Nouvelles Topologies des diviseurs de puissance, balun et déphaseurs en bandes RF et millimétiques, apport des lignes à ondes lentes

par François Burdin

Thèse de doctorat en Sciences et technologie industrielles

Sous la direction de Philippe Ferrari.

Soutenue le 16-07-2013

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Institut de la Microélectronique, Electromagnétisme et Photonique (équipe de recherche) .

Le président du jury était Christophe Gaquière.

Le jury était composé de Daniel Gloria.

Les rapporteurs étaient Eric Kerherve, Roberto Sorrentino.


  • Résumé

    L’objectif de cette thèse a été premièrement de réaliser des dispositifs passifs intégrés à base de lignes à onde lentes nommées S-CPW (pour « Slow-wave CoPlanar Waveguide ») aux fréquences millimétriques. Plusieurs technologies CMOS ou BiCMOS ont été utilisées: CMOS 65 nm et 28 nm ainsi que BiCMOS 55 nm. Deux baluns, le premier basé sur une topologie de rat-race et le second basé sur un diviseur de puissance de Wilkinson modifié, ainsi qu’un inverseur de phase, ont été réalisés et mesurés dans la technologie CMOS 65 nm. Les résultats expérimentaux obtenus se situent à l’état de l’art en termes de performances électriques. Un coupler hybride et un diviseur de puissance avec des sorties en phase sans isolation ont été conçus en technologie CMOS 28 nm. Les simulations montrent de très bonnes performances pour des dispositifs compacts. Les circuits sont en cours de fabrication et pourront très bientôt être caractérisés. Ensuite, une nouvelle topologie de diviseurs de puissance, avec sorties en phase et isolé a été développée, offrant une grande flexibilité et compacité en comparaison des diviseurs de puissance traditionnels. Cette topologie est parfaitement adaptée pour les technologies silicium. Comme preuve de concept, deux diviseurs de puissance avec des caractéristiques différentes ont été réalisés en technologie PCB microruban à la fréquence de 2.45 GHz. Un composent a été conçu à 60 GHz en technologie BiCMOS 55 nm utilisant des lignes S CPW. Les simulations prouvent que le dispositif est faibles pertes, adapté et isolé. Les circuits sont également en cours de fabrication. Enfin, deux topologies de « reflection type phase shifter » ont été développées, la première dans la bande RF et la seconde aux fréquences millimétrique. Pour la bande RF, le déphasage atteint plus de 360° avec une figure de mérite très élevée en comparaison avec l’état de l’art. En ce qui concerne le déphaseur dans la bande millimétrique, la simulation montre un déphasage de 341° avec également une figure de mérite élevée.

  • Titre traduit

    Design of passive components at 60 GHz (rat race and power divider) in CMOS 28 nm technology using slow wave transmission lines.


  • Résumé

    The first purpose of this work was the use of slow-wave coplanar waveguides (S CPW) to achieve various passive components with the aim to show their great potential and interest at millimetre-waves. Several CMOS or BiCMOS technologies were used: CMOS 65 nm and 28 nm, and BiCMOS 55 nm. Two baluns, one based on a rat-race topology and the other based on a modified Wilkinson power divider, and a phase inverter, were achieved and measured in a 65 nm CMOS technology. State-of-the-art results were achieved. A branch-line coupler and an in phase power divider without isolation were designed in a 28 nm CMOS technology. Really good performances are expected for these compact devices being yet under fabrication. Then, a new topology of in phase and isolated power divider was developed, leading to more flexibility and compactness, well suited to millimetre-wave frequencies. Two power dividers with different characteristics were realized in a PCB technology at 2.45 GHz by using microstrip lines, as a proof-of-concept. After that, a power divider was designed at the working frequency of 60 GHz in the 55 nm BiCMOS technology with S CPWs. The simulation results showed a low loss, full-matched and isolated component, which is also under fabrication and will be characterized as soon as possible. Finally, two new topologies of reflection type phase shifters were presented, one for the RF band and one for the millimetre-wave one. For the one in RF band, the phase shift can reach more than 360° with a great figure-of-merit as compared to the state-of-the-art. Concerning the phase shifter in the millimetre-wave band, the simulation results show a phase shift of 341° with also a high figure-of-merit.


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