L’encombrement du spectre électromagnétique pousse les nouvelles applications grand public vers les hautes fréquences. L’utilisation des ondes millimétriques au sein des futurs systèmes de télécommunication permet une augmentation très forte des débits recherchés. Ainsi, les bandes de fréquences V et D, respectivement autour de 60 GHz et de 140 GHz, sont de plus en plus intéressantes.
Dans un contexte de télécommunication, il est important d’utiliser la bande passante disponible de manière efficace ainsi les fonctions de filtrage deviennent un élément crucial des systèmes. De plus, une application grand public doit être fiable, performante et compacte, le tout à faible coût. Donc des solutions de filtrage planaires en technologies intégrées (Bi )CMOS sont un sujet d’étude clé.
Par ailleurs, l’augmentation du nombre d’applications et de standards au sein des systèmes pousse à accroître le nombre de circuits au détriment de l’encombrement. Une manière de réduire l’encombrement est l’implémentation de circuits accordables dont les caractéristiques électriques peuvent être modifiées à travers des éléments de contrôle.
L’accordabilité en fréquence de filtres planaires intégrés est le centre de l’étude menée au cours de cette thèse. La topologie du filtre considéré est un résonateur en anneau à accès direct présentant une réponse pseudo-elliptique, c’est à dire avec des zéros de transmission proches de la bande passante permettant ainsi d’améliorer la rejection hors-bande.
Dans un premier temps, la synthèse du résonateur en anneau est étudiée afin de caractériser ses limites pour pouvoir les dépasser. L’introduction d’admittances localisées, et plus spécifiquement de capacités, permet alors de réduire la bande passante minimale accessible et simultanément de miniaturiser le circuit. Cette synthèse est validée par une implémentation à 60 GHz en technologie BiCMOS de la fonderie allemande IHP.
Dans un second temps, ce résonateur est rendu accordable par l’introduction de MEMS (Micro-Electromechanical Systems). Ceux-ci se comportent comme des switchs RF et permettent la modification des valeurs d’admittances localisées. Un filtre à deux états est alors implémenté avec une bonne maîtrise de la fréquence centrale qui évolue entre 74 GHz (MEMS bloquants) et 56 GHz (MEMS passants). Cependant, les bandes passantes restent interdépendantes ce qui est limitant dans le cas d’une application réelle.
Finalement, une évolution de la topologie de ce résonateur est proposée afin de contrôler indépendamment la fréquence centrale et la bande passante pour chaque état du filtre tout en garantissant une adaptation satisfaisante dans la bande. Cette évolution s’appuie sur le choix du positionnement d’admittances localisées dont les valeurs sont déterminées par une synthèse. L’implémentation de circuits autour de 140 GHz en technologie IHP permet la validation expérimentale de cette synthèse.
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The electromagnetic spectrum congestion tends to push the microwave mass-market applications to higher frequencies. Besides, the use of millimeter-waves in the future telecommunication systems allows an important increase of the data rates. In this way, V and D frequency bands, respectively around 60 GHz and 140 GHz, are more and more interesting.
In a telecommunication context, it is important to use the available bandwidth in an efficient way thus filtering functions are crucial system elements. Moreover, a mass-market application has to be reliable, performant and compact while being cheap. Hence (Bi-)CMOS integrated planar filters are a key topic.
In addition, the growth of the number of standards and applications tends to increase the number of circuits at the expense of the size. A way to reduce the size is to implement tunable circuits whose electrical characteristics can be modified through control elements.
This thesis focuses on the tunability of integrated planar filters. The considered topology is a direct accesses ring resonator which exhibits a pseudo-elliptic response, namely with transmission zeros in the vicinity of the passband allowing to enhance the out of band rejection.
Firstly, the ring filter synthesis is studied to highlight its limitations and then a way to outreach them is offered. The introduction of lumped admittances, and specifically of capacitances, allows to reduce the minimal achievable bandwidth and simultaneously shrinks the filter size. This synthesis is validated by a 60 GHz BiCMOS technology implementation provided by the German foundry IHP.
Secondly, this resonator is made tunable by adding MEMS (Micro-Electromechanical Systems) which behave like RF switches and allow to modify the lumped admittance values. A two-state filter is hence implemented with a good central frequency control ranging from 74 GHz (isolating-state of the MEMS) to 56 GHz (passing-state of the MEMS). However, the bandwidths at the different states are interdependent which is an important limitation for real applications.
Finally, an evolution of the resonator topology is proposed to independently control the central frequency and the bandwidth for each state of the filter while maintaining a satisfying matching level in the bandwidth. This evolution relies on the choice of the position of the lumped admittance whose values are determined by a synthesis. The 140 GHz circuit implementation using the IHP technology allows the experimental validation of this fully tunable synthesis. |