Aide à la conception de lignes microrubans à onde lente sur substrat structuré dans les bandes RF et millimétriques : applications aux coupleurs et dispositifs passifs non-réciproques

Design of slow-wave microstrip lines on structured substrate for RF and millimeter-wave : applications on couplers and non-reciprocal passive devices

• Auteur / Autrice : Duc Long Luong
• Direction : Didier Vincent, Florence Podevin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Hyperfréquences
• Date : Soutenance le 12/04/2018
• 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 : Philippe Ferrari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Vincent, Florence Podevin, Anne-Laure Perrier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Annie Bessaudou, Gaëtan Prigent

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microélectronique

Mots clés libres

Miniaturisation

Onde lente

Coupleur hybride

Microruban

Substrat structuré

Dispositif non-réciproque

Nanofils métalliques

Membrane

Miniaturization

Slow wave

Hybrid coupler

Microstrip

Structured substrat

Non-reciprocal device

Metallic nanowire

Membrane

Résumé

L’objectif de ces travaux est pour d’apporter des solutions innovantes à la réalisation de dispositifs passifs performants et compacts, susceptibles d’intéresser les concepteurs de circuits RF et millimétriques. Ces dispositifs sont basés notamment sur des lignes microrubans à ondes lentes sur substrat structuré, que cela soit sur PCB avec des vias borgnes pour la RF, ou nanostructurés sur membranes à nanofils pour le millimétrique. Les travaux complets comprennent (i) une analyse de la topologie, (ii) un développement du modèle équivalent validée par des simulations électromagnétiques (HFSSTM) et des mesures sur PCB et sur des membranes brésiliennes en millimétrique, (iii) des abaques de conceptions et (iv) des applications à la conception des nouveaux dispositifs passifs miniaturisés. Notre lignes offrent une grande souplesse de conception et peuvent être placées indifféremment sur le substrat structuré sans modification de leurs paramètres électriques. Un nouveau coupleur hybride miniaturisé par l’utilisation de cette ligne est présenté comme une preuve de concept. Pour aller plus loin, une étude comparable des structures de lignes microrubans couplées à ondes lentes est développée. Le principe du couplage sur substrat structuré est d’abord exposé avec une présentation de ses avantages et inconvénients, puis un modèle est également proposé dans le but de réaliser un coupleur co-directif 0-dB miniaturisé par l’utilisation de ces lignes. De plus, un des parties essentielles de ces travaux concerne l’utilisation de la structure microruban à onde lente pour la miniaturisation de dispositifs passifs non-réciproques : un nouvel isolateur microruban compact avec l’introduction de vias dans le ferrite et une nouvelle conception de circulateur miniaturisé sur le substrat ferrite-diélectrique avec un réseau de vias borgnes.

This work focuses on providing innovate solutions into the realization of high-quality and compact passive devices for designer on RF and millimeter-wave bands. These devices are based on slow-wave microstrip lines on structured substrate, either on PCB with blind vias for RF applications, or on metallic nanowire membrane. The complete works include (i) an analysis of topology, (ii) a development of equivalent model validated by the electromagnetic simulations (HFSSTM) and the measurements, (iii) design charts and (iv) applications on design of novel miniaturized passive devices. These transmission lines give the flexibility for designers and capability to be indifferently placed on structured substrate without any impact on their electrical parameters. A novel miniaturized hybrid coupler using this line is proposed, as a proof of concept. In the other hand, a comparable study on the structure of slow-wave coupled microstrip lines is developed. The principal of coupling on structured substrate is shown for their advantages and drawbacks and then an electrical model is also proposed in order to realize a miniaturized 0-dB forward-wave directional coupler using these lines. Moreover, an essential part of this thesis concerns the utilization of the slow-wave microstrip structure to miniaturize the non-reciprocal passive devices: a novel microstrip isolator with the introduction of vias inside the ferrite and a novel design of the miniaturized circulator on a ferrite-dielectric substrate with blind vias.