Conception et intégration en technologie LTCC d'un amplificateur faible bruit à structure balancée dans la bande C

Belambri, Nouria (2012). Conception et intégration en technologie LTCC d'un amplificateur faible bruit à structure balancée dans la bande C. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les performances des systèmes électroniques modernes pour les applications spatiales et militaires sont confrontées à de grandes attentes, notamment des densités d’intégration plus élevées et des facteurs de forme plus petits. Ce défi a généré un fort besoin de miniaturisation et d’intégration à un niveau supérieur. Par ailleurs, des performances larges bandes sont souvent recherchées en raison de l'augmentation du débit des données ou encore, dans le cas des systèmes de communications tactiques, en raison de la nature de l’application. Afin d’atteindre l’ensemble de ces objectifs, le choix d’une technologie de fabrication bien appropriée est nécessaire.

La technologie LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) offre la possibilité d'incorporer des composants passifs à l’intérieur du substrat ce qui permet de réduire considérable la taille d'un circuit. Entre autres, la technologie LTCC est particulièrement intéressante pour la conception de modules RF microondes et millimétriques à cause des faibles pertes qu’elle présente à ces fréquences. Ceci favorise l'efficacité énergétique pour les circuits de puissance et implique des facteurs de qualité plus élevés dans différents types de structures passives. Cependant, il faut garantir que les performances RF, d'un composant donné, soient maintenues lorsqu’il est inséré dans le substrat en ajoutant les transitions adéquates entre les différentes couches.

Ce mémoire porte sur la conception et l’intégration d’un LNA (Low Noise Amplifier) large bande à structure balancée en technologie LTCC destiné aux applications tactiques. L’objectif principal est d’identifier et de valider expérimentalement les moyens de miniaturiser le circuit dans le but de réaliser un LNA centré à 4.7 GHz avec une bande passante de 600 MHz. La structure balancée est composée principalement de deux coupleurs hybrides 90° et de deux transistors RF à faible bruit. Le prototype du LNA figure parmi les premiers circuits complexes fabriqués en technologie LTCC au laboratoire LACIME de l’ÉTS. Les résultats préliminaires confirment l’intérêt de développer une seconde itération de fabrication. Ce travail de recherche propose aussi la conception et l’intégration 3D d’un coupleur hybride 90° à lignes couplées dissimulées dans le corps du substrat. Le coupleur, conçu initialement pour être intégré à la structure balancée du LNA, reste valable pour d’autres applications RF. Les transitions nécessaires à l’intégration du coupleur ont été optimisées pour une meilleure adaptation. Les résultats expérimentaux du coupleur s’accordent étroitement aux simulations et présentent de bonnes performances sur une large bande de fréquences d’opération [3.2 GHz - 5.1 GHz]; des coefficients de réflexion inférieurs à -15dB, une balance en amplitude de ±0.5 dB, un déphasage de 90°±1.5 et une taille miniaturisée (3.3 × 6.8 × 2.15 mm3). Le coupleur opère à des températures de -55°C à +85ºC.

Résumé traduit

The performance of modern electronic systems for space and military applications are faced to high expectations, including higher integration densities and smaller form factors. This challenge has generated a strong need for miniaturization and higher levels of integration. Furthermore, broader-band performances are often sought due to the increased data rates, or in the case of tactical communications systems, due to the nature of the application. Achieving these goals simultaneously is a challenging task that requires well suited circuit fabrication technologies.

Low temperature co-fired ceramic (LTCC) technology provides the ability to embed passive components within the body of the substrate which reduces significantly the size of a circuit. Among other things, LTCC technology is particularly useful for microwave and millimeter RF module designs due to the low losses at these frequencies. This promotes energy efficiency for power circuits and involves higher quality factors in different types of passive structures. However, one must ensure that RF performance of a given component is maintained while burying inside the substrate and adding the necessary transitions between various layers.

This project covers the design and integration of a broadband balanced low noise amplifier (LNA) in LTCC technology for tactical applications. The main goal is to identify and validate experimentally the means to reduce the size of the LNA design that is centered at 4.7 GHz with a minimum of 600 MHz bandwidth. The balanced LNA structure consists essentially of two 90° hybrid couplers and two low-noise RF transistors. The LNA prototype is among the first complex circuits fabricated using LTCC technology at ETS’s LACIME laboratory. Preliminary results confirm the importance of developing a second iteration. In addition, this research presents a 3D integrated hybrid coupler 90° design hidden in the body of the substrate. The coupler, created initially for easy integration within balanced LNA structure, stays suitable for other RF applications. Particular care is placed on the design and optimization of transitions from the buried strip line coupler to coplanar probing pads at the surfaces. Measured results of the fabricated coupler are in good agreement with simulations and show good performance over a wide frequency band from 3.2 to 5.1 GHz; the return loss is better than 15 dB, the direct and coupled ports insertion losses are around 3±0.5 dB and the phase balance is 90° 1.5. These results are achieved with a small size (3.3mm × 6.8mm × 2.15mm) of the fabricated coupler. The operating temperature of the coupler is -55 to +85ºC.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie électrique". Bibliographie : pages 147-150.
Mots-clés libres:	Amplificateurs à large bande Conception et construction. Coupleurs directifs Conception et construction. Microélectronique. Forces armées Systèmes de communication. LNA, LTCC, coupleur hybride, transitions
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Gagnon, François
Codirecteur:	Codirecteur Kouki, Ammar B.
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	23 févr. 2015 20:28
Dernière modification:	02 mars 2017 20:51
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1205

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