Étude et réalisation d'antennes miniatures sur substrats high-K : application aux interconnexions RF sans fils

Study and design of miniaturized antennas printed on high-K substrate. Application to RF wireless interconnects

• Auteur / Autrice : Moncef Kadi
• Direction : Fabien Ndagijimana, Jöel Dansou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofréquence
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015)

Résumé

Les interconnexions classiques ne satisfont plus les nouvelles exigences de fonctionnement des circuits intégrés qui conjuguent vitesse élévées et densités d'intégration accrues. L'influence croissante des phénomènes tels que le retard, les réflexions successives, les pertes et les couplages parasites, font des interconnexions le verrou à franchir pour le développement des futures générations technologiques. De nouveaux concepts d'interconnexion doivent être proposés à moyens long termes pour remplacer progressivement le couple métal-diélectrique. Dans ce travail, nous avons étudié une solution d'interconnexions RF sans fils pour la distribution d'horloges interpuces dans un circuit MCM (Multichip Module). Le principe repose sur le report d'antennes dipôles imprimées sur substrat high-K dans le MCM. Le principal apport de cette solution est la suppression des réflexions successives occasionnées, par la montée en fréquence des signaux, dans les schémas classiques de distribution d'horloge. Nous avons tout d'abord proposé une méthode de caractérisation de matériaux high-K dans le but d'extraire avec précision leurs caractéristiques diélectrique et magnétique. Les paramètres extraits, sont utilisés dans la conception d'antennes dipôles travaillant à 20 GHz. Deux matériaux sont utilisés : l'oxyde de magnésium (MgO) et l'alumine de lanthanum (LaAIO3). Les dipôles conçus sont de longueur 3. 15 mm et de 2. 14 mm respectivement. Les mesures réalisées sur nos prototypes montrent un gain de transmission de -20 db et 20 GHz entre deux antennes séparées de 1 cm. Ce résultat est satisfaisant aux regards des résultats présentés dans la littérature.

The complexity of the future generation nodes of integrated circuit (IC), project the classical metal/dielectric interconnects as the primary limit on the clock frequency determination, productivity, signal integrity, and energy dissipation. New solutions are then needed to match the new requirements of the high speed transmission in the past few yera, wireless RF technique is presented as one of the principal alternative solutions to replacing wiring system for the high-speed and high-density integrated circuits. This solution was principally used for intra-chip clock distribution, where chip's segments communicate through printed dipole antennas. We propose in this work, a new concept of RF clock distribution for a MultiChip Module (MCM). In this concept we integrate the transmitting and receiving antennas on the MCM substrate. In this solution we use a dipole antennas printed on high-K substrate for the wireless transmission of RF clock signal at frequency of 20GHz. The principal improvement, of this solution, is the suppression of the reflections phenomena occuring with higher frequency at junctions of wire interconnections. In order to evaluate the impact of the substrate on antenna's performances, two different high-K substrates are studied. Those substrates (MgO (Magnesium oxide) and LaAIO3 (Lanthanum Aluminate Single Crystal)) are characterized through a method based on the S parameters measurement of coplanar lines. The antennas are designed to work at 20 GHz and their sizes are respectively 3. 15 mm and 2. 14 mm for the MgP and the LaAIO3. The measurements are show a transmission gain of -20 dB for a gap of 1 cm between two dipoles.