Les 2 voies d’amélioration des structures

Les différentes améliorations possibles des structures coplanaires peuvent se classer en 2 catégories, selon qu’elles visent à améliorer les caractéristiques intrinsèques ou extrinsèques.

I.4.1.a) Amélioration des caractéristiques extrinsèques

L’un des avantages les plus reconnus aux structures coplanaires est leur aptitude à l’intégration de composants actifs. Pour tirer un plein profit de cet avantage, différentes équipes de recherche ont remplacé le substrat diélectrique par un substrat semi-conducteur, de façon à permettre l'intégration monolithique de composants micro-ondes passifs et actifs. On aboutit ainsi à des MMICs, circuits intégrés monolithiques micro-ondes, planaires.

Toutefois le remplacement de l'isolant par un semi-conducteur entraîne une augmentation des pertes ’’diélectriques’’ (nous continuons d’appeler ainsi les pertes dans le substrat) puisque, par définition, un semi-conducteur n'est ni un bon conducteur ni un bon diélectrique. La préférence a été donnée d'abord à l'arséniure de gallium (AsGa) malgré sa fragilité, car l'AsGa pur est un bon isolant, ce qui limite les pertes diélectriques [Jac. 86s & 86d].

Depuis quelques années on s'intéresse aux possibilités offertes par le silicium car on sait aujourd’hui réaliser des dispositifs actifs micro-ondes avec ce matériau. De plus son usage est extrêmement répandu dans des applications à plus basse fréquence, de sorte que son emploi à des fréquences plus élevées n’entraîne qu’une faible augmentation des coûts en raison de l'amortissement des installations de production. Le micro-usinage du silicium commence à être bien maîtrisé dans l'industrie et les laboratoires, et il offre au concepteur de circuits de larges possibilités. Le handicap de sa faible résistivité est maintenant atténué par l'apparition sur le marché de silicium à plus haute résistivité à un coût modéré [Rey. 95s]. Le silicium présente aussi l'avantage d'être bon conducteur thermique ce qui facilite le maintien des circuits à une température uniforme et stable pour les applications qui le nécessitent.

Un dernier avantage du silicium réside dans ses propriétés mécaniques, pour constituer des micro- boîtiers métallisés à un coût modéré [Dra. 94c]. Ces boîtiers ont l'avantage d'être légers et de réduire les rayonnements à la source. Il joue à la fois le rôle de pont à air et d’écran contre le mode parasite pair (cf § I.3.3.b). L'amélioration de l'isolation entre circuits voisins permet aussi l'augmentation de la densité des circuits. Des lignes micro-blindées sur substrat silicium sont décrites dans plusieurs publications [Dra. 93s, 94c, 94m & 95q].

I.4.1.b) Amélioration des caractéristiques intrinsèques

Perspectives d’amélioration offertes par les membranes diélectriques

Une limitation inhérente à la plupart des lignes à bandes et à fentes est liée à leur fonctionnement non purement TEM lorsque la fréquence s’élève : apparition de dispersion de fréquence entraînant la distorsion des signaux et apparition de modes parasites absorbant une partie de l’énergie utile et entraînant une augmentation des pertes globales.

En outre, les formules quasi statiques qui sont le premier outil de conception des circuits deviennent de moins en moins précises, rendant nécessaire un emploi intensif des simulations lourdes 2,5D ou 3D.

Il a été reconnu que la cause principale de la dispersion et des modes parasites réside dans la disparité du milieu diélectrique entourant le circuit conducteur. Pour diminuer la dissymétrie de permittivité relative entre l’espace supérieur et le substrat inférieur, des techniques de membrane diélectrique tendue supportant les conducteurs ont été développées. Au-dessous du circuit, comme le montre la Figure I.22, les lignes de champ électrique traversent la membrane et accomplissent la plus grande partie de leur parcours dans l’air de manière très proche du parcours des lignes au-dessus du circuit.

substrat conducteur membrane diélectrique

(a) lignes de champs électrique (b)

Figure I.22 : Lignes de champ électrique dans des structures coplanaires (a) : sur membrane ; (b) : sur substrat massif

Deux approches techniques ont fait l’objet de publications :

- une membrane tricouche composée d’oxyde/nitrure/oxyde de silicium. [Dib. 91f] [Kat. 92n & 93o] ; - une membrane en polyimide [Sal. 96e].

Résultats obtenus avec des circuits sur membrane diélectrique

dispersion et pertes radiatives

La diminution de la dispersion et des pertes radiatives attendue avec la technique de membrane a été confirmé par [Che. 94d, 94f, 94i & 94m].

La Figure I.23 montre la distorsion d’une impulsion électrique de l’ordre de la picoseconde après un parcours de 4 mm sur une membrane ou sur un substrat massif en AsGa. Nous voyons nettement que la distorsion du signal est négligeable après un parcours sur membrane, et l’atténuation par rapport au signal initial est faible.

La Figure I.24 donne en fonction de la fréquence la vitesse de phase obtenue dans les 2 cas pour des rubans coplanaires [Che. 94m]. Nous remarquons que sur membrane l’onde se propage à une vitesse proche de la vitesse de la lumière sur toute la plage de fréquence. Cette étude confirme le peu de dispersion des lignes sur membrane par comparaison aux lignes sur substrat massif.

0 2 4 6 8 0 2 4 6 -2 impulsion initiale membrane AsGa temps (ps) amplitude (unité arbitraire)

Figure I.23 : Distorsion d’une impulsion électrique après un parcours de 4 mm sur AsGa et sur membrane, d’après [Che. 94i]

10 100 1000 0,35 0,36 0,37 0,38 0,87 0,88 0,89 0,90 vp/c vp/c membrane AsGa fréquence (GHz)

Figure I.24 : Comparaison de la vitesse de phase selon la nature du substrat, d’après [Che. 94m]

Considérant que les pertes radiatives, lorsqu’elles apparaissent, augmentent selon une loi en f3_{, il est} facile de déceler la fréquence à laquelle elles apparaissent en observant l’évolution fréquentielle de l’affaiblissement linéique total. Cheng et al ont comparé les courbes pour 2 technologies, un guide coplanaire sur membrane et un guide coplanaire de même forme sur substrat AsGa. L'avantage de la membrane illustré par la Figure I.25 est énorme.

10 100 1000 fréquence (GHz) α (dB.mm-1) _AsGa membrane 4 8 12 16 0

Figure I.25 : Comparaison de l’atténuation selon la nature du substrat, d’après [Che. 94i]2

autres avantages

Le remplacement du substrat épais par un diélectrique mince et de l’air rend les pertes diélectriques quasi nulles.

Enfin, le coefficient d’affaiblissement linéique correspondant aux pertes ohmiques αc = R/2Z0 est

réduit [Che. 94d] en raison de l’élévation de l’impédance caractéristique qui découle de la diminution de la permittivité effective [Dib. 93m]. En effet la partie réelle de l’impédance caractéristique peut s’écrire :

( )

Re Z0 = _CL

aεeff [éq. I.33]

Pour 2 lignes géométriquement identiques c’est-à-dire de même dimensions d et de même rapport d’aspect K (par exemple K = 0,4 qui donne les pertes les plus faibles) mais sur des substrats différents :

- leurs inductances linéiques sont les mêmes ;

- leurs capacités linéiques sont proportionnelles à εeff, puisque Ca est le même.

Ainsi en passant d’un substrat silicium à une membrane, l’impédance caractéristique est multipliée par un facteur :

- 6,4

1,1 = 2,4

et l’affaiblissement linéique est divisé par ce même facteur.

Le seul inconvénient de l’augmentation de Z0 réside dans le fait que la valeur normalisée de 50 Ω ne peut être atteinte sur membrane que pour de très grandes largeurs de rubans métalliques et de très étroites fentes (géométrie qui donnerait 21 Ω sur silicium massif).

2 _{Nous avons reproduit les courbes de Cheng et al, telle qu’elles figurent dans la publication. Nous pensons cependant que}