Résumé du projet

Résumé du projet

La multiplication des normes des systèmes de télécommunications oblige à multiplier les dispositifs présents dans les front-ends radio à l’émission comme à la réception. Pour faire coexister toutes ces normes dans un même système, deux solutions s’offrent aux concepteurs : multiplier les composants, tels que les filtres ou les antennes par le nombre de normes, ou utiliser des dispositifs accordables. La deuxième solution présente un intérêt majeur en termes d’intégrabilité et de coût. A l’heure actuelle, un filtre accordable en technologie planaire est un dispositif passif, sur substrat diélectrique présentant de faibles pertes, associé à des éléments d’accords localisés et reportés tels que les diodes PIN, les diodes varactors, ou les MEMS (Micro Electro Mechanical System). Ceux-ci présentent aujourd’hui le meilleur compromis performances électriques, temps d’actionnement, coût. Toutefois, l’interconnexion avec le dispositif passif génère des problèmes au niveau de la conception des circuits (composants reportés sur un plan ou prise en compte du circuit de polarisation par exemple). D'autres part les lignes de transmission sont conçues en optimisant leurs facteurs de qualité ie leurs pertes alors que les éléments actifs reportés sont optimisés en taille. Le résultat de leur association est un dispositif qui présente un facteur de qualité faible lié aux pertes de l'élément d'accord et une taille importante liée à l'empreinte de la partie passive.

L’idée très novatrice que nous proposons dans le projet FILTACT est d’utiliser les propriétés d’un substrat semi-conducteur tel que le silicium afin de réaliser des switchs distribués totalement intégrés. Le report de composants est ainsi supprimé, ce qui permet une meilleure intégration et une diminution des coûts dans le cas d’une fabrication à grande échelle. De plus, les dimensions de la zone dopée deviennent de nouveaux paramètres de libertés pour le concepteur contrairement au report de composants du commerce. Ceci permet une co-conception des éléments passifs et actifs afin d'optimiser dans le même temps la taille et le facteur de qualité. Ceci ouvre la porte à de nouveau compromis permettant à cette génération de dispositifs de répondre aux applications futures. Le projet se concentrera sur la conception d'une famille d'éléments clés du front-end radio : les filtres. Le doctorant s'appuiera sur le savoir-faire développé au Lab-STICC en terme de co-design issu de la mise en œuvre d'un flot de conception basé sur l'utilisation conjointe de deux logiciels commerciaux permettant de décrire à la fois le transport des charges dans les jonctions à semi-conducteur et les effets de propagation des ondes électromagnétiques. Les circuits seront réalisés sur silicium chez notre partenaire : le laboratoire GREMAN à Tours.

En se basant sur ce savoir-faire du Lab-STICC en terme de co-design et sur la technologie proposée au GREMAN, plusieurs types de filtres seront étudiés : passe-bas, passe-haut, passe-bande, coupe-bande et même bi-bande accordable. Pour ce dernier type de filtre, une collaboration existante avec l'IETR (INSA) à Rennes sera également mise en œuvre. Les filtres seront basés sur différentes topologies planaires à base de stubs, de lignes couplées voire de cavités SIW (Substrate Integrated Waveguide). Compte tenu de la nouveauté du concept, plusieurs plan de fréquence seront étudiés et des mesures thermiques en puissance seront réalisées afin d'identifier les potentiels avantages de ces approches sur ces paramètres.

Hypothèses, questions posées, identification des points de blocage
Le but de FILTACT est de co-concevoir les éléments passifs et actifs des filtres hyperfréquences afin de trouver les nouveaux compromis attendus dans les futurs systèmes de télécommunication. Cette co-conception présente des verrous importants puisque les physiques liés aux transports de charges dans les semi-conducteurs et l'électromagnétisme régissant la propagation dans les lignes de transmission sont très généralement considérés sous un angle ne considérant pas du tout l'autre partie ou au mieux comme un effet parasite. Les éléments issus de ces deux physiques sont ensuite "simplement" assemblés en limitant au mieux les problématiques d'interconnexion.

Approches méthodologique et technique envisagées
L’approche globale proposée ici permet une plus grande flexibilité pour le concepteur. En effet, le fait de développer ces circuits dans un flot de conception unique lui permettra d’intégrer complétement toutes les dimensions physiques d’un dispositif, y compris la géométrie et la concentration des zones dopées, pour atteindre les caractéristiques électriques souhaitées. Dans cet objectif général, 3 objectifs scientifiques ont été identifiés :

1 - Définir une modélisation et des flots de conception efficaces tenant compte de toutes les dimensions physiques des dispositifs accordables.

2 - Concevoir des fonctions tirant parties des degrés de liberté apportés par cette approche.

3 - Optimiser la technologie pour améliorer les performances des dispositifs accordables.

Le sujet de thèse proposé ici s'inscrit dans ce contexte plus global et se concentrera sur l'objectif scientifique N°2. Même si les objectifs N°1 et N°3 nécessitent encore d'être maturés, le doctorant pourra s'appuyer sur la base actuelle qui présente une maturité suffisante pour le sujet proposé et profiter d'avancée des laboratoires Lab-STICC et GREMAN dans ces domaines.

A partir de la modélisation effectuée, il s’agira donc de concevoir différentes fonctions hyperfréquences accordables, et cela d’un point de vue global. Les fonctions ciblées sont les switchs RF, les résonateurs et les filtres accordables. Une fois conçus, simulés et réalisés, ces composants accordables seront ensuite mesurés en paramètres S et en puissance ainsi qu'en température et analysés au sein de notre laboratoire. La partie majeure du travail consistera à concevoir des résonateurs accordables en fréquences avec des diodes distribués de type PIN en parallèle ou en série ainsi que des résonateurs à accord continu basés sur le nouveau concept de diode PIN triangulaire développé au Lab-STICC. Ensuite, il s'agira de concevoir des filtres de différents types : passe-bas, passe-haut, passe-bande, coupe-bande et même bi-bande accordables de manière discrète et/ou continue. Ces filtres seront basés sur des topologies à stubs (classique et DBR) et à lignes couplées. Les dispositifs seront ensuite réalisés au laboratoire GREMAN et mesurés en paramètres S, en température et en puissance au Lab-STICC.

Positionnement et environnement scientifique dans le contexte régional, national et international
Ce projet fédère les compétences d'une équipe du Lab-STICC spécialiste dans la conception de dispositifs passifs hyperfréquences et une équipe du GREMAN spécialiste de la technologie silicium via leur plateforme commune avec ST Microelectronics. Les résultats préliminaires ont déjà fait l'objet de communications et publications. Compte tenu de l'originalité de la démarche et du potentiel, l'équipe a déjà été invité à présenter ces travaux à deux conférences internationales. Un projet ERC intégrant les 3 axes scientifiques identifiés est en cours de réflexion.

Conférences invitées :

1/ R Allanic, Y Quéré, D Le Berre, C Quendo, " Tunable Microwave Devices for Smart Systems " ISSS International Conference (ISSS2017), Jul. 2017, Bangalore, India.

2/ C Quendo, R Allanic, Y Quéré, D Le Berre, " Novel approaches to design tunable devices " Wireless and Microwave Technology Conference (WAMICON), April 2017 IEEE 18th, Florida, USA.