Intégration de dispositifs passifs 3D compacts et performants.Application à la réalisation d’une matrice de Butler 4×4 en bande Ka.

3-D integration of compact and high-performance passive devices. Application to the development of a 4×4 Butler matrix operating in Ka band.

• Auteur / Autrice : Audrey Cayron
• Direction : Thierry Parra, Christophe Viallon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electromagnétisme et Systèmes Haute Fréquence
• Date : Soutenance le 23/10/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes / LAAS
• Jury : Président / Présidente : Damienne Bajon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Parra, Christophe Viallon, Philippe Ferrari, Cédric Quendo, Emmanuelle Bourdel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Ferrari, Cédric Quendo

Mots clés

Mots clés libres

Technologie 3D

Integrated Passive Devices IPD

Coupleur 3 dB 90°

Matrice de Butler

Applications 5G

Caractérisation d'un multipôle

3-D technology

Integrated Passive Devices IPD

3dB quadrature coupler

Butler Matrix

5G applications

Characterization of a multiport device

Résumé

La complexité des systèmes RF intégrés pour les applications sans fil grand public s’accroit, et exige de revisiter l’intégration des circuits passifs RF et microondes. De nouvelles solutions offrant plus de compacité et de performance doivent être recherchées, avec un coût de fabrication qui doit rester faible. Parmi celles-ci, une filière technologique 3D de type « Integrated Passive Devices » (IPD) est développée au LAAS CNRS et par la société 3DiS Technologies depuis plusieurs années. Après avoir démontré les capacités de la technologie pour l’intégration de solénoïdes extrêmement compacts et performants, le travail présenté dans ce manuscrit ajoute l’intégration des condensateurs pour faire évoluer la technologie vers la fabrication de fonctions passives RF complexes.Le manuscrit s’articule en trois chapitres. Une première partie dresse une revue des procédés technologiques existants pour la fabrication de systèmes RF et met en évidence l’importance de disposer de composants passifs compacts et performants pour pouvoir intégrer les circuits MMIC. Dans ce contexte, nous présentons les avantages apportés par une solution d’intégration 3D bas coût telle que celle proposée. Dans une deuxième partie, nous présentons le développement de condensateurs Métal Isolant Métal (MIM). Les caractérisations montrent que les condensateurs présentent des performances équivalentes à celles recensées dans la littérature avec de très bons coefficients de qualités. Nous appliquons ensuite la technologie 3D complète à la réalisation de deux transformateurs adaptés en impédance 50 ohms en utilisant des condensateurs. Le procédé technologique de fabrication des deux circuits est décrit. Dans la bande d’adaptation, les circuits fabriqués et caractérisés affichent des pertes en transmission équivalentes aux pertes théoriques minimales estimées à partir du gain disponible maximum des transformateurs. Ces résultats confirment les bonnes performances des condensateurs MIM développés qui introduisent des pertes minimes pour les circuits fabriqués. Aucun problème de fabrication n’est relevé pour les transformateurs adaptés, ce qui permet de valider le procédé technologique complet pour l’intégration de condensateurs et de solénoïdes.Sur la base de ces résultats, le dernier chapitre est consacré au développement d’une matrice de Butler 4×4 destinée à piloter un faisceau de quatre éléments rayonnants en visant la 5G comme contexte applicatif. Des pertes en transmissions inférieures à 3,5 dB et un écart sur les déphasages en sorties de 16° sont relevés pour une large bande passante de 24 GHz à 29 GHz. Ces résultats de mesure sont à l’état de l’art et surpassent les solutions existantes, en particulier au niveau de la surface occupée de seulement 0,84 mm2. Ces résultats démontrent le potentiel de la technologie 3D à réaliser un compromis innovant entre densité d’intégration et performances.

The complexity of embedded RF systems in consumer wireless applications is increasing, and requires to improve the integration of RF and microwave passive circuits. New solutions that offer more compactness and performance have to be developed, while maintaining a low manufacturing cost. Among Integrated Passive Devices (IPD) technologies, a 3-D technology has been developed at the LAAS CNRS and by 3DiS Technologies for several years. Results demonstrate that the manufactured solenoids exhibit high compactness and high-performance. This PhD thesis aims to develop the integration process of capacitors in order to evolve the technology towards the fabrication of complex passive RF functions.The manuscript is divided into three chapters. The first chapter reviews the technological processes that enable the manufacture of RF systems and highlights the challenges for integrating high-performance passive components. It also presents the advantages of a low-cost 3-D integration solution such as the one proposed. In the second chapter, we present the development of Metal Insulator Metal (MIM) capacitors. The characterization result show that capacitors present performances equivalent to those identified in the literature with high quality factors. We then manufacture two transformers matched to 50 ohms using capacitors. The technological process is described. The manufactured and measured circuits show that transmission losses are close to those obtained at the maximum available gain of the transformers. These results confirm the good performance of the developed capacitors since they introduce minimal losses for the manufactured circuits. No technological problems are encountered during the manufacturing of the two transformers, which validates the complete technological process for the integration of capacitors and solenoid.Based on these results, we present in the last chapter the development of a 4×4 Butler matrix dedicated to 5G beamforming applications. In a large bandwidth ranging from 24 GHz to 29 GHz, insertion losses for the four outputs of the matrix are under 3.5 dB and the phase difference between the outputs are reached with a deviation of less than 16°. The measured results are at the state of the art and overcome those of the existing IPD solutions, in particular for the occupied aera that does not exceed 0.84 mm2. These performances allow us to conclude on the potential of 3-D IPD technology to achieve an excellent compromise between integration density and performance.