Prototype final de filtre 10 pôles 4 zéros semi-volumique

La structure présentée ci-avant est donc réalisée en suivant le protocole établi et présenté dans la partie III.5.1.

La Figure 111 montre une photographie des différentes couches après métallisation et usinage. Des phénomènes d’arrachement des couches de cuivre et d’or déposées chimiquement peuvent toujours être observés sur les couches les plus fines pour lesquelles la méthode de l’empreinte dans le substrat n’est pas suffisante et nécessite un peu d’adhésif double face. Les vias pour lesquels la métallisation intérieure était douteuse ont été chargés de colle argent afin d’assurer une conductivité efficace à l’intérieur de ces derniers.

La Figure 112 présente le filtre tel qu’il était juste avant la première série de mesures. Ces dernières n’étant pas conforme au résultat attendu, nous avons procédé à une série de mesures afin de permettre de se libérer d’éventuelles sources de dégradation.

Chacun des vias a alors été rempli avec de la colle argent et les bords de la structure ont été recouverts d’un ruban adhésif cuivré.

Johann Sence | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2019 134

Licence CC BY-NC-ND 3.0

Figure 111 : Photographie des différentes couches du filtre 10 pôles 4 zéros optimisé pour la fabrication après usinage et métallisation.

Figure 112 : Photographie du filtre 10 pôles 4 zéros obtenu après l’assemblage des différentes couches et la soudure des connecteurs SMA.

Figure 113 : Photographie du filtre 10 pôles 4 zéros obtenu après les mesures correctives.

Les mesures obtenues n’étant pas réellement meilleures, nous avons procédé à une ultime mesure d’amélioration et avons effectué un serrage du filtre pendant les mesures.

Figure 114 : Comparatif entre l’optimisation sans pertes issue de ANSYS HFSS (en pointillés) et les mesures (en traits pleins) du filtre 10 pôles 4 zéros optimisé pour la fabrication.

Les résultats obtenus sont consignés en Figure 114 et ne sont toujours pas fidèles à la réponse escomptée. Cependant, c’est à l’heure actuelle la meilleure que nous ayons pu obtenir. Notons que sans serrage des différentes couches la transmission mesurée atteignait péniblement - 16 dB.

Figure 115 : Affichage des réponses obtenues dans le cas des deux prototypes de filtre 10 pôles 4 zéros fabriqués. -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 dB GHz S11 meas. filter#1 S21 meas. filter#1 S22 meas. filter#1 S11 HFSS lossless S21 HFSS lossless -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 dB GHz S11 meas. filter#2 S21 meas. filter#2 S22 meas. filter#2 S11 meas. filter#1 S21 meas. filter#1 S22 meas. filter#1

Johann Sence | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2019 136

Licence CC BY-NC-ND 3.0

Tout n’est pas négatif pour autant. Contrairement au prototype précèdent (affichage comparatif en Figure 115), la réponse obtenue à une allure de filtre bi-bande. De plus, la réponse est plutôt bien calée en fréquence et l’isolation entre les bandes a des niveaux corrects. En revanche, l’ensemble est très mal adapté et présente des fortes pertes.

Un contrôle destructif effectué en aval de ces mesures (Figure 116) n’a pas permis de mettre en cause un éventuel fluage d’étain dans la structure. La colle argent rajoutée ne semble pas non plus avoir coulé à l’intérieur de la structure. Aux vues des conditions nécessaires à une mesure correcte, nous mettrions plus en cause la fusion intermétallique des couches entre elles. En effet, l’enceinte du four de cuisson étant de faible dimension, il n’a pas été possible d’utiliser des pince-étaux comme pour le modèle 3 pôles en lignes. Les dimensions atypiques de l’ensemble nous ont contraints à utiliser, en remplacement, des serre-joints qui n’ont sans doute pas exercé une pression suffisante sur l’ensemble.

Figure 116 : Photographie d’une couche de la structure obtenue après un contrôle destructif.

Modèle de filtre alternatif en technologie stripline

Les résultats mitigés précédents nous ont contraints à nous orienter vers une autre technologie de filtre pour implémenter la fonction de filtrage répondant au gabarit fixé. Les technologies planaires semblent alors être une alternative où l’on maitrisera mieux les différents paramètres. Un objectif parallèle sera d’apporter aussi un meilleur contrôle des dispersions de fabrication.

La fonction alternative que nous proposons comporte alors deux filtres de 5 pôles et 2 zéros de transmission pour chacune des bandes et duplexés à l’aide d’un « té » de transmission et de longueurs de lignes contrôlées.

Figure 117 : Schéma fonctionnel de la solution alternative proposée. Filtre 5p2z (bande basse) Filtre 5p2z (bande haute) "Té" L1 L2 L3 L4 "Té"

Afin de sélectionner la technologie planaire la plus adaptée nous avons considéré deux critères :

• La compacité : les filtres à structure interdigitale sont alors les plus adaptés à la situation. De plus, l’utilisation d’un substrat à forte permittivité permettra d’améliorer encore l’encombrement des résonateurs. Nous continuons donc d’utiliser le substrat Rogers RT/duroid® 6010.2LM.

• La maximisation du facteur de qualité : employer la technologie stripline pour les résonateurs interdigités permet de maximiser leurs performances. L’utilisation de substrats épais accorde également une amélioration du facteur de qualité.

L’assemblage des résonateurs devra s’effectuer avec une alternance de signe au niveau des couplages croisés, comme illustré en Figure 118 (l’arrangement inverse fonctionne également).

Figure 118 : Configuration recherchée pour l’assemblage des résonateurs.

Pour réaliser ces couplages de nature différentes, nous nous appuyons sur deux articles trouvés de la littérature scientifique qui présentent des arrangements permettant d’implémenter des couplages croisés avec des résonateurs interdigités [181], [182].

La structure qui permet l’implémentation de la fonction recherchée est présentée en Figure 119.

Figure 119 : Capture d’écran ANSYS HFSS de la structure interdigitale stripline permettant d’implémenter une fonction 5 pôles et 2 zéros.

Les structures pour les deux bandes ont alors été conçues et optimisées par Aurélien Périgaud. Parallèlement, les dimensions des lignes et des tés de transmissions sont également optimisées. La structure finale est affichée en Figure 120.

S 1 L 2 3 4 5 +

-Johann Sence | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2019 138

Licence CC BY-NC-ND 3.0

Figure 120 : Modèle permettant l’implémentation de deux fonctions de filtrage avec 5 pôles et 2 zéros de transmissions duplexées.

La réponse optimisée avec le logiciel ADS est avancée en Figure 121. Les pertes sont logiquement plus fortes puisque les résonateurs présentent un facteur de qualité de 140, à comparer à 325 avec la technologie semi-volumique précédente. De plus, les zéros de transmissions sont également moins marqués que précédemment. Remarquons ici que cette optimisation est également réalisée en prenant en compte les paramètres de gravures et les gaps d’air engendrés.

Figure 121 : Résultat d’optimisation ADS pour la structure étudiée.

Les filtres sont alors fabriqués en suivant toujours le même protocole (cf. Figure 122). Structure : 47 mm x 102.5 mm x 5.08 mm

Figure 122 : Prototypes de filtres deux fois 5 pôles et 2 zéros de transmission fabriqués et mesurés.

La meilleure réponse en paramètres S est montrée en Figure 123. En effet, deux prototypes ont été réalisés en parallèle afin d’anticiper un potentiel défaut de fabrication. Afin d’assurer la continuité de masse au sein des vias, une colle argent a été ajoutée après l’assemblage. La réponse est comparée au gabarit de filtrage fourni et affiché sur le tracé.

Figure 123 : Meilleure réponse en paramètre S obtenue pour le prototype de filtre présentant deux fois 5 pôles et 2 zéros de transmission.

Nous obtenons bien un comportement de filtre bi-bande qui présente une bonne cohérence en matière de fréquence de résonance. Pour finir, les zéros de transmission sont bien placés et l’on atteint presque les -50 dB d’isolation.

-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 dB GHz S11 Filtre2 (+H20E) S21 Filtre2 (+H20E) S12 Filtre2 (+H20E) S22 Filtre2 (+H20E) gabarit1 gabarit2

Johann Sence | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2019 140

Licence CC BY-NC-ND 3.0

Toutefois, ces résultats sont de nouveau décevants. L’adaptation n’est clairement pas satisfaisante surtout pour un filtre conçu pour résister à d’éventuelles dispersions de fabrication. Les pertes d’insertion sont beaucoup plus importantes que prévu :

• Dans la première bande : 5 dB de pertes contre 2 dB prévu en simulation. • Dans la seconde bande : 12 dB de pertes contre 5 dB prévu en simulation.

Ces pertes, notamment celles de la deuxième bande, peuvent être également imputées aux désadaptations observées sur la réponse.

Nous ne pouvons ici que mettre en cause la méthode de fabrication. Les deux sources d’erreur potentielles qui apparaissent sont alors :

• Les dépôts de couches de cuivre et d’or. • L’assemblage des deux couches entre elles.

Les prototypes n’affichent pourtant pas d’indication visuelle pouvant impliquer l’une ou l’autre de ces hypothèses. Bien qu’il présente une épaisseur atypique, ce dispositif pourrait être fabriqué par les industriels par une méthode classique. Deux options seraient alors possibles :

• Fabrication des deux pièces constituant le filtre et assemblage par la méthode des microbilles d’étain.

• Fabrication complète de l’ensemble par l’industriel. Des modifications devraient alors être apportées au modèle pour l’adapter aux standards de fabrication séquentielle. Une couche de colle diélectrique serait rajoutée entre les deux couches de substrat et les diamètres des vias devraient être adaptés pour répondre aux contraintes de ratio épaisseur/diamètre.

Ces deux fabrications permettraient de savoir quelle étape de notre processus de fabrication est à mettre en cause. Cependant, pour des raisons de temps et de coût, nous n’avons pas pu mettre en place de nouvelles réalisations. D’une part, les plaques de substrat sont très chères ; et d’autre part, bien qu’il rentre dans les limites d’épaisseur fixées par les industriels, la hauteur totale du dispositif tend à le placer dans des configurations de fabrication exotiques qui entrainent des coûts d’outillage supplémentaires.

L’ensemble de cette partie a permis la présentation d’une méthode de fabrication de dispositifs semi-volumiques multicouches prometteuse. Malheureusement certains paramètres de fabrication ne sont pas complètement maitrisés et le processus de fabrication n’apporte pas les résultats escomptés. D’autres investigations seraient nécessaires afin d’identifier les points critiques de cette méthode pour les corriger. Par la suite, des configurations spécifiques devraient être testées afin de valider les assemblages de résonateurs. Expérimenter les configurations verticales de couplage entre les résonateurs à plot capacitif permettrait de valider une disposition qui n’a pas été testée seule. Nous pouvons avancer, au vu des résultats obtenus pour le filtre 3 pôles en ligne, que si cette conformation était validée, la fabrication d’un filtre SIW à plots capacitifs et sur deux étages pourrait être envisagés sous de bien meilleurs auspices.

IV.4. Amplificateur faible bruit