Extraordinary tunability of high-frequency devices using Hf0.3Zr0.7O2 ferroelectric at very low applied voltages

This paper presents the applications of the Hf0.3Zr0.7O2 ferroelectric with a thickness of 10 nm for tuning high-frequency devices such as filters, phase shifters, and phased antenna arrays in the X band when the low bias voltages in the range −3 V–+3 V are applied. In this respect, we show that a bandpass filter shifts its central frequency located at 10 GHz with 3 GHz, a phase shifter produces a phase difference of about 60 degrees in the X band, while the antenna array formed by two patched antennas is steering its lobe with ±32° at 10 GHz. These results open the way for the tunability of high frequency devices for very low power applications, which represent one of the most challenging issues in applied physics

Potentiel de la technologie MID pour les composants passifs et des antennes

MID (Molded Interconnect Devices) technology, owing to their electrical performance,flexibility in RF circuits, its potential to reduce the number of components, process steps andminiaturization of the final product, has led to some new constraints to the RF (RadioFrequency) and microwave domain. Molded components are interconnected withthermoplastic substrates and conductive traces are injected on the surface. The objective ofthis thesis is to study the compatibility of MIDs for RF applications. The advantages of MIDtechnology in the RF domain is exploited for transmission lines, passive filters, directionalcouplers and planar and 3D antennas realization. The RF characterization of various MIDsubstrate materials and the study of the performance of the above RF components based onvarious MID fabrication technologies are included in the thesis. Finally, an permittivityimprovement study of some thermoplastics are also studied.La technologie MID (Molded Interconnect Device), fait de leur performance électrique, la flexibilitédans les circuits RF, le potentiel de réduire le nombre de composants, les étapes du processus et laminiaturisation du produit final, a conduit à de nouvelles contraintes à la RF (Radio Frequency) et ledomaine des micro-ondes. Composants moulés sont interconnectées avec des substratsthermoplastiques et les pistes conductrices sont injectés sur la surface. L'objectif de cette thèse estd'étudier la compatibilité de MID pour les applications RF. Les avantages de la technologie MID dansle domaine RF est exploitée pour les lignes de transmission, filtres passifs, coupleurs directionnels etantennes réalisation. La caractérisation RF de différents matériaux de substrat MID et l'étude de laperformance des composants RF ci-dessus sur la base de différentes technologies de fabrication MIDsont inclus dans la thèse. Enfin, le concept d'une étude d'amélioration de la permittivité de certainsthermoplastiques sont également étudiés

Innovative Traveling-Wave Optoelectronic Devices for Radio over Fiber and Terahertz Applications

RÉSUMÉ La structure des composants conventionnels pour les applications optoélectroniques à haute fréquence ainsi que son intégration avec d'autres composants peuvent être modifiées en utilisant les guides d’ondes à faible perte. Par ailleurs le concept des circuits intégrés au substrat (Substrate Integrated Circuits: SICs), largement utilisé dans les structures des applications micro-ondes, peut être employé pour l’intégration de ces composantes dans les applications à ondes millimétriques (millimetre Wave: mmW) et sous-millimétriques. Dans les systèmes de communication optique et systèmes optoélectroniques, photodétecteurs et modulateurs sont les éléments clés pour la conception des récepteurs et des émetteurs. Les photodétecteurs à ondes progressives (Traveling-Wave: TW) et les modulateurs conventionnels, dans leurs structures, utilisent les lignes microrubans (Microstrip: MS) et les guides coplanaires (Coplanar Waveguide: CPW). Les substrats majoritairement utilisés pour la fabrication des composantes optoélectroniques et électro-optiques, citées ci-dessus, sont en arséniure de gallium (GaAs) et niobate de lithium (LiNbO3). Il faut bien noter que les pertes de micro-ondes/mmW dans les lignes microrubans et les guides coplanaires augmentent avec la fréquence. Ces pertes incluent les pertes ohmique, diélectrique et de rayonnement. Le guide d'ondes rectangulaire ayant une faible perte après la fréquence de coupure sans grand changement, est un guide d'ondes de remplacement pour les composants mmW. Son inconvénient est qu’il n’est pas planaire et difficilement intégrable. Le guide d'ondes intégré au substrat (Substrate Integrated Waveguide: SIW) est une forme planaire du guide d’ondes rectangulaire. Dans ces guides d’ondes les trous métallisés remplacent les parois métalliques du guide rectangulaire. De nouveaux composants optoélectroniques peuvent être proposées avec l’intégration de la structure SIW pour les fréquences mmW. Les photodétecteurs et les modulateurs sont les candidats potentiels pour les nouveaux composants optoélectroniques.----------------ABSTRACT The structure of conventional optoelectronic devices for new high frequency applications as well as the integration with other devices may be modified by using low-loss microwave waveguides. Also the concept of substrate integrated circuits (SICs), which has widely been used in the microwave domain, can be utilized for the integration of optoelectronic devices at millimetre wave (mmW) and sub-mmW frequency ranges. Photodetectors and modulators, as optoelectronic devices, are two key components of receivers and transmitters in optical communication systems. Conventional traveling-wave (TW) photodetectors and modulators make use of microstrip (MS) and coplanar waveguide (CPW) in their structures as transmission line electrodes. These electrode structures with high losses cannot be utilized in mmW devices. Microwave/mmW losses of MS and CPW, including ohmic, dielectric and radiative losses, in optoelectronic and electro-optical materials such as gallium arsenide (GaAs) and lithium niobate (LiNbO3) are increased with frequency. Rectangular waveguide (RWG) with constant low loss in specific frequency range after its cut-off frequency is an alternative waveguide for mmW devices, although it is non planar and non integrable. Substrate integrated waveguide (SIW) derived from the general SICs concept is a planar form of RWG with some metalized via holes instead of metallic side walls of RWG. New optoelectronic devices and in particular TW photodetector and modulator can be proposed based on SIW structure for mmW frequency, terahertz (THz) photonics and electro-optical applications. In the design of waveguide photodetectors, the microwave/mmW loss as an important factor for bandwidth limitation is related to two sections, namely, active MS multilayer detection and non-active MS single layer transmission. It is expected that the long section of lossy microstrip line after the detection would significantly limit the bandwidth of the photodetector and may be replaced by low-loss SIW structure. A transition of MS in the photodetector to the multilayer SIW, to separate the photodetector DC bias and SIW metallic plates, is designed and realised in this work

High-performance wireless interface for implant-to-air communications

Nous élaborons une interface cerveau-machine (ICM) entièrement sans fil afin de fournir un système de liaison directe entre le cerveau et les périphériques externes, permettant l’enregistrement et la stimulation du cerveau pour une utilisation permanente. Au cours de cette thèse, nous explorons la modélisation de canal, les antennes implantées et portables en tant que propagateurs appropriés pour cette application, la conception du nouveau système d’un émetteur-récepteur UWB implantable, la conception niveau système du circuit et sa mise en oeuvre par un procédé CMOS TSMC 0.18 um. En plus, en collaboration avec Université McGill, nous avons conçu un réseau de seize antennes pour une détection du cancer du sein à l’aide d’hyperfréquences. Notre première contribution calcule la caractérisation de canal de liaison sans fil UWB d’implant à l’air, l’absorption spécifique moyennée (ASAR), et les lignes directrices de la FCC sur la densité spectrale de puissance UWB transmis. La connaissance du comportement du canal est nécessaire pour déterminer la puissance maximale permise à 1) respecter les lignes directrices ANSI pour éviter des dommages aux tissus et 2) respecter les lignes directrices de la FCC sur les transmissions non autorisées. Nous avons recours à un modèle réaliste du canal biologique afin de concevoir les antennes pour l’émetteur implanté et le récepteur externe. Le placement des antennes est examiné avec deux scénarios contrastés ayant des contraintés de puissance. La performance du système au sein des tissus biologiques est examinée par l’intermédiaire des simulations et des expériences. Notre deuxième contribution est dédiée à la conception des antennes simples et à double polarisation pour les systèmes d’enregistrement neural sans fil à bande ultra-large en utilisant un modèle multicouches inhomogène de la tête humaine. Les antennes fabriquées à partir de matériaux flexibles sont plus facilement adaptées à l’implantation ; nous étudions des matériaux à la fois flexibles et rigides et examinons des compromis de performance. Les antennes proposées sont conçues pour fonctionner dans une plage de fréquence de 2-11 GHz (ayant S11-dessous de -10 dB) couvrant à la fois la bande 2.45 GHz (ISM) et la bande UWB 3.1-10.6 GHz. Des mesures confirment les résultats de simulation et montrent que les antennes flexibles ont peu de dégradation des performances en raison des effets de flexion (en termes de correspondance d’impédance). Finalement, une comparaison est réalisée entre quatre antennes implantables, couvrant la gamme 2-11 GHz : 1) une rigide, à la polarisation simple, 2) une rigide, à double polarisation, 3) une flexible, à simple polarisation et 4) une flexible, à double polarisation. Dans tous les cas une antenne rigide est utilisée à l’extérieur du corps, avec une polarisation appropriée. Plusieurs avantages ont été confirmés pour les antennes à la polarisation double : 1) une taille plus petite, 2) la sensibilité plus faible aux désalignements angulaires, et 3) une plus grande fidélité. Notre troisième contribution fournit la conception niveau système de l’architecture de communication sans fil pour les systèmes implantés qui stimulent simultanément les neurones et enregistrent les réponses de neurones. Cette architecture prend en charge un grand nombre d’électrodes (> 500), fournissant 100 Mb/s pour des signaux de stimulation de liaison descendante, et Gb/s pour les enregistrements de neurones de liaison montante. Nous proposons une architecture d’émetteur-récepteur qui partage une antenne ultra large bande, un émetteur-récepteur simplifié, travaillant en duplex intégral sur les deux bandes, et un nouveau formeur d’impulsions pour la liaison montante du Gb/s soutenant plusieurs formats de modulation. Nous présentons une démonstration expérimentale d’ex vivo de l’architecture en utilisant des composants discrets pour la réalisation les taux Gb/s en liaison montante. Une bonne performance de taux d’erreur de bit sur un canal biologique à 0,5, 1 et 2 Gb/s des débits de données pour la télémétrie de liaison montante (UWB) et 100 Mb/s pour la télémétrie en liaison descendante (bande 2.45 GHz) est atteinte. Notre quatrième contribution présente la conception au niveau du circuit d’un dispositif d’émission en duplex total qui est présentée dans notre troisième contribution. Ce dispositif d’émission en duplex total soutient les applications d’interfaçage neural multimodal et en haute densité (les canaux de stimulant et d’enregistrement) avec des débits de données asymétriques. L’émetteur (TX) et le récepteur (RX) partagent une seule antenne pour réduire la taille de l’implant. Le TX utilise impulse radio ultra-wide band (IR-UWB) basé sur une approche alliant des bords, et le RX utilise un nouveau 2.4 GHz récepteur on-off keying (OOK).Une bonne isolation (> 20 dB) entre le trajet TX et RX est mis en oeuvre 1) par mise en forme des impulsions transmises pour tomber dans le spectre UWB non réglementé (3.1-7 GHz), et 2) par un filtrage espace-efficace du spectre de liaison descendante OOK dans un amplificateur à faible bruit RX. L’émetteur UWB 3.1-7 GHz peut utiliser soit OOK soit la modulation numérique binaire à déplacement de phase (BPSK). Le FDT proposé offre une double bande avec un taux de données de liaison montante de 500 Mbps TX et un taux de données de liaison descendante de 100 Mb/s RX, et il est entièrement en conformité avec les standards TSMC 0.18 um CMOS dans un volume total de 0,8 mm2. Ainsi, la mesure de consommation d’énergie totale en mode full duplex est de 10,4 mW (5 mW à 100 Mb/s pour RX, et de 5,4 mW à 500 Mb/s ou 10,8 PJ / bits pour TX). Notre cinquième contribution est une collaboration avec l’Université McGill dans laquelle nous concevons des antennes simples et à double polarisation pour les systèmes de détection du cancer du sein à l’aide d’hyperfréquences sans fil en utilisant un modèle multi-couche et inhomogène du sein humain. Les antennes fabriquées à partir de matériaux flexibles sont plus facilement adaptées à des applications portables. Les antennes flexibles miniaturisées monopôles et spirales sur un 50 um Kapton polyimide sont conçus, en utilisant high frequency structure simulator (HFSS), à être en contact avec des tissus biologiques du sein. Les antennes proposées sont conçues pour fonctionner dans une gamme de fréquences de 2 à 4 GHz. Les mesures montrent que les antennes flexibles ont une bonne adaptation d’impédance dans les différentes positions sur le sein. De Plus, deux antennes à bande ultralarge flexibles 4 × 4 (simple et à double polarisation), dans un format similaire à celui d’un soutien-gorge, ont été développés pour un système de détection du cancer du sein basé sur le radar.We are working on a fully wireless brain-machine-interface to provide a communication link between the brain and external devices, enabling recording and stimulating the brain for permanent usage. In this thesis we explore channel modeling, implanted and wearable antennas as suitable propagators for this application, system level design of an implantable UWB transceiver, and circuit level design and implementing it by TSMC 0.18 um CMOS process. Also, in a collaboration project with McGill University, we designed a flexible sixteen antenna array for microwave breast cancer detection. Our first contribution calculates channel characteristics of implant-to-air UWB wireless link, average specific absorption rate (ASAR), and FCC guidelines on transmitted UWB power spectral density. Knowledge of channel behavior is required to determine the maximum allowable power to 1) respect ANSI guidelines for avoiding tissue damage and 2) respect FCC guidelines on unlicensed transmissions. We utilize a realistic model of the biological channel to inform the design of antennas for the implanted transmitter and the external receiver. Antennas placement is examined under two scenarios having contrasting power constraints. Performance of the system within the biological tissues is examined via simulations and experiments. Our second contribution deals with designing single and dual-polarization antennas for wireless ultra-wideband neural recording systems using an inhomogeneous multi-layer model of the human head. Antennas made from flexible materials are more easily adapted to implantation; we investigate both flexible and rigid materials and examine performance trade-offs. The proposed antennas are designed to operate in a frequency range of 2–11 GHz (having S11 below -10 dB) covering both the 2.45 GHz (ISM) band and the 3.1–10.6 GHz UWB band. Measurements confirm simulation results showing flexible antennas have little performance degradation due to bending effects (in terms of impedance matching). Finally, a comparison is made of four implantable antennas covering the 2-11 GHz range: 1) rigid, single polarization, 2) rigid, dual polarization, 3) flexible, single polarization and 4) flexible, dual polarization. In all cases a rigid antenna is used outside the body, with an appropriate polarization. Several advantages were confirmed for dual polarization antennas: 1) smaller size, 2) lower sensitivity to angular misalignments, and 3) higher fidelity. Our third contribution provides system level design of wireless communication architecture for implanted systems that simultaneously stimulate neurons and record neural responses. This architecture supports large numbers of electrodes (> 500), providing 100 Mb/s for the downlink of stimulation signals, and Gb/s for the uplink neural recordings. We propose a transceiver architecture that shares one ultra-wideband antenna, a streamlined transceiver working at full-duplex on both bands, and a novel pulse shaper for the Gb/s uplink supporting several modulation formats. We present an ex-vivo experimental demonstration of the architecture using discrete components achieving Gb/s uplink rates. Good bit error rate performance over a biological channel at 0.5, 1, and 2 Gbps data rates for uplink telemetry (UWB) and 100 Mbps for downlink telemetry (2.45 GHz band) is achieved. Our fourth contribution presents circuit level design of the novel full-duplex transceiver (FDT) which is presented in our third contribution. This full-duplex transceiver supports high-density and multimodal neural interfacing applications (high-channel count stimulating and recording) with asymmetric data rates. The transmitter (TX) and receiver (RX) share a single antenna to reduce implant size. The TX uses impulse radio ultra-wide band (IR-UWB) based on an edge combining approach, and the RX uses a novel 2.4-GHz on-off keying (OOK) receiver. Proper isolation (> 20 dB) between the TX and RX path is implemented 1) by shaping the transmitted pulses to fall within the unregulated UWB spectrum (3.1-7 GHz), and 2) by spaceefficient filtering (avoiding a circulator or diplexer) of the downlink OOK spectrum in the RX low-noise amplifier. The UWB 3.1-7 GHz transmitter can use either OOK or binary phase shift keying (BPSK) modulation schemes. The proposed FDT provides dual band 500-Mbps TX uplink data rate and 100 Mbps RX downlink data rate, and it is fully integrated into standard TSMC 0.18 um CMOS within a total size of 0.8 mm2. The total measured power consumption is 10.4 mW in full duplex mode (5 mW at 100 Mbps for RX, and 5.4 mW at 500 Mbps or 10.8 pJ/bit for TX). Our fifth contribution is a collaboration project with McGill University which we design single and dual-polarization antennas for wireless ultra-wideband breast cancer detection systems using an inhomogeneous multi-layer model of the human breast. Antennas made from flexible materials are more easily adapted to wearable applications. Miniaturized flexible monopole and spiral antennas on a 50 um Kapton polyimide are designed, using a high frequency structure simulator (HFSS), to be in contact with biological breast tissues. The proposed antennas are designed to operate in a frequency range of 2–4 GHz (with reflection coefficient (S11) below -10 dB). Measurements show that the flexible antennas have good impedance matching while in different positions with different curvature around the breast. Furthermore, two flexible conformal 4×4 ultra-wideband antenna arrays (single and dual polarization), in a format similar to that of a bra, were developed for a radar-based breast cancer detection system

Reader Design for Chipless Millimeter-Wave Identification (MMID)TAG

RÉSUMÉ L’identification par radiofréquence (RFID) est une technologie d'identification qui a de nombreuses applications utiles telles que le suivi des marchandises et les contrôles d’accès. RFID est une technique de transmission et réception à courte distance « sans-contact » pour envoyer des données ID à un lecteur à partir d’un objet marqué. Un système RFID se compose d’une étiquette de support de données, un lecteur, un middleware et une application d'entreprise. Tout d'abord, le signal transmis est généré par le lecteur, après une certaine distance de transmission dans l'espace libre, l’étiquette reçoit le signal détecté et après le traitement de signal ou codage du signal sur l'étiquette, le signal codé est renvoyé au lecteur. La réception et le traitement du signal seront finalement faits au récepteur. Cependant, la technologie RFID est entravée en raison de son prix élevé. Les étiquettes RFID sans puce résolvent le problème de coût et ont le potentiel de pénétrer aux marchés en grand public pour l’étiquetage de l’article à faible coût. Pour les étiquettes sans puce il n'y a pas de traitement de signal. Le traitement du signal se fait uniquement au niveau du lecteur. Ainsi, un lecteur qui est utilisé pour communiquer avec l’étiquette est également important dans un système de communication. Le domaine de fréquence ou la signature spectrale en fonction des étiquettes sans puce est un type d’étiquette sans puce. D'autre part, l'émetteur et le récepteur se composent d'un lecteur. Basé sur le principe de fonctionnement des étiquettes sans puce dans le domaine de fréquence, un lecteur comprend un émetteur et un récepteur utilisés pour communiquer avec une étiquette de fréquence et est présenté dans cette thèse. Tout d'abord, le principe de fonctionnement détaillé du système MMID sans puce, dans le domaine fréquentiel est introduit. D'autre part, sur la base du principe de fonctionnement, les spécifications de la conception du lecteur sont proposées. Plusieurs topologies différentes de la conception du lecteur seront comparées et la meilleure topologie sera sélectionnée pour la conception du lecteur. En second lieu, sur la base des spécifications du système de lecture et de la topologie sélectionnée, les résultats de simulation de la structure sélectionnée de lecteur sont présentés. Après les simulations, la conception du chaque composant est montré. Dans cette conception de système des circuits, tous les circuits passifs sont conçus et simulés dans HFSS et mesurés sur VNA. Tous les circuits actifs sont des puces commerciale de différentes compagnies. Les résultats des simulations et mesures de chaque circuit passif sont affichés.----------ABSTRACT Radiofrequency identification (RFID) technology is an identification technology that has many useful applications such as tracking goods and access controls. RFID is a touchless, short distance transmission and reception technique for ID data that is sent from a labeled object to a reader. A data-carrying tag, a reader, middleware and an enterprise application would make up a RFID system. Firstly, the transmitted signal is generated by the reader, the tag receiver, after a certain distance of transmission in free space, a detected signal and after processing signal or encoding signal on the tag, the encoded signal is then sent back to the reader. Signal receiving and processing part will be finally processed in the receiver. However, the RFID technology is hindered because of its high price tag. Chipless RFID tags solve the cost issues and have the potential to penetrate into mass markets for low-cost item tagging. For chipless tags, there is no signal processing in tags, the signal processing is done only in the reader. So a reader, which is used to communicate with the tag, is also important in a communication system. Frequency domain or spectral signature-based chipless tags are some kinds of chipless tag. On the other hand, transmitter and receiver are the core parts of a reader, based on the working principle of frequency domain chipless tags, a reader that includes a transmitter and a receiver used to communicate with frequency tag is presented in this dissertation. First of all, the detailed working principle of a chipless MMID system in the frequency domain is introduced. Based on the working principle, the specifications of the reader design are proposed. Several different topologies of the reader design will be compared and the best topology will be selected for our reader design. Secondly, based on the specifications of the reader system and the selected topology, the simulation results of the selected structure of the reader are presented. After the simulations, the design of each component is shown. In this system design, all the passive circuits are designed and simulated in HFSS and tested on VNA. All the active circuits are commercial chips from different companies. Simulation and measurement results for each passive circuit are given. Finally, the whole circuits including designed passive circuits and active circuits are integrated into a system board to create a reader system. There are two system boards finally fabricated, one transmitter board and one completed reader board. The transmitter board is tested firstly. Upon achieving good results of the transmitter board, the whole transceiver board is tested finally

Substrate Integrated Waveguide Devices and Receiver Systems for Millimeter-Wave Applications

RÉSUMÉ La très forte congestion du spectre radiofréquence alloué aux fréquences RF et micro-ondes pour les communications sans fil d’aujourd’hui motive ce travail de recherche qui se consacre aux bandes millimétriques pour lesquelles d’avantages d’allocations spectrales sont disponibles, et qui est particulièrement intéressante pour le transfert à très haut débit. Comparé aux autres technologies de ligne de transmission, le Guide Intégré au Substrat (GIS) montre des avantages très attractifs comme un faible profil, un faible coût, un haut facteur de qualité (facteur Q), de faibles pertes d’insertion... Ce dernier a gagné beaucoup d’attention récemment grâce à ces caractéristiques favorables pour la conception de circuits et systèmes millimétriques. Le sujet de ce doctorat concerne deux tâches de recherche distinctes : la première est dédiée à l’investigation et à la conception de composants et d’antennes GIS innovants pour une possible application en ondes millimétriques; la seconde se consacre à la mise au point et à la démonstration de systèmes de réceptions millimétriques de tailles compactes, faibles pertes, à haut niveau d’intégration et hautes performances. Les chapitres 1 à 4 se concentrent sur l’exploitation et l’investigation, un à un, de composants GIS pour lesquels un nombre de concepts originaux et innovants de structures est proposé et démontré. Dans le chapitre 5, les architectures classiques et les paramètres des systèmes de réception sont introduits, puis utilisés pour la conception de systèmes de réceptions millimétriques dans les chapitres suivants. Du chapitre 6 au chapitre 8, des systèmes submillimétriques et millimétriques basés sur le GIS sont démontrés. Les contributions majeures de cette thèse sont les suivantes : Une structure balancée large bande inhérente peut être obtenue en imprimant un circuit sur deux faces d’un substrat GIS. Ainsi, un balun planaire large bande GIS implémenté sur un circuit imprimé (ou PCB, pour Printed Circuit Board) simple couche est proposé et présenté, suite auquel une nouvelle transition large bande de ligne microruban à ligne parallèle est démontrée. Avec cette transition proposée comme réseau d’alimentation, une nouvelle antenne large bande quasi-Yagi planaire est développée.----------ABSTRACT The heavily congested condition at the existing radio frequency (RF)/microwave spectra allocated for the today’s wireless communications motivates and expedites the research work at millimeter-wave bands where more spectrum space is available for massive data rate delivery. Compared with other transmission line techniques, the substrate integrated waveguide (SIW) platform shows attractive advantages of low profile, low-cost, high Q-factor, and low insertion loss, etc. It has gained a lot of attention recently due to its favorable features in millimeter-wave circuit/system design. The topic of this doctoral dissertation are concerned with two distinct research tasks: (1) investigating and designing innovative SIW components and antennas for possible millimeter-wave applications; (2) developing and demonstrating geometry-compact, low cost, high level of integration and high performance millimeter-wave receiver systems. Chapters 1 to 4 focus on the exploitation and investigation of individual SIW devices, in which a number of original concepts and innovative structures are proposed and demonstrated. In Chapter 5, generic architectures and parameters of receiver systems are discussed and used as a guideline for the millimeter-wave system design in the next chapters. From Chapter 6 to Chapter 8, sub-millimeter/millimeter wave systems based on SIW technique are demonstrated. The major contributions of this thesis work can be highlighted as follows:An inherent broadband balanced structure can be achieved by printing circuits on two opposite sides of an SIW substrate. According to this feature, a broadband SIW planar balun implemented on a single layer printed circuit board (PCB) is proposed and presented, following which another newly proposed broadband microstrip-to-broadside parallel stripline transition is demonstrated. With the proposed transition as the feeding network, a novel broadband printed quasi-Yagi antenna is developed. Half-mode substrate integrated waveguide (HMSIW) and quarter-mode substrate integrated waveguide (QMSIW) techniques are introduced for the purpose of miniaturizing SIW circuits and enhancing the bandwidth

Module wireless 60 GHz intégré en 3D sur silicium

The evolution of semi-conductor technology nodes has led to a significant miniaturization of today's RF front-ends and to the enhancement of the electrical performance of transceivers at higher frequencies. This leads to the diversification of RF/millimeter-wave (30 – 300 GHz) applications in the fields of telecommunications, multimedia entertainment, automotive and security. More specifically, telecommunications are going through a real revolution with the creation of new standards (such as WiGiG and IEEE 802.11ad) and the introduction of new network architectures based on point-to-point links as the backbone of the 5th generation of mobile networks. In this PhD work, we will focus on integrated wireless and low consumption modules operating in the 57 – 66 GHz band (generally designated as the 60 GHz band). At these frequencies, the free-space wavelength is comparable to the characteristic dimensions of most standard transceiver packages. This opens an opportunity to integrate the antennas as well as other passive components directly to the metal/dielectric stack or in the package. This new generation of electronic devices which are dedicated to the nomad terminal market brings new challenges in terms of electrical performance, mechanical reliability, cost and manufacturability. Microelectronic packaging plays in this case a key role in defining the global performance of the system. Its functions extend beyond the protection of the IC and cover other schemes with opportunities to integrate passive and active devices. This work focuses on the study of an SiP module (System-in-Package) featuring 3D integration on Silicon interposer. The dissertation comprises four chapters and is structured as follows: In the first chapter, a brief introduction of millimeter-waves and their propagation conditions is given. Then, examples of current and emerging civilian and military applications are addressed. State of the art of SiP/mmW modules is then presented according to different technology approaches proposed by industrial and academic contributors. The second chapter is dedicated to the study of a 60 GHz integrated module on a high-resistivity silicon interposer chip. We focus on electrical characterization methods which are adapted to different building blocks of the silicon back-end technology. These include interconnects, dielectrics and integrated antennas. The characterization steps also include full-scale and standard-compliant tests of two communicating 60 GHz modules. In the third chapter, we propose to improve the existing module with a novel antenna design based on a High-Impedance Surface (HIS) reflector. This design is intended to bring more compactness and higher reliability to the original one while conserving the overall electrical performance. Finally, the fourth chapter deals with the fabrications and experimental validation of the antenna test vehicle as well as the wideband characterization of the dielectrics used for the new stack.L'évolution des nœuds technologiques dans l'industrie des semi-conducteurs se traduit de nos jours, dans le domaine des radiofréquences, par une miniaturisation des front-ends et une amélioration des performances électriques des émetteurs-récepteurs à des fréquences de plus en plus hautes. Cette évolution a conduit à la diversification des applications en bandes millimétriques (30 – 300 GHz) dans les secteurs des télécommunications, du divertissement multimédia, de l'automobile et de la sécurité. Plus particulièrement, le secteur des télécommunications connaît aujourd'hui une réelle révolution avec la création de nouveaux standards pour les liens sans-fil millimétriques à courte portée (comme WiGiG et IEEE 802.11ad) et l'apparition de nouvelles architectures basées sur des liaisons point-à-point qui constitueront dans les prochaines années la colonne vertébrale de la cinquième génération des réseaux mobiles. Dans le cadre de ces travaux de thèse, un intérêt particulier sera porté sur les modules intégrés sans fils et à faible consommation opérant dans la bande 57 – 66 GHz (dite généralement 60 GHz). A ces fréquences, la longueur d'onde en espace libre est comparable aux dimensions caractéristiques des boitiers standards utilisés pour l'encapsulation des transceivers. Il devient donc envisageable d'intégrer les antennes ainsi que d'autres composants passifs directement dans l'empilement technologique du circuit ou dans le boitier. Cette nouvelle génération de dispositifs électroniques, destinés au marché des terminaux portables, introduit de nouveaux défis en termes de performances électriques, de fiabilité mécanique, de coût et de possibilités d'industrialisation. Le packaging microélectronique joue dans ce cas un rôle principal dans la définition des performances globales du système qui s'étend au-delà de la simple protection de circuits intégrés pour couvrir d'autres fonctions d'intégration de divers dispositifs actifs et passifs. L'axe principal d'étude adopté ici porte sur le packaging d'un module SiP (System-in-Package) intégré en 3D et réalisé en technologie interposer silicium. Le mémoire de thèse s'articule en quatre chapitres : Le premier chapitre donne dans un premier temps une brève introduction aux bandes millimétriques et aux conditions de propagation spécifiques à ces bandes avant de présenter des exemples d'applications relevant de divers domaines civils et militaires. Ensuite, nous dressons un état de l'art des modules SiP millimétriques intégrés selon différentes approches technologiques. Le second chapitre est consacré à l'étude d'un module 60 GHz intégré sur silicium haute-résistivité en technologie interposer silicium. Nous nous intéressons aux méthodes de caractérisation adaptées aux diverses briques technologiques du back-end silicium spécifique aux applications RF-millimétriques et notamment les interconnexions, les matériaux diélectriques ainsi que les antennes intégrées. La caractérisation inclut également un test d'émission-réception entre deux modules 60 GHz. Dans le troisième chapitre, nous proposons d'améliorer le module grâce à un nouveau design d'antennes utilisant le concept de Surface Haute-Impédance (SHI). Ce design est destiné à octroyer plus de compacité et plus de fiabilité au module tout en conservant ses performances électriques. Finalement, le quatrième chapitre détaille les étapes de fabrication du véhicule de test antennaire ainsi que des résultats de caractérisation des antennes et des nouveaux matériaux diélectriques utilisés pour l'empilement technologique

Design for reliability applied to RF-MEMS devices and circuits issued from different TRL environments

Ces travaux de thèse visent à aborder la fiabilité des composants RF-MEMS (commutateurs en particulier) pendant la phase de conception en utilisant différents approches de procédés de fabrication. Ça veut dire que l'intérêt est focalisé en comment éliminer ou diminuer pendant la conception les effets des mécanismes de défaillance plus importants au lieu d'étudier la physique des mécanismes. La détection des différents mécanismes de défaillance est analysée en utilisant les performances RF du dispositif et le développement d'un circuit équivalent. Cette nouvelle approche permet à l'utilisateur final savoir comment les performances vont évoluer pendant le cycle de vie. La classification des procédés de fabrication a été faite en utilisant le Technology Readiness Level du procédé qui évalue le niveau de maturité de la technologie. L'analyse de différentes approches de R&D est décrite en mettant l'accent sur les différences entre les niveaux dans la classification TRL. Cette thèse montre quelle est la stratégie optimale pour aborder la fiabilité en démarrant avec un procédé très flexible (LAAS-CNRS comme exemple de baisse TRL), en continuant avec une approche composant (CEA-Leti comme moyenne TRL) et en finissant avec un procédé standard co-intégré CMOS-MEMS (IHP comme haute TRL) dont les modifications sont impossibles.This thesis is intended to deal with reliability of RF-MEMS devices (switches, in particular) from a designer point of view using different fabrication process approaches. This means that the focus will be on how to eliminate or alleviate at the design stage the effects of the most relevant failure mechanisms in each case rather than studying the underlying physics of failure. The detection of the different failure mechanisms are investigated using the RF performance of the device and the developed equivalent circuits. This novel approach allows the end-user to infer the evolution of the device performance versus time going one step further in the Design for Reliability in RF-MEMS. The division of the fabrication process has been done using the Technology Readiness Level of the process. It assesses the maturity of the technology prior to incorporating it into a system or subsystem. An analysis of the different R&D approaches will be presented by highlighting the differences between the different levels in the TRL classification. This thesis pretend to show how reliability can be improved regarding the approach of the fabrication process starting from a very flexible one (LAAS-CNRS as example of low-TRL) passing through a component approach (CEA-Leti as example of medium-TRL) and finishing with a standard co-integrated CMOS-MEMS process (IHP example of high TRL)

Millimeter-Wave Substrate Integrated Waveguide Antenna and Front-End Techniques for Gigabyte Point-to-Point Wireless Services

RÉSUMÉ La relativement faible absorption atmosphérique dans les bandes de fréquences E et W a permis le développement de nombreuses applications sans-fil. Les bandes de fréquences de 71-76 GHz, 81-86 GHz et 94.1-97 GHz sont toutes assignées au spectre de communication sans-fil gigabyte par la Federal Communication Commission (FCC) des États-Unis. Lorsque la fréquence augmente vers la région des ondes millimétriques, l’efficacité et la qualité des lignes micro-ruban sont affectées par de sérieuses pertes de transmission et par l’interférence inter-signaux. D’un autre côté, la technologie des guides d’ondes classique est demeurée populaire pour la conception de systèmes haute perfomance dans la bande E/W. Cependant, cette technologie n’est pas appropriée pour une production à grande échelle et à faible coût à cause de sa structure encombrante et coûteuse. De plus, la structure non-planaire des guide d’ondes rend difficile la connection à des composantes planaires actives ainsi qu’à d’autres lignes planaires telles que les lignes micro-ruban et les guides d’ondes coplanaires (CPW). Afin de remédier à ce problème, les circuits intégrés aux substrats (SIC) ont été proposés comme une solution à faible coût, à efficacité élevée, planaire et intégrée au substrat pour des applications à hautes-fréquences. Les guides d’ondes intégrés aux substrats (SIW), faisant partie de la famille des SIC, possède non seulement les avantages des guides d’ondes rectangulaires mais aussi d’autres bénéfices comme un faible coût, une petite taille, un poids léger et la facilité de fabrication par les techniques de fabrication des PCB ou d’autres techniques. Dans cette thèse, nous élargissons la recherche sur les SIW en proposant et développant une variété d’antennes innovatrices, de réseaux d’antennes et de composantes passives millimétriques qui sont appliqués à la conception et à la démonstration de réseaux d’antennes intégrés et d’étages d’entrée de systèmes de communication en bande E/W. Les contributions scientifiques principales du présent travail peuvent être résumées comme suit: Un réseau d’antenne 4x4 utilisant la technologie des guides d’ondes intégrés au substrat (SIW) pour la conception de son réseau d’alimentation est proposé et démontré. Des fentes longitudinales gravées sur la surface métallique du dessus du SIW sont utilisées pour alimenter les éléments du réseau d’antennes. Des cubes composés d’un matériau diélectrique à faible permittivité sont placés au-dessus de chaque réseau d’antenne 1x4 afin d’augmenter le gain des antennes patch. La largeur de bande de deux réseaux d’antennes 4x4 est d’environ 7.5 GHz (94.2-101.8 GHz) avec un gain de 19 dBi.----------ABSTRACT The relatively low atmospheric absorption over E-band and W-band (frequency window) has been spurred many wireless applications. Frequency bands of 71-76 GHz, 81-86 GHz, and 94.1-97 GHz are all allocated by the US Federal Communication Commission (FCC) as parts of gigabyte wireless spectrum. As frequency increases to millimeter wave region, the efficiency and quality of microstrip lines suffer from serious transmission losses and signal interferences. On the other hand, classical waveguide technology has been popular in the design of high-performance millimeter-wave systems at E/W-band. However, this technology is not suitable for low-cost and mass production because of its expensive and bulky structure. In addition, the non-planar structure of waveguide makes it difficult to get connected to planar active components and other planar lines such as microstrip line and coplanar waveguide (CPW). To overcome this bottleneck problem, substrate integrated circuits (SICs) have been proposed as low-cost and high-efficient integrated planar structures for high-frequency applications. Substrate integrated waveguide (SIW), which is part of the SICs family, has manifested not only the advantages of rectangular waveguide but also other benefits such as low cost, compact size, light weight, and easy fabrication using PCB or other processing techniques. In this Ph.D. thesis, we extend the research of SIW to the proposal and development of various innovative antennas, antenna arrays and millimetre-wave passive components, which are applied to the design and demonstration of integrated antenna arrays and E/W-band front-end sub-systems. The principal scientific contributions of this thesis work can be summarized in the following: A 4×4 antenna array is proposed and demonstrated using substrate-integrated waveguide (SIW) technology for the design of its feed network. Longitudinal slots etched on the SIW top metallic surface are used to drive the array antenna elements. Dielectric cubes made of low-permittivity material are placed on top of each 1×4 antenna array to increase the gain of circular patch antenna elements. Measured impedance bandwidths of two 4×4 antenna arrays are about 7.5 GHz (94.2–101.8 GHz) with 19 dBi gain. Design of planar dielectric rod antenna is proposed and studied, which is fed by Substrate Integrated Non-Radiative Dielectric (SINRD) waveguide. This antenna presents numerous interesting features such as broad bandwidth (94-104 GHz), relatively high and stable gain, use of high dielectric constant substrate, and substrate-oriented end-fire radiation