Measurement techniques of scattering parameters based on six-port technology for microwave applications

Résumé

Les analyseurs de réseaux vectoriels ont été utilisés pour fournir des mesures précises des paramètres-S d'un réseau micro-ondes et sont des instruments essentiels qui suscitent de plus en plus d'intérêt dans l'industrie biomédicale. Dans ce contexte, les ondes électromagnétiques de faible puissance qui sont transmises dans les cellules testées peuvent être efficaces dans la détection du cancer en raison de la différence de comportement diélectrique entre les tumeurs cancéreuses et les cellules normales aux fréquences micro-ondes. Cependant, ces instruments sont souvent encombrants et coûteux, ce qui ne convient pas aux tests de dépistage rapides aux points de service. Par conséquent, de nombreuses recherches ont été menées pour les remplacer par des systèmes de mesure alternatifs à base de la technologie six-port, peu coûteux et portatifs. L'objectif de cette thèse est de présenter un système micro-ondes à six-port largebande capable de mesurer les coefficients de réflexion et de transmission d'un dispositif sous test (DST). La conception du système de mesure proposé doit donner la précision nécessaire pour que les mesures soient effectuées dans une large bande de fréquences dans la bande S. Bien que de nombreuses études aient été menées pour développer des réflectomètres six-port, il est toujours essentiel d'optimiser les performances des circuits six-port en gardant une faible complexité de conception et aussi en réduisant l'effort de calcul pour le calibrage. Pour ce faire, le coupleur hybride et le diviseur de puissance doivent être optimisés car ils constituent les éléments de base de l’architecture six-port proposée. À cette fin, la conception d'un diviseur de puissance en anneau modifié, construit à l'aide d'un diviseur de puissance en anneau classique et d'un résonateur à impédance échelonnée supplémentaire, est présentée afin d'améliorer sa bande passante et ses performances. Une étude comparative entre le dispositif conçu et le diviseur de puissance en anneau classique est accomplie. Les résultats de la simulation électromagnétique (EM) montrent que le diviseur proposé présente une largeur de bande fractionnelle de 90.2 % à la fréquence centrale de 3.17 GHz. Les résultats de mesure du prototype fabriqué démontrent une haute performance sur la bande passante opérationnelle considérée de 1.7 GHz à 4.64 GHz avec une perte de retour inférieure à -10 dB tout en maintenant une bonne perte d'insertion et une bonne isolation entre les ports de sortie. Le déséquilibre d'amplitude maximal est inférieur à 0.21 dB et le déséquilibre de phase est inférieur à 2.5 degrés entre les signaux de sortie. En outre, un coupleur à 90-degrés compact à deux-sections avec une structure arrondie est conçu pour fonctionner à 3 GHz. Le coefficient de réflexion d'entrée S11 est inférieur à -10 dB entre 2.3 GHz et 3.96 GHz, ce qui signifie une large bande de fréquences opérationnelle du coupleur proposé. De plus, la perte d'insertion est de -3.09 dB à la fréquence centrale avec un déséquilibre d'amplitude inférieur à ±1 dB entre 2.6 GHz et 3.7 GHz. La jonction six-port composée d'un diviseur de puissance en anneau modifié et de trois coupleurs hybrides identiques à 90 degrés est ensuite conçue et fabriquée pour fonctionner à la fréquence centrale de 3 GHz. Les performances du système six-port sont démontrées par des mesures de la perte de retour S11 qui est inférieur à -17 dB dans la bande de fréquence de 2.2- 3.67 GHz. En outre, les coefficients de transmission par rapport au port 1 sont de – 6.3 dB ± 1 dB de 2.2 GHz à 3.55 GHz. Ces résultats montrent l'excellente performance de la jonction sixport. Afin de réaliser le réflectomètre six-port, la source micro-ondes et le dispositif à tester sont connectés à la jonction six-port par le biais d'un circuit additionnel formé par un hybride 90- degrés et un diviseur de puissance en anneau modifié. Les performances du réflectomètre sixport sont ensuite évaluées en effectuant des mesures en temps réel et en mesurant le coefficient de réflexion de différents dispositifs testés. Les résultats mesurés sont ensuite corrigés par une méthode de calibration appropriée pour supprimer les imperfections du système. Comparé aux méthodes de calibration six-port classiques, le processus de calibration proposé est facile à utiliser et permet des mesures précises du coefficient de réflexion tout en réduisant la complexité et les efforts de calcul des techniques de calibration six-port classiques. Enfin, un analyseur de réseau six-port portatif et peu coûteux pour mesurer les coefficients de réflexion et de transmission complexes est conçu pour fonctionner à la fréquence centrale de 3 GHz. L'analyseur de réseau proposé est constitué de deux jonctions six-port avec des détecteurs de puissance connectés aux ports de sortie, ainsi que d'un circuit additionnel pour la distribution de la puissance, formé d'un coupleur et d'un diviseur de puissance. Le système de mesure proposé combine les avantages de la simplicité et du fonctionnement en temps réel ainsi que la fabrication à faible coût car il est construit en technologie micro-ruban. Une approche simplifiée de calibration basée sur la correction d'erreur à deux ports avec seulement quatre standards est mise en œuvre. Après la calibration, les coefficients de réflexion et de transmission complexes obtenus à partir des différents tests effectués sont évalués, ce qui démontre la validité de la méthode de calibration. Cette thèse ouvre une nouvelle voie prometteuse pour la mesure des paramètres S à deux ports, basée sur la technique six-port à faible coût.

Date	6 avr. 2022
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Vahé Nerguizian (Directeur(-trice)) & Serioja Tatu (Codirecteur(-trice))