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Advanced low-loss and compact LTCC transmission lines and passive components for microwave and millimeter-wave applications

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Isapour, Aria (2018). Advanced low-loss and compact LTCC transmission lines and passive components for microwave and millimeter-wave applications. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The trend to include as many services as possible in small low power devices, along with the necessity of supporting the broad available spectrum at millimeter-wave frequencies bring to attention the importance of the minimization and integration techniques, particularly at high frequencies. The level of integration that is needed to include many bands at microwave and millimeter-wave frequencies poses stringent challenges in terms of high performance, low power consumption, transparent transitions and interconnections, and the number of required embedded passive components. Low temperature co-fired ceramic multilayer technology with its flexible and mature fabrication process provides unique and superior solutions to design highly integrated circuits and address the aforementioned challenges.

In light of the above discussion, our objective in this thesis is to address some of the above challenges by improving the performance of the state of the art designs and also by introducing new structures. To reach to this end we also modified and advanced the fabrication techniques to make it possible to realize ultra low-loss structures both at microwave and millimeter-wave frequencies.

At microwave frequencies, we proposed a new set of LTCC integrated lumped elements. In our designs, we have used inner air-cavities and a novel structure to make the conductors suspended. These suspended components show significantly better performance in terms of both Q and SRF compared to the previously reported works. Furthermore, with the aid of these enhanced performance components, we have fabricated and successfully measured an LTCC lumped element filter at Ku-band for the first time.

At millimeter-frequencies, we have focused on LTCC integrated waveguides. An empty LTCC integrated waveguide has been fabricated to realize ultra low-loss integrated waveguide at 60 GHz. Also, a novel transition from this transmission line to coplanar waveguides has been proposed. This transition is significantly shorter than other reported transitions while it shows better performance. In addition, a novel guiding structure called vertical LTCC integrated waveguide has been proposed which allows us to design out-of-plane structures and also transfer signal in the perpendicular direction to the surface. A complete set of waveguide building blocks have been realized for this new transmission line. Furthermore, an E-plane power divider, a coupler, and a filter have been fabricated and successfully measured at V-band.

Titre traduit

Lignes de transmission LTCC et composants passifs avancés, compacts, et à faible perte, pour les applications micro-onde et ondes millimétriques

Résumé traduit

La tendance est, aujourd’hui, à rendre accessible un maximum de services, à partir d’un petit appareil à faible puissance. Ce besoin incite à l’utilisation du large spectre disponible dans la bande des ondes millimétriques, ce qui place les techniques de miniaturisation et d’intégrations, au centre de la problématique. Le niveau d’intégration nécessaire pour supporter plusieurs bandes (micro-onde et millimétriques) pose des défis de taille en termes de performance, de consommation, de la transparence des interconnections électriques et du nombre de composants passifs que l’on pourrait intégrer dans un volume restreint. La technologie multicouche LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) est un procédé de fabrication flexible et mature qui offer des solutions d’intégration et d’empaquetage de qualité capables de relever ces défis et garantir les niveaux requis de performances électrique, thermique et mécanique.

L’objectif de cette thèse est de s’attaquer à certains de ces défis technologiques en introduisant de nouvelles structures qui permettent d’améliorer les performances relativement aux solutions connues et publiées. Pour quelques cas particuliers, des techniques de fabrication innovantes sont proposées pour permettre la réalisation de structures à très faibles pertes dans les bandes des micro-ondes et des ondes millimétriques.

Pour la bande des micro-ondes, un nouveau groupe d’éléments localisés est proposé pour une intégration LTCC. Dans cette conception, des cavités d’air internes sont utilisées et une structure nouvelle est introduite afin de réaliser des conducteurs suspendus. Ces composants suspendus améliorent considérablement les performances en termes de facteur de qualité Q et de fréquence de résonance SRF si l’on compare aux travaux rapportés dans la littérature. De plus, ces composants aux performances supérieures ont permis la réalisation, avec succès, du premier filtre à éléments localisés en LTCC, dans la bande Ku.

Pour la bande des ondes millimétriques, le focus est mis sur la réalisation et l’utilisation des guides d’ondes intégrés dans la céramique. Des structures évidées en LTCC ont été réalisées pour servir de guides d’ondes intégrés à très faible perte opérant à 60 GHz. Dans le meme cadre, une nouvelle structure est proposée pour servir de transition entre une ligne de transmission coplanaire et un guide d’onde LTCC. Cette transition présente l’avantage d’être plus courte que les transitions existantes tout en offrant de meilleures performances. De plus, une nouvelle structure de guidage, baptisée : “Guide d’onde LTCC intégré verticalement” est propose pour permettre des chemins de transmission hors-plan et ainsi transférer le signal vers une direction perpendiculaire à la surface. Plusieurs modèles de ce nouveau guide d’ondes sont réalisés pour couvrir diffèrents types d’applications. En outre, un diviseur de puissance dans le plan E, un coupleur et un filtre sont conçus et réalisés puis mesurés avec succès dans la bande V.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the degree of doctor of philosophy" Comprend des références bibliographiques (pages 97-104).
Mots-clés libres: LTCC, passifs intégrés, élément localisé, LIW, E-LIW, SIW, onde-millimétrique, filtre
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Kouki, Ammar B.
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 08 mars 2019 17:23
Dernière modification: 21 mars 2019 19:26
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2229

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