-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
1/163
Conception et realisation de ltres microondes planairesaccordables par varactors, a base de structures
periodiquesEmmanuel Pistono
To cite this version:
Emmanuel Pistono. Conception et realisation de ltres microondes planaires accordables parvaractors, a base de structures periodiques. Sciences de lingenieur [physics]. Institut NationalPolytechnique de Grenoble - INPG, 2006. Fran cais. < tel-00429349>
HAL Id: tel-00429349https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00429349
Submitted on 2 Nov 2009
HAL is a multi-disciplinary open accessarchive for the deposit and dissemination of sci-entic research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come fromteaching and research institutions in France orabroad, or from public or private research centers.
Larchive ouverte pluridisciplinaire HAL , estdestinee au dep ot et `a la diffusion de documentsscientiques de niveau recherche, publies ou non,emanant des etablissements denseignement et derecherche fran cais ou etrangers, des laboratoirespublics ou prives.
https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00429349https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00429349https://hal.archives-ouvertes.fr/ -
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
2/163
INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE
N attribu par la bibliothque
THSE Pour obtenir le grade de
Docteur de lINPG
Spcialit : Optique et Radiofrquence
prpare au Laboratoire dHyperfrquences et de Caractrisation de lUniversit de Savoie
dans le cadre de lcole Doctorale lectronique, lectrotechnique, Automatique et Traitement du Signal
prsente et soutenue publiquement
par
Emmanuel PISTONOle mardi 11 juillet 2006
Conception et ralisation de ltres microondesplanaires accordables par varactors, base de
structures priodiques
Directeur de thse : Philippe FerrariCodirecteurs de thse : Anne Vilcot , Lionel Duvillaret
JURY
M. Serge Toutain Professeur des universits, Nantes , Rapporteur
M. Serge Verdeyme Professeur des universits, Limoges , Rapporteur
M. Robert Plana Professeur des universits, Toulouse , Examinateur
M. Eric Rius Professeur des universits, Brest , Examinateur
M. Jean-Louis Coutaz Professeur des universits, Chambry , Examinateur
M. Philippe Ferrari Professeur des universits, Grenoble , Directeur de thse
Mme Anne Vilcot Professeur des universits, Grenoble , Co-directrice de thseM. Lionel Duvillaret Professeur des universits, Grenoble , Co-directeur de thse
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
3/163
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
4/163
Remerciements
Ces trois annes de thse ont t loccasion pour moi de faire de nombreuses rencontres,
et dvoluer autant sur le plan professionnel que sur les plans personnel et familial. Je tiens
ici remercier toutes ces personnes qui mont permis de mener bien ce projet.
Cette aventure a commenc un jour de novembre 2002, jour o jai rencontr PhilippeFerrari, alors Matre de confrence au Laboratoire dHyperfrquences et de Caractrisation
de lUniversit de Savoie, pour une proposition de stage de DEA visant concevoir en
microondes lanalogue dune structure priodique photonique ltrante tudie en version
accordable par Lionel Duvillaret. Outre le sujet dj trs intressant, la pdagogie et
lcoute de Philippe mont tout de suite enchant lide de pouvoir travailler avec lui.
Cest ainsi que jai eu la chance de collaborer avec ces deux Enseignants-Chercheurs
que sont Philippe et Lionel, personnes qui ne sont pas indiffrentes dans mon souhaitdexercer ce mtier aux multiples facettes mais dont les dnominateurs communs sont
selon moi lenvie de comprendre et dapprendre quelquun ou de quelquun, et qui
passe obligatoirement par la case "gnrosit". Je tiens ds prsent les remercier trs
chaleureusement et amicalement pour leurs multiples explications et discussions, pour la
conance, lattention et la sympathie quils mont portes, dabord pendant ce stage de
DEA, puis quils mont renouveles en acceptant dtre codirecteurs de ma thse. Bien
entendu, je noublie pas de remercier Anne Vilcot, professeur lINPG, qui aprs mavoir
eu comme tudiant lENSERG, ma accord sa conance en acceptant dtre galement
codirectrice de ma thse : merci pour ses encouragements, sa sympathie et pour lattention
et le temps quelle a consacrs mes travaux de recherche durant ces trois annes de
thse. Jexprime ces trois personnes toutes mes reconnaissance, estime et amiti les plus
sincres.
Parmi les personnes qui ont galement contribu ma formation de chercheur, jesouhaite remercier Jean-Marc Duchamp, Matre de confrence lUniversit Joseph Fou-
I
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
5/163
rier, pour nos multiples discussions scientiques animes sur les structures priodiques.
Je pense galement Robert G. Harisson, Professeur lUniversit dOttawa, pour le
temps quil ma consacr et pour les remarques techniques et linguistiques pertinentes
dont il ma fait part. Je souhaite galement remercier Jean-Michel Fournier, Professeur lINPG, pour lintrt quil a port mes travaux, pour sa gentillesse, sa gnrosit et
pour le temps quil a consacr sur le prototype de ltre passe-bas MMIC.
Merci toutes ces personnes de mavoir considr durant ces trois annes non pas
seulement comme un tudiant, mais comme un chercheur part entire.
Je suis galement reconnaissant Pierre Saguet, Professeur et responsable de la spcia-
lit de thse Optique et Radiofrquences lINPG, pour son soutien, sa comprhension
et sa sympathie que jai observs de nombreuses occasions.
Je tiens remercier aussi Messieurs Serge Toutain et Serge Verdeyme pour avoir
accept dtre rapporteurs de mon travail de thse ainsi que Messieurs Eric Riuz et Robert
Plana pour avoir accept dtre examinateurs lors de ma soutenance de thse.
Merci Jean-Louis Coutaz et Gilbert Angnieux, actuel et ancien directeurs du LAHC
et Bernard Flchet, responsable du dpartement EEA de lUniversit de Savoie, pour
mavoir permis deffectuer ma thse et mon monitorat dans de bonnes conditions. Jeremercie par ailleurs Frdric Garet pour avoir accept dtre mon tuteur de monitorat
auprs du CIES. Merci galement Jean-Franois Roux pour sa sympathie et ses multiples
conseils et discussions : jespre quavec Gwen et Guill, on naura pas trop abus de tes
prcieux conseils lors de cette dernire anne... merci aussi pour mavoir rappel combien
ma rgion dorigine la valle du Buch tait une belle et paisible contre! Je pense
galement tous les autres membres passs et actuels du laboratoire dHyperfrquences
et de Caractrisation pour leur accueil : merci Eric, Hynek, Thierry, Anne-Laure, Da-
rine, Raffi, Mathieu, Benjamin, Stphane, Stphane, Siham, Jean-Marie (dit Jeannot le
rigolo ), Michel, Trang, Cdric, Pascal, Anne, Fred, Fernanda et Dd. Merci galement
Vincent pour les sorties Kayak. Un merci tout particulier mes successifs collgues
de bureau qui durant ces trois annes de thse sont passs du rang de collgues celui
damis. Par ordre dapparition, je souhaite alors remercier Herv Eusbe, Gwenael Gabo-
rit et Guillermo Martin. Comme pour tout thsard qui se respecte, vinrent les momentsde doute sur mon travail de recherche et sur ma petite personne; mes questions phy-
II
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
6/163
siques et mtaphysiques ont alors pu tre apaises par nos multiples discussions dans ce
bureau au fond du deuxime tage du btiment Chablais : je les remercie grandement
pour mavoir donn la pche et rendu le sourire dans ces moments. Et notamment, merci
Eusbius pour mavoir accord ta conance un certain samedi de septembre 2005 lors dunpriple en pays polonais, merci aussi pour la cure de raisin ! merci Guill qui, dans mes
souvenirs, doit tre lorigine dun mythe : les simulations sous CorelDraw... et merci
pour ton jambon dEspagne! et enn merci Gaby pour ma formation acclre en bires
de garde, pour les casse-tte et pour avoir battu le record de longvit de partage de
bureau (plus de 35 mois !), les deux autres compres ayant choisi entre temps daller voir
ailleurs... Oups, je pense avoir oubli le quatrime mousquetaire Jrme Piquet qui,
dfaut davoir partag mon bureau en tant que membre permanent, la partag en tant
que membre occasionnel . Merci Jrme pour ta sympathie, pour ton vin et pour ce
qui va avec.
Je pense galement mes amis davant la thse auprs desquels je mexcuse de
navoir pu passer plus de temps avec eux depuis trois ans. Tout dabord merci Vincent
pour toutes ces soires passes danser dans les bals de villages et pour tous les autres
bons moments quon a vcu ensemble. Merci aussi Anne-Laure et Patrice pour lesdiscussions acharnes sur la question : lequel de ces deux dpartements est le plus... :
Les Hautes-Alpes ou la Haute-Savoie? . Merci galement Nico, Laure et Philippe que
jai rencontrs lENSERG, et qui chacune de nos trop rares retrouvailles me donnent
limpression de ne les avoir quitts que la veille !
Bien sr, je ne peux oublier de remercier mes parents qui mont toujours fait conance
en me laissant choisir par moi-mme ce que je voulais faire. Je les en remercie nor-
mment et pense trs fort eux. Merci galement mes frres et soeurs et leurs fa-
milles respectives : merci Tito-Marie-Ml-Cyril-Lili, Ccile-Jeff-Lucile-Camille-Delphine,
Bernard-Juju-Nico-Max, Denis-Flo-Mat-Gui-Titia-Johan, Dominique-Sandrine-Thomas-
Sarah, Michel-Muriel-Simon-Clia, Marie-Lionel-Lo-Antoine et Anne-Manu-Etienne-Jules
pour lamiti ou plutt la fraternit quils mont portes depuis toujours. Merci pour tous
ces moments de bonheur dj partags. Merci galement aux parents dAdeline et ses
frres pour mavoir accueilli au sein de leur famille.Enn, je remercie la personne qui a particip au premier plan cette aventure qua t
III
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
7/163
ma thse. Merci Adeline de mavoir support et soutenu pendant ces annes, et notamment
ces six mois. Merci pour ta gentillesse, ta comprhension et pour les moments heureux
dj passs. Merci pour tes corrections automatiques et orthographiques qui nous
ont emmens vers des discussions passionnes. Merci enn pour ce joli cadeau que tumas offert : notre petit Basile ! Je pense vous trs tendrement et nous souhaite plein de
joyeuses annes ensemble.
IV
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
8/163
V
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
9/163
VI
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
10/163
Table des matires
Introduction 1
1 Filtres microondes planaires accordables : tat de lArt 5
1.1 Dispositifs microondes accordables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1 Exemple dapplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.2 Technologies utilises pour raliser laccord . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.2.1 Transducteurs pizolectriques . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.2.2 Transducteurs photoconducteurs . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.2.3 Substrats commandables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.2.4 Varactors micro-lectro-mcaniques (MEMS) . . . . . . . 11
1.1.2.5 Varactors jonctions semiconductrices . . . . . . . . . . . 121.2 Filtres accordables dans le domaine microonde . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.1 Rappels sur la notion de gabarit de ltre . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.2 Facteurs de mrite de ltres microondes . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.2.1 Facteurs de mrite de ltres microondes non-accordables . 16
1.2.2.2 Facteurs de mrite de ltres microondes accordables . . . 17
1.2.3 Filtres passe-bande microondes planaires accordables . . . . . . . . 19
1.2.3.1 lments localiss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.3.2 Structures priodiques bandes interdites lectromagn-
tiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.3.3 Rsonateurs quart donde . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.3.4 Rsonateurs demi-onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.2.3.5 Rsonateurs en boucle ferme . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.2.3.6 Rsonateurs DBR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.2.3.7 Rsonateurs patch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
VII
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
11/163
1.2.4 tude comparative de ltres accordables . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.2.4.1 Filtres accordables en frquence centrale . . . . . . . . . . 26
1.2.4.2 Filtres double accord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2 Rsonateur accordable bandes interdites lectromagntiques 35
2.1 tude thorique du rsonateur Bandes Interdites lectromagntiques . . 36
2.1.1 Topologie du rsonateurPrincipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.1.2 Interfromtre de Fabry-Prot plan-parallle . . . . . . . . . . . . . 38
2.1.3 Principe du rsonateur BIE microonde . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2 Rsultats de ltres accordables base de rsonateurs BIE . . . . . . . . . 442.2.1 Ligne de propagation coplanaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2.2 Validation de laccord mcanique du rsonateur . . . . . . . . . . . 47
2.2.2.1 Conception du rsonateur xe . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.2.2.2 Rsultats du rsonateur xe . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.2.2.3 Accord mcanique du rsonateur 4 GHz . . . . . . . . . 50
2.2.3 Filtre accordable lectriquement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.2.3.1 Conception du ltre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.2.3.2 Rsultats du ltre ralis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.2.4 Conclusion de ltude et amliorations envisages . . . . . . . . . . 59
3 Filtres passe-bas accordables en bande passante 61
3.1 Etude thorique de la structure priodique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.1.1 Topologie tudiePrincipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.1.2 Dtermination de limpdance caractristique dune cellule lmen-
taire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.1.3 Impdance dentre de la structure priodique . . . . . . . . . . . . 68
3.1.3.1 Expression de limpdance dentre en module et phase . . 68
3.1.3.2 Extrema de limpdance dentre . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1.4 Coefficient de rexion en entre de la structure priodique . . . . . 71
3.1.5 Critres de conception de la structure priodique . . . . . . . . . . 723.1.5.1 Dtermination du taux dondulation basse frquence . . 72
VIII
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
12/163
3.1.5.2 Droite de rjection de la structure priodique . . . . . . . 73
3.1.5.3 Longueur lectrique optimale des cellules lmentaires . . 74
3.1.6 Mthode de conception applique un exemple . . . . . . . . . . . 75
3.1.6.1 Structure priodique non taprise . . . . . . . . . . . . . 753.1.6.2 Structure priodique taprise optimise . . . . . . . . . . 76
3.2 Rsultats de ltres passe-bas accordables en technologie CPW . . . . . . . 79
3.2.1 Dispositifs hybrides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.2.1.1 Prsentation des trois ltres raliss . . . . . . . . . . . . 79
3.2.1.2 Filtre hybride avec cellules de taprisation xes . . . . . . 80
3.2.1.3 Filtre hybride avec cellules de taprisation accordables si-
multanment avec les cellules centrales . . . . . . . . . . . 83
3.2.1.4 Filtre hybride avec cellules de taprisation accordables in-
dpendamment des cellules centrales . . . . . . . . . . . . 84
3.2.2 Dispositif MMIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.2.2.1 Conception du ltre MMIC . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.2.2.2 Rsultats du ltre ralis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.2.2.3 Amliorations envisages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.2.3 Conclusion de ltude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4 Filtre passe-bande accordable en bande passante et en frquence cen-
trale 97
4.1 tude thorique du ltre base de rsonateurs onde lente coupls en srie 98
4.1.1 Topologie tudiePrincipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.1.2 Impdance caractristique du rsonateur et dtermination des cri-
tres de conception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.1.3 Critres de conception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.1.3.1 Capacits de charge C p et C s du rsonateur onde lente
coupl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.1.3.2 Longueur lectrique optimale du rsonateur . . . . . . . . 106
4.1.3.3 Abaques de conception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064.1.4 Mthode de conception applique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
IX
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
13/163
4.2 Rsultats de ltres passe-bande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.2.1 Filtre hybride xe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.2.1.1 Conception du ltre trois ples . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.2.1.2 Rsultats du ltre ralis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1114.2.2 Filtre passe-bande hybride accordable en frquence centrale et en
bande passante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.2.2.1 Conception du ltre deux ples double accord . . . . . . . 114
4.2.2.2 Rsultats du ltre ralis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.2.2.3 Contribution des pertes varactors et CPW aux pertes to-
tales du ltre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.2.3 Comparaison de ltres accordables bass sur des lignes de propaga-
tion charges priodiquement par des capacits . . . . . . . . . . . 121
4.2.4 Conclusion de ltude et amliorations envisages . . . . . . . . . . 123
Conclusion 125
Bibliographie 128
X
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
14/163
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
15/163
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
16/163
Introduction
La conception de ltres compacts et performants constitue un grand d dans le do-
maine RF/microondes. Lintgration de systmes de transmission sans l pour ces gammes
de frquences ncessite la rduction des dimensions de chaque fonction lmentaire de la
chane dmission-rception (antennes, ltres, amplicateurs, etc.). Dans le cas de rcep-
teurs multibandes, lutilisation de plusieurs ltres (ddis chaque bande de frquences,
ou ensemble de canaux de rception) doit tre vite puisquelle consomme une surface
importante. Ainsi, le ltre accordable est une solution intressante ce problme de su-
percie, sa rponse frquentielle pouvant tre modie an de slectionner les diverses
bandes de frquences utiles du rcepteur multibandes.
Le grand nombre de publications dmontrant laccord de la frquence centrale (f 0) de
ltres passe-bande prouve lintrt port par la communaut scientique pour ces dispo-sitifs recongurables. Cependant, les ltres passe-bande accordables en frquence centrale
prsentent gnralement une variation non dsire de la bande passante sur la plage dac-
cord de f 0. Ainsi, la recherche dans le domaine des ltres prsentant le double accord
simultan de la bande passante et de la frquence centrale sest dveloppe ces trois der-
nires annes pour pallier notamment ce problme de uctuation de la bande passante. En
outre, ces ltres passe-bande, dits ltres double accord, prsentent dautres intrts puis-
quils peuvent tre utiliss pour slectionner des bandes de frquences variables, centres
sur des frquences distinctes, et ddies des applications ou standards de communication
diffrents.
Par ailleurs, il sest toujours avr ncessaire de dvelopper des mthodes de conception
simples [1], efficaces et en adquation avec les outils de calcul dont disposent les concep-
teurs de circuits radiofrquences. Ainsi, depuis plus dun demi-sicle, de nombreuses m-
thodes de conception de ltres RF/microondes adaptes aux diverses topologies de ltresont t labores et prsentes dans de multiples ouvrages. Cette double problmatique
1
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
17/163
(topologie de ltre - mthode de synthse associe) reste encore aujourdhui au coeur de la
recherche en ltrage pour acqurir entre autre des outils de conception ables permettant
dobtenir des performances de plus en plus accrues dans des technologies donnes. Enn,
la mise disposition doutils simples et efficaces de conception de dispositifs haute fr-quence pour des concepteurs de circuits en microlectronique classique basse frquence
semble galement pertinente et doit tre prise en compte.
Le travail prsent dans ce mmoire de thse concerne trois topologies de ltres ra-
diofrquences et microondes. Des tudes thoriques bases sur des modlisations semi-
rparties des structures tudies (prenant en considration un modle rparti des lignes de
propagation et un modle localis des capacits ou varactors considrs) sont dveloppes
pour obtenir des rgles de conception simples. Les outils logiciels actuels de simulation et
doptimisation de circuits microondes tant suffisamment efficaces pour les structures tu-
dies, une rapide optimisation des ltres calculs (considrant les modles lectriques rels
des lignes de propagations et capacits) est alors ncessaire pour rpondre aux gabarits
attendus et amliorer notamment ladaptation dans la bande passante. Des prototypes de
ltres sont ensuite prsents pour chacune de ces topologies pour des frquences de travail
allant de 0,5 9 GHz. Les mesures de ces dispositifs, appuyes par des simulations circuitet lectromagntiques, valident les tudes thoriques proposes.
Aprs un bref descriptif des diffrents types de dispositifs accordables microondes et
de leurs applications, le premier chapitre de ce manuscrit propose un tat de lart sur les
ltres microondes accordables. Des facteurs et gures de mrite sont alors dvelopps pour
comparer les performances de ces ltres notamment en termes daccord et de supercie.
Le second chapitre prsente une topologie de ltre base sur un rsonateur microonde
de type Fabry-Prot constitu dun rsonateur demi-onde insr entre deux recteurs
de Bragg. Laccord de la frquence centrale du rsonateur est obtenu lectriquement en
chargeant le rsonateur demi-onde par une capacit variable (varactor) en parallle entre
le conducteur et la masse. Les mesures en petit et grand signal dun prototype de ltre
accordable en technologie hybride 9 GHz sont prsentes. Une conclusion rsume ltude
et prsente les inconvnients de telles structures en termes de taille, pertes dinsertion,
accord et plages de rjection.Le troisime chapitre est ddi ltude dune topologie de ltre passe-bas compact
2
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
18/163
base sur une ligne de propagation priodiquement charge par des lments capacitifs.
Une mthode de conception base sur ltude de limpdance dentre de la structure
priodique permet dobtenir une structure de ltre prsentant une large bande rejete,
et une forte slectivit. Loptimisation des cellules latrales permet damliorer ladapta-tion dans la bande passante. Les rsultats de trois ltres accordables hybrides autour de
0, 5 GHz et dun ltre MMIC accordable autour de 4,3 GHz sont prsents. Lorigine des
fortes pertes dinsertion du dispositif MMIC est explique.
Le quatrime et dernier chapitre est consacr la conception de ltres passe-bande
compacts double accord. Ces ltres sont bass sur la mise en cascade de rsonateurs
onde lente coupls en srie. Lapproche thorique repose sur ltude de limpdance
caractristique dun unique rsonateur partir de laquelle des relations de conception et
une mthode de synthse sont dduites. Loptimisation des rsonateurs latraux permet
ici encore dobtenir le ltre rpondant au gabarit dsir. Les mesures dun prototype xe
0,7 GHz valident une tude de sensibilit des valeurs des capacits sur les paramtres S
du ltre. Enn, les rsultats dun ltre double accord autour de 0, 7 GHz dmontrent les
performances de cette structure de ltre en termes de dimensions, daccords et de bande
rejete.
3
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
19/163
4
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
20/163
Chapitre 1
Filtres microondes planairesaccordables : tat de lArt
1.1 Dispositifs microondes accordables
1.1.1 Exemple dapplication
Pour rpondre aux besoins de recongurabilit des systmes dmission-rception multi-
bandes tout en vitant la multiplication des chanes de transmission au sein dun mme
systme, plusieurs architectures radiofrquences recongurables ont t proposes [27].
La gure 1.1 prsente larchitecture propose par Rebeiz [5], architecture dune chanedmission-rception tri-bandes de tlphonie sans l. Cette solution montre lintrt
vident apport par les dispositifs accordables. Ainsi, les antennes, commutateurs, adap-
tateurs dimpdance et ltres accordables permettent de traiter les diverses bandes de
frquences dvolues chaque standard (par exemple : GSM 900, DCS 1800, PCS 1900,
UMTS) tout en rduisant les dimensions. Les bandes alloues chaque standard ne pr-
sentant pas les mmes largeurs de spectre utile (voir tableau 1.1), les ltres accordables
en frquence centrale mais aussi en bande passante peuvent alors tre dune grande utilit
pour remplacer dans lexemple de la gure 1.1 les ltres en entre de chane dmission-
rception (front-end).
Les ltres microondes accordables peuvent tre utiliss dans dautres types dappli-
cations commerciales, mais galement militaires, ou encore dans des systmes de me-
sure [810].
Dautres dispositifs accordables comme les diviseurs de puissance ou les dphaseursprsentent un rel intrt, par exemple pour raliser des rseaux dantennes balayage.
5
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
21/163
Standards de tlphonie
mobileGSM DCS 1800 PCS 1900 UMTS
Plages de frquence en
mission (MHz)
890-915 1710-1785 1850-1910 1920-1980
Plages de frquence en
rception (MHz)935-960 1805-1880 1930-1990 2110-2170
Tableau 1.1: Plages de frquences alloues aux standards GSM 900, DCS 1800,
PCS 1900, UMTS [11].
SP2T
SP3T SP3T
LNARseau
dadapt.
Peut tre
remplac par
SP3T SP3T
SP3T SP3T
PA
PA
PA
Rseau
dadapt.
Peut tre
remplac par
Amplificateur
de puissance
De la modulation I/Q
Peut treremplac par
0/90
Rseau
dadapt.
Rseau
dadapt.
Antenne
accordable
LNA
LNA
LNA
PA
Figure 1.1: Architecture dune chane dmission-rception tri-bandes de tlphonie
sans l propose par Rebeiz [5].
1.1.2 Technologies utilises pour raliser laccord
Plusieurs voies technologiques sont actuellement utilises pour raliser laccord des
dispositifs microondes partir dune commande lectrique : les transducteurs pizolectriques ;
6
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
22/163
les transducteurs photoconducteurs ;
les matriaux commandables (ferrolectriques, magntolectriques, cristaux liquides) ;
les varactors micro-lectro-mcaniques (MEMS, de langlais Micro-Electro-Mechanical
Systems) ; les varactors jonctions semiconductrices.
Nous allons prsenter un aperu de ces diffrentes technologies. Aprs un bref rappel
du principe utilis pour chacune de ces voies technologiques, des exemples de rsultats
pertinents seront cits an de permettre au lecteur de trouver matire rexion et
comparaison.
1.1.2.1 Transducteurs pizolectriquesLa pizolectricit est la proprit que possdent certains matriaux se polariser
lectriquement sous laction dune force mcanique (effet direct) et, rciproquement,
se dformer lorsquon leur applique un champ lectrique (effet inverse). Cest cet effet
inverse qui est utilis pour commander le positionnement, une hauteur h au-dessus
dune ligne de propagation, dun matriau perturbateur (voir gure 1.2), le plus souvent
dilectrique. Ceci permet alors de perturber le champ lectromagntique situ au-dessus
de la ligne de propagation en modiant la permittivit effective de la ligne. Ainsi, la
vitesse de propagation et limpdance caractristique sont galement modies, rendant
le systme accordable. Ce principe a t utilis principalement pour les dphaseurs [12,13]
et les ltres accordables [1316].
Ligne coplanaire
Matriau perturbateur Pizolectrique
Supporth
Tension de
commande
continue
Figure 1.2: Exemple de ligne de propagation coplanaire perturbe par un matriau
plac une hauteur h au-dessus de la ligne par effet pizolectrique.
Ces dispositifs permettent dobtenir de fortes variations de la permittivit effective
de la ligne de propagation (jusqu un facteur 4) induisant ainsi de fortes variations desproprits lectriques des lignes perturbes. De plus, les dispositifs prsentent de faibles
7
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
23/163
pertes [13] et sont adapts aux applications forte puissance. En revanche, la commutation
(mcanique) de tels dispositifs est lente. Enn, lutilisation de ces dispositifs daccord dans
des systmes de transmission embarqus est peu adapte, en raison des fortes tensions
dactivation appliquer (gnralement >50 ou 100 V), dune dlicate mise en botier etdune mauvaise immunit aux vibrations. Cependant, de tels dispositifs peuvent tre utiles
pour des systmes de mesure ou dans des stations de base subissant peu de contraintes
mcaniques.
1.1.2.2 Transducteurs photoconducteurs
Deux types de contrle optique sont gnralement distingus [17] : le contrle optique direct bas sur leffet photoconducteur, modiant les caractris-
tiques microondes et lectriques du substrat dans la zone dclairement;
le contrle optique indirect, bas sur leffet photovoltaque ou photoconducteur. Ce
contrle indirect nest pas abord ici. En effet, un composant intermdiaire est nces-
saire pour convertir le signal optique en signal lectrique. Le rel lment daccord,
du type varactor semiconducteur par exemple, utilise ensuite le signal lectrique
converti. Les pertes dinsertion et plages daccord du systme dpendent principa-
lement du varactor utilis et non de llment intermdiaire.
Leffet photoconducteur, utilis pour le contrle optique direct, repose sur la conver-
sion de photons en paires lectron-trou dans un substrat semiconducteur [18]. La gnra-
tion des paires lectron-trou, un endroit prcis du composant (voir gure 1.3) par une
source optique dnergie suprieure la bande interdite du matriau, modie localement
la conductivit et la permittivit du substrat.
La variation obtenue des proprits du substrat dpend de la puissance du signal
lumineux incident et de la tension continue applique [18,20] (voir aussi des exemples de
ralisations de dphaseurs [18,21,22] et de ltres accordables [20,23,24]). Ce type daccord
ncessite lutilisation de systmes base de bres optiques, ce qui peut tre encombrant.
Cependant, la co-ralisation des circuits microondes monolithiques intgrs (MMIC) et
optiques intgrs sur un seul et mme substrat permet de diminuer les dimensions et derendre lensemble plus compact [18]. Enn, les pertes dinsertion doivent tre amliores
8
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
24/163
Faisceau laserRF
& DC
Figure 1.3: Exemple de contrle optique de la frquence de rsonance dun ltre
coupe-bande en technologie microruban [19].
an de rendre lapproche optomicroonde comptitive par rapport aux MEMS et jonctions
semiconductrices.1
1.1.2.3 Substrats commandables
Nous prsentons ici trois types de technologies bases sur des matriaux capables de
voir modie, sous lapplication dun champ lectrique ou magntique, soit leur permit-
tivit soit leur permabilit . Ces matriaux sont gnralement utiliss sous forme de
couches minces dposes sur un substrat mcanique. Ainsi, contrairement linuence
locale prsente par des varactors du type MEMS ou semiconducteur, leffet exerc parces substrats commandables est distribu sur tout ou partie de la surface du dispositif.
a) Matriaux ferromagntiques
Le ferromagntisme est la proprit quont certains corps de saimanter trs fortement
sous leffet dun champ magntique extrieur statique, et pour certains (aimants, mat-
riaux magntiques durs) de garder une aimantation importante mme aprs la disparition
du champ extrieur. Cette proprit rsulte du couplage collectif des spins entre centres
mtalliques dun matriau ou dun complexe de mtaux de transitions, les moments de
tous les spins tant orients de la mme faon au sein du milieu. La permabilit du ma-
triau ferromagntique est ainsi modie sous laction de ce champ magntique. Citons
quelques exemples de dphaseurs [25,26] et de ltres [2733] accordables ferromagntique-
ment. Linconvnient majeur limitant lintgration de ces dispositifs est la ncessit davoir
un champ magntique de commande important, ce qui est obtenu par des lectro-aimants1 Un tat de lart ddi aux dispositifs contrle optique est prsent dans [18].
9
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
25/163
encombrants et consommateurs de puissance lectrique.
b) Matriaux ferrolectriques
De manire duale vis--vis des matriaux ferromagntiques, les matriaux ferrolec-triques ont la particularit davoir une permittivit dilectrique variable sous leffet dun
champ lectrique statique. Ils permettent donc galement de raliser des systmes accor-
dables en frquence [34]. Le dveloppement rcent des techniques de dpts en couches
minces a entran un regain dintrt pour ces matriaux. En effet, lutilisation des ma-
triaux ferrolectriques ltat massif prsentait de nombreux inconvnients tels que de
fortes pertes, ou de fortes tensions de polarisation. Lutilisation de lms ferrolectriques
permet de minimiser ces problmes [35] ; des capacits localises ont alors pu tre ralises
avec ces lms ferrolectriques [36,37] avec des facteurs de qualit comparables ceux des
diodes jonctions semiconductrices et des valeurs de capacit variant dans un rapport
C max /C min suprieur 3 (pour une tension applique infrieure 10 V). Plusieurs dpha-
seurs accordables [3845] ont t raliss base de matriaux ferrolectriques, ainsi que
des adaptateurs dimpdance [46,47], et des ltres accordables [4855].2
c) Cristaux liquides
Gnralement utiliss pour leurs proprits optiques, les cristaux liquides prsentent un
tenseur de permittivit dont les coefficients peuvent tre modis par un champ lectrique
ou magntique basse frquence. Dans le cas des cristaux liquides thermotropes constitus
de molcules de forme allonge et utiliss pour laccord microonde, ces molcules peuvent
tre orientes dans une direction donne selon le champ lectrique de commande appliqu.
Ainsi, la permittivit du substrat cristaux liquides va tre modie, permettant alors de
commander la longueur lectrique dune ligne de propagation. Les tensions de commande
de ces substrats sont relativement faibles, gnralement infrieures une quinzaine de
volts. Cependant, les temps de rponse de ces matriaux sont importants, typiquement
suprieurs la milliseconde. De plus, lintgration de dispositifs accordables bass sur
de tels substrats parat difficile dans des technologies standard du type Bi-CMOS. Les
dispositifs microondes commands bass sur cette technologie sont principalement les2 Un tat de lart ddi aux matriaux ferrolectriques est prsent dans [35].
10
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
26/163
dphaseurs [5660] ainsi que les antennes [57,61,62]3.
1.1.2.4 Varactors micro-lectro-mcaniques (MEMS)
Depuis les annes 1985 jusquaux annes 2000, la frquence de coupure des diodes semiconducteurs (par exemple les diodes p-i-n GaAs ou InP) a peu volu, passant
de lordre de 500 GHz 2000 GHz. Les varactors MEMS microondes dvelopps depuis
1990 (premier varactor MEMS microonde [63]) ont permis de franchir ce verrou techno-
logique [5] et datteindre de bonnes performances en termes de frquence de coupure et
de facteur de qualit (Q > 100 aux frquences microondes). Ce pas en avant autorise le
dveloppement de nouveaux circuits accordables adapts aux besoins actuels.
Plusieurs types de commandes peuvent tre utiliss (lectrostatique, magntostatique,
pizolectrique, ou thermique) pour rendre accordables les varactors MEMS. La com-
mande lectrostatique est la technique la plus utilise car cest la moins consommatrice
dnergie, la plus rapide en terme de commutation et celle conduisant la plus forte int-
gration. Deux congurations typiques de varactors MEMS analogiques sont prsentes
la gure 1.4. Nous entendons par varactor analogique, un varactor prsentant une capa-
cit pouvant prendre toutes les valeurs comprises entre ses deux valeurs extrmes C min etC max , par opposition avec le varactor discret qui ne prsente quun nombre ni de valeurs.
W
g
F e W
g
w
(a) (b)
F e
w
Figure 1.4: Congurations typiques de varactors MEMS analogiques. (a) poutre
double encrage (pont) et (b) poutre simple encrage (cantilever).
Lorsquune tension continue est applique entre la poutre de largeur w et llectrode
de largeur W , une force lectrostatique F e est exerce sur cette poutre comme le montre la
gure 1.4, force proportionnelle w et W . Cette force F e va alors contraindre la poutre se
dformer et se rapprocher de llectrode xe, diminuant alors la distance g. La capacit3 Un tat de lart ddi aux dispositifs accordables base de cristaux liquides est prsent dans [62]
11
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
27/163
prsente par le varactor, correspondant en premire approximation la capacit plan
entre les deux lectrodes (C = 0 W wg ), va alors augmenter.
Les avantages principaux de ce type de varactor sont lis son fort facteur de qua-
lit, pouvant tre suprieur 300 aux frquences millimtriques, et son bon rapportC max /C min pouvant tre suprieur 3 ou 4 pour des architectures optimises de varactors
MEMS. De plus, ces dispositifs sont trs linaires tant que la tension de commande DC
reste trs infrieure la valeur efficace de la tension RF (le point dinterception dordre 3
est suprieur 40 ou 50 dBm [5,64]). Dans le cas des ltres accordables et des adaptateurs
dimpdance, ces dispositifs sont donc bien appropris puisquils peuvent tre utiliss aussi
bien lmission (en forte puissance) qu la rception (plus faible puissance) de systmes
de transmission sans l. De plus, ces dernires annes, leffort a galement port sur la
abilit de ce type de dispositif (voir par exemple [5,65]). Des mesures faible puissance
(
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
28/163
taines de ces solutions (par exemple les diodes Schottky ou diodes GaAs hyper-abruptes)
sont spcialement tudies pour maximiser le rapport C max /C min pouvant atteindre des
valeurs suprieures 6 ou 8, ainsi que le facteur de qualit (lequel ne dpasse cependant
pas la centaine au-del de la dizaine de GHz). Bien que prsentant des pertes relative-ment fortes au-del de la dizaine de GHz, les atouts de cette technologie sont multiples.
Tout dabord, lintgration de tels dispositifs est actuellement bien matrise. De plus, la
tension dactivation est relativement faible (
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
29/163
De telles caractristiques idales ne peuvent pas tre obtenues ; le but de la conception de
ltres est donc dapprocher les spcications avec une tolrance acceptable [138]. Quatre
catgories de ltres peuvent tre rpertories :
les ltres passe-bas qui ne laissent passer que les frquences infrieures la frquence
de coupure f c et qui rejettent les frquences suprieures f c ;
les ltres passe-haut qui rejettent les frquences infrieures et transmettent les fr-
quences suprieures f c ;
les ltres passe-bande qui permettent la transmission uniquement dans une bande de
frquences f centre sur la frquence centrale f 0 et qui interdisent la transmission
hors de cette bande passante;
les ltres coupe-bande ou rjecteurs qui sont le complment des ltres passe-bande.
Dans la suite, nous nous intresserons prioritairement aux ltres passe-bande. La gure
1.5 reprsente le module |S 21| de deux ltres passe-bande xes non idaux prsentant lesmmes caractristiques dans la bande passante mais des attnuations hors bande passante
diffrentes.
-40
-30
-20
-10
0
0 0,5 1 1,5 2
3 dB
f 3 dB
= 0,23 GHz
0,4 GHz
0,5 GHz
Filtre 1
Filtre 2
IL
Ls 1
Ls 2
f Ls 1
f Ls 2 M o d u l e d e S
2 1
( d B )
Frquence (GHz)
Figure 1.5: Modules |S 21| de deux ltres passe-bande non idaux prsentant lesmmes caractristiques dans la bande passante (mmes pertes dinsertion, adaptation
dans la bande passante, facteur de qualit et pentes des droites de rjection) maisdes niveaux de rjection hors bande passante diffrentes.
14
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
30/163
La gure 1.5 permet de dnir les nombreux critres utiles pour quantier les perfor-
mances dun ltre. Parmi ces critres, les plus importants sont :
la frquence centrale du ltre f 0 et sa bande passante f (par dfaut, la bande
passante considre est la bande passante 3 dB appele f 3dB ) ou son facteurde qualit (charg) QL = f 0 f 3dB ;
les pertes dinsertion IL dans la bande passante du ltre ;
ladaptation RL ou le taux dondulation dans la bande passante ;
la pente des droites de rjection ou le facteur de forme F s = f 3dB f L s dB o f L s dBcorrespond la largeur de la bande passante Ls dB ;
la largeur (en Hz) et la profondeur Ls (en dB) de la bande rejete;
les dimensions du ltre ;
laccord de la frquence centrale et/ou de la bande passante pour les ltres accor-
dables.
Ainsi, lexistence de ces nombreux critres rend la comparaison des diffrentes topolo-
gies de ltres trs complique, notamment pour les ltres accordables.
De nombreuses mthodes de synthse de ltres RF/microondes adaptes aux diverses
topologies de ltres ont t labores pour rpondre aux gabarits de ltrage dsirs. Parmices mthodes de conception, nous pouvons citer par exemple la mthode des pertes din-
sertion trs largement utilise, mais galement la mthode des paramtres images ,
mthodes dcrites dans de nombreux ouvrages [138,139] ou encore des mthodes num-
riques telles que la mthode des matrices de couplage dcrite dans [34].
Remarque : dans lexemple de la gure 1.5, Ls est pris gal Ls . Ds prsent, nous
considrerons toujours ce critre o Ls = Ls . Ainsi, le facteur de forme F s est dni pour
une profondeur de bande rejete donne. En pratique, ce critre sera considr en bande
troite car peu de publications prsentent les mesures en large bande des ltres raliss.
1.2.2 Facteurs de mrite de ltres microondes
Comme nous lavons vu, de nombreux critres sont ncessaires pour quantier les per-
formances dun ltre xe ou accordable. Par ailleurs, la comparaison de ltres accordablespeut tre intressante pour aider les concepteurs microondes choisir le ltre le plus per-
15
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
31/163
tinent pour une application donne. Nous allons donc chercher ici dnir de nouveaux
facteurs de mrite ddis la comparaison des ltres accordables. Ces facteurs de mrite
sont bass sur le facteur de mrite propos par Simine [140]. Tout dabord, un facteur de
mrite pour les ltres xes est driv an damliorer la prise en compte de lattnuationdans la bande rejete et des pertes dinsertion dans la bande passante. Ensuite, deux
facteurs de mrite ddis aux ltres accordables en frquence centrale sont proposs. Un
facteur de surface est galement propos pour prendre en compte la compacit des struc-
tures de ltres. Enn, des facteurs de mrite ddis dautres types de ltres microondes
accordables sont proposs et discuts.
1.2.2.1 Facteurs de mrite de ltres microondes non-accordablesa) Facteur de mrite initial
Le facteur de mrite dni par Simine [140] est le suivant :
F Simine = Ls
1/F s 1RL Q L
IL . (1.1)
Ce facteur de mrite F Simine est dautant plus lev que ladaptation RL et que le facteur
de qualit QL du ltre sont levs dune part, et que les pertes dinsertion I L sont faibles
dautre part (ce qui est pris en compte par le terme RL Q LIL ). En revanche, ce facteur de
mrite prsente un paradoxe. En effet, pour les deux ltres de la gure 1.5 prsentant
les mmes caractristiques dans la bande passante du ltre (mmes pertes dinsertion,
adaptation, facteur de qualit et pentes des droites de rjection), le facteur de mrite est
sensiblement meilleur pour le ltre 1 que pour le ltre 2 alors que ce dernier prsente un
meilleur niveau de rjection hors bande passante que le ltre 1 (voir tableau 1.2). Ceci
est d la mauvaise prise en compte des pertes dinsertion et de la profondeur Ls de labande rejete. Le premier terme de ce facteur de mrite Ls1/F s 1 doit ainsi tre modi.
b) Facteur de mrite modi
An de lever ce paradoxe, dnissons un nouveau facteur de mrite pour les ltres xes :
F 0 = F s (Ls IL ) RL QL
IL . (1.2)
Comme prcdemment, ce nouveau facteur de mrite F 0 est ddi aux ltres fort facteurde qualit, ce qui sera pertinent par la suite pour dnir un facteur de mrite ddi aux
16
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
32/163
f 3 dB IL RL L s f Ls dB F s 1/ 1s
s
L
F F Simine
Filtre 1 0,23 GHz 6 dB 15 dB 20 dB 0,4 GHz 0,575 27,1 dB 294
Filtre 2 0,23 GHz 6 dB 15 dB 30 dB 0,5 GHz 0,46 25,6 dB 278
Tableau 1.2: Paramtres et facteurs de mrite prsents par les ltres 1 et 2 de la
gure 1.5.
ltres accordables, bande troite exclusivement. Le premier terme F s (Ls IL ) permet prsent de mieux prendre en compte la rjection et les pertes dinsertion du ltre. Ce terme
reprsente le facteur de forme rel du ltre. En effet, le facteur de forme F s caractrise la
transmission du ltre dun point de vue frquentiel, alors que le terme (Ls IL ) reprsentelattnuation relle entre les signaux transmis dans la bande passante et les signaux rejets
hors de cette bande. prsent, les ltres 1 et 2 prsentent des facteurs de mrite de 88
et 120 dB, respectivement. Les performances hors bande des ltres sont alors prises en
compte avec ce nouveau facteur de mrite, le F 0 du ltre 2 tant 36% plus grand que celui
du ltre 1.
1.2.2.2 Facteurs de mrite de ltres microondes accordables
A prsent quun facteur de mrite adquat pour les ltres passe-bande a t tabli,
nous allons le dcliner pour les diffrents types de ltres accordables.
a) Filtres passe-bande accordables en frquence centrale
Ces ltres reprsentent la majorit des cas rencontrs dans le domaine du ltrage ac-
cordable microonde. Le facteur de mrite ci-dessous est ddi ce type de dispositif :
F f 0 = F s (Ls IL ) RL QL
IL f 0/f 0
( f max / f min )r. (1.3)
Les pertes dinsertion IL , le facteur de qualit QL et le facteur de forme F s correspondent
aux valeurs moyennes sur toute la plage daccord. Ladaptation RL considre correspond
ladaptation dans le pire cas sur toute la plage daccord.
Ce facteur de mrite est proportionnel laccord relatif f 0/f 0 de part et dautre dela frquence de travail f 0 du ltre. De plus, pour beaucoup dapplications ncessitant des
17
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
33/163
ltres accordables en frquence centrale, la largeur f 3dB de cette bande passante doit res-
ter constante sur toute la plage daccord de f 0 : le facteur rsiduel ( f max / f min )r prend
ce critre en considration, f max et f min tant respectivement les bandes passantes
3 dB maximale et minimale du ltre accordable sur toute la plage daccord.Pour tenir compte de laspect surface occupe , un second facteur de mrite peut
tre obtenu :
F f 0 _ S = F f 0c2
S f 20(1.4)
o c est la vitesse de la lumire dans le vide et S est la surface du ltre en m2. Le facteur
de surface c2
S f 20doit tre aussi grand que possible pour obtenir un ltre compact. La
permittivit relative effective du matriau sur lequel le ltre est ralis nest pas considreici. Ceci est d dune part au fait que peu de publications prcisent ce paramtre, et
dautre part au fait que les contraintes technologiques peuvent empcher le transfert
dune topologie de ltres donne dans une autre technologie.
b) Filtres passe-bande accordables en bande passante
Le mme type de facteurs de mrite peut tre obtenu pour les ltres accordables en
bande passante :F f = F s (Ls IL )
RL QLIL
f max / f min( f 0/f 0)r
(1.5)
o f max / f min reprsente le rapport obtenu de la plage daccord de la bande passante
et ( f 0/f 0)r reprsente le dsaccord rsiduel relatif de la frquence centrale du ltre surtoute la plage daccord de la bande passante. De la mme manire que prcdemment, un
second facteur de mrite prenant en compte la compacit de ces ltres peut tre dni :
F f _ S = F f c2S f 20. (1.6)
Les ltres passe-bande microondes accordables en bande passante sont actuellement peu
nombreux. Ces deux facteurs de mrite (1.5) et (1.6) ne seront donc pas utiliss dans la
suite de ce chapitre.
c) Filtres passe-bande double accord
Ces ltres sont la fois des ltres accordables en frquence centrale et accordables enbande passante. Il serait possible de dnir de nouveaux facteurs de mrite pour ces ltres
18
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
34/163
comme nous lavons fait prcdemment, cependant, le nombre de critres pris en compte
dans ces formules limiterait grandement leur pertinence. Par ailleurs, gnralement les
ltres double accord sont prsents dans le meilleur des cas : laccord de la frquence cen-
trale est gnralement propos pour une (voire exceptionnellement deux) bande passantedonne, et laccord de la bande passante est dmontr uniquement la frquence centrale
moyenne du ltre. Laccord de la bande passante sur une large plage daccord de f 0 nest
pas propos, except dans [133] o une gure de mrite prsente lensemble des facteurs
de qualit obtenus en fonction des frquences centrales obtenues.
Ainsi, il semble pertinent pour comparer ces ltres de considrer les facteurs de mrite
ddis aux ltres accordables en frquence centrale ainsi que laccord maximal obtenu de
la bande passante f max / f min .
d) Filtres passe-bas accordables en bande passante
Nous dnissons enn deux facteurs de mrite ddis aux ltres passe-bas microondes
accordables :
F f c = F s (Ls IL ) RL QL
IL f c/f c (1.7)
etF f c _ S = F f c
c2
S f 2c. (1.8)
Ces facteurs de mrite sont proportionnels laccord relatif de la bande passante f c/f cde part et dautre de la frquence de coupure moyenne f c du ltre. Peu de ltres passe-bas
microondes accordables sont dnombrs. Ces facteurs de mrite ne seront donc pas utiliss
dans la suite de ce chapitre mais sont prsents ici en vue de futures comparaisons.
1.2.3 Filtres passe-bande microondes planaires accordables
Cette partie est consacre prsenter les principales topologies de ltres passe-bande
accordables dans le domaine des radiofrquences et microondes. Cette tude se limite aux
topologies de ltres planaires. Ces technologies visent rsoudre le problme dencombre-
ment rencontr dans les technologies volumiques (du type guides donde rectangulaires),
et donc en faciliter lutilisation dans des systmes embarqus; la contre-partie tant une
utilisation de ces structures compactes pour de plus faibles puissances et avec des pertesplus leves. De plus, la ralisation de ltres planaires est simple et peu coteuse par
19
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
35/163
rapport aux ltres volumiques. Les applications vises par les ltres accordables (notam-
ment en frquence centrale) tant du type bande troite, seules des topologies de ltres
accordables haut facteur de qualit (QL > 5) sont tudies.
1.2.3.1 lments localiss
Les ltres lments localiss utiliss en microondes sont bass sur le mme prin-
cipe que les ltres classiques plus basse frquence utilisant des capacits et inductances
localises en technologie CMS, hybride, MMIC ou encore MEMS. Ces ltres sont trs
compacts. Des lments semi-localiss (du type lignes de propagation assimiles des
lments capacitifs ou inductifs) peuvent galement tre considrs pour raliser ce type
de ltre. Ces lments semi-localiss doivent prsenter des dimensions faibles devant la
longueur donde pour ne pas rsonner des frquences o leurs dimensions sont de lordre
de la demi-longueur donde [34]. La modlisation en lments localiss de telles struc-
tures permet alors de prvoir correctement leur rponse frquentielle autour de la bande
passante. En revanche, la rponse en large bande de cette modlisation sloigne trs ra-
pidement des rsultats de mesure, laspect propagatif ntant pas pris en compte dans ces
modlisations. Ainsi, des rsonances parasites apparaissent haute frquence en mesure,les largeur et profondeur de la plage de rjection ne sont alors pas correctement prvues
par la modlisation.
Laccord de tels ltres est obtenu en substituant certains de ces lments localiss xes
par des lments accordables, notamment les capacits xes par des capacits accordables
[51, 78, 79, 81, 82, 86, 87, 94, 96]. Les rfrences [87] et [96] prsentent des ltres double
accord.
Dans [87] des varactors MEMS sont utiliss pour obtenir le double accord dun ltre
passe-bande 1,3 GHz avec une variation de la frquence centrale de35% pour un facteurde qualit moyen de 4,4, des pertes dinsertion de lordre de 1 dB et une adaptation
de 13 dB. la frquence moyenne de travail du ltre, laccord de la bande passante
est f max / f min = 5 pour des pertes dinsertion infrieures 3 dB et une adaptation
meilleure que 9 dB.
La rfrence [96] prsente un ltre double accord autour de 10,5 GHz (en technologieMEMS), optimis en termes de pertes dinsertion, de facteur de forme et de bande reje-
20
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
36/163
te, et ralis avec deux ltres accordables passe-bas et passe-haut lments localiss.
Laccord relatif f 0/f 0 est de lordre de 14% pour un facteur de qualit moyen du ltredans le meilleur des cas de lordre de 7, les pertes dinsertion tant alors de lordre de 10
dB. Laccord de la bande passante est galement propos : f max / f min 2, 5 pour despertes dinsertion importantes (entre 4 et 11 dB) et une adaptation meilleure que 10 dB.
1.2.3.2 Structures priodiques bandes interdites lectromagntiques
Pour obtenir des ltres forte slectivit, une solution consiste en optique utiliser
des structures priodiques bandes interdites photoniques [141]. Ce type de structure pr-
sente une rponse spectrale constitue de bandes de frquences successivement permises
et interdites. En microonde, la structure quivalente est appele structure bandes in-terdites lectromagntiques (BIE). Dj tudies en 1983 [142], elles sont depuis quelques
annes massivement utilises pour concevoir par exemple des ltres passe-bas [143147],
passe-bande [148150] ou rjecteurs de bande [151153]. Des ltres passe-bas accordables
constitus dune ligne de propagation charge priodiquement par des lments capacitifs
sont bass sur ce concept [154156]. Les dimensions longitudinales inter-capacits de telles
structures pouvant tre faibles devant la longueur donde, lapproche de conception du
type ltre lments localiss ou semi-localiss peut tre envisage, laspect large bande
ntant alors pas pris en compte.
Ce type de structure pouvant prsenter une large bande rejete [101], une approche
thorique semi-rpartie (prenant en considration un modle rparti des lignes de propa-
gation et un modle localis des capacits ou varactors considrs) peut tre judicieuse
pour mettre cette proprit en vidence et prdire les largeur et profondeur de la bande
rejete. Cest ce point de vue qui sera dvelopp et exploit pour les ltres tudis auxchapitres 3 et 4 prsentant des largeurs de bandes rejetes jusqu 8, voire 10 fois la
frquence de travail.
1.2.3.3 Rsonateurs quart donde
Ces rsonateurs distribus prsentent une longueur gale au quart de la longueur
donde la frquence fondamentale de rsonance f 0. Des rsonances peuvent galement
apparatre aux frquences (2k + 1) f 0, avec k = 1, 2, 3,... . La gure 1.6 prsente les deuxtopologies de ltres rsonateurs quart donde (a) en peigne et (b) interdigits.
21
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
37/163
(a) (b)
0 /4 0 /4
Figure 1.6: Topologies de ltres rsonateurs quart donde (a) en peigne et (b)
interdigits.
a) rsonateurs en peigne
Les ltres rsonateurs en peigne sont plus connus sous leur dnomination anglo-saxone
ltres combline . Chaque ligne quart donde court-circuite lune de ses deux extr-
mits est relie une capacit lautre extrmit, les rsonateurs ainsi constitus tant
positionns en tte--tte . Lorsque la capacit est variable, la frquence centrale du
ltre devient accordable [15,50,54,55,115,127,129131,133135,157,158]. Le contrle ducouplage inter-rsonateurs [92,130,133] permet de contrler galement la bande passante.
Dans [133], le ltre double accord hybride 0,64 GHz est trs performant et prsente
notamment un facteur de qualit lev QL = 54. Le contrle du couplage inter-rsonateurs
et donc de la bande passante est obtenu par des rducteurs de couplages contrls par
varactors et positionns entre les rsonateurs parallles. Ce ltre est compact ( c2
S f 20= 69 )
et prsente une forte accordabilit en frquence centrale (
34%) et en bande passante
(rapport f max / f min = 2, 3). Le facteur de qualit lev de ce ltre a pu tre obtenu
grce des varactors mcaniques contrlant la frquence centrale du ltre, prsentant de
forts facteurs de qualit. Enn, ce ltre prsente un pic de rsonance basse frquence (
environ f 0/ 2).
Le double accord a galement t obtenu dans [92] en insrant priodiquement des
capacits de couplage entre les rsonateurs parallles pour contrler le couplage et donc
la bande passante du ltre. Laccord de la frquence de rsonance est obtenu par descommutateurs contrlant la longueur lectrique des rsonateurs quart donde. Un accord
22
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
38/163
relatif de la frquence centrale de27% a t obtenu pour un facteur de qualit moyen surtoute la plage daccord QL = 13. Laccord maximal obtenu ( f max / f min ) de la bande
passante est de 4,1. Cet accord de la bande passante dgrade trs fortement la rjection
du ltre en haute frquence, rjection qui dans le meilleur des cas prsente une secondersonance environ deux fois la frquence centrale du ltre. Enn, le facteur de surface
de ce ltre c2
S f 20est de lordre de 22, correspondant alors un ltre relativement peu
compact.
b) rsonateurs interdigits
Similaires aux ltres combline , les ltres rsonateurs interdigits sont constitus
de lignes de propagation quart donde ( la frquence centrale f 0) disposes en parallle.
Chacune de ces lignes quart donde court-circuite lune de ses deux extrmits est en
circuit ouvert lautre extrmit, les rsonateurs ainsi constitus tant positionns en
tte-bche . La seconde plage de frquence prsentant une rsonance se trouve alors
autour de la frquence 3 f 0. Laccord de la frquence centrale est obtenu en modiantla longueur lectrique des rsonateurs quart donde. Plusieurs ltres accordables rso-
nateurs interdigits ont t raliss en plaant une capacit entre lextrmit en circuitouvert et la masse de ces rsonateurs [125,126,159]. Laccord de la frquence centrale a
galement t obtenu en allongeant la longueur physique des rsonateurs quart donde par
lintermdiaire de commutateurs MEMS [88].
1.2.3.4 Rsonateurs demi-onde
Ces rsonateurs prsentent une longueur gale la moiti de la longueur donde la
frquence fondamentale de rsonance f 0. Des rsonances peuvent galement apparatre
aux frquences n f 0, avec n = 2, 3,... . La gure 1.7 prsente deux topologies de ltres
rsonateurs demi-onde coupls (a) en parallle et (b) en srie.
Un autre type de rsonateur demi-onde utilis pour raliser des ltres accordables
nest pas prsent dans cette tude : le rsonateur demi-onde en boucle ouverte [160].
Deux ltres passe-bande accordables en frquence centrale ont t raliss avec cette
topologie de ltre, le premier tant accordable par un transducteur pizolectrique [14],le second tant accordable par des commutateurs MEMS modiant la longueur physique
23
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
39/163
(a)
(b)
0 /2
0 /2
Figure 1.7: Topologies de ltres rsonateurs demi-onde coupls (a) en parallle et
(b) en srie.
des rsonateurs [93].
a) rsonateurs demi-onde coupls en parallle
Ces ltres sont constitus de rsonateurs demi-onde coupls en parallle sur la moiti
de leur longueur avec les rsonateurs adjacents. Typiquement, ce type de disposition
des rsonateurs (permettant dobtenir de forts couplages) rend cette topologie de ltres
moins adapte aux bandes passantes troites que les ltres demi-onde coupls en srie
[34]. Laccord de la frquence centrale peut tre obtenu en chargeant les rsonateurs par
des varactors [97, 161], en modiant la longueur physique des rsonateurs laide de
commutateurs photoconducteurs [24], en utilisant des substrats commands [31,32,48] ou
en dposant un substrat dilectrique au-dessus du ltre [13].
Un ltre hybride 10 GHz a rcemment dmontr le double accord de la frquence
centrale et de la bande passante [137] de manire discrte avec des diodes p-i-n. Laccord
de la frquence centrale a t obtenu en modiant la longueur physique des rsonateursalors que des stubs de couplage insrs entre les deux rsonateurs demi-onde parallles
permettent le contrle de la bande passante. Trois positions de la frquence centrale ont
t obtenues 9, 10 et 11 GHz, deux facteurs de qualit (QL 8 et QL 14) pouvanttre slectionns pour chacune de ces frquences centrales. Les pertes dinsertion de ce
ltre sont infrieures 2 dB et ladaptation est meilleure que 14 dB.
b) rsonateurs demi-onde coupls en srieLes accords de la frquence centrale et de la bande passante des ltres rsonateurs
24
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
40/163
coupls en srie sont obtenus en modiant respectivement la longueur lectrique des rso-
nateurs et le couplage entre eux. Laccord de la frquence centrale a pu tre obtenu laide
dun substrat ferrolectrique [49]. Plus gnralement cet accord a t montr en chargeant
les rsonateurs par des varactors placs en parallle [80,83,84,90,91,95]. Laccord de labande passante, ralis en modiant le couplage inter-rsonateurs, a t obtenu dans [128]
o ( f max / f min = 3) pour une frquence centrale xe de 10 GHz.
Dans les rfrences [90,91], le double accord a t dmontr avec des varactors MEMS.
Dans [91], les mesures prsentes semblent montrer, pour une frquence centrale donne,
un accord de la bande passante f max / f min < 2. Laccord de la frquence centrale tait,
quant lui, de lordre de
16% autour de 8,2 GHz pour un facteur de qualit moyen de
6,8, des pertes dinsertion maximales infrieures 3,8 dB et une forte uctuation de la
bande passante dans un rapport 1 :1,4 sur la plage daccord.
Les ltres double accord raliss dans le cadre de cette thse sont bass sur le mme
type de structure que [91], ltre double accord paru durant la thse. Le ltre de la rfrence
[162] est le premier prototype double accord que nous avons ralis. Une mthode de
conception propose dans le chapitre 4 de ce manuscrit a permis doptimiser ce type de
ltre et de concevoir un second prototype hybride optimis prsentant un accord continude la bande passante et de la frquence centrale autour de 0,7 GHz, laccord tant obtenu
avec des varactors jonctions semiconductrices. Laccord de la frquence centrale est de
24, 5% (21, 5%, respectivement) pour une bande passante de 50 MHz (100 MHz,respectivement), les pertes dinsertion tant infrieures 5,4 dB, et ladaptation meilleure
que 11 dB. Laccord maximal obtenu de la bande passante, une frquence donne, est
f max / f min > 4.
1.2.3.5 Rsonateurs en boucle ferme
Ces rsonateurs sont constitus dune ligne de propagation en boucle ferme dont le
primtre est gal la longueur donde. Des ltres accordables en frquence centrale [118
120,122,123,132] ont alors t raliss partir de ces rsonateurs, la premire ralisation
datant de 1986.
Dans [132], un ltre hybride double accord 1,75 GHz a t ralis en contrlant lesfrquences de rsonance des modes pairs et impairs. Ceci a t obtenu en contrlant des
25
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
41/163
varactors disposs sur deux plans perpendiculaires sur la boucle rsonante.
1.2.3.6 Rsonateurs DBR
Les rsonateurs DBR (Dual Behavior Resonators) sont constitus dune ligne de pro-
pagation charge par deux stubs parallles en circuit ouvert [163, 164]. Le rsonateur
demi-onde cr par ces deux stubs permet dobtenir une bande passante centre la fr-
quence fondamentale f 0, la longueur de chacun de ces deux stubs tant gale au quart
de la longueur donde, lun pour une frquence infrieure et lautre pour une frquence
suprieure la frquence f 0, ce qui permet alors de dnir des zros de transmission de
part et dautre de f 0 et accrotre ainsi la slectivit du dispositif.
Dans [89], un ltre double accord a t ralis avec ces rsonateurs autour de 34 GHz.Laccord est ralis laide de varactors MEMS placs lextrmit de chaque stub
an de contrler la position des zros de transmission de part et dautre de la bande
passante. Les mesures montrent un accord relatif de la frquence centrale de2, 4% pourun facteur de qualit moyen QL = 11, 6, des pertes dinsertion de 3,6 dB et une adaptation
meilleure que 20 dB. Des simulations montrent un possible accord de la bande passante
( f max / f min = 2) pour ce ltre.
1.2.3.7 Rsonateurs patch
Un ltre accordable constitu dun rsonateur patch triangulaire a galement t tudi
pour raliser laccord de la bande passante [136]. Ce patch, dont la longueur des cts
est environ gale la demi-longueur donde la frquence de travail, permet dobtenir
laccord discret de la bande passante dans un rapport f max / f min = 1, 9. Cet accord est
obtenu en connectant ou non, laide dune diode p-i-n utilise comme commutateur, unstub lun des trois cts du patch.
1.2.4 tude comparative de ltres accordables1.2.4.1 Filtres accordables en frquence centrale
Un grand nombre de ltres microondes accordables a t tudi, notamment depuis
une dizaine dannes. Il parat donc important de comparer les performances de ces topo-
logies de ltres accordables. La recherche dans ce domaine ayant principalement port surlaccord de la frquence centrale du ltre, nous avons souhait ici comparer ces ltres RF
26
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
42/163
et microondes au moyen des facteurs de mrite dnis au paragraphe 1.2.2.2. Des gures
de mrite sont alors prsentes. Cette tude nest pas exhaustive ; elle a pour unique but
de dresser un aperu des performances atteintes dans le domaine du ltrage accordable
en frquence centrale, les ltres compars ici ayant t publis il y a moins de 5 ans etprsentant toutes les caractristiques requises pour pouvoir tre compars. Par ailleurs,
puisque la majorit des travaux publis ne prsentent pas les rsultats en large bande, la
rjection Ls est considre seulement au voisinage de la bande passante du ltre4.
La gure 1.8 compare le facteur de mrite F f 0 donn par (1.3) de ltres accordables
publis depuis 5 ans en fonction de leur frquence moyenne de travail.
0
5
10
15
20
25
1 10
Frquence moyenne de travail (GHz)
Salahun-02
Young-03
Hsieh-03
Kim-04
Sanchez-05 ( F f0
=106)
Sanchez-05
Pistono-05
Nath-05Chauraya-05
Leon-05
Rahman-03
Lei-05
Eriksson-05
Al-Ahmad-05
F
a c t e u r
d e m
r i t e F
f 0
( d B )
Kim-02
Liu-01 Abbaspour-02
Fourn-03
Lakshminar.-03
Abbaspour-03
Fourn-03
Kraus-04
Entesari-05
Nordquist-05
Nordquist-04
Pothier-05
Mercier-04
Siegel-05
Lugo-06
Pothier-05
Kim-02
Figure 1.8: Figure de mrite F f 0 en fonction de la frquence moyenne de travail des
ltres.
Comme le montre la gure 1.8, le facteur de mrite F f 0 ne dpasse pas 10 dB pourdes ltres centrs sur des frquences suprieures 20 GHz. La principale explication de
ce faible facteur de mrite pour des frquences leves est prsente la gure 1.9 qui
montre laccord relatif de la frquence centrale f 0/f 0. En effet, ces frquences detravail, la plage daccord de f 0 obtenue est faible, et ne dpasse pas 10%. Par ailleurs,la gure 1.8 montre que pour des frquences de travail infrieures 5 GHz, le facteur
de mrite F f 0 peut facilement atteindre 15 ou 20 dB, le ltre le plus tudi dans cette4 An de faciliter les comparaisons dans cette tude, L s a t pris gal 30 dB lorsque les rsultats le
permettaient, et gal 20 dB sinon.
27
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
43/163
plage de frquences tant le ltre combline. Les topologies de ltres base de rsonateurs
demi-onde coupls en srie, ou en parallle ont dj t tudies pour raliser laccord
de la frquence centrale sur une large gamme de frquences alors que dautres topologies
du type ltres rsonateurs quart donde interdigits semblent jusqualors navoir tque peu investigues comme en atteste le nombre de publications pour chacune de ces
topologies.
1
10
1 10
A c c o r d r e
l a t i f ( + / - f 0 / f
0 )
Salahun-02
Young-03
Hsieh-03
Kim-04
Sanchez-05Sanchez-05
Pistono-05
Nath-05Chauraya-05
Leon-05
Rahman-03Lei-05Eriksson-05
Al-Ahmad-05
Kim-02
Liu-01
Abbaspour-02
Fourn-03
Lakshminar.-03
Abbaspour-03
Fourn-03
Kraus-04Entesari-05
Nordquist-05
Nordquist-04Pothier-05
Pothier-05
Mercier-04
Siegel-05Lugo-06
Frquence moyenne de travail (GHz)
Kim-02
Figure 1.9: Accord relatif de la frquence centrale des ltres.
La gure 1.10 prsente les pertes dinsertion maximales des ltres accordables en
fonction de la frquence moyenne de travail des ltres. Cette gure de mrite montre
que des efforts ont t faits pour minimiser les pertes dinsertion haute frquence et
maintenir des pertes dinsertion infrieures 4 dB au dtriment de laccord de la frquence
centrale. Ceci a t principalement obtenu grce aux varactors raliss en technologie
MEMS permettant dobtenir de bons facteurs de qualit au-del de 10 GHz. Notons enn
quenviron deux tiers des ltres accordables publis ces cinq dernires annes sont conus
avec cette technologie MEMS permettant dexplorer des plages de frquences non encore
envisageables dans dautres technologies.
An de mettre en avant la compacit des diffrents ltres, la gure 1.11 compare le
facteur de mrite F f 0 _ S donn par (1.4).La gure 1.11 montre que pour des ltres faible frquence centrale, le facteur de
28
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
44/163
0
1
2
3
4
5
6
7
8
1 10
P e r
t e s
d ' i n s e r t
i o n m a x
i m a l e s
( d B )
Frquence moyenne de travail (GHz)
Salahun-02
Young-03
Hsieh-03
Kim-04
Sanchez-05
Sanchez-05Pistono-05 Nath-05
Chauraya-05 Leon-05
Rahman-03Lei-05
Eriksson-05
Al-Ahmad-05Kim-02
Liu-01
Abbaspour-02
Fourn-03Lakshminar.-03
Abbaspour-03Fourn-03Kraus-04
Entesari-05
Nordquist-05
Nordquist-04
Pothier-05
Pothier-05Mercier-04
Siegel-05Lugo-06
Kim-02
Figure 1.10: Pertes dinsertion maximales du ltre la frquence centrale.
surface peut atteindre des valeurs suprieures 100 conduisant un facteur de mrite
F f 0 _ S > 2000 dB. Outre les topologies de ltres lments localiss, les deux topologies
de ltres combline et ltres rsonateurs demi-onde coupls en srie permettent dobtenir
les ltres les plus compacts.Dautres ltres publis devraient tre insrs dans cette tude comparative pour ac-
qurir une vue globale des performances proposes par les diffrentes topologies de ltres
accordables en frquence centrale. Cependant, il semble clair que loptimisation de va-
ractors fort facteur de qualit et large plage daccord reste un point crucial pour
la ralisation de ltres accordables trs slectifs (QL > 20) aux frquences microondes.
Pour contourner ce problme et essayer de limiter les pertes dinsertion la frquence
centrale, lutilisation de varactors mcaniques [133] a t considre. Par ailleurs, an de
complter cette tude, une prsentation des mesures en large bande des ltres accordables
permettrait de comparer la qualit de la rjection de ces diffrentes topologies de ltres.
1.2.4.2 Filtres double accord
Les ltres double accord publis sont actuellement peu nombreux dans le domaine
RF/microondes [87,8992,96,132,133,137, 162]. Par ailleurs, peu dentre eux prsententtoutes les caractristiques ncessaires pour les comparer avec les facteurs de mrite que
29
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
45/163
10
100
1000
104
1 10 100 1000
F a c t e u r
d e M r i t e F
f 0_ S
( d B )
Facteur de surface
(a)
Salahun-02
Young-03
Hsieh-03
Kim-04
Tombak-03
Sanchez-05
Pistono-05
Nath-05
Chauraya-05Leon-05
Lei-05
Al-Ahmad-05
Sanchez-05
F f0_S
=61.103 dB
10
100
1000
1 10 100 1000
Kim-02Liu-01
Kim-02Abbaspour-02
Fourn-03Lakshminar.-03
Abbaspour-03Kraus-04
Nordquist-05 Nordquist-04
Pothier-05Pothier-05
Entesari-05
Mercier-04
Facteur de surface(b)
F a c
t e u r
d e M r i t e F
f 0_
S
( d B )
Figure 1.11: Pertes dinsertion maximales du ltre la frquence centrale (a) pour
des frquences infrieures 5 GHz et (b) pour des frquences suprieures 5 GHz.
nous avons dni prcdemment.
Nous allons donc chercher ici rsumer les principaux avantages et inconvnients de
ces ltres double accord. Le tableau 1.3 rcapitulatif rsume les performances de ces ltres.
Nous pouvons tout dabord remarquer que ces ltres ont t exclusivement raliss
avec des lments daccord localiss du type :
varactors MEMS digitaux et commutateurs [87,91,92,96] frquences de travaildes ltres raliss couvrant une large plage de frquences RF et microondes ;
varactors MEMS analogiques [89, 90] frquences de travail des ltres raliss30
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
46/163
Filtres double accord
publis Y o u n g - 2
0 0 3
F o u r n -
2 0 0 3
K r a u s - 2
0 0 4
M e r c i e r -
2 0 0 4
P i l l a n s - 2
0 0 5
L e i - 2
0 0 5
C a r e y - 2
0 0 5
S a n c
h e z -
2 0 0 5
P i s t o n o -
2 0 0 5
L u g o -
2 0 0 6
Frquence
centrale (GHz) 1 , 3 G H z
3 4 G H z
8 , 2 G H z
4 2 , 8
G H z
1 0 , 5
G H z
1 , 7 5 G H z
0 , 6 2 G H z
0 , 6 4 G H z
0 , 6 6 G H z
1 0 G H z
Accord 0 0/ f f 3 5 %
2 , 4
%
1 6 %
2 , 9 %
1 4 % 8 % 2 7
% 3 4 %
2 3 %
1 0 %
Bande passante
f 3 dB moyenne
sur la plage
daccord
0 , 3 G H z
2 , 9 G H z
1 , 2 G H z
2 , 8 G H z
1 , 5 G H z
0 , 1 8 G H z
4 8 M H z
1 2 M H z
5 0 M H z
0 , 8 1 G H z
Fluctuation de la
bande passante 1 : 1 , 4
1 : 1 , 1
1 : 1 , 4
1 : 1
~ 1 : 1
1 : 2 , 1
1 : 1 , 1
1 : 2 , 1
1 : 1
1 : 1 , 3
Facteur de qualit
Q L moyen sur la
plage daccord 4 , 4
1 1 , 6
6 , 8
1 5 , 3
~ 7 9 , 5
1 3 , 1
5 4 1 3 , 2
1 2 , 3 A
c c o r
d d e l a f r q u e n c e c e n r a l e f
0
p o u r u n e
b a n d e p a s s a n t e
f 3
d B f
i x e
d s i r e
Pertes dinsertion
maximales f 0 1 d B
3 , 6 d B
3 , 8 d B
3 , 5 d B
1 0 d B
5 d B
2 d B
5 d B
5 d B
1 , 9 d B
Bande passante
minimale f 3 dB 0 , 1 2 G H z
1 , 9 G H z
~ 0 , 5
G H z
2 , 0 5 G H z
~ 1 , 4
G H z
0 , 2 G H z
1 6 M H z
6 , 5 M H z
5 0 M H z
0 , 8 5 G H z
Bande passante
maximale f 3 dB 0 , 6 G H z
3 , 9 G H z
~ 1 G H z
2 , 8 G H z
~ 3 , 5
G H z
0 , 3 G H z
6 6 M H z
1 5 M H z
1 5 0 M H z
1 , 4 7 G H z
Rapport
f max / f min 5 2 ,
1 ~ 2 1 ,
4 2 , 5
1 , 5
4 , 1
2 , 3 3 1 ,
7
A c c o r
d d e l a b a n d e p a s s a n
t e f 3
d B p
o u r u n e
f r q u e n c e c e n t r a
l e d o n n
e
Pertes dinsertion
maximales f 0 3 d B
5 , 5 d B
7 d B
7 d B
1 1 d B
3 d B
4 d B
N C
5 d B
1 , 9 d B
Technologie
C o m m u t a t e u r
M E M S
V a r a c
t o r
M E M S
c o n t
i n u
C o m m u t a t e u r
M E M S
V a r a c
t o r
M E M S
c o n t
i n u
C o m m u t a t e u r
M E M S
V a r a c
t o r
s e m
i c o n
d u c t e u r
C o m m u t a t e u r
M E M S
V a r a c
t o r s
s e m
i c o n
d u c t e u r
e t m
c a n
i u e
V a r a c
t o r
s e m
i c o n
d u c t e u r
C o m m u t a t e u r
p - i - n
Tableau 1.3: Performances prsentes par les ltres double accord microondes ac-
tuels.
31
-
7/26/2019 Conception Et Ralisation de Filtres Microondes Planaires Accordables Par Varactors Structures Priodiques These_E
47/163
au-del de 25 GHz ;
commutateurs p-i-n [137] frquence de travail de 10 GHz ; varactors jonctions semiconductrices [132,133,162] frquences de travail des
ltres raliss infrieures 3 GHz ; varactors jonctions semiconductrices et varactors mcaniques [133] frquence
de travail du ltre de 0,64 GHz.
Les ltres raliss en technologie MEMS visent rpondre des frquences de fonc-
tionnement plus leves que les ltres base de jonctions semiconductrices, grce leurs
forts facteurs de qualit.
Les ltres de Fourn [89] et de Mercier [90] utilisent des varactors MEMS continus alors
que les autres ltres double accord MEMS utilisent des MEMS digitaux ou commuta-
teurs. Ces deux ltres prsentent donc un accord continu, mais les accords obtenus sont
relativement faibles, cause des faibles rapports de capacits C max /C min .
Le ltre de Pillans [96], optimis pour obtenir une rjection suprieure 50 dB, pr-
sente de trs fortes pertes dinsertion (jusqu 11 dB) pour un facteur de qualit QL < 7
la frquence de travail.
Par ailleurs, cause des proprits intrinsques des topologies employes, les ltresde Lei [132] et de Carey-Smith [92] prsentent de mauvaises rjections (pouvant tre
-
7/26/2019 Conception Et Ralisa