L’émergence des satellites très haut débit pour la couverture des zones rurales s’accompagne de nombreuses contraintes technologiques. Dans le cadre du plan France très haut débit, le projet THD-sat proposé par le CNES se base sur l’utilisation des bandes Q et V pour assurer les liaisons avec les stations au sol et libérer de la ressource sur la bande Ka communément utilisée par les satellites ancienne génération. Avec la montée en fréquence, les besoins en termes de filtrage deviennent très stricts nécessitant des considérations particulières. Le premier chapitre reprend le contexte de l’étude et expose les différents éléments permettant de justifier le choix de la technologie SIW qui profite à la fois des bons facteurs de qualité des modes volumiques se propageant dans le substrat et de l’aisance du procédé technologique et de l’intégration des structures planaires. Les performances des cavités SIW restent néanmoins intimement liées à l’épaisseur de substrat qui doit être augmentée pour atteindre de meilleurs facteurs de qualité. L’augmentation de l’épaisseur de substrat s’accompagne de deux principales limitations : le rallongement des fils de « bonding » utilisés pour le câblage du filtre à son environnement MIC d’épaisseur 254 μm et l’élargissement de la ligne d’accès 50 Ω induisant des problèmes de discontinuités et d’excitations de modes parasites. L’approche suivie consiste à considérer des formes 3D permettant l’adaptation de mode et d’épaisseur entre une ligne microruban sur substrat de 254 μm d’épaisseur et le SIW d’épaisseur plus importante. Une nouvelle transition 3D est dès lors imaginée. Le chapitre II reprend les différents procédés technologiques utilisés pour la mise en forme et la métallisation des substrats 3D. Les substrats considérés sont l’alumine et la silice fondue mis en forme par ablation laser et le thermoplastique COP mis en forme par moulage. La principale limitation de l’ablation laser concerne les épaisseurs de substrat accessibles. Nous nous limitons à 635 μm dans le cas de l’alumine et à 500 μm dans le cas de la silice fondue. Le moulage polymère permet de s’affranchir de cette limitation et de viser des substrats plus épais (2 mm pour la solution COP).Le chapitre III reprend les étapes de conception des différentes solutions de filtrage avec la nouvelle transition 3D. Des résultats de mesures de différents prototypes réalisés sont par ailleurs présentés. Ces résultats sont globalement encourageants mais nécessitent d’être davantage développés pour être mieux exploitables. / The emergence of satellite high-speed internet for the coverage of rural zones is accompanied by numerous technological constraints. The current trend is to use higher frequency bands to release the satellite capacity for users. The increasing frequency requires new considerations especially for filtering needs which become notably strict in terms of performance and integration in small integrated circuits. This work introduces filtering solutions based on high quality factor Substrate Integrated Waveguides (SIW) using a novel 3D transition for a better integration in widely planar Hybrid ICs.The first chapter introduces the study’s context and the different elements justifying the use of the SIW technology.In fact, these structures profit from both the good quality factors of TE-modes propagating in the substrate and the easy fabrication process and integration of planar circuits. However, to increase the SIW quality factor, the substrate’s height should be increased which induces interconnection limitations such as long bond wires with high parasitic effects and large microstrip access lines with discontinuity problems and the propagation of parasitic modes. The adopted approach consists in imagining 3D shapes providing both mode and thickness matching between a microstrip line etched on a thin substrate and a high substrate SIW.The second chapter introduces the different manufacturing processes used for the substrate’s shaping and metallization. Three substrates are considered: Alumina, fused Silica and Cyclo Olefin Polymer COC. Alumina is widely used in space applications and has a well-mastered process. For equivalent dielectric losses, fused silica has a lower permittivity for bigger structures with less manufacturing tolerance sensitivity. Both Alumina and fused silica substrates are shaped using a laser ablation. The reachable substrate’s height using this machining method is relatively low. The polymer solution (COP) is elaborated using a molding process allowing higher substrates heights.The last chapter outlines the design steps of the different solutions and the measurement results of the first prototypes. These results are on the whole encouraging but require further development.

La multiplication des besoins des utilisateurs dans le domaine des télécommunications a conduit à une surexploitation du spectre de fréquence. Ceci a engendré la raréfaction des bandes de fréquence conduisant à une nécessité de gestion rationnelle des fréquences. Des contraintes ont été rajoutées aux systèmes d'émission / réception et en particulier sur les filtres pour éviter la saturation des services. Dans cette thèse, les travaux s'orientent surtout vers la conception de résonateurs, de filtres planaires et volumiques (3D) accordables dans le domaine des fréquences millimétriques (>= 30 GHz) en utilisant une nouvelle technique d'accordabilité basée sur des principes microfluidiques. Il s'agit d'une nouvelle approche d'agilité qui consiste à faire circuler de la matière (liquides conducteur, diélectrique ou magnétique) dans un substrat diélectrique par le biais de micro canaux. Le substrat diélectrique utilisé, est une résine SU-8 qui offre une souplesse dans la réalisation des micros canaux et des structures volumiques grâce à son bon facteur de forme (≈ 50%). La circulation de liquides dans le substrat, permet de modifier localement les propriétés électromagnétiques du milieu, ce qui conduit à une modification de la fréquence de résonance du dispositif.

La multiplication des besoins des utilisateurs dans le domaine des télécommunications a conduit à une surexploitation du spectre de fréquence. Ceci a engendré la raréfaction des bandes de fréquence conduisant à une nécessité de gestion rationnelle des fréquences. Des contraintes ont été rajoutées aux systèmes d’émission / réception et en particulier sur les filtres pour éviter la saturation des services. Dans cette thèse, les travaux s’orientent surtout vers la conception de résonateurs, de filtres planaires et volumiques (3D) accordables dans le domaine des fréquences millimétriques (>= 30 GHz) en utilisant une nouvelle technique d’accordabilité basée sur des principes microfluidiques. Il s’agit d’une nouvelle approche d’agilité qui consiste à faire circuler de la matière (liquides conducteur, diélectrique ou magnétique) dans un substrat diélectrique par le biais de micro canaux. Le substrat diélectrique utilisé, est une résine SU-8 qui offre une souplesse dans la réalisation des micros canaux et des structures volumiques grâce à son bon facteur de forme (≈ 50%). La circulation de liquides dans le substrat, permet de modifier localement les propriétés électromagnétiques du milieu, ce qui conduit à une modification de la fréquence de résonance du dispositif. / The proliferation of user needs in the field of telecommunications, has led to overexploitation of the frequency spectrum. This led to the scarcity of frequency bands leading to a need for efficient management of frequencies. Constraints were added to the transmitting / receiving systems and in particular on the filters to prevent the saturation of the services. In this thesis, work is mainly oriented towards the design of resonators, planar and volumetric (3D) tunable filters in the field of millimeter wave frequencies (> = 30 GHz) using a new tunable technique which is microfluidic. This is a new approach to agility which consists of circulating the material (conductive, dielectric or magnetic liquids) in a dielectric substrate through micro channels. The dielectric substrate used is a resin SU-8 which provides flexibility in the implementation of microchannels and volumetric structures thanks to its good form factor (≈ 50%). The circulation of fluid in the substrate allows to locally modifying the electromagnetic properties of the medium. This leads to a change in the resonant frequency of the device.

Les travaux de cette thèse portent sur la conception d'antennes multi-faisceaux. Ces dernières permettent à plusieurs faisceaux de partager la même partie rayonnante et offrent la possibilité d'avoir simultanément un fort gain et une grande couverture angulaire. Pour leur fonctionnement, ces antennes se basent sur des réseaux à formation de faisceaux, qui peuvent être groupés en deux catégories : les réseaux formateurs de faisceaux de type quasi-optique et les réseaux formateurs de faisceaux de type circuit. Plusieurs structures antennaires reposant sur ces types de réseaux à formation de faisceaux sont proposés dans cette thèse : structures pillbox simples intégrant les deux variantes de la technique mono-pulse pour augmenter la résolution angulaire de l'antenne, lentilles de Rotman bicouche et multicouche, pour le cas quasi-optique ; réseaux phasés pour applications SATCOM (projet ANR) et matrice de Butler avec circuit de contrôle des niveaux de lobes secondaires pour le cas circuit. Les différents concepts ont été étudiés dans différentes bandes de fréquences : Ku, K et V. Pour des raisons de coût essentiellement, deux technologies ont été retenues : La technologie SIW (Substrate Integrated Waveguide), qui associe les avantages de la technologie des circuits imprimés et celles de la technologie guide d'ondes. Des efforts particuliers ont été faits pour l'implémentation de structures multicouches car nous arrivons à ce stade à la limite du savoir faire industriel national dans ce domaine. La technique de « Diffusion Bounding » développée au « Ando and Hirokawa lab » du TIT (Tokyo Institute of Technology) et qui consiste à assembler de fines couches métalliques sous haute température et haute pression. Cette technique permet le développement d'antennes en guides creux avec des efficacités supérieures à 80% en bande millimétrique. / This PhD thesis deals with the design of multi-beam antennas. A single radiating aperture is used to generate several beams with high gain and a large field of view. The multi beam operation is achieved by using two topologies of Beam Forming Networks (BFN): quasi optical BFN, and circuit-based BFN. For each category, several solutions have been proposed and validated experimentally. In particular, for the quasi-optical configurations, pillbox structures, mono-pulse antennas in pillbox technology, and multi-layer Rotman lenses have been considered. On the other hand, for circuit-based multi-beam antennas, two solutions have been analyzed: a phased array for SATCOM applications in the framework of a national ANR project and a Butler matrix with controlled side-lobe levels for the radiated beams within a collaboration with the Tokyo Institute of Technology, Japan. The proposed concepts and antenna solutions have been considered in different frequency bands: Ku, K and V. Two technologies have been mainly adopted for the fabrication of the various prototypes: Substrate Integrated Waveguide technology (SIW) which combines the advantages in terms of cost of the printed circuit board (PCB) fabrication process with the efficiency of classical waveguide technology. Considerable efforts have been devoted to the implementation of multilayer SIW structures to overcome and go beyond the current state of the art at national level on PCB fabrication process. Diffusion Bounding Technique, developed at “Ando and Hirokawa lab” at the Tokyo Institute of Technology, which consists of bonding laminated thin metal plates under high temperature and high pressure. This technique allows the fabrication of planar hollow waveguide structures with efficiencies up to 80% in the millimeter wave-band.