Techniques de modélisation pour une conception efficace de filtres passe-bande micro-ondes

Modeling techniques for the efficient design of microwave bandpass filters

• Auteur / Autrice : Matthias Caenepeel
• Direction : Yves Rolain, Martine Olivi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, traitement du signal et des images
• Date : Soutenance le 19/10/2016
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Nice ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Nice (1965-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Annick Hubin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Rolain, Martine Olivi, Annick Hubin, Giuseppe Macchiarella, Alejandro Alvarez-Melcón, Aurélien Périgaud, Francesco Ferranti, Fabien Seyfert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Giuseppe Macchiarella, Alejandro Alvarez-Melcón

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matrices

Conception et construction

Modèles mathématiques

Filtres pour microondes

Mots clés libres

Modélisation

Filtres micro-ondes

Matrice de couplage

Conception

Modeling

Microwave Filters

Coupling matrix

Design

Résumé

La conception de filtres hautes fréquences requiert l’optimisation des paramètres physiques du filtre afin d’obtenir une réponse en fréquence qui remplit les conditions imposées par le gabarit de fréquence. Cette optimisation dépend de simulations électromagnétiques. La résolution de ces équations aux dérivées partielles étant très couteuse en temps de calcul, nous proposons de développer des modèles pour le filtre qui permettent de réduire le nombre de simulations EM nécessaires au réglage du filtre. Le but recherché est d’incorporer ces modèles dans une méthode de conception assistée par ordinateur. Dans cette thèse, je propose différentes approches pour la modélisation du filtre. La première approche utilise la matrice de couplage du filtre, qu’elle décrit en fonction des paramètres physiques. La deuxième approche modélise les paramètres S en fonction de ces mêmes paramètres. Dans la première méthode, on se concentre essentiellement sur l’extraction de la matrice de couplage physique. On introduit une technique pour estimer la matrice de sensibilité (le Jacobien) qui lie les paramètres physiques aux paramètres de couplage. Cette estimation utilise les sensibilités adjointes des paramètres. L’utilisation de cette information réduit drastiquement le nombre de simulations EM et donc le temps de calcul global. Une deuxième approche utilise le concept de méta-modèle. L’idée maitresse de cette approche est que l’évaluation de ce modèle est numériquement beaucoup plus avantageuse que celle des simulations EM. Les méthodes développées sont tour à tour appliquées à la conception de filtres complexes qui sont réalisés en technologie microstrip

The design of microwave bandpass filter generally requires optimization or fine-tuning of the physical design parameters in order to meet the electrical specifications given by a frequency template. In this thesis we develop models to assist the designer in the time-efficient physical design of the distributed element microwave filters. The aim is to incorporate these models in different CAD methods. By a time-efficient design, we mean a design that requires a low number of EM simulations. The EM-simulations typically represent the most time-consuming step during the optimization process. We propose different modeling approaches for the frequency response behavior of the filter. The first approach models the coupling matrix as a function of the physical design parameters and the second approach models the scattering parameters, again as a function of the physical parameters. In the first part we focus on the extraction of the coupling matrix. We introduce a novel CAT technique based on an efficient estimation of the Jacobian of the function relating the design parameters to the coupling parameters. The estimation of the Jacobian uses adjoint sensitivity analysis, which drastically reduces the number of required EM-simulations. In the second part of the thesis we propose an alternative modeling approach which is based on the concept of a metamodel. The idea is that the metamodel is numerically much cheaper to evaluate than the original simulation model while keeping an acceptable accuracy. We apply these methods to several state of-the-art microstrip bandpass filters