L’utilisation des MEMS-RF

Réseaux d’antennes

   Actuellement, les lanceurs spatiaux sont équipés de système télémétrique unidirectionnel. Afin d’améliorer le bilan de transmission en réduisant le nombre d’antennes, il est nécessaire d’installer des antennes à pointage électronique.Pour réaliser ce projet, il existe trois méthodes principales possibles pour modifier le diagramme de rayonnement :
 Une première méthode consiste à utiliser des antennes à réflecteur et modifier de manière active la caractéristique des différents éléments du réflecteur [4].
 Une deuxième technique consiste à venir parasiter l’antenne principale par des éléments placés dans son champ proche. Elle consiste ensuite à faire varier les caractéristiques radioélectriques de ces parasites pour modifier le rayonnement [5].
 La dernière technique est l’utilisation d’un réseau d’antennes dans lequel un déphasage est engendré entre chacun des patchs. Il présente l’avantage de pouvoir effectuer un balayage électronique du faisceau de rayonnement. L’antenne peut être commandée électroniquement et pointée successivement dans plusieurs directions. Grâce à ce dispositif, il est possible d’économiser sur des amplificateurs de puissance grâce à la faible consommation des MEMS-RF et de réduire le nombre d’antennes placées sur le lanceur.

Simulation sur le logiciel de simulation Momentum

   Avec l’aide du logiciel ADS Momentum, nous avons dessiné le déphaseur, grâce aux données du substrat et d’ADS Linecalc, comme le montre la Figure II-2. Le dispositif est composé d’une partie RF qui jouera le rôle du déphaseur et une partie DC qui permettra la commande des commutateurs à actionner. En respectant toutes les contraintes sur le sens de montage des MEMS-RF que l’on verra dans la suite du chapitre II, on remarque que les différentes résistances CMS (Composant Monté en Surface) placées sur le circuit DC permettent de protéger les MEMS-RF contre d’éventuelles décharges ESD (Décharges électrostatiques), et de limiter le courant ou d’éventuelles fuites RF dans le circuit de polarisation. De plus, on observe une rupture de symétrie dans les lignes de polarisation ce qui permet de placer les commutateurs dans le bon sens lors du montage Flip-chip, c’est-à-dire que le côté de la poutre est placé du côté de la masse DC

Gravure humide

   Une autre méthode, permet d’avoir un résultat plus propre que celui utilisé lors d’une gravure mécanique. C’est pour cela que le procédé en voie humide a été choisi. Un plan d’expérience a donc été mis au point afin de choisir la meilleure gravure sans abîmer le substrat avec des vitesses de gravure correcte. Après plusieurs tests, une solution a été retenue car elle présente les meilleures performances temps et front de gravure. Cette solution est le Trichlorure de Fer de formule brute FeCl3, chauffée à 45°C, elle permet de graver à environ 3 µm.min-1. Ensuite un procédé traditionnel de photolithographie a été utilisé, en faisant bien attention de protéger les surfaces que nous souhaitons gradées notamment le plan de masse RF et les lignes RF du circuit. Cette méthode a permis d’obtenir des lignes bien nettes et d’avoir une définition bien supérieure au procédé mécanique. L’inconvénient de cette méthode est la surgravure qui pourrait se produire lors de la gravure en voie chimique, elle est de l’ordre de l’épaisseur de métallisation à graver. Pour en limiter les effets et garder une bonne adaptation il suffit de la prendre en compte lors de la fabrication des masques de photolithographie.Une fois le circuit réalisé, il est nécessaire de reporter les commutateurs MEMS-RF sur le substrat, pour obtenir un déphaseur opérationnel. La technique mise en point pour le montage des commutateurs est le Flip-chip.

Carte de commande des MEMS-RF

   Afin de pouvoir contrôler les différents déphaseurs à base de MEMS RF, il a été nécessaire de créer une carte d’alimentation DC. Cette carte est composée de plusieurs zones, d’une zone d’alimentation des convertisseurs, d’une zone permettant de renvoyer la tension convertie dans la boîte à relais (Ports 1 à 12) et d’une zone permettant la distribution de la tension sur les différentes voies du dispositif (Port 27 à 37). Cette carte est reliée à la boîte à relais et aux différents déphaseurs, et elle nous permettra ainsi de choisir les différents états de phase. Quant à la boîte à relais, elle fournit une tension de sortie de 5V par le port 19 et fournit une masse DC par le port 18, ce qui nous permettra d’alimenter nos convertisseurs DC/DC. Nous avons 2 convertisseurs en cascade qui sont intégrés à la carte pour avoir en sortie -96V c’est-à-dire (-72)+(-24). De plus, une résistance de 50kW est placée à la sortie de chacun des convertisseurs et au port 18, assurant ainsi la stabilité du dispositif. Cette tension convertie est envoyée dans les ports 1 à 12 et ainsi retourne dans la boîte à relais. Ensuite, il sera possible de distribuer la tension sur les ports de 26 à 37 afin de pouvoir alimenter les MEMS-RF. La tension est ensuite acheminée par des fils entre la carte et les 4 déphaseurs à base de coupleur hybride. Il y a 2 ports attribués par voie afin d’obtenir les états 90° et 180° par voie. Si aucun des MEMS-RF n’est actionné, on aura 0° de déphasage sur chacune des voies. Par exemple, si on actionne le port 2 alors le port 27 sera actif et il transmettra la tension sur le circuit de polarisation qui permettra d’avoir l’état de phase 90° sur la voie 1.

Conclusion générale

   Les travaux de recherche menés dans cette thèse ont permis de mettre au point un prototype avec des déphaseurs à base de MEMS-RF pour un équipement de télémétrie. Nous avons pu voir que les dispositifs les mieux adaptés à la fréquence d’utilisation entre 2.2 et 2.4GHz sont les déphaseurs à base de coupleurs hybrides. De plus, ce circuit présente l’avantage de ne pas avoir d’interruption du signal lors d’un changement de phase ce qui est très important lors d’un vol d’un lanceur. L’utilisation des MEMS-RF a été indispensable car ce sont des composants faibles pertes et qui ont une tenue en puissance importante permettant de réduire le nombre d’amplificateurs. Plusieurs générations de MEMS-RF ont été fabriquées dans la salle blanche XLIM. La dernière génération de MEMS-RF a permis de simplifier le montage en Flip-Chip grâce à l’allongement des pads RF et DC. Et afin d’améliorer la résistance de contact une topologie avec 4 commutateurs en parallèles a été créée. De plus cette topologie permet de supporter plus de puissance grâce à sa structure de poutres en parallèle. La mise au point de ces déphaseurs a nécessité des efforts importants, mais il a permis de comprendre un bon nombre de phénomènes liés à l’intégration des MEMS-RF sur substrats organiques, comme le claquage, et l’importance des circuits de polarisation. Les techniques de montage en flip-chip développées dans cette thèse sont maintenant largement utilisées par l’équipe de recherche. Les chapitres II et III présentent différentes topologies de déphaseurs à base de coupleurs hybrides fonctionnant avec des MEMS-RF. Une première étude a permis de démontrer la faisabilité d’un déphaseur à base de coupleurs hybrides fonctionnant avec des MEMS-RF. Les premières mesures en paramètres S sont bonnes et l’écart de phase est faible par rapport à ce qui est attendu. De plus, le facteur de mérite de ce dispositif est correct, 118°/dB. Une seconde étude, a consisté à réduire la taille des circuits tout en conservant de bonnes performances. Nous avons pu tester la tenue en puissance de ce type de déphaseurs jusqu’à 33dBm sans observer de détérioration des signaux RF modulés. Les différentes études sur la topologie et les différents substrats, nous ont conduits vers l’utilisation de circuits bas coût RT5880 et RO3010. De plus, l’utilisation de switchs seconde génération dotés de faibles résistance <1W, a permis de réduire fortement les pertes des circuits. Les circuits présentant le meilleur facteur de mérite sont ceux fabriqués sur substrat RO3010, avec 253°/dB, ce qui constitue des performances de premier plan.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I – L’utilisation des MEMS-RF dans les déphaseurs
I. Définition et gestion du spectre hyperfréquences
I.1. Gestion du spectre électromagnétisme
I.2. Gestion du spectre hyperfréquence et leurs applications
II. Antennes reconfigurables en directivité
II.1. Réseaux d’antennes
II.2. Réseau d’antenne à base de coupleurs hybrides
III. Les déphaseurs intégrés hyperfréquences
III.1. Déphaseur à base de lignes commutées
III.2. Déphaseur à base de lignes chargées avec des MEMS-RF
III.3. Déphaseur à base de coupleurs hybrides à 90°
IV. Introduction sur les MEMS-RF
IV.1. Définition
IV.2. Les MEMS-RF à contact ohmique
IV.3. Fabrication des MEMS-RF à contact ohmique
IV.4. Les MEMS-RF fabriqués à XLIM
IV.5. Les MEMS-RF à contact capacitif
IV.6. Comparatifs des différents technologies de commutateurs
V. Conclusion
Chapitre II – Réalisation d’un déphaseur à base de coupleur hybride
Introduction
I. Les déphaseurs à base de coupleur hybride
I.1. Le coupleur hybride (3dB, 90°)
I.2. Le coupleur hybride en mode réflexion
I.3. Exemple de déphaseur à base de coupleur hybrides
II. Etude de la topologie du déphaseur avec un coupleur hybride en mode réflexion
II.1. Schéma équivalent du dispositif
II.2. Fonctionnement du dispositif
II.3. Etude sur le logiciel de simulation Agilent ADS
II.4. Simulation sur le logiciel de simulation Momentum
II.5. Co-simulation du dispositif
III. Fabrication des déphaseurs sur substrat Duroid RT5880
III.1. Gravure mécanique
III.2. Gravure humide
III.3. Le flip-chip
III.3.i. Le montage
III.3.ii. La vérification
IV. Précaution à prendre pour la réalisation des déphaseurs
IV.1. Observation d’une défaillance
IV.1. Fabrication de l’anneau de support des commutateurs
IV.2. L’orientation des commutateurs
IV.3. Lignes de polarisations
V. Fabrication du déphaseur à base de coupleur hybride
V.1. Montage du dispositif
V.2. Mesure des paramètres S
V.3. Mesure de linéarité
Conclusion
Chapitre III – Etude de différentes topologies de déphaseur à base coupleur hybride
Introduction
I. Etude de la topologie du déphaseur en mode hybride sur substrat d’Alumine Al2O3
I.1. Etude sur le logiciel de simulation Agilent ADS Linecalc
I.2. Design sur le logiciel de simulation électromagnétique Momentum
I.3. Co-simulation du dispositif
I.4. Fabrication du circuit
I.5. Technique de mesur
II. Topologie en éléments localisés
II.1. Schéma équivalent du déphaseur à base de circuit hybride en mode localisé
II.2. Simulation du dispositif
II.3. Mesure de Paramètres S
II.4. Mesure de linéarités des déphaseurs hybrides sur Al2O3
III. Topologie sur substrat Rogers à forte permittivité RO3010
III.1. Nouveau substrat
III.2. Changement de topologie
III.3. Co-simulation du dispositif
III.4. Mesures des paramètres S du circuit
III.5. Mesure de linéarités des déphaseurs hybrides sur Al2O
Conclusion
Chapitre IV – Réalisation de prototype, 1 voie vers 4, intégrant des déphaseurs à base de circuit hybride
Introduction
I. Conception d’un déphaseur 1 voie vers 4 sur substrat RT5880
I.1. Diviseur de puissance, 1 voie vers 4
I.2. Boîte à relais
I.3. Convertisseur DC-DC
I.4. Carte de commande des MEMS-RF
I.5. Prototype de déphaseurs 1 voie vers 4 sur substrat RT5880
I.6. Mesure en paramètre S du boitier
II. Fabrication d’un prototype avec le Duroïd haute permittivité de taille réduite 
II.1. Introduction
II.2. Conception des diviseurs de Wilkinson
II.3. Circuit de diviseur de puissance, 1 voie vers 4
II.4. Prototype de déphaseur, 1 voie vers 4, sur substrat RO3010
II.5. Mesures et simulations du prototype sur substrat RO3010
II.6. Test en phase de la voie 3 suivant différentes combinaisons de l’antenne
Conclusion
Conclusion générale et perspectives
Bibliographie

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