Abstract. When shifting towards high frequency range, integration in the RF-front end becomes crucial. The ongoing planning of 6G communications systems causes a need to explore the possibilities beyond current 5G systems. To address the compactness and smaller sizes of the RF circuit components, the Integrated Passive Devices (IPD) multilayer technology provides us one solution to this problem. There are options already being tested in terms of implementing on-chip components, especially Antenna-in-Package (AiP) designs with a variety of different substrates. Among these technologies, Low Temperature Co-Fired Ceramic (LTCC) can be seen as a choice offering the freedom of multiple metal layers. IPD can be used for providing AiP solutions, as well as passive components such as baluns, filters, and power dividers.
The main target of this thesis is to explore the possibilities and limitations for high frequency designs offered by IPD technology developed by (VTT) Technical Research Centre of Finland. The technology has already been tested at 20 GHz, but the focus was to reach the D-band (110–170 GHz) frequency range and subsequently up to even G-band (220–330 GHz). The technology utilizes 3 metal layers and a high resistivity silicon substrate (a lossy material). Starting off with simple transmission line structures (microstrip lines, strip lines and coplanar waveguides), the designs up to 330 GHz, provided information on the possibilities offered by this technology. After that, different AiP options were simulated with frequencies ranging from D- band to G- band. In addition to single elements, also antenna arrays were studied. Additionally, bandpass filters were designed. The dielectric thickness and the width and thickness of 3 the metal layers play a pivotal role in defining the performance of all the RF components designed using this technology. Furthermore, the size and pitch of the RF probe pads used to excite the structures show an impact on the overall behavior of the transmission lines.Antennien ja RF-komponenttien suunnittelu ylemmille millimetritaajuuksille edistynyttä substraattitekniikkaa käyttäen. Tiivistelmä. Siirryttäessä korkeammille taajuuskaistoille RF-etupään integrointi on entistä tärkeämpää. Käynnissä oleva kuudennen sukupolven (6G) viestintäjärjestelmien suunnittelu edellyttää nykyisiä 5G-järjestelmiä edistyksellisempien teknologisten mahdollisuuksien tarkastelua. Entistä pienempien RF-piirikomponenttien toteuttaminen vaatii uusia teknisiä ratkaisuja, ja yksi mahdollisuus komponenttien pienentämiseen on käyttää integroituihin passiivirakenteisiin (Integrated Passive Devices, IPD) pohjautuvaa monikerrosteknologiaa. Eri vaihtoehtoja on jo testattu sirulle sijoitettavien komponenttien toteuttamiseen eri substraattimateriaaleilla, etenkin paketoitujen antenniratkaisujen (Antenna-in-Package, AiP) suunnittelemiseksi. Eräs vaihtoehto IPD:lle on matalan lämpötilan yhteissintrattava keraamiteknologia (Low Temperature Co-Fired Ceramic, LTCC), joka mahdollistaa useamman metallikerroksen hyödyntämisen suunniteltaessa AiP-rakenteita sekä muita passiivikomponentteja (kuten symmetrointimuuntajia, suodattimia sekä tehonjakajia).
Tämän opinnäytetyön päätavoitteena on tarkastella Valtion teknillisen tutkimuskeskuksen (VTT:n) kehittämän IPD-teknologian mahdollisuuksia ja rajoitteita korkean taajuuden rakenteiden suunnitteluun. IPD-teknologiaa on tähän mennessä testattu 20 GHz:n taajuudelle asti, mutta tässä työssä tarkoituksena on tutkia teknologiaa 110–170 GHz:n taajuuksille (D-kaista) sekä myöhemmin aina 220–330 GHz:iin saakka (G-kaista). Teknologia hyödyntää kolmea metallikerrosta sekä häviöllistä korkean ominaisvastuksen piisubstraattia. Yksinkertaisten siirtojohtorakenteiden (mikroliuskajohto, liuskajohto, koplanaarijohto) suunnittelu aina 330 GHz:n taajuudelle asti antoi tietoa teknologian mahdollisuuksista, minkä jälkeen erilaisia AiP-rakenteita simuloitiin D- ja G-kaistoilla. Yksittäisten antennielementtien ohella tarkasteltiin antenniryhmiä. Työssä suunniteltiin myös kaistanpäästösuodattimia. Käytettävissä olevien metalli- ja substraattikerrosten paksuudella sekä niiden mahdollistamilla liuskanleveyksillä on keskeinen rooli IPD-teknologialla suunniteltujen komponenttien suorituskyvyn kannalta. Lisäksi RF-mittapäiden kontaktikohtien koko ja välimatka vaikuttavat siirtojohtojen ominaisuuksiin
