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Thème Circuit

par Olivier Pigaglio - publié le , mis à jour le

Un des axes du groupe de recherche est l’étude de circuits hyperfréquences. Les aspects reconfigurabilités et exploitation de métamatériaux sont ainsi étudiés et présentés ci-dessous.

Filtres reconfigurables

L’activité circuit, et plus particulièrement le filtrage, est orientée vers la mise en œuvre de fonctions accordables en fréquence pour lesquelles il est nécessaire de considérer trois axes d’études :

  • Topologie : trouver la topologie présentant les meilleures performances électriques en termes de pertes et de sélectivité tout en présentant une sensibilité suffisamment importante pour faciliter l’accord en fréquence sans perte significative de la qualité électrique ;
  • Synthèse : déterminer la synthèse de la fonction nominale en intégrant l’élément permettant l’accord en fréquence ;
  • Technologie : mettre en œuvre des technologies adaptées tant à la recherche des performances optimales du filtre qu’à la réalisation de l’élément d’accord en fréquence.

Dans ce contexte, le GRE a développé un grand nombre de topologies innovantes, en favorisant les solutions pseudo-elliptiques. Elles permettent en effet un accord en fréquence plus souple, que ce soit en fréquence centrale, en fréquence de réjection ou en bande passante. Parmi ces topologies, les filtres à résonateurs annulaires ont montré de réelles potentialités. En intégrant un double accord, l’un en fréquence centrale, l’autre en bande passante, il a ainsi été possible de maîtriser une réponse électrique sur une plage d’accord au delà de 40%, tout en conservant la qualité de la réponse électrique (pertes, adaptation). En outre, la cascade de résonateurs annulaires permet de développer des solutions multi bandes dont les fréquences centrales peuvent être contrôlées. Ces dernières topologies ainsi que le développement des synthèses associées font l’objet d’une collaboration avec l’Université de Mara (Malaisie).

Filtre bi-mode pseudo-elliptique pour application spatiale

Filtre bi-mode pseudo-elliptique pour application spatiale

La mise en œuvre de fonctions accordables en bande sub-millimétriques constitue un enjeu majeur. Outre la maîtrise de la fonction assurée par la synthèse, il est alors primordial d’assurer une bonne maîtrise technologique compte tenu du niveau d’exigence propre aux fréquences visées. Ces aspects ont pu être traités en collaboration avec l’IEMN mais aussi avec le LAAS, avec qui est proposée une topologie innovante de résonateur. Elle permet un accord en fréquence de la bande W (94 GHz) à la bande V (60GHz). La solution proposée utilise un MEMS dont la géométrie a été spécialement développée pour cette gamme de fréquence. L’implantation technologique a nécessité le développement et la mise en œuvre d’un procédé spécifique, pour la fonction passive nominale d’une part et d’autre part pour le MEMS. Les illustrations qui suivent montrent une réalisation ainsi que le résultat (en simulation) associé pour trois configurations.

Filtre reconfigurable à MEMS en bandes V et W

Filtre reconfigurable à MEMS en bandes V et W

Toujours à la recherche de l’accord en fréquence des filtres, le groupe s’est orienté vers des actions de rupture technologique pour lesquelles des techniques sont détournées de leurs utilisations nominales afin de développer des fonctions hyperfréquences. Parmi ces technologies, dans le cadre du projet ANR RF-IDROFIL porté par le Lab-STICC à Brest et en collaboration avec le LAAS, le groupe GRE a développé des dispositifs utilisant des technologies microfluidiques (résonateurs, filtres planaires et SIW). Leurs fréquences de résonance ont été modifiées en injectant des liquides diélectrique et/ou conducteur (GALINSTAN). L’utilisation de ces techniques trouve en outre un intérêt dans des applications de type bio-capteur pour lesquelles la signature fréquentielle d’un liquide permet de remonter aux propriétés physiques de celui-ci. Ci-après, la configuration est décrite puis photographiée. Le décalage en fréquence obtenu en mesure est également reproduit.

ANR IDROFIL

Exploitation de métamatériaux

Entre 2007 et 2010, le groupe a étudié (à la demande de l’ONERA dans le cadre de la thèse de Nicolas Capet) les possibilités de renforcer le découplage entre antennes patchs adjacentes au sein d’un grand réseau. Le GRE a alors pu mettre en évidence des effets très substantiels en exploitant des résonateurs à mushrooms double niveau ultra-compacts. Le couplage à une demi longueur d’onde a ainsi pu être abaissé en mesure de -15dB environ à -35dB comme montré ci-dessous dans le cas d’un couplage dans le plan E de deux antennes patchs. Ce résultat positionne cette stratégie de façon particulièrement favorable. Il est à mettre en relation avec les travaux sur les ondes de surface qui ont suivi au sein du groupe.

Découplage d’antennes patch par Surface Haute Impédance

L’utilisation de métamatériaux imprimés sur les parois d’un guide d’ondes circulaire ou rectangulaire permet de modifier les propriétés du guide (constante de propagation, forme du champ). Des études analytiques ont donc été menées en collaboration avec le CNES pour caractériser ces propriétés (2 masters co-encadrés en 2012 et 2013 et poursuite par une thèse en 2013). Un choix adéquat des impédances de surface, en appui sur la modélisation des métamatériaux, a permis d’améliorer les propriétés obtenues dans ces guides. En comparaison avec les guides métalliques usuels, ces nouveaux guides permettent ainsi d’obtenir une meilleure polarisation pour le guide circulaire, de réduire la section des guides rectangulaires et circulaires pour une même fréquence de coupure, de réduire la fréquence de coupure pour une même section de guide et enfin d’élargir la bande monomode. La configuration de la métasurface et l’abaissement de la fréquence de coupure sont exhibés ci-après.

Métamatériaux pour les parois d’un guide