Low Earth Orbit, LEO) à environ 570 km fonctionnant à 94,5 GHz en liaison montante et 83,9 GHz en liaison descendante. Un autre système de communication satellitaire utilisant la bande W a également été proposé au Japon [19] pour couvrir le Japon et une partie de l’Australie adoptant des fréquences dans la gamme 81-85 GHz pour la liaison montante et dans la bande 71-74 GHz bande de liaison descendante. La mission ASI WAVE [20] est considérée comme l’une des missions les plus innovantes en bande W. Son but est de réaliser de études expérimentales sur la propagation du signal dans l’atmosphère aux fréquences de la bande W. Deux types de stations sont proposées: une station fixe située sur le site de Spino D’Adda, en Italie et une station mobile. La station mobile permettra d’effectuer différentes mesures à différents endroits. Son implémentation permet la collection d’une grande quantité de mesures de propagation dans divers endroits et conditions météorologiques. Les fréquences 81-86 GHz et 71-76 GHz sont utilisées pour les liaisons montante/descendante, respectivement.

Astronomie

   ALMA est un observatoire astronomique, présenté figure I.12.(a) [23], exploite des très larges bandes millimétriques de 31 GHz jusqu’à 950 GHz, notamment la bande G. Il est construit dans le désert du Chili. En effet, les ondes submillimétriques sont facilement absorbées par la vapeur d’eau dans l’atmosphère. Le climat sec et l’altitude extrême (5000 mètres) du site dans le désert chilien d’Atacama offrent à ALMA les bonnes conditions pour détecter ces faibles signaux depuis l’espace. ALMA est un réseau de 66 antennes paraboliques de haute précision capable d’étudier le rayonnement cosmique et de détecter des objets de l’univers en fonction de leur rayonnement. ALMA a participé au projet (Event Horizon Telescope, EHT), qui a produit la première image directe d’un trou noir, publiée en 2019 et présentée figure I.12.(b)[24]. L’EHT tire son extrême puissance de grossissement d’image en connectant des antennes radio largement espacées à travers le monde dans un télescope virtuel ayant la taille de la Terre. Le télescope atteindra une résolution étonnante de 10 à 20 microarcsecondes, ce qui équivaut à lire la date sur une pièce de monnaie à Los Angeles de la distance de New York [25]. Cette thèse contribue au développement des domaines d’application des hautes fréquences, plus précisément le domaine spatial, par la conception de filtres passe-bande (PB) millimétriques. Le choix de la technologie s’oriente vers la fabrication additive. Chaque technologie présente des caractéristiques et propriétés particulières qui doivent être pris en considération afin de choisir celle qui offre des filtres millimétriques avec des performances électriques et une compacité supérieure, hautement requises dans l’industrie spatiale.

Comparaison des performances des filtres millimétriques 

   Les composants fabriqués par les technologies d’impression 3D présentent des déviations dans leurs fréquences centrales à cause aux modifications des dimensions des cavités durant la fabrication ou lors de l’étape de post-traitement. De plus, la faible conductivité métallique et la forte rugosité surfacique des composants génèrent des pertes réduisant ainsi leurs performances [48]. Selon nos études, un seul filtre passe-bande à structure métallique, présenté en [30], à réussit d’atteindre la fréquence de 90 GHz sans problème de reproductibilité. Bien que les procédés d’impression 3D sont récents dans le domaine des applications millimétriques, ils présentent un fort potentiel de fabrication des pièces de formes complexes de tailles centimétriques pour des applications de prototypage rapide. Le procédé micro-usinage a permis la réalisation d’un filtre passe-bande fonctionnant au-delà de 100 GHz avec fort facteur de qualité de 1600 à 144 GHz [36]. Néanmoins, les composants présentaient un décalage de fréquence centrale attribué à la sous-gravure des parois latérales des cavités. Selon nos études le plus petit filtre passe-bande fabriqué en utilisant le micro-usinage avait des dimensions totales de 40×130 µm² mais il présentait de forte atténuation de -7 dB [50], ce qui prouve les limites de cette technologie dans la création des composants miniatures performants. De plus, un simple désalignement lors de l’empilement des substrats micro-usiné provoque une augmentation des pertes d’insertion du composant de 2 dB. Les composants issus de la micro-fabrication additive EFAB et Polystrata ont le même niveau de performance que ceux fabriqués par micro-usinage. En effet, grâce à cette technologie un filtre passe-bande en bande W avec un facteur de qualité supérieur à 1000 a été fabriqué [45]. Le plus grand avantage de ces procédés est de pouvoir créer des composants très compacts avec de niveau précisions inférieurs au micromètres et forte conductivité métallique. De plus, une dizaine de composants peuvent être fabriqués au même temps sur un seul substrat ce qui réduit énormément le temps de fabrication. Nous avons ainsi choisi une technologie de micro-fabrication additive, à XLIM. Elle se base sur les procédés de fabrication EFAB et Polystrata ont apporté en termes de miniaturisation et forte conductivité métallique. Des filtres passe bandes à 140 GHz et à 38 GHz ont été fabriqués en 2017 sur un procédé XLIM [46]-[47]. Dans ces travaux de recherches nous avons continué à fabriquer des filtres passe-bande à 90 GHz et à 285 GHz en améliorant à l’ancien procédé XLIM.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I. Les nouveaux défis des systèmes de communications et technologies des filtres millimétriques du domaine spatial
Introduction
I. Les nouveaux défis en télécommunications 
I.1. Les systèmes RF
I.2. Encombrement des systèmes de télécommunication
I.3. Atténuation atmosphérique des hautes fréquences
II. Les applications millimétriques en bandes W et G
II.1. Exemples d’applications en bande W
II.1.1. Applications radars
II.1.2. Communication par satellite
II.1.3. Défense militaire et sécurité
II.1.4. Applications de sécurité
III. Exemples d’applications en bande G 
III.1.1. Astronomie
IV. Aperçu sur les technologiques des filtres passe-bandes millimétriques 
IV.1. Filtres millimétriques fabriqué par la technologie d’impression 3D
IV.2. Filtre millimétriques fabriqués par Micro-usinage volumique
IV.3. Filtres millimétriques fabriqués par la technologie de micro fabrication additive
IV.3.1. Filtres par technologie EFAB
IV.3.2. Filtres par technologie Polystrata
IV.3.3. Filtres par technologie XLIM2017
V. Comparaison des performances des filtres millimétriques  
Conclusion
Chapitre II. Procédés de Fabrication 3D et développement de la technologie XLIM
Introduction
I. Présentation des divers procédés technologiques de fabrication additive 
I.1. Technologie d’impression 3D
I.1.1. Technologie d’impression 3D par fusion de poudre
I.1.2. Technologie d’impression 3D par assemblage de plaques
I.1.3. Technologie d’impression 3D par agglomération de poudre
I.2. Technologie de micro-usinage volumique
I.2.1. Micro usinage par voie sèche (DRIE)
I.2.2. Micro-usinage par voie humide
I.3. Micro-fabrication additive
I.3.1. Procédé EFAB de Microfabrica
I.3.2. Procédé Polystrata® de Nuvotronics
I.3.3. Technologie de micro-fabrication additive développée à XLIM
II. Choix de la technologie de fabrication
III. Développement de la Technologie de micro-fabrication additive
III.1. Dépôts des métaux structurels
III.1.1. Évaporation thermique par faisceau d’électrons (E-beam)
III.1.2. Dépôts électrolytiques
III.1.3. Gravure humide des métaux structurels
III.2. Matériaux sacrificiels
III.2.1. Dépôts des matériaux sacrificiels
III.2.2. Photolithographie
III.2.3. Choix de matériaux sacrificiels
III.2.4. Comparaison des caractéristiques des couches sacrificielles
III.2.5. Superposition en couches de la résine sacrificielle
IV. Exemple de fabrication d’un filtre à base de 2 cavités rectangulaires remplies d’air
IV.1. Définition du plan de masse du composant
IV.2. Définition du blindage latéral du composant
IV.3. Définition du blindage supérieur du composant
IV.4. Libération du composant
Conclusion
Chapitre III. Conception et réalisation de filtres passe-bande millimétriques
Introduction
I. Méthodologie de conception des filtres passe-bande millimétriques 
I.1. Calculs des propriétés idéales pour filtre passe-bande
I.1.1. Gabarit du filtre
I.1.2. Matrice de couplage idéale
I.1.3. Coefficients de couplage idéaux inter-résonateurs kij et externes Qext
I.1.4. Fréquence de résonance f0 et dimensionnement de la cavité
I.2. Simulation des propriétés électromagnétique d’un filtre passe-bande
I.2.1. Facteur de qualité à vide Q0 et dimensionnement de la cavité
I.2.2. Simulation du coefficient de couplage externe Qext
I.2.3. Simulation du facteur de qualité à vide Q0
I.2.4. Simulation du coefficient de couplage inter-résonateurs kij
II. Réalisation de filtres passe bande millimétriques en bande W
II.1. Transition lignes coplanaire – structures 3D
II.2. Cavité résonante millimétrique à 90 GHz
II.2.1. Dimensionnement de la cavité résonante à 90 GHz
II.2.2. Simulation EM globale de la cavité résonante à 90 GHz
II.2.3. Mesure de la cavité résonante à 90 GHz
II.2.4. Retro-simulation et analyse des pertes
II.3. Filtre passe-bande à deux pôles à 90 GHz
II.3.1. Conception du filtre passe-bande deux pôles à 90 GHz
II.3.2. Simulation EM avec optimisation du filtre passe-bande deux pôles à 90 GHz
II.3.3. Mesure du filtre passe-bande deux pôles à 90 GHz
II.3.4. Retro-simulation et analyse des pertes
II.4. Filtre passe-bande quatre pôles à 90 GHz
II.4.1. Dimensionnement du filtre passe-bande quatre pôles à 90 GHz
II.4.2. Simulation initiale du filtre quatre pôles à 90 GHz
II.4.3. Simulation globale du filtre passe-bande quatre pôles à 90 GHz
II.4.4. Mesure du filtre passe-bande quatre pôles à 90 GHz
II.4.5. Retro-simulations et analyse des pertes
III. Conception et réalisation de filtres millimétriques en bande G 
III.1. Choix de l’excitation entrée/sortie du filtre passe-bande 2 pôles à 287 Hz
III.1.1. Excitation magnétique
III.1.2. Excitation électrique
III.1.3. Comparaison de deux méthodes d’excitations
III.2. Cavité résonante millimétrique à 286 GHz
III.2.1. Dimensionnement de la cavité résonante à 286 GHz
III.2.2. Simulation globale de la cavité résonante à 286 GHz
III.2.3. Mesure de la cavité résonante à 286 GHz
III.3. Filtre passe-bande deux pôles à 287 GHz
III.3.1. Dimensionnement du filtre passe-bande deux pôles à 287 GHz
III.3.2. Simulation globale du filtre passe-bande deux pôles à 287 GHz
III.3.3. Mesure du filtre passe-bande deux pôles à 287 GHz
IV. Résumé des dimensions de composants millimétriques réalisés
Conclusion
Perspectives : Fabrication Additive Multicouches des combineurs de puissance de forme rectangulaire
Introduction
I. Fabrication multicouches des lignes rectangulaires à conducteur centrales
II. Conception de combineurs de puissance rectangulaires
II.1. Architectures et dimensions
II.2. Combineurs de puissance bande W
II.3. Combineurs de puissance bande Ka
II.4. Combineurs de puissance bande Ku
III. Avancements sur la méthode de fabrication multicouches 
Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographiques

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