Commutateurs MEMS RF hautes fréquences, fortes puissances

High power, high frequency RF MEMS switches

• Auteur / Autrice : Clement Dorion
• Direction : Pierre Blondy, Romain Stefanini, Valérie Madrangeas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes
• Date : Soutenance le 28/09/2021
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie des Systèmes, Mathématiques, Informatique (Limoges ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Président / Présidente : Dominique Cros
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Cros, Nathalie Deltimple, Erwan Fourn

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radiofréquences

Systèmes microélectromécaniques

Commutation (électricité)

Mots clés libres

MEMS RF

Contact ohmique

Plusieurs contacts

Fiabilité

Forte puissance

RF MEMS

Ohmic contact

Multi-contact

Reliability

High power

Résumé

De nos jours, diverses solutions (diode PIN, transistor FET, relais électromécaniques…) existent afin de réaliser différentes fonctions de commutation. Cependant, avec l’arrivée de la 5G et l’augmentation du nombre de stations de base, il devient nécessaire de concevoir des commutateurs peu encombrants, large bande, forte puissance et consommant très peu d’énergie. C’est dans cette optique que s’inscrivent les travaux de recherche relatés dans ce manuscrit. Ils ont pour objectif de développer des commutateurs microscopiques (SPST) en parallélisant deux, puis trois membranes MEMS RF, dans le but de démontrer la capacité de cette technologie à monter en puissance sur une large gamme de fréquences. Une étude poussée a été réalisée sur le commutateur SPST 2x1 (DC – 50 GHz). Elle a montré l’intérêt de multiplier le nombre de contacts ohmiques pour diviser les courants radiofréquences afin d’améliorer la tenue en puissance du composant, sans qu’elle soit réduite en augmentant la fréquence. La caractérisation en puissance a notamment démontré une bonne fiabilité (cyclage et maintien) pour des niveaux de puissance situés entre 8.2 et 12 W de 1 à 15.7 GHz. Le but final étant d’intégrer notre commutateur à l’intérieur de chaînes d’émission/réception des systèmes de télécommunications, un commutateur SPDT 2x1 a par la suite été conçu. La manière dont il est relié à une carte PCB a également été étudié afin de conserver ses performances radiofréquences et rendre son intégration beaucoup plus facile. Ainsi, une transition Flip-Chip a été proposée au détriment d’une liaison classique par Wirebonding.

Currently, various solutions (PIN diode, FET transistor, electromechanical relays…) exist in order to perform different switching functions. However, with the advent of 5G and the increase in the number of base stations, it becomes necessary to design switches that are small, wideband, high power and consume very little powers. It is in this perspective that the research reported in this manuscript is structured. The goal of this work is to develop microswitches (SPST) by parallelizing two then three RF MEMS membranes to demonstrate the capacity of this technology to increase the power handling over a wide range of frequencies. An extensive study was carried out on the 2x1 SPST switch (DC - 50 GHz). It has shown the benefit of increasing the number of ohmic contacts to divide the radiofrequency currents in order to improve the power handling of the component, without it being reduced by increasing the frequency. The power characterization especially demonstrated good reliability (cycling and hold on) for power levels between 8.2 and 12 W from 1 to 15.7 GHz. Then, a 2x1 SPDT switch was designed in order to be able to hope to integrate it into transmit/receive chains of telecommunications systems. The way it is connected to a PCB has also been studied in order to maintain its radiofrequency performance and to make its integration much easier. Thus, a Flip-Chip transition has been proposed to the detriment of a classic wirebonding connection.