Circuits hyperfréquences RF

La transduction hyperfréquence est basée sur la modification, par la grandeur à mesurer, de la fréquence de résonance d’un résonateur hyperfréquence. Plusieurs types de résonateurs peuvent être envisagés : des résonateurs planaires en technologie coplanaire ou microruban ou encore des résonateurs diélectriques. Pour chacun de ces types, il s’agira d’analyser les différents moyens de modifier cette fréquence de résonance et de proposer des solutions adaptées aux différentes grandeurs à mesurer comme par exemple : l’utilisation du capteur comme un élément variable d’un filtre dont nous lisons la fréquence caractéristique avec un facteur de qualité le plus élevé possible pour avoir la meilleure sensibilité.

Mais en fonction de l’analyse qui sera faite par la suite, certaines de ces grandeurs peuvent être éliminées et d’autres retenues.

1.2.2.1 Filtres à bande passante étroite

Largement réservé aux applications militaires à l'origine, le domaine des transmissions par onde électromagnétique hyperfréquence s'est fortement répandu ces dernières années avec l'émergence de nouvelles applications. Le domaine d'activité ayant subi l'essor le plus important est le domaine des communications, qu'elles soient fixes ou mobiles, terrestres ou spatiales. Le nombre sans cesse grandissant d'utilisateurs du spectre de fréquence a engendré de nouvelles contraintes sur les éléments d'extrémité des systèmes de télécommunication. Des performances électriques sans cesse améliorées, une sélectivité accrue, un encombrement et un coût réduits constituent les contraintes principales. Devant celles-ci, la conception des filtres planaires apparaît de plus en plus comme un des points compliqués dans la démarche de conception. Dans ce contexte, le développement des filtres planaires très sélectifs, possédant de faibles niveaux de pertes et bien sûr faible coût est à l'heure actuelle un domaine d'activité d'un intérêt fondamental. Ainsi, si on s’intéresse à l’application de ces filtres planaires pour la détection de gaz, la problématique s’avère encore plus compliquée vu la difficulté d’intégration de nouveaux matériaux.

Lors de la conception de tels filtres, la précision (finesse de conception), qui est directement liée au degré de sélectivité, est l'un des paramètres les plus importants. Cette précision se retrouve tant au niveau de la démarche de conception qu'au niveau des moyens de réalisation des dispositifs. Si l'on s'intéresse, dans un premier temps, aux problèmes liés à la conception,

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deux types d'approches peuvent être décrits : l'approche circuit électromagnétique et l'approche capteur de gaz.

La conception de filtres à bande étroite présentant de faibles pertes conduit donc inévitablement à l’étude de structures soit planaires soit volumiques. Ainsi, le choix de la topologie du filtre s'avère primordiale du point de vue des performances électriques d’une part et pour l’application détection de gaz d’autre part.

a) Critères de choix topologiques et technologiques

Le choix de la topologie et de la technologie du filtre à réaliser se fait selon un certain nombre de paramètres classés par critères :

Critère Electrique

• Largeur de bande passante et fréquences de résonances (dans la bande du Radar)

• Pertes dans la bande passante et facteur de qualité • Passif et interrogeable par RADAR (30GHz)

Critère Physico-chimique pour la détection de gaz

• Intégration de matériau sensible au gaz • Une grande surface exposée au gaz

• Impact de la mesure de gaz sur les caractéristiques du filtre

Critère Physique • Encombrement • Poids • Tenue en puissance • Stabilité mécanique • Sensibilité en température

1.2.2.2 Technologies mises en œuvre pour la réalisation de fonctions de filtrage

De nombreuses technologies sont disponibles pour la réalisation de fonction de filtrage. Ces technologies peuvent être classées selon deux grandes catégories : les technologies volumiques et planaires. Chacune de ces catégories trouvant leur intérêt en fonction des besoins réels des systèmes dans lesquels les fonctions seront implantées [54]. Dans la suite de ce paragraphe, nous allons décrire les différents avantages et inconvénients de chacune de ces technologies pour la conception d’un capteur de gaz sans fil et passif.

a) Les technologies volumiques

Elles sont basées sur l'utilisation de guides d'ondes rectangulaires ou circulaires, de cavités métalliques ou de résonateurs diélectriques (Figure 10 (a) et (b)). Ces technologies sont les plus adaptées au filtrage à bande étroite. Si on s’intéresse plus particulièrement aux

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résonateurs diélectriques (RD), dans le domaine des micro-ondes, ils prennent place dans différents systèmes, aussi bien passifs, qu’actifs, comme par exemple, les oscillateurs (figure 10 (c)). Ces systèmes qui les intègrent sont de plus en plus performants par le fait que le matériau utilisé fait l’objet d’un sujet de recherche d’actualité.

(a) (b) (c)

Figure 10. Technologies volumiques : (a) résonateurs diélectriques à base de céramiques (NTK Technolohies Incorporated)[55], (b) Filtre à base de résonateur diélectrique [56] et (c)Oscillateur à

résonateur diélectrique 2-26 GHz(AMG micowave)[57].

L’élaboration du résonateur diélectrique à base d’un matériau sensible au gaz tel qu’un oxyde métallique s’avère possible. D'autre part, leur section est relativement grande, ce qui favorise l’échange gaz–RD. L’utilisation de nouveaux procédés de fabrication donne accès à une grande diversité de caractéristiques intrinsèques comme la permittivité et l’angle de pertes de la structure cristallographique du matériau. Cette partie sera détaillée dans le chapitre III. En contre partie, le principal inconvénient des résonateurs diélectriques réside dans leur excitation. Cette dernière se fait généralement par des guides d’ondes qui rendent le dispositif encombrant.

b) Les technologies planaires

L'utilisation de technologies planaires constitue une solution pour remédier aux problèmes d'encombrement liés aux technologies volumiques. Parmi ces technologies, nous pouvons distinguer les technologies microruban, coplanaires, multicouche-multi-technologies et membrane, chacune d'entre elles ayant ses spécificités propres tant d'un point de vue géométrique que physique [54].

Technologie microruban

La structure microruban est couramment utilisée pour la réalisation de circuits hyperfréquences. Elle est composée d'un conducteur chaud situé sur la face supérieure d'un substrat diélectrique, le plan de masse étant situé sur la face inférieure (figure 11.a). Le procédé technologique mis en œuvre pour la réalisation des motifs est relativement simple,

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toutefois il comporte un certain nombre d'inconvénients. En effet, si la connexion des composants en série reste simple, il n'en est pas de même pour leur implantation en parallèle compte tenu de la présence du plan de masse en face arrière. La réalisation de court-circuit par retour à la masse se fait à l'aide de trous métallisés. L'influence de tels trous métallisés sur les performances électriques du circuit n'est pas négligeable compte tenu des effets parasites qu'ils génèrent.

Technologie coplanaire

La technologie coplanaire [54] repose sur des structures où le plan de masse et le ruban chaud sont situés sur la même face du substrat comme le montre la figure 11 (b). Compte tenu de sa géométrie, les lignes de transmission coplanaires possèdent deux modes fondamentaux dont les lignes de champs électriques et magnétiques sont représentées sur la figure 11.b.

(a) _(b)

Figure 11. Technologie planaire : (a) lignes microruban et (b) lignes coplanaires [54].

Le mode pair de la ligne coplanaire est un mode quasi-TE dispersif et le mode impair est un mode quasi-TEM peu dispersif. Même si l'utilisation conjointe des deux modes n'est pas à négliger, c'est en général le mode impair qui est utilisé du fait de sa faible dispersion. Afin de filtrer le mode pair, il est nécessaire de forcer le potentiel entre les deux plans de masse à la même valeur. Au-delà de cette contrainte, il convient d'ajouter la pauvreté des bibliothèques des modèles présents dans les logiciels de simulation des circuits courants.

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Malgré ces inconvénients, la technologie coplanaire possède tout de même de réels avantages :

¾ La facilité de report de composants (actifs ou passifs) en parallèle ou en série.

¾ L'élimination des trous métallisés et par conséquent des effets parasites associés.

¾ La possibilité d'assurer un fort découplage entre les lignes compte tenu de la présence du plan de masse sur la même face du substrat.

¾ La souplesse de conception liée à la possibilité de réaliser plusieurs impédances caractéristiques avec différents dimensionnements de lignes.

Les lignes coplanaires sont moins dispersives que les lignes microruban, ce qui est un atout indéniable pour une utilisation aux fréquences millimétriques. Pour cela, notre choix s’est porté sur les lignes coplanaires.

Filière membrane

La technologie membrane (voir figure 12), telle qu'elle est développée en couche mince au LAAS, est réalisée à l’aide d’un support très fin (bicouche de diélectrique SiO₂ (ε_r=3,82, h=0,8μm) et SiNx (ε_r=7,8, h=0,6μm)) sur lequel reposent les rubans métalliques [58]. La couche d’air placée sous cette membrane constitue alors le substrat diélectrique de la ligne ainsi réalisée. Le substrat est transparent vis-à-vis de l'onde guidée et la permittivité relative effective de la ligne de transmission équivalente est proche de l'unité. L'avantage principal de ce type de technologie est la minimisation des pertes des lignes. En effet, l'épaisseur très faible du substrat implique une forte diminution des pertes diélectriques. De plus, la permittivité effective proche de celle de l'air conduit à des largeurs de rubans importantes lors de la synthèse d'impédances caractéristiques. Cette augmentation des dimensions réduit la sensibilité des structures vis-à-vis de la précision technologique, réduisant par conséquent les erreurs commises sur les paramètres électriques des structures. Ces différents avantages font de la filière technologique sur membrane une alternative intéressante en vue de la montée en fréquence des dispositifs. On se place alors dans les conditions les plus favorables de propagation d'un mode TEM [58-60].

Figure 12. ligne coplanaire sur membrane.

c VΦ= 1 eff = ε GHz 60 f≥ : VΦ Vitesse de phase : eff ε Permittivité effective : VΦ:Vitesse de phase VΦ Vitesse de phase : eff

ε_eff: Permittivité effective

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Vu les avantages qu’apporte cette technologie, nous constatons qu’elle est intéressante pour la réalisation des lignes coplanaires sur membrane à la place des guides d’ondes, ce qui rend possible l’excitation d’un résonateur diélectrique à base d’un matériau sensible au gaz sans encombrement.