Les travaux de cette thèse traitent de l'élaboration d'une méthodologie efficace pour la modélisation des effets parasites dans une carte en large bande de fréquence. La réduction du «Time to Market» pour la conception des produits RF et hyperfréquences nécessite le développement d'une méthode efficace de caractérisation et de modélisation pour mieux prendre en compte les erreurs incluses dans la carte de test.Les principaux résultats concernent les contributions suivantes :- Mise au point des standards de calibrage innovateur pour caractériser et modéliser les effets parasites inhérent au modèle.- Élaboration d'une nouvelle approche basée sur une technique de calibrage TRL et une méthode d’élimination efficace de ces effets.- Application aux dispositifs différentiels lors de l'utilisation du calibrage TRL dans le cas de plusieurs ports.La nouvelle approche proposée pour le calibrage et le de-embedding est appliquée à un dispositif actif qui est actuellement utilisé dans l'industrie. Les résultats de mesure d’un dispositif inclus dans une carte de test ont été comparés à des mesures calibrées à l’aide d’une carte d’évaluation comportant des standards TRL.Cette étude a été prolongée avec le calibrage TRL multi-port pour être utilisé pour la bande large des dispositifs comme les dispositifs différentiels. / The work of this thesis deals with the developing of an efficient methodology for modeling parasitic effects within a broadband board. Reducing “Time to Market” for the design of RF and microwave products necessitates the development of an efficient characterization and modeling methodologies for better calibrating the errors embedded within the test board.Main results concern the following contributions:- Development of an innovative calibration standards to characterize and model the parasitic effects embedded within the model.- Elaboration of a new approach based on a TRL calibration technique and de-embedding method effective to de-embed these effects.- Application on differential devices upon using multi-port TRL calibration.The new proposed approach for calibration and de-embedding is applied to an active device which is being in use in industry nowadays. The measurement result of the device within a load board has been compared to a calibrated measurement using an evaluation board that include TRL standards.This study has been extended with multi-port TRL calibration to be used for large variety of devices like the differential ones.

Substrate Integrated Waveguide (SIW) technology has been used in designing and fabricating SIW n-way power dividers. In this thesis employing this technology three-port and

La caractérisation des composants hyperfréquences après leur fabrication, est généralement réalisée par la mesure de paramètres S à l’aide d’un analyseur vectoriel de réseau (VNA). La précision de mesure dépend étroitement de la qualité du calibrage de l’analyseur vectoriel, qui permet de corriger les erreurs inhérentes au système de mesure. Des composants particuliers, dits étalons ou standards, dont les paramètres sont complètement ou partiellement connus, sont mesurés lors de la procédure de calibrage afin de déterminer les erreurs systématiques du système. La réalisation d’un circulateur coplanaire (les trois ports sont à 120 degrés les uns des autres) travaillant autour de 40 GHz est l’un des axes de recherche du laboratoire depuis plusieurs années et la caractérisation des prototypes a toujours été un souci important. Le calibrage est réalisé avec un kit commercial, avec les pointes positionnées en face à face. La mesure des dispositifs CPW à accès orthogonaux ou obliques après un calibrage avec un ensemble de standards conventionnels (droits) peut engendrer des erreurs supplémentaires. L’objectif de notre travail est donc de concevoir un ensemble de standards à accès inclinés à 120 degrés permettant de calibrer l’analyseur vectoriel « 2-ports » en positionnant directement les pointes à 120 degrés. La méthode de calibrage TRL (THRU – REFLECT - LINE) a été choisie. Le travail à accomplir se résume comme suit : - faire une étude de simulation du nouveau kit de calibrage à concevoir ; - mettre en évidence l’effet des accès coudés sur les lignes de transmission des standards ; - proposer une méthode de calcul qui tient compte de ces effets lors de la procédure de calibrage ; - mesurer quelques échantillons réalisés afin de vérifier la validité de la procédure de calibrage proposée. Les résultats obtenus au cours de ce travail ont pu être validés expérimentalement et offrent de nouvelles perspectives pour la mesure des composants planaires à accès non conventionnels / Microwave components characterization after the fabrication steps is usually performed by measuring S parameters using a Vector Network Analyzer (VNA). The measurement accuracy is highly dependent on the quality of the VNA calibration, which corrects the inherent errors in the measurement system. Specific components, called standards and whose parameters are completely or partially known, are measured during the calibration procedure to determine systematic errors of the system. Fabricating a coplanar circulator (the three ports are at 120 degrees position) functioning around 40 GHz is one of the laboratory’s research areas for several years and characterization of prototypes has always been a major concern. Usually, the calibration is made with a commercial kit ; probes are in face-to-face position. Measurements of CPW devices with orthogonal or bended accesses (120 degrees in our case) after VNA calibration with conventional (straight) set of standards may generate additional errors. The aim of our work is to design a set of standards with 120_ bended accesses allowing the calibration of the “2-ports” network analyzer. Therefore, probes are directly set at 120_ position. TRL (THRU - REFLECT -LINE) calibration procedure is chosen for the standards design. The work to be done is as follows : - to make a simulation study of the new calibration kit to design ; - to determine the bended accesses effects on the standards transmission lines ; - to propose a calculation method that takes account of these effects during the calibration procedure ; - to measure some fabricated samples to verify the validity of the proposed calibration procedure. The results of this research work have been experimentally validated and offer new perspectives for measuring planar components with unconventional accesses

Des circuits différentiels sont largement utilisés pour la conception de composants hyperfréquences principalement en raison de leur meilleure immunité au bruit. Ces circuits doivent être caractérisés au moyen de paramètres S en mode mixte (mode différentiel, mode commun et conversion entre les deux modes). De plus, la tendance à la miniaturisation et à l’intégration des dispositifs hyperfréquences conduit à l’utilisation de structures planaires ou coplanaires telles que les lignes micro-ruban ou les lignes coplanaires. La structure coplanaire avec les conducteurs déposés à la surface supérieure du substrat évite de réaliser des trous métallisés, et donc simplifie la fabrication et empêche l’apparition d’éléments parasites. Du point de vue de la métrologie électrique, il est nécessaire d’établir la traçabilité des mesures de paramètres S en mode mixte au Système International d’unités (SI). La méthode d’étalonnage Multimode Thru – Reflect – Line (TRL), dérivée de l’étalonnage TRL couramment utilisée pour les mesures de paramètres S de circuits asymétriques, est bien adaptée à cette problématique. En effet, l’impédance caractéristique, qui définit l’impédance de référence du système de mesure, peut être obtenue à partir des constantes de propagation déterminées lors de la procédure Multimode TRL et des capacités linéiques en DC.Nous présentons la première conception et la réalisation d’un kit d’étalonnage Multimode TRL et d’un kit de vérification à base des lignes coplanaires couplées en configuration « Ground – Signal – Ground – Signal – Ground » sur un substrat de quartz (SiO2) à faibles pertes diélectriques pour des mesures de paramètres S en mode mixte sur wafer de 1 GHz à 40 GHz. Les mesures sont effectuées à l’aide de deux méthodes : l’approche « one-tier » basée sur la procédure d’étalonnage Multimode TRL afin de déterminer et de corriger l’ensemble des erreurs systématiques ou bien l’approche « two-tier » qui fractionne la détermination et la correction des termes d’erreur en deux étapes dont la deuxième est associée à la méthode Multimode TRL. La faisabilité et la validation de ces techniques sont démontrées par des mesures d’éléments de vérification, constitués de lignes (adaptées, désadaptées et déséquilibrées) et d’atténuateurs en T, qui montrent un très bon accord entre les valeurs mesurées et simulées.La propagation des incertitudes est évaluée soit à partir du calcul des dérivées partielles à l’aide de l’outil Metas.Unclib ou bien par simulation numérique basée sur la méthode de Monte Carlo. La précision des mesures de paramètres S sous pointes dépend des sources d’influence attribuées aux mesures et aux imperfections des étalons telles que le bruit et la non-linéarité de l’analyseur de réseaux vectoriel, la stabilité des câbles, la répétabilité des mesures et la sensibilité dans la réalisation des étalons. Faute de temps, nous nous limitons à estimer la propagation d’incertitudes liées à la répétabilité de mesure des étalons et du dispositif sous test (DST) aux valeurs des paramètres S corrigés de la ligne désadaptée. Les résultats montrent que l’approche des dérivées partielles basée sur une approximation de la série de Taylor au premier ordre ne peut pas être utilisée avec précision à cause de l’influence significative de la non-linéarité des fonctions mathématiques de l’algorithme Multimode TRL. La méthode Monte Carlo s’avère alors plus précise bien qu’elle nécessite des temps de calcul très longs. / Differential circuits are widely used in the design of high frequency components mainly because of their better noise immunity. These circuits can be characterized using mixed-mode S parameters (differential- and common-mode S-parameters and cross-mode terms). Furthermore, the trend toward miniaturization and integration of microwave devices increases the need for planar or coplanar microwave integrated circuits such as micro-strip lines or coplanar waveguides. The ungrounded coplanar waveguide structure with all the conductors located on the same side of the substrate eliminates the need for via-holes, and thus simplifies manufacturing and prevents the appearance of some parasitic elements. From the viewpoint of electrical metrology, it is necessary to establish the traceability of the mixed-mode S-parameter measurements to the International System of Units (SI). The Multimode Thru-Reflect-Line (TRL) calibration method, derived from the commonly-used TRL calibration for S-parameter measurements of single-ended circuits, is particularly well suited for this purpose as the standards are traceable via dimensional measurements. The characteristic impedance, which defines the reference impedance of the measurement system, can be achieved from the propagation constants determined during the Multimode TRL calibration and the capacitances per unit length of the transmission line.We present the first design and realization of Multimode TRL calibration and verification kits using coupled coplanar lines in the "Ground - Signal - Ground - Signal - Ground" configuration on quartz (SiO2), the low-loss substrate, for on-wafer mixed-mode S-parameter measurements from 1 GHz to 40 GHz. Measurements are performed using two methods: the “one-tier” technique, based on the Multimode TRL calibration procedure, determines and corrects all systematic errors. The “two-tier” approach, in which the Multimode TRL is applied at the second-tier, is applied to measurement data that were partially corrected by the first calibration. The feasibility and the validation of the methods are demonstrated by measurements of matched, mismatched and unbalanced lines and T-attenuators showing good agreement between simulated and measured results.The propagation of uncertainty can be derived by the calculation of partial derivatives using the Metas.Unclib tool or by the numerical approach based on the Monte Carlo technique. The accuracy of on-wafer S-parameter measurements depends on sources of influence attributed to the measurements and to the imperfections of the standards such as the VNA noise and non-linearity, the cable stability, the measurement repeatability, and the sensitivity in calibration standards’ realization. We focus, first and foremost, on the propagation of uncertainties related to the repeatability of the standards and the device under test measurements to the corrected mixed-mode S-parameters of the mismatched line. The results show that the partial derivatives approach based on an approximation of the first-order Taylor series cannot be accurately used due to the significant influences of non-linear functions in the Multimode TRL algorithm. The Monte Carlo method is then more precise although it requires very long computation time.

Para abordar el análisis de estas estructuras de forma altamente eficiente, se pretenden utilizar dos enfoques distintos, que llevarían a dos técnicas distintas y eficientes, pero cada una de ellas con sus ventajas e inconvenientes respecto de la otra, que podremos concluir una vez finalizado el trabajo de investigación. Por un lado, se pretende utilizar el Método de los Momentos, una técnica numérica que convierte las ecuaciones integrales de un problema electromagnético en un sistema linear, expandiendo la magnitud desconocida usando un conjunto de funciones con coeficientes desconocidos. Al forzar las condiciones de contorno, en este caso de potencial eléctrico, en un determinado número de puntos, se obtiene un sistema linear de ecuaciones que será resuelto numéricamente. Por otro lado, según el segundo enfoque, pretende utilizar una expansión en modos cilíndricos del campo, tanto incidente como dispersado. Dada la geometría circular de las vías éstas pueden ser caracterizadas de forma analítica mediante espectros circulares. Posteriormente se resolverá el acoplo entre las vías mediante el método de [1] pero generalizado al caso de objetos inmersos en un medio dieléctrico infinito, y se desarrollará un nuevo método de acoplo modal entre modos cilíndricos y modos guiados proyectando las ecuaciones del acoplo modal tanto sobre modos cilíndricos como sobre modos guiados para evitar las singularidades que aparecen con el método de de [2] cuando los planos de referencia están muy próximos al objeto dispersor. Por tanto, esta técnica caracterizará las vías de forma analítica y resolverá las integrales del acoplo de modos mediante la transformada rápida de Fourier. Para aumentar más aún la eficiencia de ambos métodos se evitará repetir los cálculos para cada punto en frecuencia, y se implementará la técnica de barrido rápido en frecuencia similar descrita en [3], adaptándola al caso particular de cada método de análisis, aunque se prevé que quizá dicho procedimiento sea más difícil de implementar en el segundo método. Se espera que ambas técnicas puedan proporcionar unos tiempos de computación inferiores a los del software comercial de análisis electromagnético más habitual (i.e. HFSS), y también inferiores a otros métodos de análisis recientemente aparecidos en la bibliografía técnica ([4],[5],[6]). En concreto, se espera que los tiempos de computación para barrido discreto en frecuencia sea inferior con el segundo método ya que usa únicamente expresiones analíticas y transformada rápida de Fourier, pero, dado que el primer método es más susceptible de realizar barrido rápido en frecuencia, éste puede ser muy útil a la hora de realizar muchos análisis consecutivos. Una vez se disponga de métodos eficientes para el análisis de dispositivos SIW, se abordará el diseño de varios dispositivos pasivos en esta tecnología (filtros de diferentes topologías, diplexores, multiplexores, híbridos, acopladores, etc.). Como se dispone de una vasta experiencia en el grupo de investigación en el diseño de dispositivos en guía de onda rectangular, se puede como primera aproximación realizar el diseño en guía, y luego transformar esta estructura guiada en otra en tecnología SIW mediante unas reglas empíricas que relacionan ambas tecnologías [7]. Posteriormente se debe ajustar el diseño en el dispositivo SIW ya que estas reglas empíricas no consiguen que la respuesta sea idéntica a la del dispositivo guiado original, principalmente debido al hecho de que los irises rectangulares de la guía son transformados en vías metalizadas con geometría circular, no rectangular. Para minimizar este ajuste, se diseñará el dispositivo guiado con irises con esquinas redondeadas en la cavidad (método de [8] pero con un simulador más eficiente [9]), haciendo que el radio de esas esquinas redondeadas coincida con el de las vías metalizadas que se van a utilizar en el dispositivo SIW. Esto permitirá [...] (Ver documento anexo) / Díaz Caballero, E. (2013). Efficient analysis and design of devices in Substrate Integrated Waveguide (SIW) technology [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/34627 / TESIS