Etude et réalisation de résonateurs microondes SiO2 à mode de galerie

Study and realization of whispering gallery mode quartz resonators

• Auteur / Autrice : Rajae Barhaila
• Direction : Vincent Giordano
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Besançon
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Franche-Comté. UFR des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Quartz

Oscillateurs à microondes

Cavités résonnantes (microondes)

Résumé

Ce mémoire concerne l'étude et la réalisation des résonateurs micro-ondes à quartz à mode de galerie dans la bande K (20-40 GHz). Nous avons évalué expérimentalement les composantes du tenseur permittivité relative et la tangente de perte du quartz en utilisant la technique du résonateur de Courtney. Ces mesures nous ont permis de montrer que la variation de la permittivité avec la température reste peu importante. La sensibilité thermique du résonateur est alors due à la dilatation thermique. La tangente de perte du quartz varie très peu avec la température. Le refroidissement du quartz n'apporte donc qu'un faible gain en terme du coefficient de surtension. Nous avons ensuite réalisé des résonateurs à quartz à mode de galerie fonctionnant à des fréquences de résonances différentes. Des coefficients de surtension de l'ordre de 60 000 à 300K et de 130 000 à 77K ont été obtenus à une fréquence de 16 GHz, et de l'ordre de 30 000 à 300K à une fréquence de 26 GHz. Un modèle basé sur la technique du raccordement modal développée au LPMO nous a permis d'évaluer avec une bonne précision les fréquences de résonance de nos résonateurs. De plus, une technique de sélection modale a été mise au point afin de supprimer les modes parasites autour d'un mode de galerie donné. Le résonateur à 26 GHz a été utilisé pour concevoir un oscillateur en utilisant les technologies disponibles au laboratoire. Le bruit de phase obtenu est de l'ordre de -75dB. Rad2. Hz-1 à 1 kHz de la porteuse. L'utilisation d'un correcteur interférométrique et/ou l'optimisation du circuit d'oscillation peuvent conduire à une nette amélioration de ces performances.

This work deals with the study and the realization of Whispering gallery mode quartz resonators in the K-band (20 - 40 GHz). We evaluated experimentally the quartz dielectric properties (permittivity and intrinsic losses) using the Courtney resonator method. These measurements show that the variation of quartz permittivity with temperature is small and then the thermal sensitivity of the resonator is principaly due to thermal dilatation. The quartz loss tangent at low temperature changed very little from their room temperature value at 300K. Thus the cooling of the quartz brings only a weak profit in terms of the quality factor. We also achieved some Whispering Gallery mode quartz resonators working at different resonant frequencies. Experimental quality factors Q around 60 000 at 300K and of 130 000 at 77K have been obtaind at 16 GHz. Moreover, a Q-factor around 30 000 at 300K has been obtained at 26 GHz. A theoretical model, based on a Mode Matching method has been developed at LPMO in order to evaluate with a good precision the resonant frequencies of our resonators. Moreover, the efficiency of the mode selection method has been experimentally demonstrated. The 26 GHz resonator was used in order to design an oscillator. The achieved oscillator presents very good phase noise performances at 300K. These performances can be still improved by optimizing the circuit of oscillation and/or by using an interferometric corrector.