Méthodes appliquées pour les GIS miniaturisés 

Technologie planaires

Les technologies planaires sont complémentaires aux technologies volumiques. Là où ces dernières peinent à cause de leurs encombrements et poids trop important, ou à cause de leur mauvaise connectivité, les technologies planaires répondent favorablement à ces critères.
Elles sont par ailleurs adaptées aux productions de masse, et donc à la réduction des coûts. Ces qualités ont un prix qui se paye par des puissances admissibles limitées au Watt.
Le principe est basé sur l‟utilisation d‟un substrat diélectrique sous forme de plaques, métallisé sur l‟une ou les deux faces. Plusieurs conceptions sont alors possibles, comme par exemple les lignes micro-rubans, les coplanaires ou les tri-plaques.

La ligne micro-ruban

Les lignes micro-rubans [13] sont les lignes les plus utilisées pour faire la conception des circuits intégrés à hautes fréquences. La géométrie est présentée par la figure I.4. Un ruban conducteur de largeur W est imprimé sur un substrat d‟épaisseur h d‟une permittivité relative dont l’autre face constitue un plan de masse.
La maîtrise de cette technologie rend les coûts beaucoup plus bas que pour les technologies volumiques, ainsi que sa bonne connectivité, son faible encombrement et son petit volume en font un candidat idéal pour être inclus dans les autres modules.
La propagation des ondes dans cette structure inhomogène s‟effectue en partie dans le diélectrique, en partie dans l‟air, la proportion dépend de la valeur de constante diélectrique du substrat.
 Caractéristiques des lignes micro-rubans
On peut citer les caractéristiques suivantes :
 les signaux en courant alternatif aussi bien qu‟en courant continu peuvent être transmis.
 Les composants actifs, diodes et transistors peuvent être facilement implémentés (des connexions en dérivation sont aussi facilement réalisables).
 La caractérisation des composants sur le circuit est simple à effectuer.
 La longueur d‟onde de la ligne est considérablement réduite (généralement un tiers de sa valeur dans le vide).
 La structure est assez irrégulière et peut résister modérément à des tensions et des niveaux de puissance élevés.
 Avantages et inconvénients des lignes micro-rubans
On peut citer les avantages suivants:
 toute configuration du conducteur supérieur peut être déposée directement sur le diélectrique ce qui est une opération peu coûteuse.
 Des éléments semi-conducteurs peuvent être aisément fixés à cette structure puisqu‟elle est de configuration plane.
 Tous les éléments incorporés à la structure sont généralement accessibles.
Mais malgré ces performances ils ont des inconvénients qu‟on peut citer :
 les pertes sont plus élevées par suite du rayonnement; elles dépendent fortement de l‟épaisseur et de la constante diélectrique du substrat.
 Le champ électrique est perturbé par l‟interface air-diélectrique.
 Existence d‟un effet de bord: les champs s‟étendent de part et d‟autre du ruban.
 Les champs électriques et magnétiques sont orthogonaux dans le plan transverse.

Les lignes coplanaires

La structure de la ligne coplanaire coïncide à la même structure que celle de la ligne micro-ruban. C‟est un autre type de guide d‟onde utilisée pour les circuits intégrés.
La technologie coplanaire se matérialise par une métallisation sur une seule face de substrat. La ligne est alors matérialisée par deux fentes gravées dans le métal, comme le montre la figure I.5. Cette technologie a pour avantage de réduire encore le coût de fabrication puisque tout est réalisé sur une seule face. On s‟affranchit ainsi des perçages et de dépôt métallique supplémentaires. Cependant, le fait d‟avoir trois conducteurs en parallèle rend la propagation possible selon deux modes fondamentaux. Le premier qui est le mode quasi-TEM, et le second est le mode TE. Ce dernier apparaît notamment avec la présence de discontinuités. La solution pour s‟affranchir du mode TE consiste à mettre au même potentiel les deux plans métalliques extérieurs à la ligne. Mais en pratique, cela reste difficile et coûteux à réaliser. Pour cette raison le coplanaire resté peu utilisée.

Les lignes tri-plaques

La technologie tri-plaque revient à noyer un ruban métallique dans un substrat, dont les deux faces ont été métallisées. Nous retrouvons donc, comme pour le coplanaire, trois conducteurs en parallèle, avec deux modes de propagation possible. Mais contrairement au coplanaire, le mode parasite peut être facilement éliminé en ajoutant des vias métallisés tout au long de la ligne, pour relier les deux faces métallisées et les maintenir au même potentiel électrique. De plus, le fait de noyer la ligne dans un substrat permet de réduire considérablement les dimensions grâce à une permittivité relative plus élevée. Par ailleurs, la métallisation des deux faces protège des pertes par rayonnement.
Les inconvénients de tri-plaque sont d‟avoir des coûts de réalisation plus élevés que les autres techniques planaires, et l‟ajout de composants localisés est plus difficile à réaliser.

Autres technologie planaires

Ces trois technologies présentent des performances électriques acceptables, surtout au regard de l‟économie, d‟encombrement et de poids qu‟elles apportent. D‟autres technologies planaires existent et permettent d‟améliorer certains facteurs.
Nous pouvons par exemple citer la technologie membrane dont le principe revient à suspendre une ligne micro-ruban dans l‟air, bénéficiant ainsi des faibles pertes inhérentes à ce substrat. Des problèmes d‟encombrement et de fragilité y sont malheureusement liés.
La technologie supraconductrice HTS (High Temperature Superconductor); permet de réduire considérablement les pertes par l‟utilisation de matériaux supraconducteurs, mais ces qualités ne sont effectives qu‟à des températures bien particulières, ce qui nécessite un équipement lourd et encombrant pour contrôler la température.
Dans l‟optique d‟apporter de nouvelles perspectives, les technologies multicouches sont basés sur un procédé planaire auquel sont ajoutées des alternatives de diélectrique et de métallisation. La base reste un substrat classique de plusieurs centaines de micromètres, alors que les couches additionnelles présentent des épaisseurs de l‟ordre de dizaine de micromètres pour le diélectrique, et du micromètre pour la métallisation. Ce procédé permet d‟obtenir une plage d‟impédance plus large qu‟en planaire classique, et d‟atteindre de nouveaux types de couplages. Il apporte des difficultés quant à la réalisation, avec notamment des problèmes d‟alignement des couches.

Exemple d’application des technologies planaires

Dans cet exemple .des stubs, quart d‟onde ou demi-onde, respectivement court-circuités ou en circuits ouverts, sont reliés entre eux par des inverseurs quart-d‟ondes. C‟est une topologie classique, facile à maitriser, et intéressante notamment pour la réalisation de fonctions de filtrage large bande.

La technologie des guides d’ondes intégrées au substrat GIS

Historique

Dans le monde de télécommunication, la conception des circuits facilement intégrables avec des coûts de fabrication relativement faible est devenue les grands défis pour les systèmes de transmission des télécommunications. La mise en oeuvre des recherches qui prend en compte la diminution des frais de fabrication des circuits fonctionnant en ondes millimétriques a débuté il y a plus de 30 ans, et de ce là des techniques de fabrication sont développées pour réduire les coûts; tel que MHMIC (Miniature Hybride Microwave Integrated Circuits), MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) et MIC (Microstrip integrated circuit) ce sont des techniques des circuits intégrées micro-ondes. Ces techniques permettant de réaliser toute un circuit sur une structure plane, et aussi présentent un grand intérêt en raison de leur compacité et de leur coût de réalisation. Elles disposent malheureusement d‟un facteur de qualité et de performances électriques limitées. Le problème est inverse dans le cas des technologies volumiques, qui présentent d‟excellentes performances électriques, mais restent encombrantes et lourdes. De plus, le problème de transition entre ces deux technologies reste un point critique.
En 1994 une équipe de recherche Japonaise introduire le concept des guides d‟ondes en forme plane par la conception d‟un nouveau guide sous la forme de deux rangées de trous métallisés traversent un substrat diélectrique et reliant deux plans métalliques parallèles qui forment un guide d‟onde rectangulaire [15]. Comme le montre figure I.8.
L‟idée d‟introduire des trous métallisés (des tiges métalliques synthétisant un mur métallique ou réflecteur) n‟est pas nouvelle. Elle a été présentée par Tischer sous la forme d‟un brevet [16], où les tiges métalliques ont été utilisées pour former des plans réflecteurs comme représente la figure I.9.
La naissance des premiers composants des guides en technologie GIS est marquée en 1997; où Hirokawa et Ando ont utilisé cette nouvelle technologie pour réaliser une de leurs antennes avec la technologie GIS (Post wall waveguide in substrate).
Dans leur travail, ils ont présenté une première analyse de la constante de propagation et de l‟atténuation d‟une onde dans un guide GIS à 74 GHz. Ils ont utilisé la méthode des moments.
En 1998, une nouvelle structure d‟alimentation GIS pour une antenne à 40 GHz est publiée par Hirokawa et al qui sont fondés à étudier les propriétés de transmission d‟un guide d‟ondes intégré au substrat [18].
Une nouvelle équipe japonaise, Uchimura et Takenoshita, expose des nouvelles structures GIS laminés sous la technologie LTCC (Low-Temperature Cofire Ceramic) [21]. La figure I.8 montre quelques-unes de leurs structures brevetées.
De 1998 jusqu‟à aujourd‟hui, de nombreuses publications misent l‟action sur la technologie GIS, l‟histogramme suivant montre le développement des recherches liées à la technologie GIS.
Un énorme effort a été apporté par l‟équipe du professeur Ke Wu du centre de recherche de poly-Grames de l‟École polytechnique de Montréal sur la conception et la modélisation des composants GIS par l‟introduction du concept des circuits intégrés au substrat (CIS ou SIC:Substrate integrated Circuits) comme une nouvelle vision des systèmes sur substrat. Pour l‟étude des caractéristiques des guides GIS, Hirkawa, Wu, Deslandes, et al ont fait l‟étude sur le facteur de qualité, la constante de propagation et la largeur équivalente du guide.
Dans le même contexte, mais en fréquence, Cassivi et al ont exposé les résultats sur l‟étude de la dispersion, la constante de propagation et la largeur équivalente .
Il est nécessaire de dire que la théorie de conception des circuits GIS proviennent principalement de la théorie et la pratique déjà développées pour les guides d‟ondes standards.
En plus des composants passifs adaptés en technologie GIS cité dans l‟introduction, on retrouve dans la littérature des articles supportant les réalisations des circuits actifs en GIS tels que les oscillateurs, les amplificateurs et les mixeurs.
La difficulté de fabrication des guides d‟ondes rectangulaire et les attribuée dans une forme plane donne la naissance de la technologie GIS, qui est une technologie qui préserve les même propriétés d‟un guide d‟ondes rectangulaire comme les caractéristiques de propagation, et un bon facteur de qualité en tenant les avantages des lignes planaires puisque ce type des guides prend une forme plane.
Le principe de la technologie des guides d‟ondes intégrée au substrat est donc de réaliser un guide d‟onde volumique dans un substrat planaire. La métallisation des deux faces de substrat forme les parois métalliques haute et basse, avec l‟existence de deux rangées des cylindres métalliques sur les côtés du guide GIS qui permet de limiter le champ électromagnétique.
Les principaux paramètres géométriques de construction d‟un guide d‟ondes en technologie GIS sont le diamètre des cylindres d, la distance entre deux cylindres adjacentes s et la distance entre les deux rangés des cylindres as. Le choix des dimensions du GIS doit être judicieux pour obtenir un système performant. La figure I.12 montre les principaux paramètres du GIS.
De plus, la hauteur du substrat et la permittivité du diélectrique sont les paramètres choisis avant la simulation du guide GIS. Ce qui implique que le pose d‟un cahier de charge est indispensable dans le quelle on impose la fréquence de coupure du mode fondamental.
Pour la construction d‟un guide GIS, la première étape est la discision de l‟emplacement des cylindres métalliques, comme il est indiqué dans [17] pour que les cylindres ne puissent chevaucher, la distance entre eux s doit être supérieure au diamètre du cylindre d et puisque les cylindres métalliques jouent le rôle d‟un mur métalliques, les cylindres doivent donc être le plus rapprochés possibles. Cependant, le circuit devient alors très fragile aux bris mécaniques lorsque ces cylindres sont trop près les uns des autres, si, à l‟inverse, ils sont trop espacés, les pertes par radiation peuvent rapidement devenir trop élevées. Le diamètre d a aussi un impact sur les pertes et doit être optimisé par s. Il est montré dans [31] que le rapport s/d a une relation directe sur les pertes et il faut l‟utiliser comme un paramètre de conception d‟un guide GIS. D‟après Deslandes [3], si s= 2 d, on peut dire que les pertes par radiation sont alors négligeables par rapport aux autres pertes [2] :

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Table des matières
Tables des figures 
Liste des tableaux
Liste des acronymes 
Introduction générale
CHAPITRE I:La technologie guides d‟ondes intégrée aux substrats
I.1. Introduction
I.2. La technologie des guides d‟ondes
I.2.1. La technologie volumique
I.2.1.1. Les guides d‟ondes rectangulaires
I.2.1.1.a. Étude des modes TE
I.2.1.1.b. Étude des modes TM
I.2.1.1.c. La fréquence de coupure et les modes fondamentaux
I.2.1.1.d. Les lignes de champ
I.2.1.2. Les guides d‟ondes circulaires
I.2.1.2.a. Expression du champ pour le mode TMm,n
I.2.1.2.b. Expression du champ pour le mode TEn, m
I.2.1.2.c. Les fréquences des coupures des différents modes
I.2.2. Technologie planaires
I.2.2.1. La ligne micro-ruban
I.2.2.2. Les lignes coplanaires
I.2.2.3. Les lignes tri-plaques
I.2.2.4. Autres technologie planaires
I.2.2.5. Exemple d‟application des technologies planaires
I.3. La technologie des guides d‟ondes intégrées au substrat GIS
I.3.1. Historique
I.3.2. Les règles de conception
I.3.3. Equivalence entre guide d‟ondes et un guide GIS
I.3.4. L‟adaptation d‟un guide d‟onde GIS
I.3.5. Impédance caractéristique
I.4. Conclusion
Références 
CHAPITRE II:La méthode des éléments finis bidimensionnelle
II.1. Introduction
II.2. Les méthodes d‟analyse
II.2.1. Les méthodes d‟analyse pour le domaine temporel
II.2.1.1. La méthode de différence finis dans le domaine temporel (FDTD)
II.2.1.2. La méthode des équations intégrales pour le domaine temporel (TDIE)
II.2.1.3. La méthode des éléments finis dans le domaine temporel (FETD)
II.2.1.4. Des méthodes additionnelles pour le domaine temporel
II.2.2. Les méthodes d‟analyse pour le domaine fréquentiel
II.2.2.1. La méthode des moments
II.2.2.2. La méthode des éléments finis
II.2.2.2.a. Approximation d‟une fonction
II.2.2.2.b. Approximation nodale
II.2.2.2.c. Elément triangulaire et règles de maillage
II.2.2.3. Méthode générale d‟utilisation de la MEF
II.3. L‟implémentation de la méthode des éléments finis pour l‟analyse des guides d‟onde intégrée au substrat GIS
II.3.1. Formulation de la méthode des éléments finis en plan H
II.3.2. Formulation de la méthode des éléments finis en plan E
II.3.3. L‟implémentation de la méthode des éléments finis
II.4. Conclusion
Références 
CHAPITRE III: Résultats de simulations 
III.1. Introduction
III.2. Procédure de simulation par la méthode des éléments finis
III.3. Résultats de simulation
III.3.1. Guide GIS fonctionnant dans la bande S [2-4 GHz]
III.3.2. Guide GIS fonctionnant dans la bande C [5.725-7.075 GHz]
III.3.3. Guide GIS fonctionnant dans la bande X [8-12 GHz]
III.3.4. Guide GIS fonctionnant dans la bande Ku [10.7-12.75 GHz]
III.3.5. Guide GIS fonctionnant dans la bande Ka [27.5-31 GHz]
III.4. Conclusion
Références
CHAPITRE IV: Les guides d‟ondes intégrés aux substrats demi-modes 
IV.1. Introduction
IV.2. Les techniques de miniaturisation des guides GIS
IV.2.1. La technique RSIW (Ridge Substrat Integreted Waveguide)
IV.2.2. La technique FSIW (Folted Substrat Integreted Waveguide)
IV.2.3. La technique HMSIW (Half mode Substrat Integreted Waveguide)
IV.3. Méthodes appliquées pour les GIS miniaturisés
IV.3.1. Résultats de simulation
IV.3.1.a. Guide GIS demi-mode fonctionnant en bande S
IV.3.1.b. Guide GIS demi-mode fonctionnant en bande C
IV.4. Conclusion .
Références 
CHAPITRE V: Résultats expérimentaux 
V.1. Introduction
V.2. Guide GIS opérant en bande C
V.3. Guide HMSIW opérant en bande C
V.3. Conclusion
CONCLUSION GENERALE 
Annexe 
Travaux scientifiques

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