Non reciprocal passive components on LTCC ferrite substrate

par Shicheng Yang

Thèse de doctorat en Optique, Photonique, Hyperfréquences

Sous la direction de Didier Vincent et de Langis Roy.

Soutenue le 02-10-2015

à Saint-Etienne en cotutelle avec Carleton university (Ottawa) , dans le cadre de École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne) , en partenariat avec Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne) (laboratoire) .

Le président du jury était Philippe Ferrari.

Le jury était composé de Didier Vincent, Langis Roy, Rony Amaya, Arne Jacob, Odile Picon, Joey Bray, Bernard Bayard.

  • Titre traduit

    Composants passifs non réciproques hyperfréquences sur substrat ferrite LTCC


  • Résumé

    Cette thèse concerne de l’étude de composants passifs non-réciproque (circulateurs) fabriqué sur substrat LTCC ferrite. Les aimants externes utilisés dans les circulateurs classiques doivent créer un champ magnétique intense pour compenser le champs de démagnétisant dans le ferrite. Le nouveau circulateur présenté ici utilise une bobine intégrée dans le LTCC ferrite pour magnétiser le matériau de l'intérieur, pour réduire considérablement les effets des champs démagnétisants. Il est possible de contrôler le champ de polarisation rendant le dispositif multifonctionnel: lorsque la bobine est excitée par un courant, le dispositif fonctionne comme un circulateur dynamique dans lequel la direction de circulation peut être basculée en changeant la direction du courant. Si un aimant externe est placé sur le circulateur, sa fréquence de fonctionnement peut être accordée en ajustant le courant de polarisation. Contrairement à d'autres circulateurs LTCC avec aimants externes, le dispositif proposé peut même fonctionner comme un diviseur de puissance sans courant de polarisation. Un prototype de circulateur a été réalisé et caractérisé dans trois états: 1. démagnétisé, 2. Magnétisé par la bobine, 3. magnétisé par la bobine et des aimants externes. En l'absence de courant appliqué, la transmission de chaque port est d'environ -5 dB avec un coefficient de réflexion inférieur à -20 dB à 14,8 GHz. Quand un courant de 300 mA est injecté dans la bobine, les pertes d'insertion et l'isolation mesurées sont d'environ 3 dB et 8 dB, respectivement. Le coefficient de réflexion est inférieur à -20 dB à 14,2 GHz. Lorsque les aimants externes sont ajoutés avec un courant de 200 mA, les pertes d'insertion et l'isolation a été améliorée à 1,6 dB et 23 dB, respectivement à 14,2 GHz. La variation de la fréquence de travail du circulateur est de 0,6 GHz. Elle est due par la variation de l'aimantation M interne lorsque le courant est inférieur à 120 mA, puis par l’augmentation de la température créée par le courant dans la bobine. La taille (L * W * H) totale du circulateur réalisé est de 8mm * 8mm *1.1mm. Ce travail monte qu’il est possible d’intégrer (MMIC) sur un substrat LTCC ferrite des circuits passifs non-réciproques


  • Résumé

    This thesis investigates passive non-reciprocal components (mainly circulators) based on ferrite Low Temperature Co-fired Ceramic (LTCC) substrate. The external magnets used in conventional circulators must be strong to overcome the ferrite's demagnetization field. The novel circulator presented herein uses an embedded winding within the ferrite substrate to magnetize the material from the inside, thereby significantly reducing the demagnetization effects. Because of the controllability of the bias field, the resulting device is also multifunctional: when the windings are energized by a current, the device operates as a dynamic circulator in which the circulation direction can be changed by switching the direction of the current. Unlike other LTCC circulators with external magnets, the proposed device can even operate as a power splitter by removing the bias current. A circulator prototype has been characterized in three states: unbiased, biased by winding and biased by winding and external magnets. When no current is applied, the transmission of each port is about -5 dB with return loss better than 20 dB at 14.8 GHz. When a current of 300 mA is injected into the winding, the measured insertion loss and isolation of the circulator is approximately 3 dB and 8 dB, respectively, whereas the return loss is better than 20 dB at 14.2 GHz. When external magnets are added in addition to the current of 200 mA, the insertion loss and isolation is improved to 1.6 dB and 23 dB, respectively at 14.2 GHz. The variation of the circulator's working frequency is 0.6 GHz. This is achieved firstly by the change of internal magnetization M when current is less than 120 mA, then the heat in the substrate due to the winding introduces more frequency shifting. The total size (L*W*H) is 8mm*8mm*1.1mm


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