National audienceLa technologie SIW apporte un gain en terme de facteur de qualité par rapport aux technologies planaires. Sa facilité d'intégration avec ces dernières, ainsi que son coût de production sont autant d'atouts qui la rendent attractive. Son encombrement reste en revanche l'un de ses principal défaut. Ce document présente ici la combinaison de deux solutions pour y remédier : L'utilisation d'une technologie multicouche pour empiler les cavités et réduire ainsi l'empreinte. L'utilisation d'un substrat de haute permittivité afin de réduire les dimensions selon les 3 axes. Ces solutions sont testées ici sur un filtre d'ordre 6 en bande X

Azzara, Jean-Claude

Bortoli, Lidwine

Caille, Cécile

Favennec, Jean-François

Frinault, Céline

Garreau, Jonathan

Potelon, Benjamin

Quendo, Cédric

Rius, Eric

HAL-Université de Bretagne Occidentale

E´tude d’un filtre volumique SIW en technologie LTCCsur un substrat de forte permittivite´ en bande XJonathan Garreau, Benjamin Potelon, Eric Rius, Jean-Franc¸ois Favennec,Ce´dric Quendo, Ce´cile Caille, Ce´line Frinault, Jean-Claude Azzara, LidwineBortoliTo cite this version:Jonathan Garreau, Benjamin Potelon, Eric Rius, Jean-Franc¸ois Favennec, Ce´dric Quendo, etal.. E´tude d’un filtre volumique SIW en technologie LTCC sur un substrat de forte permittivite´en bande X. 17e`mes Journe´es Nationales Microondes, May 2011, Brest, France. pp.4F-9, 2011.<hal-00669552>HAL Id: hal-00669552https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00669552Submitted on 13 Feb 2012HAL is a multi-disciplinary open accessarchive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. 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Champollion, BP33787, 31037 Toulousejonathan.garreau@univ-brest.fr : correspondant principalRésuméLa  technologie  SIW  apporte  un  gain  en  terme  de  facteur  de  qualité  par  rapport  aux  technologies  planaires.  Sa  facilité  d'intégration  avec  ces  dernières,  ainsi que son coût de production sont autant d'atouts qui  la  rendent  attractive.  Son  encombrement  reste  en  revanche  l'un  de  ses  principal  défaut.  Ce  document  présente  ici  la  combinaison  de  deux  solutions  pour  y  remédier  :  L'utilisation  d'une  technologie  multicouche  pour  empiler  les  cavités  et  réduire  ainsi  l'empreinte.  L'utilisation d'un substrat de haute permittivité afin de  réduire les dimensions selon les 3 axes.  Ces solutions  sont testées ici sur un filtre d'ordre 6 en bande X.1. IntroductionLa compacité des dispositifs et l'augmentation de leur facteur  de  qualité  sont  deux critères  qui apportent  des améliorations  dans  le  domaine  du  filtrage  hyperf-réquence.  L'utilisation  du  SIW  (Substrate  Integrated Waveguide) [1] permet de profiter des faibles épaisseurs de  substrats  utilisés  en  technologies  planaires  tout  en profitant d'un facteur de qualité plus élevé apporté par les modes  de  résonance  volumiques.  Cependant,  l'encom-brement d'un filtre SIW reste un défaut majeur vis à vis des  technologies planaires [2]. Afin de remédier à cela, l'une des solutions est d'empiler les cavités grâce à une technologie  multicouche  telle  que  le  LTCC  (Low Temperature  Co-fired  Ceramic).  Cette  dernière  offre aujourd'hui une précision tout à fait acceptable pour une utilisation  en  onde  millimétrique.  Elle  peut  de  plus s'appliquer  à  des  substrats  de  haute  permittivité  [3], apportant une réduction supplémentaire des dimensions.Nous  nous  proposons  d'étudier  les  possibilités offertes par l'association de ces deux techniques dans le cadre de la conception d'un filtre SIW.2. Technologie et dimensionnement2.a. Technologie et règles de conceptionLa technologie LTCC consiste en un empilement de couches  de  céramique  co-cuites  sous  pression  à  une température d'environ 900°C. La Figure 1 donne une vue détaillée  du  procédé  de  fabrication.  Les  couches  sont percées  et  sérigraphiées  séparément  avant  d'être superposées,  laminées puis cuites ensemble. Cet aspect multicouche  offre  de  nombreuses  possibilités d'intégration  en  trois  dimensions.  Son  faible  coût  de production est aussi un atout qui rend cette technologie de plus en plus attrayante pour les industriels.Nous  avons  choisi  de  travailler  avec  le  centre  de recherche  technique  gouvernemental  finlandais  VTT Electronics.  Il propose,  entre  autre,  l'utilisation  du substrat  LTCC  Tape  CT765 fabriqué  par  Heraeus (Allemagne).  Sa  permittivité  annoncée  est  de  68,7  à 2,5 GHz et sa tangente de pertes de 1,73e-3. L'épaisseur d'une  couche  après  cuisson  est  de  84 µm.  Le  métal compatible  avec  ce  substrat  est  de  l'argent,  dont l'épaisseur de dépôt est de 15 µm. Le diamètre minimal de perçage est de 150 µm et l'écart  inter-via minimal à respecter  est  de  2,5xΦ,  soit  375 µm.  Ces  règles  de conception  imposent  donc  la  disposition  des  vias délimitant les cavités. Or, ces paramètres influent sur le facteur de qualité du dispositif, notamment en raison des pertes par rayonnement [4].2.b. Dimensionnement et facteur de qualitéLes  outils  de  synthèse  pour le  développement  d'un filtre en cavités SIW sont les mêmes que ceux utilisés dans le cas de technologies volumiques classiques [1]. Le but étant ici de réduire au maximum l'encombrement du filtre,  nous  choisissons  le  mode  de  résonance fondamental TE101. Les longueurs et largeurs des cavités dépendent  alors  directement  de  la  fréquence  de résonance désirée, et sont déterminées par les équations 1 et 2.17èmes Journées Nationales Microondes, 18-19-20 Mai 2011 - BrestFigure 1.  Procédé de fabrication LTCCac2  (1)l=12 [ f rrc 2− 12a 2]−12 (2)Où a et l sont respectivement les largeur et longueur de la cavité,  λc la longueur d'onde de coupure du mode TE10 du tronçon de guide constituant la cavité, et  εr la permittivité  du substrat.  Une fois la largeur  a fixée,  la longueur l dépend de la fréquence de résonance propre fr de  la  cavité.  Nous  choisissons  les  valeurs  suivantes  : a = 3,2 mm, l = 3,8 mm pour une fréquence de résonance fr = 7,33 GHz.En revanche, l'épaisseur d'une couche de substrat est un paramètre que l'on ne peut pas modifier dans le cas du SIW. La technologie LTCC permet cependant d'empiler plusieurs  couches  et  d'augmenter  ainsi  l'épaisseur  des cavités.  Or  celle-ci  a  une  influence  sur  le  facteur  de qualité d'une cavité, à travers son facteur de forme. Les équations  3,  4 et  5 permettent  d'obtenir  la  valeur  du facteur de qualité à vide d'une cavité parallélépipédique résonant en mode TE101 (Qpr). 1Q pr= 1Qd 1Q j (3)Qd=1tan   (4)Q j=rs⋅F  (5)F=a lh2 1a2 1h2 3 /2ha2a2 l ah2h2l  (6)Où  λr est  la  longueur  d'onde  en  espace  libre correspondant à la fréquence de résonance de la cavité, δs est  la  profondeur  de  pénétration  dans  les  parois  du métal (épaisseur de peau) et  F le facteur de forme de la cavité  [5].  C'est dans ce facteur de forme qu'intervient l'épaisseur  du  résonateur  h.  Les  grandeurs  Qd et  Qj correspondent  à  la  qualité  de  la  cavité  liée  aux pertes dans  le  diélectrique  et  celle  liée  aux  pertes  ohmiques respectivement.  La  Figure  2 montre  l'évolution  de  ces trois  facteurs  de  qualité,  pour  une  cavité  résonant  en mode TE101 à  7,33 GHz.  Nous avons choisi  d'utiliser  5 couches  de  substrat  LTCC pour  réaliser  une  épaisseur SIW  h = 420 µm, afin d'obtenir un facteur de qualité à vide  supérieur  à  200.  Nous  allons  vérifier  ces performances sur  un filtre  en bande X.  Nous utilisons pour  cela  des  spécifications  spatiales  centrées  à 7,33 GHz,  de bande passante  relative de 5 % avec une ondulation  maximale  dans  la  bande  LAr = 0,1 dB.  Une réjection  LAs d'au  moins  40 dB  devra  être  atteinte  à 500 MHz de part et d'autre de la fréquence centrale.Figure 2. Facteurs  de  qualité  d'une  cavité  en fonction de son épaisseur3. Conception et topologie3.a. Ordre du filtreÀ partir de l'équation  7 applicable dans le cas d'une synthèse de Chebychev [6], on déduit que la fonction de filtrage peut être réalisée avec un filtre d'ordre supérieur ou égal à 5. ncosh−1 100.1LAs−1100.1LAr−1cosh−1s (7)Où  Ωs est  la  fréquence  normalisée  par  rapport  à  la fréquence de coupure du prototype passe-bas. Par soucis de  symétrie  de  topologie,  l'ordre  pair  directement supérieur, soit n = 6, est privilégié.3.b. TopologieLes dimensions d'une cavité résonant en mode TE101 à 7,33 GHz ont été définies au paragraphe 2.b. Le but est ici de tester les possibilités offertes par un empilement de cavités SIW. Cependant, il est nécessaire d'avoir les ports d'accès sur un même plan, ce qui implique un repliement vertical  et  symétrique  du  filtre.  De  plus,  la  forte permittivité  du  substrat  réduit  considérablement  les dimensions des cavités. Afin de limiter au maximum le couplage direct entre les motifs d'excitation du filtre en les éloignant, les cavités 1, 2, 5 et 6 sont maintenues sur un même plan. La  Figure 3 montre une vue en coupe simplifiée  de  la  topologie  avec  la  numérotation  des cavités. 17èmes Journées Nationales Microondes, 18-19-20 Mai 2011 - BrestFigure 3. Vue en coupe simplifiée de la topologie3.c. CouplagesLa matrice de couplage présentée ci-dessous permet d'atteindre  les  spécifications  fixées  au  paragraphe  2.b. avec  un  ordre  6. Elle  est  obtenue  en  appliquant  une démarche de conception de filtre classique à partir des valeurs d'inverseurs d'impédance [6] pour un filtre passe-bande.m=∣0 1.463 0 0 0 0 0 01.463 0 0.039 0 0 0 0 00 0.039 0 0.029 0 0 0 00 0 0.029 0 0.028 0 0 00 0 0 0.028 0 0.029 0 00 0 0 0 0.029 0 0.039 00 0 0 0 0 0.039 0 1.4630 0 0 0 0 0 1.463 0∣La  topologie  présentée  Figure  3 impose  des couplages horizontaux par iris (entre les cavités 1 et 2, ainsi qu'entre les cavités 5 et 6). Ceux-ci étant placés à des  maximums  de  champs  magnétique,  les  couplages réalisés  sont  donc  de  nature  à  dominante  magnétique. Les couplages verticaux sont eux réalisés par une fente dans le plan métallique de séparation des cavités. Afin de conserver  la  même  nature  de  couplage  dans  tout  le dispositif, ces fentes sont placées le long des parois des cavités,  où  le  champs  magnétique  est  maximal.  Ceci favorise ainsi un couplage de nature magnétique. Le filtre comporte donc deux formes de couplage. Pour chacune d'elles, des abaques (Figure 4 et Figure 5) ont été tracés permettant  de  déterminer  directement  la  largeur d'ouverture  d'iris  (couplage  horizontal)  ou  la  longueur des fentes (couplage vertical) en fonction du coefficient de  couplage  désiré.  La  largeur  des  fentes  est  fixée  à 100 µm.Les dimensions obtenues pour réaliser les couplages indiqués par la matrice ci-dessus sont une ouverture d'iris de 1,19 mm pour le couplage entre les cavités 1 et 2 ainsi qu'entre les cavités 5 et 6, et 1,04 mm entre les cavités 3 et  4.  La longueur de fente obtenue pour les couplages verticaux est de 1,22 mm.Figure 5. Abaque de couplage vertical 4. Design, simulations et sensibilités4.a. DesignLe  filtre  est  maintenant  conçu  et  simulé  avec  le logiciel HFSS™ d'Ansoft, en respectant les dimensions définies précédemment. La Figure 6 montre une vue 3D générale  du  filtre.  Sa  longueur  est  de  15,7 mm  et  sa largeur de 4,3 mm, soit une surface de 67,51 mm² pour une épaisseur de 885 µm.Afin de conserver les possibilités d'intégration avec d'autres  circuits  planaires,  tout  en  rendant  possible  la mesure sous pointes, les accès se font sur les cavités 1 et 6 par une ligne coplanaire.17èmes Journées Nationales Microondes, 18-19-20 Mai 2011 - BrestFigure 4. Abaque de couplage horizontalFigure 6. Vue  éclatée  du  filtre  SIW  d'ordre  6  en technologie LTCC4.b. SimulationLa  Figure  7 montre  une  première  réponse  en fréquence du filtre entre 6,2 GHz et 8,5 GHz, sans prise en  compte  des  pertes.  Une  étape  de  réglage  est  donc nécessaire  pour  finaliser  le  dispositif  et  répondre  aux spécifications.Ces réglages sont effectués en utilisant deux logiciels en  parallèle.  Le  filtre  idéal  théorique  est  réalisé  en éléments  localisés  sous  le  logiciel  ADS  d'Agilent Technologies.  Des  comparaisons  successives  entre  la réponse obtenue sous HFSS™ et celle du filtre idéal sous ADS, ainsi que l'utilisation de la fonction  tuning de ce dernier,  permettent  d'identifier  la  grandeur  à  modifier ainsi  que  son  sens  de  variation.  Par  exemple,  une augmentation  de  la  fréquence  de  résonance  des résonateurs 2 et 5 sur le  filtre idéal  se traduit  par une réduction le la longueur des cavités correspondantes sous HFSS™. De même, une augmentation du coefficient K de l'inverseur d'impédance entre les résonateurs 3 et 4 se traduit par un élargissement de l'iris correspondant. Ces réglages conduisent à la réponse en fréquence du filtre présentée Figure 8.Les  pertes  d'insertion  s'élèvent  à  2,82 dB  et  on observe  une  platitude  de  1,22 dB  pour  une  bande passante relative de 5 %. De plus, la réjection hors bande est assurée.4.c. Étude de sensibilitéVTT Electronics, annonce un désalignement possible maximum entre deux couches de 15 µm. Les simulations effectuées pour évaluer l'impact d'un tel décalage n'ont pas montré de modification significative de la réponse du dispositif. Par ailleurs, les informations sur les valeurs de sensibilité  en  température  du  substrat,  fournies  par  le fabricant  (Heraeus),  tendent  à  indiquer  une  variation équivalente  de  permittivité  de  l'ordre  de  ±0,03  entre -30°C  et  +80°C.  Cette  valeur  extrêmement  faible implique une variation en fréquence de 1,6 MHz, soit de 0,02 %. Le point le plus critique quant à la sensibilité du dispositif réside dans l'incertitude de la valeur exacte de la  permittivité.  Celle-ci  est  annoncée  à  68,7 ±0,5  à 2,5 GHz. En admettant que cette valeur soit identique à la  fréquence  de  fonctionnement  du  filtre,  cela impliquerait  un  décalage  potentiel  en  fréquence  de ±30 MHz.5. ConclusionL'utilisation d'un substrat  d'une permittivité de 68,7 nous a permis de réduire les dimensions selon les trois axes d'un facteur d'environ 2,6 par rapport à une alumine classique de permittivité  9,9.  L'empilement  des cavités permet une réduction de l'empreinte par 1,5 par rapport au même filtre sans empilement. Soit une réduction de l'empreinte par 8,8 par rapport à un filtre SIW sur un seul étage avec un substrat de permittivité 9,9. Les résultats de simulation montrent par ailleurs que ces réductions de taille n'impactent pas les performances du filtre, dont le facteur de qualité est proche de 200. À noter que cette valeur reste supérieure à ce qui peut être obtenu avec des technologies planaires.Afin de confirmer les simulations, une réalisation est prévue pour juin 2011.6. Bibliographie[1] D. Deslandes et K. Wu, « Intregrated Microstrip and Rectangular  Waveguide  in  Planar  Form  »,  IEEE Microwave  and  Wireless  Components  Letters, Vol. 11, N° 2, Février 2001.[2] A. El Mostrah, B. Potelon, E. Rius, C. Quendo et J.F. Favennec, « C-Band Cross-Coupled SIW Filter Using a  Novel  Topology  of  Electric  Coupling  », Proceedings  of  the  40th European  Microwave Conference, Septembre 2010.[3] L. Rigaudeau, D. Baillargeat, S. Verdeyme, M. Lahti et K. Kautio,  « Mixed LTCC Ultra Compact S-Band Filter  with  Wide  Multispurious  Stopband  », Proceeding  of  Asia-Pacific  Microwave  Conference 2007.[4] D. Deslandes et K. Wu, « Accurate Modeling, Wave Mechanisms,  and  Design  Considerations  of  a Substrate Integrated Waveguide  », IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques, Vol. 54, N° 6, Juin 2006.[5] G.  Boudouris  et  A.  Kastler,  « Cavités  électro-magnétiques », Dunod Paris, 1971.[6] J.  Hong  et  M.J.  Lancaster,  «  Microstrip  filters  for RF/Microwave applications », John Wiley and Sons, 2001.17èmes Journées Nationales Microondes, 18-19-20 Mai 2011 - BrestFigure 8. Réponse en fréquence après réglagesFigure 7. Réponse  en  fréquence  sans  pertes  avant réglages

Étude d'un filtre volumique SIW en technologie LTCC sur un substrat de forte permittivité en bande X

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