Frequency reconfigurable impedance matching networks based on LTCC, fluidic and MEMS technologies for agile RF amplifiers

Bahloul, Dorra (2022). Frequency reconfigurable impedance matching networks based on LTCC, fluidic and MEMS technologies for agile RF amplifiers. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

New frequency reconfigurable impedance matching networks (MNs), or tuners, which can be used to realize various field programmable RF devices, such as amplifiers, are proposed. By enabling field programmability of RF devices, the proposed MNs make it possible to reduce considerably the component count in a multi-standard RF chain and to maximize hardware reuse. Both fluidic and MEMS (MicroElectroMechanical Systems) technologies are considered for designing alternative MNs covering different frequency bands. In both cases, Low Temperature Co-fired Ceramics (LTCC) technology is used as a low-loss 3D substrate in the MN realization in order to simultaneously achieve miniaturization, high integration levels and low-cost packaging solutions.

First, the architecture and operation principle of the proposed RF impedance MNs, which are common to both fluidic and MEMS solutions, are introduced and discussed. The selected architecture is based on eight cascaded 2-state cells where each cell’s electric parameters alternate between two sets of values from one state to the other. In the fluidic approach, the cells are made of cavities over a coplanar waveguide and the two states correspond to when the cavity is empty and when the cavity is filled with deionized (DI) water. In the MEMS approach the cells are made of capacitive switches, with the up and down switch positions providing the two desired states. The design of the individual cells and entire cascaded turner are then undertaken. Analytical equations are developed and used to establish the initial dimensions ofthe individual cells, i.e., the fluidic cell and the MEMS switch and 3D field simulations are used to complete the design of the cells and the entire tuners. Alternative miniaturization approaches for the MEMS-based tuner are also investigated. Simulation results show that is possible to achieve good Smith chart coverage with the fluidic tuner for frequencies between 0.8 GHz and 2.4 GHz with a tuner that measures 26 mm X 10 mm X 1.5 mm, while he MEMS-based tuner provides comparable coverage for frequencies between 2 GHz and 7 GHz with a tuner that can be miniaturized down to 5.51 mm X 2.54 mm X 1.19 mm.

Second, the fabrication and testing of the designed cells and tuners is undertaken. For the fluidic cells and tuner, the standard LTCC process is adequate for prototyping and has been used to fabricate and test multiple cells and tuners. Good agreement between simulations and measurements are observed for the individual cells and the entire tuner, confirming the predicted coverage. For MEMS solution, a new MEMS-on-LTCC process, necessary for fabricating the MEMS-based tuner is first developed to take into account the specificities of the LTCC substrate. Details about all process steps needed to build a capacitive switch on LTCC are elaborated. The encountered challenges are highlighted and some means to circumvent them are proposed. As an application, reconfigurable RF amplifiers using the developed fluidic and MEMS MNs are built. They show a gain varying around the maximum available gain at different points in the frequency bands of interest, i.e. [0.9GHz- 2.4 GHz] and [2 GHz- 7GHz] for the fluidic and MEMS based architectures respectively.

Finally, perspectives for enhanced RF tuners are discussed. Introducing air- filled transmission lines in the MEMS based tuner as a way to reduce dielectric losses may improve the overall performances. Employing liquid metal instead of DI-water in fluidic tuner allows removing concerns about dielectric losses and enabling reconfigurabilty at higher frequencies. Modules for tuners’ automatic control and activation are also proposed.

Titre traduit

Réseaux d'adaptation d'impédance reconfigurables en fréquence basés sur les technologies LTCC, fluidic et MEMS pour les amplificateurs RF agiles

Résumé traduit

De nouveaux réseaux d'adaptation (RA) d'impédance reconfigurables en fréquence, ou syntoniseurs, qui peuvent être utilisés pour réaliser divers dispositifs RF programmables, tels que des amplificateurs, sont proposés. En promouvant la reconfigurabilité des dispositifs RF, les RA proposés permettent de réduire considérablement le nombre de composants dans une chaîne RF multi-standard et de maximiser la réutilisation du matériel. Les technologies fluidiques et MEMS (MicroElectroMechanical Systems) sont envisagées pour concevoir des RA couvrant différentes bandes de fréquences. Dans les deux cas, la technologie LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics) est utilisée comme substrat 3D à faible perte dans la réalisation de ces RA pour offrir, simultanément, une miniaturisation supplémentaire, un niveau d'intégration élevé et des solutions d'emballage à faible coût.

D'abord, l'architecture et le principe de fonctionnement des RA d'impédance RF proposés, qui sont communs aux solutions fluidiques et MEMS, sont présentés et discutés. L'architecture sélectionnée est basée sur une cascade de huit cellules à 2 états, où les paramètres électriques de chaque cellule alternent entre deux ensembles de valeurs en passant d'un état à l'autre. Dans l'approche fluidique, les cellules sont constituées de cavités formées sur un guide d'onde coplanaire et les deux états correspondent aux scénarios où la cavité est vide ou est remplie d'eau déionisée (DI). Dans l'approche MEMS, les cellules sont des commutateurs capacitifs, et les positions des commutateurs haut et bas fournissant les deux états souhaités. La conception des cellules individuelles et de l'ensemble du syntoniseur est ensuite faite. Des équations analytiques sont développées et utilisées pour fixer les dimensions initiales des cellules individuelles, c'est-à-dire la cellule fluidique et le commutateur MEMS. Des simulations de champ 3D sont utilisées pour compléter la conception des cellules et de l'ensemble des syntoniseurs. Des approches alternatives de miniaturisation pour le syntoniseur MEMS sont également étudiées. Les résultats de la simulation montrent qu'il est possible d'obtenir une bonne couverture de l’abaque de Smith avec le syntoniseur fluidique pour les fréquences comprises entre 0,8 GHz et 2,4 GHz avec un tuner mesurant 26 mm X 10 mm X 1,5 mm, tandis que le syntoniseur MEMS offre une couverture comparable pour les fréquences entre 2 GHz et 7 GHz avec un tuner miniaturisé jusqu'à 5,51 mm X 2,54 mm X 1,19 mm.

Ensuite, la fabrication et les tests des cellules et des syntoniseurs conçus sont entrepris. Pour les cellules et le syntoniseur fluidiques, le processus LTCC standard est adéquat pour le prototypage et a été utilisé pour fabriquer et tester plusieurs cellules et syntoniseurs. Un bon accord entre les simulations et les mesures est observé pour les cellules individuelles et l'ensemble du syntoniseur, confirmant la couverture prédite. Pour la solution MEMS, un nouveau procédé MEMS-on-LTCC, nécessaire à la fabrication du syntoniseur MEMS est d'abord développé pour prendre en compte les spécificités du substrat LTCC. Des détails sur toutes les étapes de processus nécessaires pour construire un commutateur capacitif sur LTCC sont élaborés. Les défis rencontrés sont mis en évidence et des moyens de les contourner sont proposés. Comme application, des amplificateurs RF reconfigurables utilisant les RA fluidiques et MEMS développés sont conçus. Ils montrent un gain variant autour le gain maximum disponible à différents points dans les bandes de fréquences d'intérêt, c'est-à-dire [0,9 GHz-2,4 GHz] et [2 GHz-7 GHz] pour les architectures fluidique et MEMS respectivement.

Enfin, des perspectives pour améliorer les performances des syntoniseurs d'impédances sont discutées. D’une part, l'introduction de lignes de transmission remplies d'air permet de réduire les pertes diélectriques dans le syntoniseur MEMS-sur-LTCC. Aussi, utiliser du métal liquide à la place de l'eau DI dans le syntoniseur fluidique permet d'éliminer les problèmes des pertes diélectriques et d’offrir une reconfigurabilité à des fréquences plus élevées. D’autre part, des modules de commande et d’activation automatiques de ces réseaux d’adaptation d’impédances reconfigurables sont également proposés.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 155-160).
Mots-clés libres:	cavités, eau dé-ionisée, fluidique, réseau d’adaptation d'impédance reconfigurables, LTCC, MEMS, MEMS-sur-LTCC, amplificateur RF, commutateurs RF, lignes de transmission
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Kouki, Ammar B.
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	18 mai 2022 15:25
Dernière modification:	02 nov. 2022 13:40
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2974

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