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Proposition de sujet de thèse
Intégration de micro-plasmas sur circuits planaires pour la
reconfigurabilité des émetteurs de moyenne puissance
Mots clés : Emetteurs de télécommunications, antennes, circuits micro-ondes, reconfigurabilité,
micro-décharges plasma.
1. Contexte et problématique
Au cours de la dernière décennie, la multiplication des protocoles de communication sans
fils a orienté les recherches dans le domaine des circuits et antennes micro-ondes vers des
solutions compactes et reconfigurables (e.g., en fréquence, diagramme de rayonnement, …).
Pour des signaux de faible puissance micro-onde (i.e., inférieure au Watt), la
reconfigurabilité est apportée par l’utilisation d’éléments actifs localisés (e.g., diodes, MEMS RF,
…) ou de matériaux contrôlables (e.g., ferrites, cristaux liquides, …). Pour des systèmes
fonctionnant à des puissances micro-ondes plus élevées, correspondant typiquement à des
problématiques d’émission pour les télécommunications, les possibilités de reconfigurabilité
restent toutefois très limitées.
À très forte puissance micro-onde (Mégawatt en puissance moyenne), seule la
technologie plasma a été éprouvée pour une reconfigurabilité rapide grâce aux tubes T/R
(Transmit/Receive), utilisés pour la protection de récepteurs RADAR. Dans ces dispositifs, lorsque
le niveau de puissance micro-onde traversant des tubes emplis de gaz atteint une valeur seuil, le
gaz s’ionise et ce changement d’état engendre une modification de l’interaction avec l’onde
électromagnétique. Cependant, l’utilisation du plasma reste aujourd’hui limitée à la technologie
des guides d’ondes métalliques creux.
Dans ce travail de thèse, nous souhaitons exploiter les interactions non-linéaires entre le
signal micro-onde de forte puissance à émettre et des micro-décharges plasmas intégrées dans
les circuits ou antennes micro-ondes de l’émetteur (e.g., émetteur de télécommunications,
RADAR, …) pour obtenir sa reconfigurabilité. Une telle problématique adresse un ensemble de
compétences à l’interface entre la physique des plasmas et les micro-ondes. Elle concerne aussi
bien des problématiques amont que des considérations d’ingénierie.
2. Travail de thèse
Le travail à réaliser au cours de ce projet doit permettre de progresser en deux tâches de
recherche qui structureront les activités de la thèse.
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2.1.
Caractérisation des micro-décharges plasmas.
Lors de nos précédents travaux, nous avons identifié une topologie de décharge
intéressante pour les applications visées : la Micro-hollow Cathode Sustained Discharge (MCSD).
Cette micro-décharge plasma a été conçue à l’origine pour fonctionner à la pression
atmosphérique dans des dimensions micrométriques pour des applications en traitement de
surface ou encore en médecine. Elle existe sous des formes géométriques ou des pressions de
fonctionnement sensiblement différentes, autant de degrés de libertés qui doivent faciliter son
intégration dans un dispositif micro-ondes.
Cette tâche a pour objectif de quantifier les grandeurs caractéristiques de ces microdécharges. L’influence de la puissance micro-onde sur le déclenchement et l’entretien du plasma
sera particulièrement étudiée. Idéalement, un modèle électrique équivalent contenant les
paramètres chauds de la micro-décharge sera développé. Les configurations identifiées seront les
briques de base pour la suite de la démarche.
2.2.
Identification et développement de dispositifs micro-ondes reconfigurables.
Cette tâche consistera dans un premier temps à passer en revue les topologies microondes planaires standards pour identifier leurs avantages et inconvénients en regard des
objectifs visés. L’identification des structures les mieux adaptées ne pourra être efficace qu’en
connaissance des caractéristiques électriques et géométriques des micro-décharges plasma
précédemment sélectionnées.
On se focalisera ensuite sur l’élaboration des fonctions micro-ondes passives et
reconfigurables (i.e., antennes, déphaseurs, coupleurs, commutateurs, …). Ces circuits devront
naturellement exhiber les deux caractères recherchés de reconfigurabilité et de tenue en
puissance. On cherchera une caractérisation exhaustive des prototypes en termes de
performances radio électriques, de bruit et de non linéarité.
3. Environnement de la thèse
Connaissances souhaitées : Electromagnétisme, circuits micro-ondes, antennes et/ou plasmas
froids.
Compétences souhaitées : Mesures micro-ondes (VNA, analyseur de spectre), modélisation
électromagnétique (Ansys HFSS, Agilent ADS).
Lieu : Ce travail aura lieu dans les laboratoires ISAE-DEOS (Institut Supérieur de l’Aéronautique et
de l’Espace – Département Electronique, Optronique, Signal) et LAPLACE (LAboratoire PLAsma et
Conversion d’Energie) situés à Toulouse.
Durée : 3 ans à partir d’Octobre 2015.
Financement : Bourse de thèse financée par la COMUE Université de Toulouse Midi-Pyrénées.
Contacts : Les étudiants intéressés peuvent envoyer CV et lettre de motivation à
• Thierry CALLEGARI : [email protected]
• Romain PASCAUD : [email protected]
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