Dispositifs hyperfréquences à faible impact environnemental

Titre : Dispositifs hyperfréquences à faible impact environnemental.

Mots-clés :
Electronique durable, Hyperfréquences, Electromagnétisme

Lieu :
Centre d’Ingénierie des Systèmes en Télécommunications en ElectroMagnétisme et Electronique (CISTEME),
Bâtiment 2 – 12, rue Gémini – 87068 Limoges

Encadrants :

• Ingénieur de recherche CISTEME Limoges, contact@cisteme.net, 05 19 09 00 31
• RAULY D., Maître de Conférences IMEP-LaHC Grenoble, dominique.rauly@univ-grenoble-alpes.fr, 06 30 98 22 07

Profil du candidat :
Bac+5 ou Master en électronique hyperfréquence.

1. Contexte général
La BCE a classé en 2021 le changement climatique comme un risque systémique et le récent rapport du GIEC a insisté sur le rôle indiscutable des activités humaines dans le changement global. Nous devons en effet diviser par plus de trois notre consommation de ressources fossiles si nous voulons annuler le forçage radiatif, ce qui réduira également la consommation de toutes les ressources. Certaines d’entre elles, appelées « matériaux critiques », comme certains métaux
et terres rares, risquent d’être indisponibles à court terme sur la planète. Le défi des ingénieurs est donc de concevoir des systèmes offrant les mêmes services mais avec des impacts environnementaux beaucoup plus faibles, à la fois sur le plan du bilan carbone mais aussi sur le plan des consommations de matériaux.

En électronique, selon un récent rapport du Global Waste Electrical and Electronic (WEEE) Watch, nous avons généré dans le monde 53,6 millions de tonnes de déchets en 2019. Leur volume augmente de 5% par an et l’explosion des objets connectés intelligents utilisant des radiofréquences ne va pas aider à faire baisser ces chiffres.

Souhaitant être un acteur de la transition écologique dans son domaine d’expertise de l’électronique hyperfréquence, le Centre de Ressources Technologique CISTEME situé en Région Nouvelle Aquitaine s’est engagé dans une démarche d’écoconception et souhaite disposer d’outils pour aider ses équipes techniques et conseiller ses clients.

2. Objectifs du stage
Ce travail prospectif s’inscrit ainsi dans la problématique générale de l’électronique durable mise en avant tant au niveau national à l’ANR qu’au niveau européen avec le Green Deal.

L’objectif est de faire un benchmark des technologies de PCB (Printed Circuit board) écologiques pour les circuits hyperfréquences passifs, ainsi qu’un comparatif des performances obtenues pour des antennes réalisées sur différents substrats, classiques ou écologiques, tenant compte à la fois des contributions respectives du substrat, de la métallisation et des procédés de fabrication.

Le travail effectué lors de ce stage pourra faire l’objet d’une publication dans une revue scientifique ou lors d’une conférence nationale ou internationale.

3. Etapes du travail
Dans un premier temps, le stagiaire devra rechercher les substrats RF écologiques disponibles sur le marché, en commander des échantillons et évaluer leur degré de maturité technologique en tenant compte des contraintes liées à leurs possibilités de métallisation et des procédés nécessaires au tirage du circuit.

Une première étape de caractérisation RF en espace libre dans la bande 5 à 110 GHz permettra de connaître les propriétés diélectriques des substrats en termes de constante diélectrique et de tangente de pertes.

Dans un second temps, les métallisations associées à chaque substrat seront caractérisées avec une structure guidante dans la même bande de fréquences afin d’en extraire les propriétés de conduction électrique.

Les propriétés physiques de ces substrats métallisés étant connues, on sélectionnera ceux offrant une diversité la plus large possible. Une antenne de type patch entrant dans le standard WiFi IEEE 802.11ac (entre 5,15 et 5,725 GHz) sera conçue et réalisée afin de comparer les performances obtenues en terme de directivité et de gain.

Enfin, après avoir défini un scénario réaliste, une analyse de cycle de vie utilisant le logiciel Bilan Produit de l’ADEME sera effectuée pour évaluer les impacts environnementaux des diverses antennes fabriquées. Le stagiaire pourra ainsi en déduire un « facteur de mérite » correspondant au quotient des performances sur les impacts environnementaux et une « éco-note » des substrats considérés permettant de guider les équipes d’ingénieurs de CISTEME.

4. Références

•  Mattana G., Briand G., Marette A., Vásquez Q. A., F. de Rooija N., « Polylactic acid as a biodegradable material for all-solution-processed organic electronic devices », Organic Electronics, Volume 17, February
  2015, pp. 77–86
•  Hwang, S.-W., Song, J.-K., Huang, X., Cheng, H., Kang, S.-K., Kim, B. H., Kim, J.-H., Yu, S., Huang, Y. and Rogers, J.A., « High-Performance Biodegradable/Transient Electronics on Biodegradable Polymers ». Adv.
  Mater., 26, 2014, pp. 3905–3911
• Kovács, B., Géczy, A., Horváth, G., Hajdu, I., Gál, L. “Advances in Producing Functional Circuits on Biodegradable PCBs”, Periodica Polytechnica Electrical Engineering and Computer Science, 60(4), 2016, pp.
  223–231
•  https://circularmatters.com/