Eléments non-réciproques et systèmes de filtrage hyperfréquences en technologie AFSIW destinés à des applications spatiales

AFSIW microwave non-reciprocal devices and filtering systems for new space applications

• Auteur / Autrice : Issam Marah
• Direction : Anthony Ghiotto
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Deltimple
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aurélie Verger, Jean-Marie Pham
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Blondy, Tân-Phu Vuong

Mots clés

Mots clés contrôlés

Astronautique -- Systèmes de communication

Isolateurs électriques

Ferrites (matériaux magnétiques)

Guides d'ondes

Mots clés libres

Guide d'ondes intégré au substrat rempli d'air (AFSIW)

Ferrites

Charges

Circulateurs

Isolateurs

Multiplexeurs

Applications spatiales

Air-filled substrate integrated waveguides (AFSIW)

Ferrites

Terminations

Circulators

Isolators

Multiplexers

Space applications

Résumé

L’émergence de nouvelles applications spatiales, notamment les constellations desatellites pour les services de télécommunication et de surveillance, confronte la charge utiledes satellites à des défis majeurs. En effet, lors de cette dernière décennie, le marché duspatial, avec l’arrivée de nouvelles entreprises, a pris un virage important vers sa« démocratisation ». Par conséquent, de nouvelles exigences sont introduites pour lescharges utiles. Elles consistent à une production de masse, tout en réduisant les coûts,l’encombrement et les délais (CED) de réalisations, sans détriment de la fiabilité et desperformances. L’essor des technologies planaires, notamment le guide d’onde intégré ausubstrat (SIW), porte un premier élément de réponse à ces nouvelles exigences, basée surdes procédés de cartes imprimées (PCD), la technologie SIW permet d’une manière généraleun gain de masse et d’encombrement des composants comparé à la technologie de guided’ondes rectangulaire (GDR). Cependant, la propagation de l’onde électromagnétique (EM)dans le substrat du PCB engendre des pertes supplémentaires. Dans l’optique d’améliorerles performances en termes des pertes et la tenue en puissance des composants SIW, latechnologie AFSIW (Air-Filled Substrat Integrated Waveguide) a été proposée. Elle consisteà intégrer des GDR dans un substrat rempli d’air. Cette technologie réduit considérablementles pertes EM. De plus, la technologie AFSIW est basée sur un empilement de PCB. Elleoffre également les mêmes avantages que la technologie SIW. De ces faits, les composantsAFSIW semblent répondre à l’équation entre CED et performances, en établissant uncompromis. Elle offre ainsi une réponse au paradigme conflictuel entre les technologies SIWet GDR. Parmi les composants de la charge utile des satellites, le circulateur est un dispositifincontournable. Son fonctionnement non-réciproque fait de lui un composant indispensable.Le circulateur est souvent associé à une charge hyperfréquence. Il est notammentimplémenté après les systèmes d'amplification, afin de protéger les amplificateurs depuissance de toute onde de retour ou désadaptation d'impédance située en amont de la sourcede puissance de transmission. Le fonctionnement particulier des circulateurs ne s’arrête paslà. Il permet par sa caractéristique de non-réciprocité diverses applications, notamment lesdiplexeurs et multiplexeurs hyperfréquences utilisés pour l’émission et la réception dessignaux hyperfréquences sur des canaux différents. Avant cette thèse, aucun travail sur laréalisation de circulateurs et leurs implémentations dans les systèmes de filtrage entechnologie AFSIW n’avait été fait. De ce fait, l’objectif de cette thèse est de mettre enlumière la conception de circulateurs et leurs intégrations pour la réalisation de diplexeursen technologie AFSIW destinés à des applications spatiales.

The emergence of new space applications, notably satellite constellations fortelecommunication and surveillance services, confronts the satellite payload with majorchallenges. Indeed, during the last decade, the space market, with the arrival of newcompanies, has taken a major turn towards its "democratization". Consequently, newrequirements are introduced for payloads. They consist in a mass production, while reducingthe costs, the size and the delays of manufacturing, without detriment of the reliability andthe performances. The rise of planar technologies, in particular the substrate integratedwaveguide (SIW), is a first response to these new requirements. Based on printed circuitboard (PCB) processes, the SIW technology allows a general gain in mass and size ofcomponents compared to the rectangular waveguide technology. However, the propagationof the electromagnetic (EM) wave in the PCB substrate results in additional EM losses. Inorder to improve EM performance in terms of losses and power handling of SIWcomponents, the AFSIW (Air-Filled Substrate Integrated Waveguide) technology has beenproposed. It consists in integrating the rectangular wave guide in a substrate filled with air.The particularity of this technology is that it considerably reduces EM losses. In addition,the AFSIW technology is based on a stack of PCBs. It also offers the same advantages asthe SIW technology. Therefore, AFSIW components seem to answer the equation betweencost, size and delays of manufacturing, and performance, by establishing a compromise. Itthus offers an answer to the conflicting paradigm between SIW and rectangular waveguidetechnologies. Among the components of the satellite payload, the circulator is an essentialdevice. Its non-reciprocal operation makes it an indispensable component. The circulator isoften associated with a microwave load. It is particularly implemented after the amplificationsystems, in order to protect the power amplifiers from any return wave or impedancemismatch located upstream of the transmission power source. The special operation of thecirculators does not stop there. It allows, by its non-reciprocity characteristic, variousapplications, in particular microwave diplexers and multiplexers used for the transmissionand reception of microwave signals on different channels. Before this thesis, no work on thedesign of circulators and their implementation in AFSIW filtering systems had been done.Therefore, the objective of this thesis is to address the design of circulators and theirintegration for the realization of diplexers in AFSIW technology for space applications.