Conception Et Caracterisation De Circuits Integres Micro Ondes Monolithiques Mmics En Technologie D Interconnexions Uniplanaires Application A La Conception D Un Convertisseur De Frequences En Bande Ku
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CONCEPTION ET CARACTERISATION DE CIRCUITS INTEGRES MICRO-ONDES MONOLITHIQUES (MMICS) EN TECHNOLOGIE D'INTERCONNEXIONS UNIPLANAIRES. APPLICATION A LA CONCEPTION D'UN CONVERTISSEUR DE FREQUENCES EN BANDE KU
LA MONTEE EN FREQUENCE DES NOUVELLES APPLICATIONS MICRO-ONDES POUR LES SYSTEMES DE TELECOMMUNICATION ET LA FORTE CROISSANCE DE LA DEMANDE DE CE TYPE D'APPLICATIONS POUR LE DOMAINE GRAND PUBLIC NECESSITENT LE DEVELOPPEMENT DE CIRCUITS INTEGRES MICRO-ONDES COMPACTS, A FAIBLE COUT, ET HAUTES PERFORMANCES. DANS CE CONTEXTE, MALGRE LE GRAND INTERET QUE PRESENTENT LES CIRCUITS MONOLITHIQUES (MMICS) TRADITIONNELS, DE NOUVELLES TECHNIQUES DOIVENT ETRE DEVELOPPEES POUR UNE GENERALISATION DE L'UTILISATION DE CES CIRCUITS. EN PARTICULIER, LA TECHNOLOGIE D'INTERCONNEXIONS UNIPLANAIRES EST TRES ATTRACTIVE, NOTAMMENT DANS LA SUPPRESSION D'ETAPES TECHNOLOGIQUES ASSOCIEES A LA REALISATION DES TROUS METALLISES, AINSI QUE POUR L'AUGMENTATION DES DENSITES D'INTEGRATION DES CIRCUITS. NOTRE TRAVAIL A CONSISTE A DEMONTRER LES POTENTIALITES DE CETTE TECHNOLOGIE D'INTERCONNEXIONS A TRAVERS LA CONCEPTION ET LE TEST D'UN CIRCUIT MULTI-FONCTIONS DE CONVERSION DE FREQUENCES. LE PREMIER CHAPITRE EST CONSACRE A LA PRESENTATION DES ELEMENTS D'INTERCONNEXIONS UNIPLANAIRES (LIGNES A FENTE, COPLANAIRE, A RUBANS COPLANAIRES) ET DES OUTILS DE SIMULATION UTILISES POUR LEUR CONCEPTION. DANS LE DEUXIEME CHAPITRE, LES POTENTIALITES DES INTERCONNEXIONS UNIPLANAIRES SONT EXPLOITEES A TRAVERS LA CONCEPTION ET LE TEST D'UN COMBINEUR/DIVISEUR DE PUISSANCE MONOLITHIQUE ACTIF 180\ BASE SUR CE TYPE D'INTERCONNEXIONS. CE COUPLEUR A EGALEMENT ETE OPTIMISE DE MANIERE A AMELIORER SES PERFORMANCES ELECTRIQUES ET A PERMETTRE SON INTEGRATION DANS UN CIRCUIT COMPLET. ENFIN, LE DERNIER CHAPITRE TRAITE DE LA CONCEPTION ET DE LA CARACTERISATION D'UN CONVERTISSEUR DE FREQUENCE UNIPLANAIRE 14/12 GHZ INTEGRANT UNE CELLULE DE MELANGE DOUBLE EQUILIBREE A BASE DE PHEMTS FROIDS ET LES COUPLEURS DES VOIES RF, OL ET FI. LES PRINCIPALES CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES DE CE CIRCUIT OBTENUES SONT DES PERTES DE CONVERSION DE L'ORDRE DE 3DB POUR UNE PUISSANCE DE SIGNAL OL DE 4 DBM, UNE REJECTION DES PRINCIPALES RAIES PARASITES SUPERIEURE A 40 DBC, UNE CONSOMMATION TOTALE DE L'ORDRE DE 0.4 W, AVEC UN ENCOMBREMENT INFERIEUR A 3.3 MM 2.
Techniques d'équations intégrales appliquées à la modélisation électromagnétique de circuits intégrés micro-ondes en technologie uniplanaire, en bande W
Les progrès constants de la technologie en terme de densité d'intégration font qu'il est d'ores et déjà possible de réaliser des systèmes micro-ondes totalement intégrés, y compris en gamme millimétrique, voir au delà. En corollaire, une conception maîtrisée d'un circuit intégré à haute densité d'intégration nécessite, de nos jours, une première phase d'optimisation de la topologie du prototype. La réussite de cette étape est naturellement conditionnée par l'efficacité du logiciel de simulation utilise afin de prédire les performances du circuit. Dans ce contexte, le travail résumé dans le manuscrit, concerne le développement, l'optimisation, la validation et l'utilisation d'un simulateur électromagnétique basé sur une formulation d'équations intégrales. L'objectif clairement affiche consistait à étudier le comportement de discontinuités entre lignes coplanaires aux très hautes fréquences, puisque les bandes V et W sont concernées. De nombreuses applications dans le domaine des télécommunications sont d'ores et déjà envisagées à ces fréquences. Ainsi, une technologie uniplanaire a été mise en oeuvre à l'IEMN par l'équipe composants faible bruit micro-ondes. Compte tenu du caractère innovant de cette technologie, il nous a semblé capital, à ces fréquences, d'étudier et de vérifier l'efficacité des filtres de modes que sont les ponts à air. Cette étude ne peut être que théorique. En effet, la mesure du mode fente n'est guère possible avec les dispositifs de caractérisation expérimentale sous pointes, celles-ci court-circuitant naturellement ce mode. Ce constat nous a conduit à mettre en oeuvre une approche théorique originale apte à prendre en compte une propagation multimodale aux niveaux des différents accès de la discontinuité. Les études menées dans le cadre de cette thèse d'université s'inscrivent dans la continuité des travaux réalisés antérieurement au sein de l'équipe électromagnétisme des circuits de l'IEMN. En suivant une démarche logique, nous avons résumé dans un premier chapitre ces travaux. Une partie essentielle du travail réalisé a consisté à créer un logiciel 3D apte à prendre en compte les métallisations verticales nécessaires à la description des ponts à air. Compte tenu de l'ampleur de l'ouvrage, nous avons souhaité résumé les différentes phases de la construction de cet outil dans deux chapitres. Ainsi le deuxième chapitre de ce manuscrit est consacré au développement et à la validation d'un outil de simulation ou les métallisations horizontales peuvent s'étendre sur plusieurs niveaux du substrat. Nous exposons dans le troisième chapitre les développements théoriques que nous avons du mettre en oeuvre afin de prendre en compte la composante verticale des métallisations. Cette phase a également été validée en comparant nos résultats avec ceux disponibles dans la littérature. En possession d'un outil performant nous avons entrepris, dans un quatrième et dernier chapitre, l'étude de discontinuités asymétriques entre lignes coplanaires en bande V et W. Une propagation multimodale sur les différents accès nous a poussé à développer une terminaison adaptée numérique multimode, contribuant efficacement à l'optimisation du simulateur électromagnétique. Les résultats issus de la simulation nous ont permis de valider la technologie mise en oeuvre à l'IEMN. En effet, nous avons démontré que le mode fente, même si il est toujours présent, est considérablement filtre par les pont à air. En ce qui concerne le comportement des transitions vis à vis du mode coplanaire, nos résultats ont été validé par la mesure.
CONCEPTION ET REALISATION DE CIRCULATEURS ACTIFS MICROONDES EN TECHNOLOGIE MONOLITHIQUE MMIC
LES CIRCULATEURS SONT LARGEMENT UTILISES DANS LES SYSTEMES MICRO-ONDES TELS QUE LA SEPARATION DES SIGNAUX D'EMISSION ET DE RECEPTION, LE MULTIPLEXAGE ET LE DEMULTIPLEXAGE DE CANAUX DE TELECOMMUNICATIONS. CES OPERATIONS SONT FREQUEMMENT UTILISEES DANS LES SYSTEMES DE RADIOCOMMUNICATIONS, LES TRANSMISSIONS PAR SATELLITES OU FAISCEAUX HERTZIENS, LES RADARS, ETC. L'OBJECTIF DE CETTE THESE EST DE REMPLACER LES STRUCTURES VOLUMINEUSES A FERRITE ET A AIMANT PERMANENT, PAR DES CIRCULATEURS ACTIFS EN TECHNOLOGIE INTEGREE MONOLITHIQUE MICRO-ONDE MMIC EN UTILISANT LA NON-RECIPROCITE DES TRANSISTORS. LE PREMIER TRAVAIL ETAIT L'ETUDE DE LA FAISABILITE D'UN CIRCULATEUR ACTIF DANS LA BANDE 1-10 GHZ EN UTILISANT LA TOPOLOGIE DE TANAKA QUI AVAIT ETE TESTEE POUR UNE BANDE DE FREQUENCE COMPRISE ENTRE 100 HZ ET 3 MHZ. CE TRAVAIL NOUS A PERMIS DE GENERALISER LES RESULTATS DE TANAKA AU CAS OU LES IMPEDANCES DU CIRCUIT SONT COMPLEXES. LE SECOND TRAVAIL PORTAIT SUR LA REALISATION DE DEUX QUASI-CIRCULATEURS. UN QUASI-CIRCULATEUR NE PERMET LE TRANSFERT DE PUISSANCE QUE DE L'ACCES (1) VERS (2) ET DE L'ACCES (2) VERS (3). IL N'Y A PAS DE TRANSFERT DE PUISSANCE DE L'ACCES (3) VERS L'ACCES (1) COMME C'EST LE CAS POUR LE CIRCULATEUR. LE PREMIER CIRCUIT A ETE CONCU POUR FONCTIONNER DANS UNE LARGE BANDE DE FREQUENCE (0.45-7.2 GHZ). LES MESURES DONNENT DES PERTES D'INSERTION INFERIEURES A 3.5 DB, UNE ISOLATION MEILLEURE QUE 16 DB ET DES PERTES EN REFLEXION SUPERIEURES A 10 DB. LE SECOND CIRCUIT A BANDE ETROITE (3.8-4.2 GHZ) A ETE CONCU POUR ETRE UTILISE DANS UNE CHAINE D'EMISSION-RECEPTION. C'EST-A-DIRE QUE LE CIRCUIT DOIT VEHICULER SIMULTANEMENT DES SIGNAUX DE MOYENNE PUISSANCE DE L'EMETTEUR VERS L'ANTENNE ET DES SIGNAUX DE FAIBLE PUISSANCE DE L'ANTENNE VERS LE RECEPTEUR. LES MESURES ONT DEMONTRE QUE LE FACTEUR DE BRUIT EST DE 5.5 DB ET LA PUISSANCE DE SORTIE EST DE 18 DBM A 4 GHZ. NOTRE ETUDE PERMET DE DEMONTRER QU'ON PEUT AUGMENTER LA PUISSANCE SANS MODIFIER LE FACTEUR DE BRUIT ET DE DIMINUER LE FACTEUR DE BRUIT AVEC L'UTILISATION D'UNE CHARGE ACTIVE. L'ANALYSE DU COMPORTEMENT EN BRUIT DU QUASI-CIRCULATEUR A BANDE ETROITE NECESSITAIT LA CONNAISSANCE DES PARAMETRES DE BRUIT DES TRANSISTORS MESFETS UTILISES. ETANT DONNE QU'AU DEBUT DE MA THESE, LA FONDERIE GEC-MARCONI NE DONNAIT PAS TOUS LES PARAMETRES DE BRUIT DES TRANSISTORS EN FONCTION DE LEUR COURANT DE POLARISATION ET DE LEUR LARGEUR DE GRILLE, NOUS AVONS DEVELOPPE UNE NOUVELLE METHODE DE CALCUL DES PARAMETRES DE BRUIT DES TRANSISTORS QUEL QUE SOIT LEUR TAILLE OU LEUR POINT DE POLARISATION. ELLE EST BASEE SUR LA CONNAISSANCE DES ELEMENTS DU SCHEMA ELECTRIQUE EQUIVALENT DE CES TRANSISTORS ET LES PARAMETRES DE BRUIT D'UN SEUL TRANSISTOR PARMI EUX A DEUX POINTS DE POLARISATION. NOUS EVOQUONS EN CONCLUSION QUELQUES PERSPECTIVES POUR L'AMELIORATION DES CARACTERISTIQUES (PUISSANCE ET FACTEUR DE BRUIT) DU QUASI-CIRCULATEUR A BANDE ETROITE ET POUR LA CONCEPTION DE CE CIRCUIT DANS LE DOMAINE MILLIMETRIQUE (77 GHZ).