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EN TRAVAUX ...

 Composants intégrés pour système THz déja présenté dans la partie THz

    Dans le cadre d'une ANR en collaboration avec le L2C et le III-V lab, la plateforme participe à l’étude de la détection de ces radiations par un transistor bipolaire à hétérojonction issu de la filière technologique basée sur l’arséniure de gallium et indium (InGaAs) et le phosphure d’indium (InP). Nous caractérisons ainsi ce transistor monté en émetteur commun, polarisé uniquement sur sa base (VBE = 0,65 V), et étudions le signal détecté constitué par une tension continue mesurée sur le collecteur. La sensibilité du détecteur ainsi mesurée est de 0,35 V/W avec une fréquence de coupure proche de 10 GHz et une impédance de sortie relativement grande comparée au standard pour les lignes de télécommunication hyperfréquences (50 Ohms). Dès lors, cette sensibilité mesurée n’est pas suffisante pour établir un système de communication ultrarapide (débit d’au moins 10 Gbps) avec la source térahertz actuellement disponible fonctionnant à une puissance de 10 µW. En effet, pour une telle sensibilité et un rapport signal à bruit (uniquement thermique) pris égal à 10, la bande passante maximale de communication calculée est de 0,1 MHz. Par la suite, des mesures d’impédances et de sensibilité montrent que l’augmentation de la tension de polarisation diminue l’impédance et la sensibilité. Par conséquent, un compromis est à faire pour améliorer l’adaptation de l’impédance du transistor à celle du circuit extérieur tout en préservant la sensibilité térahertz. Aussi, il est prévu d’utiliser des lentilles téflon à focale plus petite afin de réduire la taille du faisceau propagé jusqu’à la limite de diffraction, ainsi coupler plus d’énergie sur le détecteur et donc gagner un facteur considérable sur la sensibilité. Nous nous sommes aussi intéressés à l’étude du même transistor couplé sur sa base avec une antenne spirale logarithmique pour augmenter la sensibilité.  

 

 Schéma de principe de la détection hétérodyne mise en oeuvre


La détermination de la fenêtre de polarisation du composant pour une sensibilité et une adaptation suffisante du composant nous a permis de réaliser une communication hétérodyne à un débit de 1,5 Gpbs, permettant la transmission d’une vidéo HD sur porteuse de 300 GHz avec assez de signal (> 350~mVpp) en sortie de deux étages amplificateurs (gain de 50 dB) pour permettre l’affichage sur un écran. Cette expérience a été possible grâce à l’acquisition d’une source CW de 50 mW pour l’oscillateur local.

 

 

Antenne WiFi

Dans le cadre de notre plateforme HERMES (LIEN) une thèse CIFRE a commencé en février 2016. Le but du travail est de réaliser une antenne rayonnant à 2,45GHz, de faible coût, et avec un très faible rayonnement arrière donc avec un rapport F/B élevé. L’encombrement de la structure est également un critère pris en compte. L’élément rayonnant étudié est un dipôle replié loop, choisi pour sa simplicité de réalisation et d’adaptation sans faire appel à un symétriseur (balun). Cet élément est associé à un plan réflecteur afin de diminuer les lobes arrière de l’antenne. Le plan placé à proximité de l’antenne a une influence directe et variable selon sa taille et son positionnement sur le rayonnement et l’impédance d’entrée de l’antenne. Une structure spécifique permet d’obtenir un gain pertinent avec un rapport avant/arrière supérieur à 40 dB autour de la fréquence 2,45GHz. L'antenne finale comprenant 3 éléments (présentés précédemment) associée à un radôme a été développée. Les premiers prototypes ont été réalisés, ils sont en test actuellement sur site par la société.  

 

Element rayonnant conçu et mis en oeuvre

 

 

RADAR FMCW

     Ce projet a pour objectif de proposer un banc de réflectométrie THz afin d’obtenir d’un côté une imagerie 3D d’un matériau, d’en détecter les éventuels défauts et de le caractériser (mesure d'indice par exemple). Un rayonnement dans le domaine des micro-ondes ne permettrait pas une résolution spatiale aussi fine et l’optique offre trop peu de transparence. Pour des raisons de coût ainsi que de résolution, le domaine d’étude dans lequel nous nous concentrerons est compris entre 75GHz et 110GHz, il s’agit donc d’une onde submillimétrique.

     Pour réaliser ce système, il existe deux approches, soit impulsionnelle comme pour le TDS (Time domain spectroscopy), soit continue avec la modulation de fréquence comme le radar FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave). Pour ce dernier cas, la fréquence du signal évolue dans le temps, généralement avec un balayage sur une largeur de bande fixe. La différence de fréquence entre les signaux émis et reçu (réfléchi par la cible) est déterminée par le mélange des deux signaux. Appelé battement, ce signal peut être utilisé pour déterminer la distance et/ou la vitesse d’une cible, et offre une méthode simple et souvent utilisée. L’application étant classiquement la détection des objets et des armes dans les aéroports. Les avantages des radars FMCW sont multiples : excellentes performances pour des applications courte portée, excellente résolution distance, faible coût et simple implémentation avec l’utilisation de petits composants, faible consommation de puissance. Avec ces différents systèmes, l’imagerie 3D n’est réalisée que par pénétration du signal THz au niveau de tissus. Elle permet de visualiser des objets dissimulés sous des vêtements. Notre système permet quant à lui d’effectuer une vrai imagerie 3D d’un matériau et d’en détecter ses éventuels défauts.

 

ILLUSTRATION

 

 

Schéma de principe du radar FMCW

     Nous nous intéressons à caractériser des matériaux pouvant présenter de multiples défauts, donc de multiples battements. Afin de réduire le nombre de battements, nous avons choisi le signal réfléchi au niveau de la face avant de notre cible comme signal de référence. Nous avons tout d'abord étudié un matériau transparent et peu diffusant comme le téflon. Pour montrer la faisabilité et caractériser notre système, nous avons tout d'abord étudié un matériau transparent et peu diffusant comme le téflon. Le signal source est collimaté par un miroir parabolique, puis envoyé sur la cible. Une lame séparatrice sert à récupérer le signal réfléchi par la cible sur une diode de détection qui mesure le battement entre le signal réfléchi au niveau de la face avant et celui de la face arrière.  Afin de corriger les signaux et supprimer les parasites de mesure, le signal est traité à l’aide de l’outil Matlab. Une première correction est la prise en compte de la variation de la puissance de la source d'émission (diode multipliée en fréquence) en fonction de la fréquence.

     Une problématique mis en avant est la résolution du système ainsi que le rapport signal à bruit. Afin d'améliorer les caractéristiques de ce système, des algorithmes de traitement du signal doivent être étudiés et mis en place et des composants plus performants doivent être utilisés. Les premiers résultats ont montré que des défauts millimétriques peuvent être détectés. Des parasites ont été observés sont dus aux variations de la puissance de la source en fonction de la fréquence. Après correction, nous observons une amélioration du rapport signal à bruit de 20 dB pour les fréquences basses.