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MACAO Méthodes Avancées de Conception par l'Analyse et l'Optimisation

L'équipe MACAO regroupe une dizaine de chercheurs et d'enseignants chercheurs du Département MINACOM et une douzaine de doctorants. Les activités de recherche, menées au sein du projet, sont orientées vers la conception optimisée de dispositifs hyperfréquences et optoélectroniques et sont organisées suivant 4 axes de recherche complémentaires:

  • Optimisation
  • Analyse multiphysique
  • Technologies spécifiques
  • Synthèse avancée

Optimisation

L'équipe MACAO développe des méthodes d'optimisation pour la conception assistée par ordinateur et la mise au point de procédés technologiques. Ces techniques, spécifiques ou généralistes, sont destinées à guider la conception ou la réalisation des dispositifs, en minimisant le nombre d'itérations ou d'expérimentations.

Activités

  • Optimisation de formes
  • Analyse de données et plans d'expériences
  • Synthèse de filtres par identification

Optimisation de forme

Contact : Stéphane BILA

La forme de composants hyperfréquences est optimisée par la méthode du gradient topologique. Cette technique permet d'optimiser la distribution, en 2-D de métal sur une surface, en 3-D de matériau dans un volume. La propriété (état métallique ou non en 2-D, valeur de permittivité en 3-D) de chaque élément du domaine est modifiée pour converger itérativement vers la distribution optimale. La convergence est assurée par l'évaluation de la sensibilité du comportement au changement d'état de chaque élément. Ces activités sont menées en collaboration avec le CNES et ANSYS France.

 

Synthèse de filtres par identification

Contact : Stéphane BILA

La synthèse de filtres à bande passante étroite nécessite un dimensionnement précis de la structure. Le réglage d'un modèle électromagnétique ou d'une maquette possédant des éléments de réglage devient relativement complexe lorsque le nombre de paramètres augmente. L'extraction de la matrice de couplage d'après la réponse en fréquence permet d'identifier les paramètres géométriques mal réglés par rapport à l'idéal et d'ajuster itérativement les dimensions. Ces activités sont menées en collaboration avec l'INRIA et le CNES.


Modèle électromagnétique d'un filtre 6 pôles en cavités


Mesure du filtre 6 pôles réglé par identification

Analyse multiphysique

Le projet MACAO développe des outils d'analyse basés sur une modélisation électromagnétique couplée à d'autres lois de la physique (circuit, thermique, mécanique) permettant de prendre en compte différents phénomènes physiques interagissant au sein d'un dispositif. Ces outils de modélisation multiphysique sont appliqués à la caractérisation et à la conception de dispositifs hyperfréquences complexes.

Activités

  • Modélisation du phénomène de claquage dans les filtres d'OMUX
  • Modélisation électromagnétique de composants ferroélectriques
  • Modélisation électromécanique d'un résonateur piézoélectrique
  • Modélisation électrothermique de composants et circuits

Modélisation du phénomène de claquage dans les filtres d'OMUX

Contact : Dominique Baillargeat

Les filtres de multiplexeurs de sortie (OMUX) dans les satellites de communication doivent supporter des puissances élevées. Sous l'effet de la puissance des phénomènes de claquage peuvent apparaître et détériorer le circuit. Une modélisation multiphysique combinant les lois de l'électromagnétisme, de la thermique et de la physique des plasmas permet de prédire le seuil de déclenchement du phénomène en fonction de la géométrie de la structure. L'objectif est de dimensionner le filtre pour éviter le claquage en dessous d'un seuil de puissance fixé. Ces activités sont menées en collaboration avec le SPCTS, le CNES et Thalès Alénia Space.


Modèle unidimensionnel d'une vis de réglage dans une cavité


Evolution du temps d'apparition du phénomène de claquage en fonction de l'amplitude du champ électrique

Modélisation électrothermique de composants et circuits

Contact : Dominique Baillargeat

La modélisation du driver pilotant un modulateur électro-optique nécessite de coupler l'analyse électromagnétique (réalisée ici par la méthode des éléments finis) aux lois des circuits pour prendre en compte les modèles intrinsèques actifs des puces MMIC et aux lois de la thermique pour évaluer la dissipation de chaleur sous les puces.


Modèle CAO du driver

Technologies spécifiques

L'équipe MACAO développe des solutions originales basées sur des technologies spécifiques pour la conception de composants et circuits hyperfréquences. Les approches développées visent à optimiser les performances et l'intégration de dispositifs fonctionnant à des fréquences de plus en plus élévées.

Activités

  • Conception de circuits en technologie LTCC
  • Fabrication additive céramique, plastique et métal pour les composants microondes
  • Caractérisation microondes de matériaux

Conception de circuits en technologie LTCC

Contact : Dominique Baillargeat

Les futurs développements des circuits hyperfréquences imposent de nouvelles contraintes d'intégration 2D et 3D, de compacité, d'accordabilité, de hautes performances électriques. La technologie LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) est une bonne alternative comparée aux technologies planaires classiques, de micro-usinage sur silicium. De plus, les procédés de fabrication de cette technologie multicouches sont maintenant établis, et de nombreuses applications sont proposées dans différents domaines (militaires, télécommunications, aérospatial, automobile, biomédicale, ...). L'utilisation de la technologie LTCC est pertinente quand les contraintes d'intégration et de compacité des circuits sont fortes. Elle présente d'excellentes précisions de fabrications, des solutions d'intégration 3D et des coûts de fabrication à grande échelle modérés. Différents filtres passe bande ont été conçus dans le laboratoire XLIM et ont été réalisés par l'organisme finlandais VTT (Oulu, Finlande). Cette étroite collaboration a permis de démontrer sur une large gamme de fréquence les potentialités de cette technologie appliquée à la réalisation de filtres hyperfréquences.

 

Filtre guide d'onde passe bande à bande étroite

Nous présentons ici les comportements théoriques et expérimentaux d'un filtre guide d'onde passe bande. Ce filtre présente une largeur de bande à -3dB de 7.2% autour de 41.5GHz. Le facteur de qualité à vide est de 350. Ce dispositif a été conçu pour être reportable en surface sur un substrat d'accueil.


Paramètres S filtre guide d'onde

Cavité résonante chargée capacitivement. Conception de filtres passe-bande compacts

Des filtres passe bande ont été conçus et réalisés en bande Q et V. Ces filtres sont constitués de cavités résonantes couplées chargées capacitivement par l'intermédiaire d'un plot capacitif placé au centre des cavités. Cet effet permet notamment de réduire la taille des cavités à fréquence de travail fixée. Un exemple est donné pour une réalisation à 57 GHz d'un filtre à 3% de bande passante à -3 dB. Dans ce cas, le facteur de qualité à vide est de l'ordre de 400.


Paramètres S filtre à cavités résonantes

Filtre passe bande compact à résonateur en U couplés

Nous proposons ici un résonateur en U présentant une surface d'occupation réduite comparée aux résonateurs planaires classiques. Ce résonateur présente de bonnes performances électriques autour de 40 GHz, avec notamment un facteur de qualité à vide de 350. La topologie en U facilite l'intégration et permet une flexibilité dans la conception des filtres multipôle. Nous donnons ici un exemple d'un filtre 3 pôles présentant à -3dB une bande passante de 7% autour de 38 GHz.


Paramètres S filtre à résonateurs en U

Filtre rayonnant très intégré

Un concept original de fonction hybride est proposé. Il s'agit d'un filtre rayonnant constitué d'un résonateur en U et d'un patch rayonnant. Ces deux éléments couplés participent à la fois aux fonctions de rayonnement et de filtrage. Les potentialités d'intégration 3D de la technologie LTCC sont ici exploitées au mieux. Ce dispositif fonctionne en bande Q. Les premiers résultats expérimentaux sont encourageants.


Filtre-antenne en bande Q

Procédé LTCC hybride. Conception de filtres compacts wired-patch en bande S

Cet exemple e t dédié à la mise au point d'un procédé technologique hybride combinant un matériau faible permittivité (=7) et un matériau haute permittivité (=65) dans un même substrat. Cette approche est efficace pour réduire les dimensions des circuits. Nous proposons ici un filtre passe bande en bande S, basé sur ce nouveau procédé avec de hautes performances électriques et un large comportement hors bande sans mode parasite ou harmoniques. Les filtres réalisés sont constitués de wired-patch conduisant à une forte réduction des dimensions. Des dispositifs de fréquences centrales f0 = 2.52 GHz et f0 = 3.4 GHz avec 14% de bande passante relative ont été conçus et réalisés. Ces filtres présentent de faibles pertes d'insertion. Ils sont très compacts et ont une excellente isolation fréquentielle jusqu'à 5 f0.


Filtre en technologie hybride

Fabrication additive céramique, plastique et métal pour les composants microondes

Contacts : Nicolas Delhote, Olivier Tantot, Dominique Baillargeat

Cette activité de recherche est menée en étroite collaboration entre Xlim, le SPCTS et le CTTC. Cette technologie est une technique de prototypage rapide qui permet la fabrication de structures complexes en 3 dimensions qui ne peuvent pas être réalisées par des techniques classiques de pressage ou de moulage. Les tolérances moyennes de fabrication sont actuellement de l'ordre de 25 mm. Le procédé technologique utilisé est basé sur différents matériaux céramiques tels que l'Alumine (Al2O3) et la Zircone (ZrO2). Les structures décrites par la suite sont conçues par Xlim et sont réalisées par le SPCTS et le CTTC.


Description du procédé de stéréolithographie

Filtres à cavités en fabrication additive plastique et métal

Par impression métal ou plastique, des topologies de filtres complexes sans assemblage ni réglage sont accessibles et permettent une preuve de concept aisée avec des cycles de conception rapides. Les précisions dimensionnelles permettent la conception de dispositifs fonctionnels jusqu'à des fréquences en bande Ka.

filtre plastique et métal par impression 3D

Filtres en plastique et métal par impression 3D

Guides d'ondes et cavités résonantes insérés dans une structure 3D BIE Tas de Bois

Ce cristal 3D à BIE (Bande Interdite Electromagnétique) est conçu, optimisé et réalisé en une seule pièce en Zircone ou en Alumine par le procédé stéréolithographique 3D. Le cristal « Tas de bois », présente expérimentalement une large bande interdite complète supérieure à 20% autour de 26 GHz, tout en présentant une adaptation de l'ordre de -10dB. Des cavités résonantes insérées dans des Tas de bois ont été analysées. Ces cavités fonctionnant autour de 30 GHz présentent potentiellement de forts facteurs de qualité à vide. Des premiers résultats expérimentaux révèlent un facteur de qualité à vide de l'ordre de 4000.


Guide d'onde inséré dans une structure tas de bois céramique


Cavité résonante insérée dans une structure tas de bois céramique

Résonateur à fort facteur de qualité à vide hautement intégré

L'intérêt de ce travail est de démontrer les potentialités de la stéréolithographie pour la réalisation de structures innovantes hyperfréquences en céramiques. Un résonateur, son support et la cavité de blindage ont ainsi été réalisés en une seule pièce d'alumine. La mesure du facteur de qualité à vide de cette structure est de l'ordre de 3900 à 11.88 GHz et la bande d'isolation en fréquence est supérieure à 3GHz.


Résonateur intégré. Réponse en fréquence

Procédé de micro-stéréolithographie appliqué à la réalisation de structures BIE submillimétriques

Ce procédé technologique est basé sur une polymérisation vectorielle d'objets, utilisant une matrice DMD de micro-miroirs (DMDTM, Texas Instrument entièrement illuminés par un faisceau de lumière UV. La matrice DMD agit comme un masque dynamique. Elle est constituée de 1024x768 miroirs carrés de (14x14µm2). Les tolérances de fabrication visées sont de l'ordre de 7 mm. La structure présentée est composée d'un réseau périodique de tige d'alumine. Cette structure est insérée dans un guide d'onde standard WR6 afin de générer une bande interdite en fréquence dans le domaine sub-millimétrique. Le guide WR6 de dimensions internes 0.762 mm x 1.524 mm fonctionne sur son mode fondamental TE10 entre 110 et 170GHz. Une bande interdite en fréquence apparaît dans le paramètre de transmission mesuré. Un bon accord est vérifié entre l'expérimentation et la théorie.


Structure périodique de tige d'alumine. Paramètres S submillimétriques associés

Caractérisation microondes de matériaux

Contacts : Olivier Tantot, Nicolas Delhote

Les nouveaux procédés de fabrication comme la stéréolithographie céramique ou plastique et les nouveaux matériaux associés nécessitent la connaissance de leurs caractéristiques électromagnétiques. L'équipe MACAO développe ainsi de nouvelles méthodes de caractérisation adaptées aux besoins induits par ces nouvelles technologies ou améliore des méthodes pour étendre leur dynamique en fréquence et précision.

Near filed probe - optical and dielectric images of a via in alumina substrate

Sonde en champ proche et image optique et diélectrique d'un via dans un substrat d'Alumine

Synthèse avancée

L'équipe MACAO développe des méthodes avancées de conception des composants et circuits hyperfréquences. Les approches développées permettent d'une part de réduire les coûts et les temps de conception et d'autre part d'améliorer les performances et de simplifier les architectures des systèmes.

Activités

  • Filtres accordables
  • Filtres multibandes
  • Multiplexeurs de sortie de satellites
  • Sous-systèmes filtre-antennes

Filtres accordables

Contacts : Nicolas Delhote, Aurélien Périgaud, Olivier Tantot, Stéphane Bila, Serge Verdeyme

L'accordabilité des composants est un des grands enjeux dans les applications spatiales. En étroite collaboration avec le CNES et Thales Alenia Space, l'équipe travail activement sur le filtrage accordable pour une reconfiguration en fréquence et en bande passante des gabarits de filtrage en vol.


Filtre en bande Ku accordable à deux états

Filtres multibandes

Contacts : Stéphane Bila, Serge Verdeyme

La topologie bibande permet de remplacer des filtres monobandes diplexés pour simplifier et augmenter l'intégration des systèmes pour des applications spatiales. La conception d'un tel circuit nécessite d'optimiser un grand nombre de paramètres (33 variables géométriques dans le cas de ce filtre) en s'appuyant sur des techniques d'identification. Ces activités sont menées en collaboration avec l'INRIA et Thalès Alénia Space.


Filtre bibande en technologie guide d'onde


Réponses simulée et mesurée

Multiplexeurs de sortie de satellite

Contacts : Dominique Baillargeat, Stéphane Bila, Serge Verdeyme

Les multiplexeurs de sortie de satellite sont constitués d'un nombre important de canaux (filtres) raccordés sur un guide d'ondes commun. La synthèse de ces circuits complexes nécessite d'une part de prendre en compte précisément les phénomènes de couplage parasites entre canaux et d'autre part la mise au point d'une procédure et d'un modèle suffisamment souple pour optimiser le nombre important de paramètres (typiquement plus d'une centaine). Ces activités sont menées en collaboration avec Thalès Alénia Space.


OMUX 20 canaux (Thales Alenia Space)


Simulation et mesure d'un OMUX 3 canaux

Sous-systèmes filtre-antennes

Contacts : Dominique Baillargeat, Stéphane Bila, Serge Verdeyme

La synthèse de sous-systèmes combinant plusieurs fonctions de traitement du signal est généralement effectuée en concevant les circuits réalisant chaque fonction indépendamment. La conception de chaque circuit est réalisée sur une impédance de référence commune qui permet ensuite d'adapter chaque circuit à son voisin lorsque le sous-système est assemblé. Cependant, la synthèse mutuelle de deux circuits sur une impédance de référence optimale permet de simplifier globalement l'architecture du sous-système et d'améliorer ses performances. Ces activités sont menées en collaboration avec le Département OSA.


Sous-système filtre-antenne


Adaptation et gain du sous-sytème