Filtres hyperfréquences et contraintes thermiques

I.2.1.1. Fonction de filtrage

Les systèmes de télécommunication sans fils, tels qu’utilisés dans les liaisons satellitaires, ont donc pour but de transmettre un signal via une onde électromagnétique entre deux lieux très éloignés. Cependant, lors de la propagation de cette onde dans le canal de

transmission - l’espace libre dans notre cas - le signal généré à l’émission dans une certaine bande de fréquence va être perturbé, bruité et doit donc être traité en réception au niveau du satellite pour que l’information qu’il contient reste intelligible. Un filtre passe-bande est ainsi placé derrière l’antenne de réception. Au-delà de la sélection d’une bande de fréquence, il doit être très limité en pertes d’insertion pour ne pas dégrader le facteur de bruit. De nombreux autres filtres sont placés dans la chaine de transmission du signal, pour permettre par exemple la transposition en fréquence du signal. Ils permettent d’isoler une ou des bandes de fréquences spécifiques, celles dans lesquelles s’effectuent la transmission, pour éliminer toutes les fréquences parasites ou perturbatrices [9]. Ces filtres sont également positionnés dans la chaîne d’émission du satellite, en particulier en amont de l’antenne, et sont alors amenés à traiter de fortes puissances.

Les filtres sont donc des composants essentiels dans les systèmes de télécommunications et dans le traitement du signal. Leur synthèse est réalisée le plus souvent en fonction du besoin, à partir d’un cahier des charges. Un gabarit est généralement donné pour les spécifications en fréquences, bande utile, type (passe-haut, passe-bande, passe-bas, stop-bande), sélectivité, pertes, etc. Un exemple de gabarit est représentée en Figure 9 avec : la réponse souhaitée, la réponse idéale et un exemple de réponse obtenue. Généralement, la réponse fréquentielle doit être réalisée en respectant également les contraintes supplémentaires liées à l’application : consommation, masse, taille, stabilité thermique, etc, qui ne sont pas que technologiques mais également d’ordre économique.

Figure 9 : illustration des réponses fréquentielles en transmission de filtres théorique, d’un gabarit et de la réponse réelle

Les filtres hyperfréquences développés pour l’industrie satellitaire sont généralement constitués d’un ou plusieurs éléments résonants, lorsqu’ils réalisent des fonctions passe-bande. Chaque élément résonant a la capacité de se charger d’énergie électromagnétique à une ou plusieurs fréquences discrètes, pour lesquelles le champ électromagnétique a une configuration particulière, appelée mode de résonance. C’est autour de cette fréquence de résonance que le filtre va permettre une transmission du signal entre accès d’entrée et de sortie, alors que ce composant va réfléchir l’onde se présentant à son accès d’entrée en dehors de ces fréquences. Plusieurs éléments résonnants sont généralement assemblés pour former des filtres, les bandes de fréquences et sélectivités des fonctions réalisées étant liées au nombre de résonateurs intégrés, mais aussi aux couplages établis entre ces résonateurs et avec les éléments d’accès.

Réaliser une synthèse de filtre hyperfréquence consiste ainsi dans les grandes lignes le plus souvent à :

- Définir une fonction mathématique respectant le gabarit imposé

- Extraire un schéma équivalent en éléments localisés, dont la réponse en fréquence coïncide avec la fonction mathématique

- Etablir un lien entre valeurs des composants de ce schéma équivalent et dimensions physiques et géométriques du dispositif à réaliser. Il s’agit notamment à ce niveau de sélectionner les technologies de résonateurs et la topologie de leur assemblage les plus adaptés à l’application, puis de déterminer les fréquences de résonance et les couplages nécessaires entre eux et avec les accès pour être en accord avec le gabarit.

Il existe de nombreuses technologies de filtres hyperfréquences pour différentes applications. Celles-ci sont dites passives si la fonction de filtrage est réalisée sans apport d’énergie extérieure.

Les technologies hyperfréquences utilisées en télécommunications spatiales sont généralement regroupées dans deux grandes catégories, pour les solutions s’appuyant sur des technologies distribuées qui nous ont intéressées dans cette thèse :

- Les filtres dits planaires sont réalisés avec des substrats diélectriques métallisés du même type que les cartes électroniques et sont donc très intégrés et légers. Une seule dimension des éléments résonants doit alors être de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde. Ceux-ci présentent cependant plus de pertes liées à l’interaction entre l’onde électromagnétique et le substrat. Ils n’acceptent également que des signaux à puissances faibles ou modérées.

- Les filtres dit volumiques sont réalisés à partir de cavités volumiques dans lesquelles la résonance s’établit. Au moins deux dimensions des éléments résonants doivent alors être de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde. Ils présentent de meilleures performances en termes de pertes, mais sont beaucoup plus volumineux et lourds.

I.2.1.2. Contraintes thermiques appliquées aux filtres

Différents exemples de ces technologies et leur adéquation avec la contrainte de tenue en température vont être décrits dans la suite de ce chapitre. L’objectif principal est de conserver la bande de fréquence quelles que soient les perturbations thermiques. En effet, en cas de décalages ou d’augmentation de la bande de fréquence, il y a un risque de recouvrement de canaux et de pertes d’informations.

Sous l’effet des différents cycles thermiques subis par le satellite en fonctionnement orbital, les filtres vont voir leurs propriétés changer avec les variations de température. Or dans le cas de résonateur électromagnétique, la fréquence de résonance est principalement déterminée par les dimensions du résonateur et la permittivité du matériau (ou les deux en même temps) dans lequel s’établit cette résonance. Les deux types de technologies précédemment citées vont être impactées soit sur leurs dimensions géométriques, soit sur les propriétés du milieu et donc leurs dimensions physiques. Dans le cas d’un filtre volumique construit en aluminium, métal privilégié pour son faible poids par rapport aux autres, le coefficient d’expansion thermique est de 24 parties par million par degré Celsius [10]

(coefficient qui traduit la dilation ou contraction dimensionnelle que subit le matériau sous l’effet d’un écart de température). Dans le cas d’un filtre planaire réalisé en Rogers Ro 4360G2, le coefficient thermique de la permittivité est de - 131 parties par million par degré Celsius [11] (coefficient qui traduit le changement de permittivité que subit le matériau sous l’effet d’un écart de température). Ainsi pour un changement de température potentiel allant de - 10 °C à + 55 °C à l’intérieur du satellite, ces composants sont susceptibles de voir leurs propriétés changer de manière significative, pouvant provoquer des dysfonctionnements. Il est donc important d’anticiper ces évolutions en température et de mettre en place des dispositifs de compensation pour conserver un fonctionnement optimal.