Structures électromagnétiques à bandes interdites pour des applications de filtre
Résumé
The increasing development of wireless applications turns out to new requirements for transceiver architectures that have to feature excellent microwave performances (linearity, spurious rejection, noise figure and bandwidth) and enhanced integration density that is achieved through the miniaturization of the modules as well as the introduction of multi standard functionalities. All these requirements translate to the need of filter circuits as miniaturized as possible and featuring the highest performance in term of insertion loss and rejection. Since the late 1980's, electromagnetic bandgap (EBG) structures and defected ground structures (DGS) have attracted the interest of many researchers, due to their interesting properties in terms of size miniaturization, suppression of surface waves and arbitrary stopbands. Since then, they have been used in many applications like lowpass filters, bandpass filters, antennas, waveguides and others. Based on the interesting features proposed by EBG and DGSs, the main aim of this thesis is to achieve miniaturized reconfigurable filters that may serve in wireless communication systems. EBG structures are periodic structures which allow the propagation of electromagnetic waves in certain frequency bands and forbid them in other bands known as the "bandgap". The first step taken towards achieving the goal is to study the state of the art of bandgaps structures, their advantages, disadvantages, applications, and the most important achievements using such structures. Also, a one-dimensional multi-layer periodic structure is studied with two different analytical techniques, the Coupled-Wave Theory and the Bloch-Wave Formalism. Due to the many design parameters of EBG structures, and the difficulty in their modeling, DGS attracted the interest of many researchers as they have the main advantages proposed by EBG structures but by using only one or two cells, in addition, they are easier to model. So the next step in this thesis is to study the different modeling techniques of DGSs. The dumbbell shape DGS is modeled using the parallel LC, parallel RLC, the p-equivalent circuit and others where a comparison between the different models is presented and a conclusion of which is the best suitable to be used in more complex designs. Using the developed models, low-pass filters of order three are designed and simulated on microstrip transmission line and coplanar waveguide technologies. After developing a good understanding of the DGSs, a novel reconfigurable DGS resonator, for multi-stopband filter on CPW, is presented, in the frequency range from 0-11 GHz. First, the complete structure of the resonator and where the reconfigurability elements are put are explained. The structure has three different switches on each side of the CPW ground planes, giving four different configurations. As a first design step, these switches are modeled as ideal ones, i.e. open and short circuits. In each configuration, the structure has been modeled using the parallel RLC circuit, fabricated and measured, where all results show good agreement. The resonator is then implemented using PIN diodes as the reconfigurability element. The measurement results with the measurement setup are illustrated in the thesis. Finally, the last step of this study is to use the DGS in the implementation of the bandpass filters. Two applications of the DGSs are presented. First, a compact inductively coupled BPF using the DGS unit cell operating at 5 GHz is implemented. Then to validate this theory, another filter of the same type of order two at the same frequency is designed. Then, a reconfigurable bandpass filter using this structure is proposed. Using a MEMS switch, the structure would convert from a single resonance structure at 5 GHz to a multi resonance structure at 2.8 and 8 GHz. The second application is the enhancement of the ring resonator filter. Ring resonator based filters are featuring attractive behavior but they are suffering from two kinds of drawbacks that limit their implementation in real applications. The first one is their large size due to the two tuning stubs, while the second deals with the existence of higher order modes which limit the out-of-band rejection. Both issues degrade the whole system performance and need to be assessed to find solutions to overcome these drawbacks. This thesis aims to propose some solutions to reduce the size and increase the rejection of the stopband of the ring resonator filter, while keeping its overall performances with respect to its wide bandwidth, sharp rejection and low insertion-loss. In order to do so, two different design approaches are considered. The first is at the filter layout level, through a space saving redesign of the tuning stubs, while the second is at the wave propagation level, through the exploitation of DGS properties. Finally, for future work, the implementation of these structures on silicon substrates using MEMS switches and ferroelectric materials is proposed to achieve overall better performance and easy tuning.
Depuis la fin des années 1980, les structures électromagnétiques à bandes interdites (EBG) et les structures à plan de masse usinée (DGS) ont attiré l'intérêt de beaucoup de recherche dans l'électromagnétisme et tout particulièrement dans le domaine de la télécommunication. Leurs intégrations miniaturisées et leurs propriétés électromagnétiques particulières présentent de fort intérêt en termes de suppression d'ondes électromagnétiques de surface et de coupe-bandes pour des fréquences bien déterminées. Dans ce manuscrit, nous allons développer des filtres reconfigurables miniaturisés pour des systèmes de communication sans fil. Dans un premier temps, un état de l'art des structures électromagnétiques à bandes interdites sera exposé afin de distinguer les avantages et les inconvénients pour des applications souhaitées. La première étude se portera sur une structure périodique multicouche unidimensionnelle en utilisant la théorie de l'onde couplée et le formalisme de l'onde de Block. Comme les structures à base d'EBG sont difficiles à modéliser à cause de leurs nombreux paramètres de conception, les motifs à base de DGS attirent de plus en plus l'intérêt de plusieurs chercheurs. Effectivement, ceux-ci peuvent offrir les avantages des structures à base d'EBG tout en gardant une modélisation simplifiée. . Dans une deuxième partie, notre étude se portera sur les différentes techniques de modélisation électromagnétique sur des structures DGSs, en s'appuyant sur des modèles électriques équivalents LC, le RLC et circuit p - etc&. A partir de ces modèles développés, des filtres passe-bande d'ordre trois sont conçus et simulés sur des lignes de transmission de type micro-rubans et coplanaires (CPW). Dans une troisième partie, un résonateur reconfigurable à base de DGS pour filtre multi coupe-band est présentée sur une gamme de fréquence 0 - 11 GHz en technologie CPW. La structure est composée de trois commutateurs de type "MEMS'' qui permettent d'obtenir quatre configur ations différentes. Dans notre démarche de conception, les commutateurs sont d'abord considérés comme idéaux, c'est-à-dire que le commutateur est représenté par un état non actif (OFF) où par un état actif (ON). Dans chaque configuration, la structure a été modélisée en utilisant un circuit RLC en parallèle. Après fabrications, les mesures et les simulations présentent une excellente concordance. Ensuite, un résonateur a été réalisé à base de diodes PIN pour remplacer les commutateurs pour obtenir une agilité du système. Des mesures seront présentées dans cette partie. Une autre possibilité est d'utiliser un DGS pour la réalisation de filtres passe-bande. Dans cette partie, deux applications des DGSs sont présentées. La première est un filtre passe-bande compact à couplage inductif implémenté à base d'une cellule DGS à 5GHz. Ensuite, pour valider notre théorie, un filtre d'ordre deux est implémenté à la même fréquence suivi d'un filtre passe-bande reconfigurable en utilisant cette structure DGS. En utilisant un commutateur MEMS, la structure se transformerait d'une structure à une seule résonance à 5GHz à une structure à résonances multiples à 2.8GHz et 8GHz. La deuxième application concerne l'amélioration du filtre de résonateur en anneau. Ce type de filtres, pourtant qu'il possède des caractéristiques attrayantes, souffre de deux inconvénients majeurs qui limitent son utilisation dans des applications réelles. Le premier inconvénient réside dans sa grande taille due aux stubs d'accordement, alors que le deuxième concerne l'existence des modes d'ordres supérieurs, ce qui limite la réjection hors bande. Le but de ce manuscrit est de proposer quelques solutions pour réduire la taille et d'augmenter la bande de réjection du filtre, tout en gardant ses performances globales (largeur de bande passante, la bonne réjection et de faible pertes d'insertion. Afin de faire ainsi, deux approches sont considérées. La première approche est au niveau du design du filtre, pa r une conception économisant l'espace occupé par les stubs d'accordement, alors que la deuxième est au niveau de la propagation des ondes, par l'exploitation des propriétés des DGS. Pour les futurs travaux, nous proposons la réalisation de nos structures sur des substrats de silicium en utilisant des commutateurs MEMS afin d'améliorer les performances du filtre ainsi que leurs réalisations sur des matériaux ferroélectriques en vue d'une accordabilité.