Development of MEMS switch device technology MEMS - MicroelectromechanicalSystems - for RF - radio frequency - and new topologies of RF CMOS integrated circuits for radio receivers input sub-systems

Orientador: Luiz Carlos KretlyTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de ComputaçãoResumo: Este trabalho apresenta dois tópicos de pesquisa, o primeiro é referente ao projeto e desenvolvimento da tecnologia de fabricação de Chaves MEMS (Micro Electro Mechanical System) de RF e o segundo é o projeto de circuitos integrados. No que se refere a chaves MEMS, descreve-se o processo e a metodologia para projeto de Chaves MEMS paralela sobre linha de transmissão coplanar (CPW). A estrutura é composta de uma ponte metálica suspensa em ambos os lados por dois postes metálicos conectados ao plano de terra. As chaves são projetadas para uma baixa tensão de ativação (16 V) e com larga banda de operação em freqüência (400 MHz ¿ 4GHz) possibilitando seu uso na maioria dos padrões de sistemas de comunicação. Também é descrita a metodologia do projeto auxiliado por simulações eletromecânicas e eletromagnéticas e finalmente é apresentada a caracterização de 4 chaves construídas. Após extensa pesquisa na literatura técnico-científica, foi identificado que este é o primeiro trabalho no Brasil dedicado ao desenvolvimento de tecnologia de fabricação de chaves MEMS. Os projetos de circuitos integrados foram realizados em tecnologia CMOS 0,35 µm e incluem: multiplicador de tensão e oscilador em anel, chaveador SPDT (Single Pole Double Through), amplificador de baixo ruído e modulador BPSK. Sendo os circuitos multiplicador de tensão e oscilador em anel projetados para aplicações em chaves MEMS. Os circuitos SPDT, amplificador de baixo ruído e modulador BPSK são parte integrante de Front-End de RF, com recepção em 1,8 GHz (banda D - GSM) e transmissão em 868,3 MHz (padrão Zigbee). São descritos os guias de projeto para cada circuito com simulações e desenho de layout. Especificamente para os circuitos, multiplicador de tensão e amplificador de baixo ruído são apresentadas novas topologias. Estes dois circuitos estão em via de preparação de patente. Finalmente, as caracterizações de cada circuito são apresentadas, com exceção do modulador BPSKAbstract: This work presents two main research topics: the first refers to the design and the development of a fabrication technology for RF MEMS (Micro Electromechanical Systems) Switches and the second to the design of RF integrated circuits. In relation to MEMS switches, it describes the fabrication process and the design methodology of Shunt MEMS switches over a coplanar transmission line (CPW). The structure is composed by a metallic bridge anchored on both ends by two metallic posts connected to the ground plane. The switches are designed to operate at low activation voltage (16 V) and with a large band of operating frequency (400 MHz ¿ 4GHz), making possible its use in many communication systems. It is also described a design methodology assisted by electromechanical and electromagnetic simulations, and finally it is presented the characterization of 4 switches. After extensive search in technical literature, it was identified that this is the first work in Brazil dedicated to the technology development and fabrication of MEMS switches. The integrated circuits designs are realized in CMOS 0.35 µm technology and includes: charge pump and ring oscillator, SPDT switcher (Single Pole Double Through), low noise amplifier and BPSK modulator. The circuits charge pump and ring oscillator are intended to MEMS switches applications. The circuits SPDT, low noise amplifier and BPSK modulator are integrating parts of a RF Front-End, with reception at 1.8 GHz (band D ¿ GSM) and transmission at 868.3 MHz (ZigBee standard). The design guidelines to each circuit are described, with simulations and layout drawing. Specifically to the circuits charge pump and low noise amplifier, it is presented new topologies with innovation in the area. These two circuits have their patent process under preparation. Finally, the characterization of each circuit is presented, with exception of the BPSK modulatorDoutoradoEletrônica, Microeletrônica e OptoeletrônicaDoutor em Engenharia Elétric

A New Reconfigurable Filter Based on a Single Electromagnetic Bandgap Honey Comb Geometry Cell

This work presents a new unit cell electromagnetic bandgap (EBG) design based on HoneyComb geometry (HCPBG). The new HCPBG takes a uniplanar geometry (UCPBG—uniplanar compact PBG) as a reference and follows similar design methods for defining geometric parameters. The new structure’s advantages consist of reduced occupied printed circuit board area and flexible rejection band properties. In addition, rotation and slight geometry modification in the HCPBG cell allow changing the profile of the attenuation frequency range. This paper also presents a reconfigurable unit cell HCPBG filter strategy, for which the resonance center frequency is shifted by changing the gap capacitance with the assistance of varactor diodes. The HCPBG filter and reconfiguration behavior is demonstrated through electromagnetic (EM) simulations over the FR1 band of the 5G communication network. Intelligent communication systems can use the reconfiguration feature to select the optimal operating frequency for maximum attenuation of unwanted or interfering signals, such as harmonics or intermodulation products