Topologie g´ en´ erale choisie pour les antennes sur PDMS

et une efficacit´e radiative simul´ee de 94%. Le micro-usinage permet donc l’obtention d’antennes relativement large bande et efficaces.

Dans [119], Herth&al d´eveloppent une technique d’antenne encapsul´ee dans du quartz. L’´el´e- ment rayonnant est imprim´e au fond d’une cavit´e micro-usin´ee dans le quartz et l’alimentation est assur´ee par couplage de proximit´e avec un ligne CPW (Cf. Fig.2.19). L’antenne est int´egr´ee au packaging et le proc´ed´e de type «above IC»est compatible MMIC.

Le micro-usinage«direct» du substrat: dans [112], le substrat est perc´e p´eriodiquement (Voir Fig. 2.20, tandis que dans [114] et [113] des substrats de silicium et d’AsGa sont micro- usin´es par gravure chimique (Voir Fig. 2.21). Pour [113], le substrat d’AsGa est enti`erement grav´e et l’´el´ement rayonnant repose sur une membrane de SiNx, dont la contrainte doit ˆetre optimis´ee. Le substrat effectif est donc essentiellement compos´e d’air.

Figure 2.20 – Antenne microperc´ee [112]

Figure 2.21 – Antenne reposant sur une cavit´e micro-usin´ee[114]

Pour des raisons de simplicit´e technologique et de coˆut, c’est une technologie d’antenne sur membrane aliment´ee par ligne microruban qui est retenue.

Figure 2.22 – Sch´ema 3D de l’antenne microruban sur membrane

d’air de 180µm. Les sections sur PDMS massifs et sur membrane PDMS sont reli´ees par une transition sp´ecialement optimis´ee [120]. Les m´etallisations des lignes et ´el´ements rayonnants sont en or d’´epaisseur 1,5µm et le plan de masse en cuivre d’´epaisseur 40 µm.

Deux antennes de ce type, initialement con¸cues par N. Tiercelin, P. Coquet et R. Sauleau sont ´etudi´ees dans ce chapitre : une antenne `a patch unique et une antenne r´eseau directive 4x2

´el´ements. Leurs dimensions sont donn´ees Fig.2.23 et2.24 et les prototypes montr´es. Fig. 2.37

Figure 2.23 – Structure de l’antenne patch sur membrane. W_p = 3350µm, L_p = 2250, W_acc = 195µm, Lacc = 9960µm, W1 = 465µm, L1 = 1245µm, W2 = 931µm, L2 = 4980µm, Ltaper = 360µm, W3 = 525µm, L3 = 9500µm

Nous allons `a pr´esent discuter point par point les ´el´ements importants de la structure de ces antennes :

Param`etres du substrat : Le choix de l’´epaisseur H du substrat est le r´esultat d’un com- promis entre rendement et bande passante de l’antenne (Voir. Fig. 2.16). A 60 GHz, 200 µm

Figure 2.24 – Structure du r´eseau microruban. Wp = 3100µm, Lp = 2225µm, Wacc = 170µm, Lacc = 4544µm, L2 = 470µm, W3 = 540µm, L3 = 14732µm, Lgap = 1855µm, Wgap = 1600µm

(a) (b)

Figure 2.25 – Prototypes (a) Antenne patch (b) Antenne r´eseau 4x2 ´el´ements

d’´epaisseur de substrat correspond `a H/λ0 = 0,4 : cette ´epaisseur est donc convenable et en conformit´e avec l’´epaisseur usuelle des substrats dans cette bande de fr´equence.

L’´epaisseur de la membrane r´esulte ´egalement d’un compromis, entre pertes di´electriques et tenue m´ecanique. L’´etude sur les lignes sur membrane (Section 2.1.4) a d´emontr´e qu’une

´epaisseur h de 20µm ´etait la plus appropri´ee.

Alimentation : Dans le but de a) garder tous les motifs m´etalliques sur une seule couche b) et avoir une alimentation pouvant supporter une reconfiguration g´eom´etrique, c’est l’alimentation par ligne microruban qui est choisie (Voir section2.2.1). La ligne microruban 50 Ω est d’abord

imprim´ee sur PDMS massif dans le but de faciliter la connexion avec les connecteurs V utilis´e pour les mesures. Dans la mesure du possible, la longueur de la section sur PDMS massif doit ˆetre r´eduite, les pertes s’´elevant `a 3 dB/cm, comme montr´e section2.1.4. La ligne microruban passe ensuite sur membrane 20µm au-dessus d’une cavit´e d’air de 180µm, jusqu’aux ´el´ements rayonnants. La transition entre les sections sur PDMS massif et membrane a ´et´e optimis´ee dans [120].

Figure 2.26 – Structure de la transition microruban PDMS massif `a membrane PDMS

La structure g´en´erale de la transition est d´ecrite Fig. 2.26. Les deux tron¸cons de ligne microruban sont reli´es par un «taper» de forme trap´ezo¨ıdale de param`etre angulaire α. Le passage du PDMS massif `a la section sur membrane peut se faire de mani`ere plus ou moins abrupte : ceci est param´etr´e par l’angleβ. La configuration optimale est obtenue pour α= 30<sup>◦</sup> et une transition«abrupte»β=90<sup>◦</sup> localis´ee au milieu de la section trap´ezo¨ıdale. En pratique, on raccorde de mani`ere lin´eaire les 2 tron¸cons de ligne sur une longueur de quelques centaines de microm`etres. Pour une transition `a imp´edance constante 50 Ω entre W=540µm sur PDMS massif et W= 931 µm sur membrane, les pertes s’´el`event `a environ 0,2 dB, dont 0,1 dB de pertes purement di´electriques.

Taille de la membrane : La partie membranaire doit ˆetre suffisamment petite pour ne pas s’affaisser et suffisamment grande pour que le cadre qui la supporte ne perturbe pas le rayonnement. Ici on prend comme crit`ere un ´eloignement entre les ´el´ements rayonnants et le cadre de plus de sept fois l’´epaisseur du substrat, qui est convenable d’apr`es [121].

M´etallisations : Les m´etallisations sont r´ealis´ees en or de conductivit´e 3,9x10⁷ S.m⁻¹. Si l’or est moins conducteur que le cuivre (σCu=5,7x10⁷ S.m⁻¹), il ne s’oxyde pas. L’´epaisseur des m´etallisations est typiquement comprise entre 1,3 et 1,7 µm, ce qui correspond `a quelques

´epaisseurs de peau (300 nm dans l’or `a 60 GHz). Les m´etallisations sur membrane peuvent s’av´erer fragiles au niveau des angles droits, qui sont des lieux de concentration de contraintes, et toute fissure dans le motif aura tendance `a se propager. (Voir Fig.2.35. Conform´ement `a une strat´egie usuelle en m´ecanique, les angles sont l´eg`erement arrondis pour r´epartir la contrainte (Voir zoom Fig. 2.24)

Le plan de masse des antennes doit pouvoir ˆetre contact´e «par le dessous » pour ˆetre compatible avec les m´ethodes de caract´erisation de dispositifs microruban (Voir section2.4). Le plus simple est d’utiliser un ruban ou une plaque m´etallique. Plusieurs types de plans de masse on ´et´e test´es : du cuivre ´electrolys´e d’´epaisseur 30µm, du cuivre en plaque d’´epaisseur 300µm, du cuivre lamin´e commercial d’´epaisseur 40µm. Le cuivre ´electrolys´e s’est av´er´e trop rugueux, et l’´epaisseur de la plaque d’´epaisseur 300µm probl´ematique pour les mesures d’imp´edance. Le cuivre lamin´e commercial pr´esente un bon ´etat de surface et une souplesse pouvant ˆetre utile : c’est donc le plan de masse qui est retenu.