Filtres reportés en surface

Les technologies planaires et volumiques répondent chacune à une partie de nos besoins, en termes de performances ou en termes d’intégration. Le but de ce manuscrit est de répondre à ces deux problématiques en reportant des dispositifs sur des cartes électroniques. Cette partie présente donc un état de l’art des systèmes et dispositifs réalisés dans cette optique.

Ainsi, au vu des parties précédentes, les technologies volumiques présentent des facteurs de qualité plus élevés, tandis que les technologies planaires permettent d’obtenir une meilleure intégration. L’idée est alors de mixer les deux technologies pour avoir des meilleures performances sur des dispositifs connectés à des substrats planaires. Nombre de transitions de guides d’ondes vers lignes micro-ruban ont été réalisées et étudiées ([64] par exemple). En s’appuyant sur ce type de topologies, l’assemblage de structures volumiques avec un substrat d’accueil a été réalisé, voir Figure 23. Un assemblage reste nécessaire dans ce type de transition pour imposer un maximum de champs au niveau du substrat et ainsi optimiser l’efficacité de la transition.

Figure 23 : filtres reportés sur PBC par assemblage [65] (à gauche), par report direct [66] (au milieu) et avec les deux processus, report et assemblage [67] (à droite)

Le dispositif étudié consiste à faire une transition dans un guide diélectrique pouvant être réalisé par usinage ou moulage, les différentes parties étant ensuite soudées entre elles [65]. La référence [68] présente également des cavités en deux parties assemblées sur un substrat. L’excitation par le milieu de la cavité permet d’avoir des couplages assez forts pour ensuite réaliser des filtres. L’intégration est bonne mais cela nécessite un assemblage de trois parties avec le substrat au milieu.

Pour contourner ce problème, une transition différente est réalisée, où le champ est amené progressivement dans le diélectrique. Celle-ci permet alors de reporter directement le dispositif en surface en le collant ou en le soudant, [66], [69]. L’intérêt est alors de pouvoir réaliser des topologies de filtres volumiques classiques, pour lesquels la synthèse est maîtrisée. Un autre type de filtre développé est présenté en [67], celui-ci nécessite également un assemblage plus complexe, mais il comporte des dispositifs de réglage. La transition entre la ligne d’excitation et les cavités volumiques se fait par l’intermédiaire d’une sonde directement insérée dans le matériau diélectrique composant les résonateurs.

Tous ces dispositifs nécessitent une métallisation externe du diélectrique. Bien que de nombreuses techniques existent, il faut néanmoins réaliser des motifs spécifiques sur la métallisation pour les réalisations de transitions. Ceux-ci peuvent être compliqués à produire et l’assemblage des parties demande alors une grande maîtrise de l’alignement.

Une autre technique de report utilisant des composants connus consiste à insérer les résonateurs diélectriques sur les cartes planaires, et à les exciter par les lignes microruban [70] , comme illustré en Figure 24. En combinant plusieurs résonateurs, il est ainsi possible de réaliser des filtres [71].

Figure 24 : report direct de résonateur diélectrique sur PCB [70] (en haut) et placement des résonateurs autour d’une ligne pour réaliser une fonction de filtrage [71] (en bas)

Le report de résonateurs diélectriques est intéressant pour les dispositifs très compacts et avec de forts facteurs de qualité grâce aux fortes permittivités et faibles pertes des matériaux utilisés. La compensation en température est également possible en choisissant un matériau qui respecte les contraintes souhaitées.

Cependant, pour atteindre de meilleures performances, il est préférable d’établir les résonances dans l’air. Ainsi, en partant d’excitations en technologie planaire, il est possible de reporter des cavités en métal sur le substrat. La référence [72] utilise par exemple une transition micro-ruban vers SIW, permettant dans un premier temps d’établir des modes planaires, puis effectue un couplage avec des cavités métalliques reportées sur le substrat, comme le montre la Figure 25. La réalisation, qui reste multicouche (avec pour inconvénient de multiplier les problèmes d’alignement et d’interface), permet ainsi d’exploiter au mieux les technologies de fabrication de circuits planaires.

Figure 25 : intégration de cavité volumique avec la technologie SIW [72] (à gauche), excitation par fente d’un filtre volumique [73] (en haut à droite) et report d’un filtre sur une ligne micro ruban [74]

Les références [73] et [75] présentent une autre technique d’excitation de cavité métallique en plaçant une fente dans le plan de masse sous la ligne microruban (Figure 25). Le champ étant concentré dans le substrat, avec des colinéarités avec le champs des cavités, cela permet de coupler les cavités. L’assemblage dans ces derniers cas est relativement simple, mais demande une manipulation du substrat pour effectuer des actions sur ses deux faces, et un bon positionnement des cavités sous le substrat. Pour faciliter encore davantage le report, la cavité volumique doit être reportée directement sur la face du substrat où se trouvent les lignes microruban, comme dans les références [74] et [76], et la Figure 25. Il est également possible d’utiliser des cavités volumiques sur différents modes duaux pour rendre plus compacts et optimiser les performances des composants filtrants, [77]. Pour optimiser au maximum l’utilisation de machine de report de type flip-chip, un travail important doit être fait sur la transition et la technique de report. La référence [78] montre ainsi une transition originale via une bille d’alumine et répondant très bien aux demandes de ce type de report.

Les techniques de report de filtres sur substrat présentées ici permettent donc d’utiliser des technologies existantes (résonateurs diélectriques, guide d’onde vide, guide d’onde diélectrique) en les adaptant aux contraintes liées aux substrats. Différents types de transitions doivent alors être mis en place pour réaliser une excitation efficace du dispositif reporté. Les dispositifs présentés dans cette partie n’ont cependant pas été réalisés dans l’objectif de les compenser en température. Le Tableau 6 présente une synthèse de l’évaluation des filtres reportés en surface sur les mêmes critères des précédentes techniques.

Technologie Critère

Filtres reportés en surface Figure de mérite

Taille/masse Moyenne

Report/intégration Excellent

Facteur de qualité ^{Quelques milliers} ~1 000 Compensation en

température ^{Non-réalisée ?}

Tableau 6 : évaluation des filtres reportés en surface pour la compensation en température