Ligne de Goubau planaire faibles pertes sur Silicium haute résistivité à 60GHz

Transcription

1 Equipe Systèmes de Communication Ligne de Goubau planaire faibles pertes sur Silicium haute résistivité à 60GHz Julien Emond, Marjorie Grzeskowiak, Stéphane Protat, Gaëlle Lissorgues, Frédérique Deshours, Elodie Richalot, Odile Picon 04/04/2011 Julien ÉMOND 1

2 Application à 60 GHz ULB, Radio sur fibre Connections au réseaux 04/04/2011 Julien ÉMOND 2

3 Contexte de l étude A 60 GHz l atténuation des ondes électromagnétiques dans l air est importante (environ -16 db /km) Les applications au-delà de 60 GHz présentent une bande d utilisation plus large => augmentation du débit de transmission de données Les applications au-delà de 60 GHz ont un intérêt dans la miniaturisation des composants 04/04/2011 Julien ÉMOND 3

4 Plan État de l art des pertes en atténuation à 60GHz Ligne de Goubau planaire sur silicium Mesures Conclusion & Perspectives 04/04/2011 Julien ÉMOND 4

5 État de l art des pertes sur silicium à 60GHz α=0,4db/mm AFTANASAR, M.S., YOUNG, P.R., ROBERSTON, I.D., LUCYSZYN, S.: Fabrication of dielectric-filled rectangular waveguide using thick-film processing, IEEE High frequency postgraduate Student Colloquium, September 2001, pp α=0,4db/mm Alumine ε r =7 Polyimide 7,4µm ε r =3,12 Si PONCHAK, G.E. AND DOWNEY, A.N.: Characterization of Thin Film Microstrip Lines on Polyimide, IEEE Transactions on components, packaging and manufacturing technology, Part B, May 1998, Vol.21, No.2, pp /04/2011 Julien ÉMOND 5

6 État de l art des pertes sur silicium à 60GHz α=0,4db/mm Elgaid, K., Edgar, D.L., McCloy, D.A., Thayne, I.G.: CPW interconnects for MMIC applications on low resistivity CMOS grade silicon using micromachined SU8 negative resist, European Microwave Conference, Milan, Italy, September 2002, pp.1-4 α=0,13db/mm SU8 125µm ε r =3,6 Si 500µm Polyimide Si 3 N 4 Si M. PRASAD, A. SINGH GAUR, and all. Dispersion and Attenuation Characteristics of Suspended Microstrip Line on Multilayer Lossy Silicon substrate at 60 GHz. Infrared, Millimeter and Terahertz Waves 2008, sept 2008, pp air ε r =4,3 ε r =7,5 04/04/2011 Julien ÉMOND 6

7 Ligne de Goubau planaire sur silicium h=500µm Champ (V/m) en vecteur à 60GHz Champ (V/m) en amplitude à 60GHz Silicium silicium εr = 11,6, σ =0,025 S/m,h=500µm largeur de ligne w=100 µm 04/04/2011 Julien ÉMOND 7

8 Influence de la hauteur du Silicium atténuation[db/mm] silicium εr = 11,6 h variable 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, fréquences[ghz] h=10µm h=100µm h=200µm h=300µm h=400µm h=500µm h=600µm h=700µm h=800µm h=900µm h=1000µm silicium εr = 11,6, σ =0,025 S/m largeur de ligne w=100 µm silicium εr = 11,6, σ =0,025 S/m largeur de ligne w=100 µm 04/04/2011 Julien ÉMOND 8

9 Influence de la hauteur du silicium Coupe transversale (en amplitude) du champ électrique (V/m) à 60 GHz pour une hauteur de substrat de 100 µm, 200 µm et 500 µm h=100µm α=0,15 db/mm h=200µm α=0,075 db/mm h=500µm Silicium α=0,064 db/mm silicium εr = 11,6, σ =0,025 S/m largeur de ligne w=100 µm 04/04/2011 Julien ÉMOND 9

10 Influence de la permittivité du diélectrique atténuation[db/mm] 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 εr variable h= 500µm fréquences[ghz] Silicium ER1 ER=2 ER=4 ER=8 ER=12 ER=20 hauteur de substrat h = 500µm largeur de ligne w=100 µm 04/04/2011 Julien ÉMOND 10

11 Influence de la permittivité du diélectrique Coupe transversale (en amplitude) du champ électrique (V/m) à 60 GHz pour différentes permittivités pour une hauteur de substrat de 500 µm, une largeur de ligne de 100µm et une épaisseur de métallisation de 1µm ε r =1 α=0,473 db/mm ε r =4 ε r =12 α=0,17 db/mm α=0,06 db/mm hauteur de substrat h = 500µm largeur de ligne w=100 µm 04/04/2011 Julien ÉMOND 11

12 Affaiblissement linéique α en db/mm, h=500 µm, w=100 µm atténuation[db/mm] 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, fréquences[ghz] α αc αd silicium εr = 11,6, σ =0,025 S/m, h=500 µm largeur de ligne w=100 µm 04/04/2011 Julien ÉMOND 12

13 Ligne de Goubau excitée par une transition coplanaire Ruban 100 µm Silicium Transition coplanaire 1 mm Ligne de Goubau 4mm Fente de 75 µm h=500 µm 04/04/2011 Julien ÉMOND 13

14 Paramètres S avec et sans la transition coplanaire paramètres S[dB] fréquences[ghz] S11_CPW+Goubau S21_CPW+Goubau S11_Goubau S21_Goubau à 60 GHz Ligne Goubau coplanaire+ligne Goubau Conservation d énergie 0,870 0,873 S11 2 +S21 2 silicium εr = 11,6, σ =0,025 S/m,h = 500µm largeur de ligne w=100 µm 04/04/2011 Julien ÉMOND 14

15 atténuation[db/mm] 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Extraction de l atténuation à partir des simulations avec et sans la transition coplanaire fréquences[ghz] CPW+Goubau Goubau silicium εr = 11,6, σ =0,025 S/m,h = 500µm largeur de ligne w=100 µm 04/04/2011 Julien ÉMOND 15

16 Présentation du banc de mesures Analyseur de réseau AT-E8361C Caméra +Télé Microscope Marbre Chuck Sondes I67-A-GSG-150 Zoom 04/04/2011 Julien ÉMOND 16

17 Mesures et simulations ligne de Goubau 20mm avec chuck métallique paramètres S[dB] S11_mesure_h350µm S21_mesure_h350µm S11_simulation_h350µm S21_simulation_h350µm fréquences[ghz] 04/04/2011 Julien ÉMOND 17

18 Ligne de Goubau sur silicium Champ (V/m) en vecteur à 60GHz Silicium Sans plan métallique Champ (V/m) en amplitude à 60GHz silicium εr = 11,6, σ =0,025 S/m, h=350µm largeur de ligne w=100 µm 04/04/2011 Julien ÉMOND 18

19 Ligne de Goubau sur silicium Champ (V/m) en vecteur à 60GHz Silicium Verre Sans plan métallique silicium εr = 11,6, σ =0,025 S/m, h=350µm Champ (V/m) en amplitude à 60GHz verre εr = 4, tan δ = , h=500µm largeur de ligne w=100 µm 04/04/2011 Julien ÉMOND 19

20 Mesures et simulations ligne de Goubau de 20mm avec Si+verre S11_mesure_SI+Verre S21_mesure_SI+Verre paramètres S[dB] S11_simulation_SI+Verre S11_simulation_SI_sansMasse S21_simulation_SI+Verre S21_simulation_SI_sansMasse fréquences[ghz] 04/04/2011 Julien ÉMOND 20

21 Calcul de l atténuation 10mm Cellule test 10mm 2mm 4mm 6mm 8mm 2mm 4mm 6mm 8mm 20mm 20mm Zoom Plaque réalisée en salle blanche de l ESIEE 04/04/2011 Julien ÉMOND 21

22 Calcul de l atténuation paramètres S[dB] S11_ligne6mm S12_ligne6mm S21_ligne6mm S22_ligne6mm S11_ligne20mm S12_ligne20mm S21_ligne20mm S22_ligne20mm fréquences[ghz] 04/04/2011 Julien ÉMOND 22

23 Calcul de l atténuation atténuation atténuation[db/mm] moyenne_des_extractions_mesure moyenne_des_extractions_simulation simulation_puissance 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 α=0.063 db/mm α=0.057 db/mm α=0.052 db/mm fréquences[ghz [GHz] 04/04/2011 Julien ÉMOND 23

24 Déphasage linéique ß mesuré béta [rad/m] fréquences[ghz [GHz] 04/04/2011 Julien ÉMOND 24

25 Conclusion & Perspectives Ligne de Goubau faibles pertes dans une bande de GHz : α= 0,063 db/mm Prise en main du banc de mesures sous pointes et résolution des problèmes de mesure Ligne peu dispersive (linéarité du β) mesures en temporel Caractérisation de différents éléments passifs : Résonateur, Filtre, Antenne 04/04/2011 Julien ÉMOND 25