Etude de composants passifs hyperfréquences à base de métamatériaux et de ferrite

Study of passive microwave and millimetre wave components based on matematerials and ferrite

• Auteur / Autrice : Tao Zhou
• Direction : Didier Vincent, Martine Le Berre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 06/03/2012
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône) - Institut des Nanotechnologies de Lyon - Site de l'INSA / INL
• Jury : Président / Présidente : Brice Gautier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Francis Calmon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Flechet, Thierry Parra

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télécommunications -- Matériaux

Mots clés libres

Electronique des micro-ondes

Télécommunications -- Matériaux

Métamatériaux

Ferrite

Condensateur

Microwave Electronics

CPW - Coplanar wave guide

Metamaterials

Microwave ferrite device

Capacitors

Inductors

Résumé

Ce travail de thèse, qui se rattache au domaine des composants télécom, concerne l’étude de composants passifs élémentaires constitués de lignes de transmission coplanaires alliant ferrite et métamatériaux. Ces composants sont susceptibles de réaliser de nouvelles fonctions en électronique des hautes fréquences en combinant plusieurs phénomènes comme ceux de non réciprocité, des comportements main droite – main gauche et l’agilité en fréquence. Les applications visées portent sur un grand champ de composants microondes comme des antennes, des isolateurs, déphaseurs, coupleurs, filtres - agiles et performants. La modélisation, la fabrication et la caractérisation de ces composants ont été effectuées dans le cadre d’une collaboration entre l’INL et le LT2C. Les outils mis en œuvre dans ce travail comprennent la réalisation de ces composants en salle blanche, leur caractérisation en hyperfréquences (en général jusqu’à 20 GHz), leur simulation par un logiciel commercial de simulation par éléments finis (COMSOL) ainsi que le développement de techniques d’extraction de paramètres (Matlab). La mise en œuvre de ces outils a permis d’appréhender le comportement de ces lignes en termes de constante de propagation et de diagramme de dispersion. Sur le plan pratique, des composants inductifs et/ou capacitifs (capacités à fente ou interdigitées) ont été intégrés à des lignes de transmission coplanaires sur 2 types de substrats. Le premier substrat, diélectrique (Al203), sert de référence, tandis que le second est ferrimagnétique (YIG ou Y3Fe5O12) et présente un effet de non-réciprocité de la propagation du signal dans la configuration retenue. Sur alumine, les valeurs des capacités et des inductances intégrées atteignent 80 fF et 400 pH respectivement. Sur YIG, à partir d’études paramétriques originales sur différentes topologies de structures de test, les effets de non réciprocité attendus ainsi que les phénomènes de résonance gyromagnétique ont bien été mis en évidence. La simulation électromagnétique des structures est validée par un accord correct entre simulations et mesures. Il ressort de cette étude que la non réciprocité d’une ligne sur YIG chargée par des inductances parallèles peut être améliorée jusqu’à 15 dB environ par rapport à une simple ligne coplanaire sur YIG pour certaines bandes de fréquences. Enfin l’agilité en fréquence de la structure de bande des lignes CRLH est établie. Ces travaux ouvrent de très intéressantes perspectives pour le développement de nouveaux composants microondes et sont susceptibles de constituer un socle solide pour une suite des activités dans cette thématique.

In this thesis we studied some passive components based on metamaterials. Our goal was to assess the physical properties of CRLH lines combined with a ferrite substrate. When the CRLH TLs are integrated with ferrite substrate, new properties based on the “CRLH” structure and nonreciprocity of ferrite can be obtained. Samples were processed on dielectric substrate (alumina) as well as on YIG substrate, according to fabrication steps which are described in this work. These samples have been characterized, in particular for the YIG substrate, with and without a magnetic polarization field. 3D Finite element simulation was used to get the scattering parameters. Lastly, dispersion diagrams were extracted from both measured and simulated data.We can get nonreciprocity by modeling the ferrite substrate, and “left-handed” property by modeling the structure of CRLH. The first chapter of this manuscript focus on theories of microwave transmission lines, coplanar waveguides, magnetic materials and metamaterials. In the second chapter, we designed and implemented conventional CPW components as well as stand-alone capacitors and inductors on alumina substrate. We completed the fabrication process in NANOLYON. Then the simulations in software COMSOL, and the analytical modelling approaches in Matlab are presented. The measured, simulated and analytical S parameters are given, the corresponding propagation constants of CPW, the extracted values of capacitance and inductance are given and discussed. The CPW components on ferrite are introduced in the third chapter. Firstly, different kinds of ferrite and the fabrication of components are presented. Then the modelling of permeability of ferrite material is detailed, and implemented in the 3D finite element simulation. The nonreciprocity is studied using CPW components based on ferrite BaM and YIG. For CPW on ferrite substrate, the measured and simulated S parameters, as well as propagation constant are given. In chapter four, the modelling of CRLH transmission line and the CRLH transmission line theory were presented. Examples of balanced and unbalanced CRLH TL are presented and the dispersion diagram is given. Then a parametric study of the components realized on alumina and on YIG has been driven. The geometric parameters were the left-handed inductances, left-handed capacitances and the length of the CPW separating them (CPW2). Both experimental and simulated scattering parameters are shown and the corresponding propagation constants are given. That enables to identify the different frequency bands: left-handed band, right-handed band and bandgap. Moreover, we establish that the band structure of these components can be tuned with the magnetic applied field.