Etude et conception de structures périodiques, type lignes de transmission non linéaires, pour des applications de multiplication de fréquences en bandes V

Study and concezption of periodical structures such as NLTL for V-Band frequencies multiplier applications

• Auteur / Autrice : Jean-Marc Duchamp
• Direction : Jun Wu Tao
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, optronique et systèmes
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Chambéry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Micro-ondes

Varactors

Mots clés libres

Micro-ondes

Non linéaire

Multiplication de fréquence

Structures périodiques

Lignes de transmission non-linéaire

Varactor hétéro structure

Guide d'onde coplanaire 60 GHz

Résumé

L'explosion des besoins en débits numériques des utilisateurs implique la mise en œuvre de techniques d'interconnexion de réseaux performantes. Les besoins de bande passante, à coût faible, nécessitent l'étude de nouveaux dispositifs de communication sans fils à des fréquences de plus en plus élevées. La bande de fréquences, dite bande V est une plage fréquentielle encore libre et qui présente l'avantage de limiter la propagation hertzienne à quelques centaines de mètres ce qui est bien adapté aux liaisons dites du ''dernier kilomètre''. La génération de fréquences au-delà de quelques dizaines de GHz, est basée sur l'utilisation de composants électroniques à résistance négative. L'inconvénient principal de cette solution est que la puissance générée diminue rapidement lorsque la fréquence de fonctionnement augmente. La solution alternative envisagée repose sur l'association d'un oscillateur et d'un multiplieur de fréquences micro-onde. La multiplication est obtenue grâce à des varactors. Leur association en réseaux périodiques concentre la puissance transmisse quelques fréquences. L'apparition de nouveaux varactors ''symétriques'' : les varactors hétéro structures (HBV) nécessitent une nouvelle approche des critères de choix des non-linéarités. Les performances fréquentielles de la structure de propagation sur laquelle seront répartis les varactors ont également fait l'objet d'une analyse. L'étude comparative des coefficients de propagation pour une ligne micro ruban, un guide d'onde coplanaire et une Fin-line a permis de mettre en évidence les avantages et inconvénients de chacune de ces structures autour de 60 GHz. Les définitions de nouveaux modèles électriques permettant la prise en compte des différentes pertes dans les structures périodiques ont pu être validé par des réalisations. L'étude de la répartition de la non-linéarité le long de la structure de propagation a également démontré l'intérêt des structures périodiques. L'ensemble des ces résultats a conduit à la définition d'une topologie de ligne de propagation non linéaire optimale qui multiplie une fréquence de 20 GHz par trois. Cette ligne repose sur une structure de guide d'onde co-planaire chargée périodiquement par des HBV avec un rendement de puissance de 2Q% pour une bande passante de plus de 30 %

Ln spite of high growth in telecommunications equipment performances, numerical information demands have never been so strong. The need of low cost bandwidth implies to study new wireless networks with higher frequencies. The V-band frequencies (circa 60 GR) corresponds to a non-allocated frequency range which main advantage is to be perfectly adapted for the last mile transmission between providers and users. Frequencies generation higher than tell GR is based on the use of negative resistances electronic components such as tunnel effect or Gunn effect. The micro-waves power generated by the oscillator directly depends from the negative resistance variation dynamics. However, the power generated reduces rapidly when frequency increases (1/f3 variation). A microwave frequency multiplier associated to the oscillator forms a good alternative. Non-linear components such as varactors allow harmonic generations. Furtherrnore, if we integrate them in periodical networks, the output power increases owing to the fact that the input frequency is concentrated in fewer harmonics. The aim of this PhD is to define structural and technological solutions that optimise frequency multiplier periodical networks (Periodically loaded non-linear transmission lines). The use of new heterostructure-barrier varactors (HBV's) implies a brand new approach of the NL varactors selection criteria. A new method allowing the comparison between the HBV non-linearity performances bas been designed. A comparative study of the propagation parameters of 3 linear transmission lines (micro-strip, coplanar wave guide and Fin-line) points out the pro and cons of each structure in the selected 60 GR frequency band. New electrical models taking into account the various losses in the periodical structures have also been design and realise. The study of the non-linearity distribution along the transmission line shows the advantage of the PL structure. Finally, these various results permit the design and realisation of a frequency tripler with 60 GR output frequency based on NL transmission line. This optimal line is a coplanar wave-guide transmission line periodically loaded by HBV's. Fourteen sections produce for this frequency tripler a 20% efficiency output, power for a 30% bandwidth