Conception et réalisation des standards de calibrage pour des dispositifs 3-ports à 120°

Designing and fabrication of calibration standards for 120 degrees 3-port devices

• Auteur / Autrice : Ousman Bechir Arafat
• Direction : Didier Vincent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique, Hyperfréquences
• Date : Soutenance le 17/10/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Université Jean Monnet (Saint-Étienne ; 1969-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Madrangeas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Vincent, Jean-Daniel Arnould, Jean-Jacques Rousseau, Florence Podevin, Bernard Bayard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Madrangeas, Jean-Daniel Arnould

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optoélectronique

Étalonnage

Mesure

Dispositifs à micro-ondes

Mots clés libres

Standards de calibrage TRL

Dispositifs coplanaires

Accès à 120°

Analyseur vectoriel de réseau (VNA)

Mesure des paramètres S

Correction par matrice ABCD

TRL calibration standards

Coplanar devices

120° bended accesses

Vector Network Analyzer (VNA)

S parameters measurements

ABCD matrices correction

Résumé

La caractérisation des composants hyperfréquences après leur fabrication, est généralement réalisée par la mesure de paramètres S à l’aide d’un analyseur vectoriel de réseau (VNA). La précision de mesure dépend étroitement de la qualité du calibrage de l’analyseur vectoriel, qui permet de corriger les erreurs inhérentes au système de mesure. Des composants particuliers, dits étalons ou standards, dont les paramètres sont complètement ou partiellement connus, sont mesurés lors de la procédure de calibrage afin de déterminer les erreurs systématiques du système. La réalisation d’un circulateur coplanaire (les trois ports sont à 120 degrés les uns des autres) travaillant autour de 40 GHz est l’un des axes de recherche du laboratoire depuis plusieurs années et la caractérisation des prototypes a toujours été un souci important. Le calibrage est réalisé avec un kit commercial, avec les pointes positionnées en face à face. La mesure des dispositifs CPW à accès orthogonaux ou obliques après un calibrage avec un ensemble de standards conventionnels (droits) peut engendrer des erreurs supplémentaires. L’objectif de notre travail est donc de concevoir un ensemble de standards à accès inclinés à 120 degrés permettant de calibrer l’analyseur vectoriel « 2-ports » en positionnant directement les pointes à 120 degrés. La méthode de calibrage TRL (THRU – REFLECT - LINE) a été choisie. Le travail à accomplir se résume comme suit : - faire une étude de simulation du nouveau kit de calibrage à concevoir ; - mettre en évidence l’effet des accès coudés sur les lignes de transmission des standards ; - proposer une méthode de calcul qui tient compte de ces effets lors de la procédure de calibrage ; - mesurer quelques échantillons réalisés afin de vérifier la validité de la procédure de calibrage proposée. Les résultats obtenus au cours de ce travail ont pu être validés expérimentalement et offrent de nouvelles perspectives pour la mesure des composants planaires à accès non conventionnels

Microwave components characterization after the fabrication steps is usually performed by measuring S parameters using a Vector Network Analyzer (VNA). The measurement accuracy is highly dependent on the quality of the VNA calibration, which corrects the inherent errors in the measurement system. Specific components, called standards and whose parameters are completely or partially known, are measured during the calibration procedure to determine systematic errors of the system. Fabricating a coplanar circulator (the three ports are at 120 degrees position) functioning around 40 GHz is one of the laboratory’s research areas for several years and characterization of prototypes has always been a major concern. Usually, the calibration is made with a commercial kit ; probes are in face-to-face position. Measurements of CPW devices with orthogonal or bended accesses (120 degrees in our case) after VNA calibration with conventional (straight) set of standards may generate additional errors. The aim of our work is to design a set of standards with 120_ bended accesses allowing the calibration of the “2-ports” network analyzer. Therefore, probes are directly set at 120_ position. TRL (THRU - REFLECT -LINE) calibration procedure is chosen for the standards design. The work to be done is as follows : - to make a simulation study of the new calibration kit to design ; - to determine the bended accesses effects on the standards transmission lines ; - to propose a calculation method that takes account of these effects during the calibration procedure ; - to measure some fabricated samples to verify the validity of the proposed calibration procedure. The results of this research work have been experimentally validated and offer new perspectives for measuring planar components with unconventional accesses