Modélisation et conception de dispositifs accordables sur substrat semi-conducteur : étude d'une nouvelle démarche de co-conception

Given the proliferation of standards in telecommunication systems, tunability is becoming a priorityboth in terms of integration and cost. A single tunable circuit needs to be able to work according toseveral different standards. Nowadays, a tunable function (filter or antenna) in planar technology isa passive distributed device to which some active tuning elements are soldered. At least onecharacteristic of the device can therefore be varied (the central frequency and/or the bandwidth inthe case of a filter; or the resonant frequency, radiating pattern or polarization mode in the case ofan antenna). Because passive devices are distributed in order to propagate the electromagneticwave, they are often designed on a dielectric substrate to minimize losses. However, the additionof tuning elements causes some additional losses and disturbances (some parasitic effects canarise due to the packaging or the interconnection and discontinuities between active and passiveparts). Finally, these tunable functions reduce the flexibility of the design (due to the size andlocalization of the active tuning elements) and manufacturing (due to drilling and via metallization).In this context, we propose to co-design tunable microwave functions on a semiconductorsubstrate on which it is possible to build both the tunable element and the passive distributedcomponent. This co-design between the passive and active parts removes the constraints relatedto the tuning elements and drilling of via holes. The concept offers a greater flexibility with regard tothe size of doped areas, allowing them to be either localized or distributed. However, this approachrequires the substrate to be compatible with the propagation of the electromagnetic field and withthe design of the tunable element. The work of this thesis makes it possible to overcome suchobstacles by proposing some tradeoffs allowing the design and the manufacture of tunablemicrowave components in silicon technology, which have been validated by demonstrator circuits.During this work, a microstrip transmission line and a switch were co-designed. Goodperformances were obtained both in simulations and measurements. Moreover, a co-simulationapproach is proposed to take into account the semiconductor effects in electromagneticsimulations.Once validated, this concept was applied to other relatively simple tunable devices to show thepotential of this approach (in terms of performances and design flexibility). Applications includedtunable filters, reconfigurable waveguides (such as SIW: Substrate Integrated Waveguides) andfrequency-tunable antennas. This study showed promising results for the design of new tunablefilter topologies (SIW filters, coupled-line filters), tunable antennas (in resonant frequency orradiation pattern) and phase shifters. Finally, the approach shows potential for continuous tunablefunctions based on varactor diodes (with capacitance variation).Compte tenu de la multiplication des standards dans le domaine des télécommunications,l’accordabilité au sein des systèmes est devenue une priorité en termes d’intégration et de coût.Un seul circuit accordable doit ainsi permettre d’adresser plusieurs normes. Dans la gamme deshyperfréquences, en technologie planaire, la fonction accordable (filtre ou antenne) estactuellement un dispositif passif distribué sur lequel sont reportés un ou plusieurs élémentsd’accords. Il est ainsi possible de faire varier au moins une des caractéristiques du dispositif(fréquence centrale et/ou bande passante pour les filtres et fréquence de résonance, diagrammede rayonnement ou mode de polarisation pour les antennes). Le circuit passif étant distribué, pourassurer la propagation de l’onde, un matériau diélectrique faible pertes est généralement utilisé.Cependant, l’ajout d’éléments d’accord engendre des pertes et des perturbations liées au report ducomposant (éléments parasites au niveau de l’interconnexion et des discontinuités composantd’accord-dispositif passif, et de la mise en boitier du composant reporté). Enfin, cette manière deréaliser des fonctions accordables rend peu flexible la conception (dimensions et localisation ducomposant d’accord) et la fabrication (perçage et métallisation pour les vias).Dans ce contexte, nous proposons de co-concevoir des fonctions hyperfréquences accordablessur un substrat semi-conducteur sur lequel il est à la fois possible de réaliser le composantd’accord et le dispositif passif distribué. Cette co-conception du circuit passif et de son élémentd’accord permet d’éliminer toutes les contraintes liées au report de composant, au perçage de viamétallique et apporte une grande flexibilité au niveau du dimensionnement de la zone dopée. Eneffet, elles peuvent être soit localisées soit distribuées. Toutefois, ce concept nécessite que lesupport semi-conducteur soit à la fois compatible à la propagation de l’onde et à la réalisation del’élément d’accord. Ces travaux de thèse ont permis de lever ce verrou en proposant descompromis permettant la réalisation de composants accordables validés par des démonstrateurssur technologie silicium.Au cours de ces travaux, une ligne de transmission micro-ruban et un composant d’accord de typeswitch ont été co-conçus. De très bonnes performances, validées par la mesure, ont été obtenues.De plus, une démarche de co-simulation a été proposée pour prendre en compte les effets semiconducteursdans la simulation électromagnétique.Le concept ayant été validé, il a été ensuite appliqué à des dispositifs accordables relativementsimples afin de montrer le potentiel de cette démarche (en termes de performances et de flexibilitéde conception), tels que des filtres accordables, des guides d’ondes de type SIW (SubstrateIntegrated Waveguide) reconfigurables ou encore des antennes accordables en fréquence. Cestravaux font également apparaître de nombreuses perspectives pour la réalisation de nouvellestopologies de filtres accordables (filtres SIW, interdigités…), d’antennes accordables (enfréquence, en diagramme de rayonnement…) ou de déphaseurs. Enfin, un potentiel a été identifiépour de nouvelles topologies de fonctions accordables en continu à base de jonction de typediodes varactors (composants à capacités variables)

Modelling and co-design of tunable devices on a semiconductor substrate : study of a new co-design approach

Compte tenu de la multiplication des standards dans le domaine des télécommunications,l’accordabilité au sein des systèmes est devenue une priorité en termes d’intégration et de coût.Un seul circuit accordable doit ainsi permettre d’adresser plusieurs normes. Dans la gamme deshyperfréquences, en technologie planaire, la fonction accordable (filtre ou antenne) estactuellement un dispositif passif distribué sur lequel sont reportés un ou plusieurs élémentsd’accords. Il est ainsi possible de faire varier au moins une des caractéristiques du dispositif(fréquence centrale et/ou bande passante pour les filtres et fréquence de résonance, diagrammede rayonnement ou mode de polarisation pour les antennes). Le circuit passif étant distribué, pourassurer la propagation de l’onde, un matériau diélectrique faible pertes est généralement utilisé.Cependant, l’ajout d’éléments d’accord engendre des pertes et des perturbations liées au report ducomposant (éléments parasites au niveau de l’interconnexion et des discontinuités composantd’accord-dispositif passif, et de la mise en boitier du composant reporté). Enfin, cette manière deréaliser des fonctions accordables rend peu flexible la conception (dimensions et localisation ducomposant d’accord) et la fabrication (perçage et métallisation pour les vias).Dans ce contexte, nous proposons de co-concevoir des fonctions hyperfréquences accordablessur un substrat semi-conducteur sur lequel il est à la fois possible de réaliser le composantd’accord et le dispositif passif distribué. Cette co-conception du circuit passif et de son élémentd’accord permet d’éliminer toutes les contraintes liées au report de composant, au perçage de viamétallique et apporte une grande flexibilité au niveau du dimensionnement de la zone dopée. Eneffet, elles peuvent être soit localisées soit distribuées. Toutefois, ce concept nécessite que lesupport semi-conducteur soit à la fois compatible à la propagation de l’onde et à la réalisation del’élément d’accord. Ces travaux de thèse ont permis de lever ce verrou en proposant descompromis permettant la réalisation de composants accordables validés par des démonstrateurssur technologie silicium.Au cours de ces travaux, une ligne de transmission micro-ruban et un composant d’accord de typeswitch ont été co-conçus. De très bonnes performances, validées par la mesure, ont été obtenues.De plus, une démarche de co-simulation a été proposée pour prendre en compte les effets semiconducteursdans la simulation électromagnétique.Le concept ayant été validé, il a été ensuite appliqué à des dispositifs accordables relativementsimples afin de montrer le potentiel de cette démarche (en termes de performances et de flexibilitéde conception), tels que des filtres accordables, des guides d’ondes de type SIW (SubstrateIntegrated Waveguide) reconfigurables ou encore des antennes accordables en fréquence. Cestravaux font également apparaître de nombreuses perspectives pour la réalisation de nouvellestopologies de filtres accordables (filtres SIW, interdigités…), d’antennes accordables (enfréquence, en diagramme de rayonnement…) ou de déphaseurs. Enfin, un potentiel a été identifiépour de nouvelles topologies de fonctions accordables en continu à base de jonction de typediodes varactors (composants à capacités variables).Given the proliferation of standards in telecommunication systems, tunability is becoming a priorityboth in terms of integration and cost. A single tunable circuit needs to be able to work according toseveral different standards. Nowadays, a tunable function (filter or antenna) in planar technology isa passive distributed device to which some active tuning elements are soldered. At least onecharacteristic of the device can therefore be varied (the central frequency and/or the bandwidth inthe case of a filter; or the resonant frequency, radiating pattern or polarization mode in the case ofan antenna). Because passive devices are distributed in order to propagate the electromagneticwave, they are often designed on a dielectric substrate to minimize losses. However, the additionof tuning elements causes some additional losses and disturbances (some parasitic effects canarise due to the packaging or the interconnection and discontinuities between active and passiveparts). Finally, these tunable functions reduce the flexibility of the design (due to the size andlocalization of the active tuning elements) and manufacturing (due to drilling and via metallization).In this context, we propose to co-design tunable microwave functions on a semiconductorsubstrate on which it is possible to build both the tunable element and the passive distributedcomponent. This co-design between the passive and active parts removes the constraints relatedto the tuning elements and drilling of via holes. The concept offers a greater flexibility with regard tothe size of doped areas, allowing them to be either localized or distributed. However, this approachrequires the substrate to be compatible with the propagation of the electromagnetic field and withthe design of the tunable element. The work of this thesis makes it possible to overcome suchobstacles by proposing some tradeoffs allowing the design and the manufacture of tunablemicrowave components in silicon technology, which have been validated by demonstrator circuits.During this work, a microstrip transmission line and a switch were co-designed. Goodperformances were obtained both in simulations and measurements. Moreover, a co-simulationapproach is proposed to take into account the semiconductor effects in electromagneticsimulations.Once validated, this concept was applied to other relatively simple tunable devices to show thepotential of this approach (in terms of performances and design flexibility). Applications includedtunable filters, reconfigurable waveguides (such as SIW: Substrate Integrated Waveguides) andfrequency-tunable antennas. This study showed promising results for the design of new tunablefilter topologies (SIW filters, coupled-line filters), tunable antennas (in resonant frequency orradiation pattern) and phase shifters. Finally, the approach shows potential for continuous tunablefunctions based on varactor diodes (with capacitance variation)

Co-conception de composants hyperfréquences : Vers une conception globale du Front-End RF

This manuscript revolves around three main axes: The first focuses on microwave functions design carried out in 3D printing, where we take advantage of the degrees of freedom linked to these kind of technologies in order to propose miniature, low weight or multifunctional microwave components. The second concerns the study of components in multilayer technologies using cavities or solder-mask. Thanks to these technologies, it is possible to meet the need for compactness and to improve the performance of the devices (reduction of losses and increase in the quality factor). Indeed, thermo-diffusion makes possible to achieve air cavities. In addition, thanks to the use of solder-mask, the range ofimpedances is increased, as well as the couplings, which offers new solutions in terms of bandwidth with low manufacturing costs. And finally the third axis concerns an alternative and innovative solution for the co-design of flexible microwave functions carried out on a semiconductor substrate, such as antennas, filters and switches (present in all communicating systems), by considering the complexity of the function in a global point of view. Indeed, the active and passive elements are designed and optimized in the same design flow, which offers design flexibility by overcoming the constraints and problems associated with component transfers.Ce mémoire s’articule autour de trois grands axes : Le premier se concentre sur une conception de fonctions hyperfréquences réalisée en impression 3D, où l’on tire profit des degrés de liberté liés à la technologie afin de proposer des composants hyperfréquences miniatures, faibles poids ou à fonctions multiples. Le deuxième concerne l’étude de composants en technologie multicouches à cavité et à vernis. Grâce à ces technologies, il est possible de répondre au besoin de compacité. De plus, l’amélioration des performances (diminution des pertes et augmentation du facteur de qualité) a été montrée grâce à la thermo-diffusion, avec laquelle il est possible de réaliser des cavités à air. L’utilisation du vernis, permet d’augmenterla gamme des impédances, de même que les couplages, ce qui offre de nouvelles solutions en termes de bande passante avec des coûts de fabrication faibles. Et enfin le troisième axe porte sur une solution alternative et innovante de co-conception de fonctions hyperfréquences flexibles réalisées sur un substrat semi-conducteur, telles que les antennes, les filtres et les switches (présents dans tous les systèmes communicants), en considérant a priori la complexité liée à leur association d’un point de vue global. En effet, les éléments actifs et passifs sont conçus et optimisés dans un même flux de conception, ce qui offre une flexibilité de conception en s’affranchissant des contraintes et problèmes liés aux reports de composants

Co-conception de composants hyperfréquences : Vers une conception globale du Front-End RF

This manuscript revolves around three main axes: The first focuses on microwave functions design carried out in 3D printing, where we take advantage of the degrees of freedom linked to these kind of technologies in order to propose miniature, low weight or multifunctional microwave components. The second concerns the study of components in multilayer technologies using cavities or solder-mask. Thanks to these technologies, it is possible to meet the need for compactness and to improve the performance of the devices (reduction of losses and increase in the quality factor). Indeed, thermo-diffusion makes possible to achieve air cavities. In addition, thanks to the use of solder-mask, the range ofimpedances is increased, as well as the couplings, which offers new solutions in terms of bandwidth with low manufacturing costs. And finally the third axis concerns an alternative and innovative solution for the co-design of flexible microwave functions carried out on a semiconductor substrate, such as antennas, filters and switches (present in all communicating systems), by considering the complexity of the function in a global point of view. Indeed, the active and passive elements are designed and optimized in the same design flow, which offers design flexibility by overcoming the constraints and problems associated with component transfers.Ce mémoire s’articule autour de trois grands axes : Le premier se concentre sur une conception de fonctions hyperfréquences réalisée en impression 3D, où l’on tire profit des degrés de liberté liés à la technologie afin de proposer des composants hyperfréquences miniatures, faibles poids ou à fonctions multiples. Le deuxième concerne l’étude de composants en technologie multicouches à cavité et à vernis. Grâce à ces technologies, il est possible de répondre au besoin de compacité. De plus, l’amélioration des performances (diminution des pertes et augmentation du facteur de qualité) a été montrée grâce à la thermo-diffusion, avec laquelle il est possible de réaliser des cavités à air. L’utilisation du vernis, permet d’augmenterla gamme des impédances, de même que les couplages, ce qui offre de nouvelles solutions en termes de bande passante avec des coûts de fabrication faibles. Et enfin le troisième axe porte sur une solution alternative et innovante de co-conception de fonctions hyperfréquences flexibles réalisées sur un substrat semi-conducteur, telles que les antennes, les filtres et les switches (présents dans tous les systèmes communicants), en considérant a priori la complexité liée à leur association d’un point de vue global. En effet, les éléments actifs et passifs sont conçus et optimisés dans un même flux de conception, ce qui offre une flexibilité de conception en s’affranchissant des contraintes et problèmes liés aux reports de composants

A Novel Approach to Co-design Tunable Microwave Devices on Silicon

International audienc

Tunable Microwave Devices for Smart Systems

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Intrinsically microwave tunable resonator designed on silicon

International audienc

Novel approaches to design tunable devices

International audienc

A Novel Approach to Co-Design Microwave Devices with Distributed Switches

International audienc

Tunable feeding network for beam steering applications based on chalcogenide material

International audienceThis abstract presents a new concept of tunable feeding network for antenna arrays. The objective is to illustrate the potential application of a Phase-Change Material (PCM) to antenna array. We will use chalcogenide thin layer to introduce phase shifters in a one-to-four feeding network. Hence, a wide range of states will be achievable, spanning from normal 0° radiation to a 30° tilted radiation