Conception et réalisation d'antennes reconfigurables à base de MEMS en intégration hétérogène 3D pour systèmes de communication millimétriques PDF Download
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Book Description
Les travaux présentés dans cette thèse sont une contribution à l'étude d'antennes reconfigurables à base de MEMS en intégration hétérogène 3D pour les systèmes de communication millimétriques. Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre d'un projet ANR nommé SIPCOM (Intégration hétérogène 3D (System-In-Package) pour objets communicants en gamme millimétrique), qui concerne l'intégration hétérogène d'un microsystème intelligent communicant à 60GHz. Au cours de ce manuscrit, nous proposons la réalisation d'antennes sur membrane selon 3 technologies. Dans un premier temps, une nouvelle technologie simple et bas coût basée sur un empilement de FR4 et de Pyralux ainsi qu'un nouveau concept d'antenne patch sur membrane alimentée par un guide d'onde intégré via une fente de couplage sont présentés. Dans un second temps, ce nouveau concept d'antenne a été adapté afin de pouvoir l'intégrer au module SiP réalisé en technologie Silicium / BCB. Enfin, la troisième technologie basée sur des substrats de quartz permet de démontrer la faisabilité d'une antenne à balayage électronique pour laquelle chaque excitateur est intégré dans le design d'un déphaseur à base de MEMS permettant de s'affranchir des interconnexions par bonding entre le déphaseur et la partie antennaire.
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Les travaux présentés dans cette thèse sont une contribution à l'étude d'antennes reconfigurables à base de MEMS en intégration hétérogène 3D pour les systèmes de communication millimétriques. Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre d'un projet ANR nommé SIPCOM (Intégration hétérogène 3D (System-In-Package) pour objets communicants en gamme millimétrique), qui concerne l'intégration hétérogène d'un microsystème intelligent communicant à 60GHz. Au cours de ce manuscrit, nous proposons la réalisation d'antennes sur membrane selon 3 technologies. Dans un premier temps, une nouvelle technologie simple et bas coût basée sur un empilement de FR4 et de Pyralux ainsi qu'un nouveau concept d'antenne patch sur membrane alimentée par un guide d'onde intégré via une fente de couplage sont présentés. Dans un second temps, ce nouveau concept d'antenne a été adapté afin de pouvoir l'intégrer au module SiP réalisé en technologie Silicium / BCB. Enfin, la troisième technologie basée sur des substrats de quartz permet de démontrer la faisabilité d'une antenne à balayage électronique pour laquelle chaque excitateur est intégré dans le design d'un déphaseur à base de MEMS permettant de s'affranchir des interconnexions par bonding entre le déphaseur et la partie antennaire.
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La bande de fréquence millimétrique autour de 60 GHz est considérée comme l’une des meilleures options pour l’implémentation des réseaux sans fils à très hauts débits de type WPAN (wireless personal area network). De plus, les systèmes multi-antennes de type MIMO (multiple-input multiple-output) sont très prometteurs. Ils peuvent augmenter de manière significative l’efficacité spectrale ou la fiabilité des communications sans fil. De ce fait, l’utilisation de systèmes multi-antennes à 60 GHz est, théoriquement, très prometteuse. Bien que les performances des systèmes MIMO aient été étudiées de manière approfondie à la fois théoriquement et expérimentalement à basses fréquences (2 et 5 GHz), il y a clairement un manque d’évaluation expérimentale de ces systèmes à 60 GHz. De plus, la conception et l’évaluation d’antennes millimétriques compactes à bas coûts pour des applications de type WPAN sont des sujets sur lesquels beaucoup de recherches doivent être encore faites. Dans la première partie de la thèse, le premier sondeur de canal MIMO à 60 GHz est présenté. Ce système, construit à partir d’un sondeur existant pour 2 et 5 GHz, utilise des réseaux d’antennes virtuelles. Afin d’améliorer la résolution temporelle, deux autres systèmes de mesure ont été développés. Le premier est construit à partir d’un sondeur ultra large bande et le second à partir d’un analyseur vectoriel de réseau. Ces systèmes permettent la caractérisation totale du canal MIMO dans les domaines temporel et angulaire. Dans la seconde partie, les performances de techniques pour systèmes multi-antennes sont analysées grâce aux mesures obtenues dans la première partie de la thèse. Les trois techniques étudiées sont: MIMO, MIMO avec sélection d’antennes et dépointage de faisceau. Les résultats indiquent que la capacité du canal MIMO mesuré est relativement proche de celle d’un canal idéal. Dans des conditions réalistes, la capacité obtenue grâce à la technique MIMO avec sélection d’antennes est souvent inférieure à celle obtenue avec la technique MIMO. Par ailleurs, lorsque l’on considère un réseau à déphasage avec des pertes réalistes, il apparait que la capacité obtenue avec la technique MIMO est presque toujours supérieure à celle obtenue avec la technique du dépointage du faisceau. Dans la dernière partie de la thèse, une antenne omnidirectionnelle est présentée. Cette antenne convient parfaitement aux applications de types WPAN car elle est plane et n’utilise qu’une seule couche de métallisation, ce qui la rend facile à réaliser et peut coûteuse. De plus, un banc de mesure quasi-3D de diagrammes de rayonnement d’antennes à 60 GHz à été développé. Ce système a une très bonne répétabilité. Le rayonnement de la pointe elle-même a été mesuré et les résultats indiquent que c’est la principale limitation de la dynamique d’amplitude de ce système.
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L’atteinte prévisible des limites de la loi de Moore dans les dix prochaines années poussent les concepteurs de systèmes de communication à intégrer le maximum de fonctionnalités dans des modules 3D de plus en plus petits, incluant des capteurs, de l’intelligence embarquée, des modules radio avec leurs antennes,(Approche More than Moore). On passe donc du concept de SoC (System-on-Chip) au concept de SiP (System-in-Package) pouvant intégrer des SoC mais offrant d’autres fonctionnalités au niveau de la perception de l’environnement, de la communication, de la reconfigurabilité et de la possibilité d’auto-organisation en réseau ad-hoc, tout en minimisant le volume et la consommation énergétique.C’est dans ce contexte que s’inscrivent ces travaux de thèse, qui présentent cette technologie d’intégration hétérogène (System-In-Package) miniature, faible coût associant des MEMS RF à des circuits MMIC actifs et des antennes intelligentes pour établir des communications robustes en gamme millimétrique. Pour cela, nous proposons, par le projet SIPCOM, la réalisation et le test d’un module radio ultra compact et performant en gamme millimétrique grâce à une l’approche d’« intégration hétérogène ». Ce module intégrera toutes les fonctions nécessaires pour la réalisation d’un émetteur 60 GHz : le réseau d’antennes, les déphaseurs à base de MEMS pour assurer l’agilité du faisceau, le convertisseur DC/DC pour alimenter les MEMS, un FPGA (du commerce) pour commander la reconfigurabilité du module radio et les circuits mise en veille/réveil du module pour une consommation minimale. Dans ce contexte, ces travaux de thèse visent à développer la technologie de mise en boitier et les interconnexions et transitions verticales. Au cours de ce manuscrit, nous proposons une nouvelle approche de transitions verticales, les TSCV (Through Silicon Coaxial Vias). Transition verticale basée sur le modèle coaxial, utilisant du benzocyclobuitène (BCB) en guise de matériau diélectrique, son étude, son développement, et l’évolution de la structure sont présentés. Du fait de sa nature, cette transition coaxiale offre tous les avantages à la mise en boitier à haute densité d’intégration, avec une totale isolation électromagnétique par rapport au substrat, et donc une totale indépendance quant à la nature du substrat, un rayonnement électromagnétique parasites ultra faible et, par les propriétés du BCB, des pertes électromagnétiques ultra faibles en bande millimétrique. Nous détaillons également le procédé e réalisation technologique et son évolution, qui permet la fabrication et le test de ces structures.
Author: Tristan Sarrazin
Author: Tristan Sarrazin
Author: Sylvain Ranvier
Author: Romain Crunelle