Air-Filled Substrate Integrated Waveguide (AFSIW) Filters and multiplexers for space application

par Tifenn Martin

Thèse de doctorat en Electronique

Sous la direction de Anthony Ghiotto, Tân-Phu Vuong et de Cristell Maneux.

  • Titre traduit

    Filtres et multiplexeurs hyperfréquences en technologie Air-Filled Substrate Integrated Waveguide pour applications spatiales


  • Résumé

    L'émergence de nouvelles applications micro-ondes et millimétriques dans les secteurs de l'automobile et des communications, y compris l'Internet des objets (IoT), la cinquième génération de mobile (5G) et le nouvel espace, nécessite le développement de nouvelles technologies alternatives offrant un compromis approprié en termes de taille, de poids, de puissance et de coût (SWaP-C). Ce changement de paradigme est essentiellement dû à l'augmentation du débit de données, conduisant à la croissance des différentes bandes passantes. Étant donné qu'un nombre de plus en plus important de systèmes sont en concurrences pour l'occupation du spectre fréquentiel, la communauté des hyperfréquences est poussée à développer de nouveaux systèmes innovants à des fréquences plus élevées avec une efficacité accrue et un degré d’intégration élevé.Ce changement de paradigme a fortement stimulé le développement de systèmes micro-ondes et millimétriques à faible coût, à haute performance, hautement intégrés, compacts et pouvant être produits en masse. Au coeur d'un système, les filtres micro-ondes et millimétriques sont des dispositifs essentiels permettant de sélectionner l'information utile. Les filtres à faibles pertes sont très recherchés dans les circuits d'émission et de réception pour obtenir un rendement élevé et un faible niveau de rapport signal à bruit. La façon conventionnelle d'obtenir de faibles pertes est d'utiliser des résonateurs à haut facteur de qualité. Pour la plupart des applications à haute performance, la technologie des guides d'ondes rectangulaires (RWG) est utilisée pour être conforme aux spécifications sévères requises par l'industrie. Néanmoins, cette technologie devient prohibitive en termes de coût lorsqu'une production de masse est nécessaire. Pour réduire le coût de ces composants, l'utilisation de la technologie émergente des guides d'ondes intégrés au substrat (SIW) a été proposée. Cette technologie bénéficie d’un faible coût de fabrication et est facilement intégrable dans un système basé sur des circuits imprimés. La technologie SIW est une bonne candidate pour les applications qui nécessitant un faible coût avec des performances électriques moyennes, mais pour les applications de hautes performances, comme le nouvel espace, les performances atteintes ne sont pas conformes aux spécifications demandées, ce qui rend l'implémentation de la technologie SIW restrictive pour les applications haute performance.Récemment, le guide d'ondes intégré au substrat rempli d'air (AFSIW), basé sur les procédés standards de circuit imprimé multicouche (PCB), semblerait répondre aux exigences des applications de constellation de satellites, car il offre un compromis entre les technologies classiques RWG et SIW. Cette structure vise à réduire considérablement les pertes d'insertion du milieu de propagation, tout en maintenant le fort aspect d'intégration à faible coût. C'est donc une bonne candidate pour la future génération de charges utiles de satellites.Compte tenu du contexte présenté, les travaux menés au cours de cette thèse de doctorat ont été orientés vers la mise en oeuvre de la technologie AFSIW pour les nouvelles applications spatiales. Une attention particulière a été accordée à la proposition, à l'analyse, au développement et à la mise en oeuvre de concepts novateurs et originaux pour les fonctions de filtrage hyperfréquence. Le travail proposé est basé sur la théorie classique des guides d'ondes en tirant parti des procédés de fabrication standards des circuits imprimés pour permettre le développement de filtres et de multiplexeurs répondant aux spécifications des applications spatiales.Cette thèse de doctorat met en lumière les dernières avancées réalisées dans le développement de filtres hyperfréquences et de multiplexeurs utilisant la technologie AFSIW. Elle détaille, en partant des idées de départ, des démonstrations théoriques, des simulations et des validations expérimentales avec les prototypes fabriqués. [...]


  • Résumé

    The emergence of novel microwave and millimeter wave applications in the automotive and communication sectors including the internet of things (IoT), the fifth generation of mobile (5G), and the new space, require the development of new alternative technologies providing a suitable tradeoff in terms of size, weight, power, and cost (SWaP C). This change of paradigm is essentially due to the increase of data rate, leading to the growth of bandwidth. As a substantially increasing number of systems are competing for frequency spectrum occupancy, the microwave community is pushed to develop new innovative systems at higher frequency with an increased efficiency.This change of paradigm has highly stimulated the development of low cost, high performance, highly integrated, compact, and mass producible microwave and millimeter wave systems. At the heart of a system, microwave and millimeter wave filters are essential devices allowing to select the desired information. Low loss filters are highly desired in transmitter and receiver circuits to achieve high efficiency and low noise figures. The conventional way to achieve low loss performance is to use high quality factor resonators. For most high performance applications, the air-filled rectangular waveguide (RWG) technology is used to comply with the severe specifications requested by the industry. Nevertheless, this technology becomes prohibitive in terms of cost where a mass production is needed. To reduce the cost of such components, the use of the so called substrate integrated waveguide (SIW) emerging technology has been proposed. This technology benefits from low cost and highly integrated properties. The SIW technology is a good candidate for application that needs low cost with medium insertion loss, but for high performance applications, such as the emerging new space, the achieved performances are not compliant with the severe specifications, making the implementation of the SIW technology for high performance applications restrictive.Recently, the alternative air filled substrate integrated waveguide (AFSIW), based on multilayer printed circuit board (PCB) is expected to fulfill satellite constellation application requirements as it offers a compromise between the conventional RWG and SIW technologies. This structure aims to dramatically reduce the insertion loss of the propagation medium, while maintaining the high integration and low cost aspect. Hence making it a potential good candidate for future generation of satellite payloads.Taking into consideration the presented context, the work carried out during this Ph.D. thesis has been led towards the implementation of the AFSIW for the new space applications. A particular attention has been given to the proposal, analysis, development, and implementation of innovative and original concepts for microwave filtering functions. The proposed work is based on the classic waveguide theory taking advantage of the standard PCB process to allow the development of improved and novel filters and multiplexer for space applications.This Ph.D. thesis highlights the last advances made on the development of microwave filters and multiplexer using the AFSIW technology. This includes the starting ideas, theoretical demonstrations, simulations, and experimental validations with fabricated prototypes. The results of this work are promising and demonstrate the relevance of the technology for its implementation in future satellite payload systems. In fact, a sub system of a satellite payload has been developed in this thesis to answer the need of the European Space Agency (ESA) and the Centre National d’Études Spatiales (CNES). The demonstrated concepts gained from this thesis can be considered as a good base to further develop and popularize the AFSIW technology not only for space applications but also for ground systems.



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