MACAO Méthodes Avancées de Conception par l’Analyse et l’Optimisation

Personnel

5 permanents, 8 doctorants, 5 post docs, 3 stagiaire en master

L’équipe MACAO regroupe un effectif de 5 enseignants chercheurs et chercheurs, 2 chercheurs associés et 1 ingénieur de recherche ainsi qu’une dizaine de doctorants et post-doc. Les activités de l’équipe MACAO concernent l’étude des propriétés électriques des matériaux et de technologies de fabrication ainsi que la conception et l’optimisation des dispositifs passifs du frontal RF. Elle fait partie de l’axe de recherche Systèmes-RF.

Les thématiques de recherche se décomposent en 4 projets:

L’équipe MACAO développe ici ses propres systèmes de mesure, de caractérisation et de modélisation de phénomènes électromagnétiques en lien avec les applications hyperfréquence, en particulier liés à des besoins exigeants du domaine des satellites de télécommunications et de la guerre électronique.

On y retrouve la modélisation des phénomènes liés au claquage dans des dispositifs de fortes puissances, l’évolution des propriétés des dépôts métalliques (conductivité électrique) et des diélectriques (permittivité complexe, dérive en température, …) en fonction de la fréquence et de la température. La conception de dispositifs hyperfréquences menés dans l’équipe MACAO permet la conception de composants répondant ainsi à des contraintes mutliphysiques (pertes, tenue en puissance, tenue en température, …). Ces compétences sont mises en application dans le cadre du projet H2020 Marie-Curie TESLA (https://tesla-itn.hw.ac.uk/) impliquant 7 pays européens : https://tesla-itn.hw.ac.uk/ où l’équipe MACAO cherche à développer des filtres fortes puissances innovants pour les futurs satellites de télécommunications européens.

L’expertise de l’équipe MACAO repose en particulier sur le développement de ses propres moyens et modèles de caractérisation permettant d’extraire l’évolution des propriétés des matières utilisées dans la réalisation de ces composants. Le projet ANR CANODEMS (https://canodems.xlim.fr/) vise à porter les températures mises en jeu lors de ces caractérisations à plus de 1000°C afin de suivre les propriétés électromagnétiques de matières céramiques lors d’applications exigeantes. Différentes techniques de caractérisation de matériaux spécifiques sont développées en appui des technologies de fabrication utilisées comme la mesure par microscopie microondes en champ proche et d’autres approches permettant de mesurer la permittivité complexe (iso ou anisotrope) de matériaux structurés en 3D servant à diverses applications comme des antennes à gradient de permittivité (partenariat Xlim-Anywaves) ou UWB (partenariat Xlim-IRCER):

L’équipe MACAO travaille depuis plusieurs années sur la création de capteurs de gaz sensibles à diverses matières (NOx, …) en collaboration avec des laboratoires spécialisés dans les matériaux et technologies de fabrication (INP Bordeaux, IEMN Lille). Au travers d’une collaboration récente avec l’UMI CINTRA (Singapour) et les laboratoires ENSBP (Bordeaux) et IMS (Bordeaux), une dernière itération de ce capteur de gaz a été conçu. L’impact de l’humidité de l’air sur les performances d’un capteur utilisant une couche de poly (3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate -multi walled carbon nanotubes (PEDOT:PSS-MWCNT) comme matériel sensible a été en particulier étudié.

L’équipe MACAO développe dans ce projet ses propres outils de synthèse et d’optimisation de fonctions hyperfréquences tels que des filtres et multiplexeurs.

Les outils de co-conception de fonctions filtre/antenne sont un exemple des activités menées en lien avec l’équipe Antenne et Signaux permettant d’optimiser le bilan taille/efficacité d’un tel objet. L’équipe MACAO est actuellement impliqué dans le projet Astrid ANR CODIFIANT dédié à la Co-Conception de Dispositif Filtre Antenne Compact et Agile en fréquence (codifiant.xlim.fr).

L’équipe MACAO a développé une expertise dans la conception de filtres et multiplexeurs accordables en fréquence en s’appuyant sur des outils et méthodologies permettant d’adresser des gabarits en fréquences sur des multiples canaux.

La synthèse spécifique de multiplexeurs compacts, de fonctions de filtrage intégrant des couplages dépendant de la fréquence et permettant la génération de zéros de transmission à la demande fait partie du savoir-faire de l’équipe MACAO. Le recours à des technologies de fabrication additive permet la réalisation de tels dispositifs dans des format monoblocs s’affranchissant de contraintes d’assemblage et des pertes hyperfréquences inhérentes.

L’application d’algorithmes d’optimisation de forme est un levier important permettant, lorsque couplé à des mesures et/ou des simulations hyperfréquences, d’optimiser la géométrie à donner à des composants hyperfréquences pour atteindre un gabarit cible. Ces approches utilisant des algorithmes génétiques et d’autres basés sur l’intelligence artificielle sont actuellement appliquées à la technologie FPMS (Field Programmable Microwave Substrate) dans le cadre du projet ANR France-Canada RWC_FPMS (https://anr.fr/Project-ANR-18-CE24-0029).

L’équipe MACAO développe des solutions originales basées sur des technologies spécifiques pour la conception de composants et circuits hyperfréquences. Les approches développées visent à optimiser les performances et l’intégration de dispositifs fonctionnant à des fréquences de plus en plus élevées.

L’équipe MACAO a développé la technologie de fabrication LMST (Laser-Machined Substrate Technology) reposant sur le micro-usinage laser de substrats de forte permittivité et très faible tangente de pertes. Cette approche permet la réalisation de fonctions hyperfréquences montables en surface et adaptées aux bandes millimétriques de la 5G (26 et 42 GHz). Cette approche tire son potentiel de la collaboration avec le laboratoire IRCER (Institut de Recherche sur les CERamiques, www.ircer.fr ) au sein du Labex Sigma-Lim (www.unilim.fr/labex_sigmalim ) qui soutient le développement de matières céramiques techniques appliquées ici aux composants hyperfréquences. Des matières aux performances très importantes (tan d = 2 10-5@ 10 GHz, stabilité des propriétés en fonction de la température (Tf ~0 ppm/°C)) sont ainsi utilisées dans des applications civiles terrestres ou très exigeantes comme les télécommunications par satellite.

L’équipe MACAO utilise depuis plus de 17 ans diverses technologies de fabrication additives (céramique, polymère, métal) pour la réalisation de fonctions hyperfréquences originales. Ces approches permettent de limiter le nombre de pièces assemblées, rassembler plusieurs fonctions au sein d’un même dispositif et d’atteindre des géométriques complexes difficiles voire impossibles à réaliser par d’autres technologies de fabrication.

L’équipe MACAO est impliquée dans un consortium regroupant des acteurs de haut rang autour de l’utilisation de nanotubes de carbone pour la réalisation de fonctions hyperfréquences (guide d’onde, matrices de Butler, antennes, …) pour des fréquences élevées (bande E et au-delà). Les nanotubes de carbones sont ici identifiés pour leurs propriétés remarquables (très forte conductivité thermique et électrique) qui se révèlent très prometteuses pour la réalisation de contacts (bumps) pour le report de composants ou la réalisation directe sur Silicium de fonctions dans les bandes submillimétriques. Le projet ANR TRICOT, dont des chercheurs de l’équipe MACAO ont la charge de la coordination, regroupe ainsi l’Université de Grenoble, le III-V Lab et l’UMI CINTRA (Singapour) autour de ce thème. Exemples d’application : (gauche) guide d’ondes à base de nanotube de carbone en bande E, (droite) plot d’interconnexion en bande W.

CNES, Toulouse, France – Thales Alenia Space, Toulouse, France – Thales Six GTS, Brive, France – Isorg, Limoges, France – CTTC, Limoges, France – CISTEME, Limoges, France – Inoveos, Brive, France – Alphanov, Pessac, France – III-V Lab, Palaiseau, France – Cea Tech, Grenoble, France – Université Grenoble Alpes, France – Laboratoire LAPLACE, Toulouse, France – INP, Bordeaux, France – ENSCBP, Bordeaux, France – IEMN, Lille, France – INRIA, Nice, France – IETR, Rennes, France – UMI Cintra, Singapour – Carleton University, Ottawa, Canada – Ontario Tech, Oshawa, Canada – Heriot-Watt University, Edinburgh, Royaume-Uni – Universidad Publica de Navarra, Espagne – Universitat Politecnica de Valencia, Espagne – Christian-Albrechts-Universitaet Zu Kiel, Allemagne – Kungliga Tekniska Hoegskolan, Suède – Technische Universitaet Graz, Autriche – Universita degli studi di Perugia, Italie

Laboratoire commun Axis (Xlim – Thales Alenia Space, Toulouse) : les membres de l’équipe MACAO sont à l’origine de ce laboratoire commun impliquant plusieurs équipes de recherche du laboratoire Xlim (MACAO, CCSNL, MINT)

ANR Canodems (Caractérisation on destructive de Matériaux par Sonde RF en environnement sévère), 2018-2021): Xlim, IRCER, CISTEME

ANR TRICOT (Technologie émergente pour le développement de circuits RF et millimétriques à base de nanotubes de carbone), 2017-2021: Xlim, Université Grenoble Alpes, Cintra, III-V Lab

ANR PRCI (France – Canada) RWC_FPMS (Reconfigurable Wireless Components using Field programmable Microwave substrate), 2018-2023: IETR Rennes, Ontario  Tech, Xlim, Carleton University, Orbcomm.

ITN H2020 Marie-Curie TESLA (Advanced Technologies for future European Satellite Applications) 2019-2022 : Heriot-Watt University, Universidad Publica de Navarra, Universitat Politecnica de Valencia, Christian-Albrechts-Universitaet Zu Kiel, Kungliga Tekniska Hoegskolan, Technische Universitaet Graz, Universita degli studi di Perugia, Université de Limoges

ANR CODIFIANT (Co-Conception de Dispositif Filtre Antenne Compact et Agile en fréquence), 2020-2022 : CEA Tech, Xlim