Guides à ondes lentes intégrés au substrat en technologie interposeur : applications aux filtres passe-bande aux longueurs d’onde millimétriques

Slow-wave substrate integrated waveguides in interposer technology : applications to millimeter-waves bandpass filters

• Auteur / Autrice : Jordan Corsi
• Direction : Emmanuel Pistono, Philippe Ferrari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofrequences
• Date : Soutenance le 25/11/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de radio-fréquence et d'intégration de circuits (Grenoble) (2018-....)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Madrangeas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Parra
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Rius, Anthony Ghiotto

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radiocommunications mobiles

Radiofréquences

Ondes millimétriques

Guides d'ondes

Mots clés libres

Guide d'onde intégré au substrat

Onde millimétrique

Filtres passe-Bande

Ondes lentes

Substrate integrated waveguide

Millimeter-Wave

Bandpass filter

Slow-Wave

Résumé

Les longueurs d’onde millimétriques sont un domaine de fréquences prometteur pour la conception de systèmes de télécommunications très haut débit, pour l’automobile dont les radars anticollisions, l’imagerie ou encore la médecine. La conception de ces systèmes radiofréquences nécessite des circuits passifs (filtres, antennes, coupleurs …) et des composants actifs (transistors) performants. Toutefois, dans le domaine des ondes millimétriques, il est difficile de concevoir des composants passifs de qualité à bas coût en technologie intégrée. Ainsi des plateformes, appelées interposeurs, sont développées où la conception de circuits passifs performants est facilitée avec un coût plus faible de fabrication. Ces technologies émergentes doivent permettre également le report des puces actives avec efficacité et une fonctionnalisation en intégrant par exemple une antenne. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse a été de développer des circuits passifs millimétriques à base de guides d’ondes intégrés au substrat (GIS ou SIW pour Substrate Integrated Waveguide) et de proposer des solutions de miniaturisation ou de diminution des pertes. Notons que deux technologies différentes ont été utilisées pour la conception de ces guides aux longueurs d’ondes millimétriques : la technologie à membrane d’alumine nanoporeuse remplie de cuivre (appelée MnM pour Metallic nanowires Membrane) et la technologie BenzoCycloButene sur silicium (BCB-Si). Plusieurs topologies innovantes de guide SIW ont été développées dans ces technologies et conçues dans cette thèse pour obtenir une réduction de la taille des guides grâce à un effet d’ondes lentes et/ou une diminution des pertes diélectriques grâce à l’ajout d’une couche d’air interne. Parallèlement, une technologie PCB (printed circuit board) multicouches a également été utilisée pour réaliser des guides SIW innovants à air et à effet d’ondes lentes jusqu’à une fréquence de fonctionnement maximale de 30 GHz. Les performances de ces topologies de guides SIW et de ces différentes technologies ont été démontrées par la conception de filtres en bande RF et millimétrique.

The millimeter wavelengths are a promising frequency domain for the design of very high data rate telecommunications systems, automobile such as anti-collision radars, imaging or even medicine. The design of these radio frequency systems requires high-performance passive circuits (filters, antennas, couplers …) and active components (transistors). However, in the millimeter-wave domain, the design of high-quality and low-cost passive circuits in advanced integrated technology is challenging. Thus, platforms called interposers are developed allowing the design of high-quality passive circuits in a low-cost fabrication. These emerging technologies also allow to report active chips and to add functionalities such as antennas. In this context, the objective of this thesis was to develop millimeter passive circuits based on substrate integrated waveguide (SIW) and to propose solutions for the miniaturization or loss reduction. It should be noted that two different technologies have been used for the design of these millimetre-wave SIW: the copper-filled nanoporous alumina membrane technology (called Metallic nanowires Membrane technology or MnM technology) and the BenzoCycloButene on silicon technology (BCB-Si). In addition, several innovative SIW topologies were developed in these technologies and designed in this Ph. thesis to obtain a size reduction thanks to a slow-wave effect and/or a reduction of dielectrics losses by adding an internal air layer. At the same time, a multilayer PCB (printed circuit board) technology was used to realize these innovative partially air-filled and slow-wave SIW at a maximum operating frequency of 30 GHz. The performance of these technologies was demonstrated by the design of bandpass filters in the RF and millimeter-wave frequency domains.