P ro jet U E B «O ptim is e»

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1 P ro jet U E B «O ptim is e» Contributions : Ch. Person, C. Quendo e@mails : [email protected] [email protected] 14/04/2010

2 Waveguides Mm-Wave Antennas Lens Design features Hybrid tech (LTCC+Si) Gain SiP SoC Integration

3 S O U S P R O J E T 3 : H ybrida tion des tec hniques de s ynthès e et d o ptim is a tio n s ur la ba s e de tec hnolo g ies 3-D nouvelles Coordinateur : Lab-STICC Objectifs et description du travail Définition et identification de structures innovantes d antennes Validation expérimentale des outils logiciels développés en SP2 Nouvelle méthode d hybridation entre techniques de synthèse de filtres & d optimisation d antennes Conception d antennes filtrantes Fonctionnalités filtrage & rayonnement co-maîtrisées/optimisées Moyens : Plates formes Fabrication 3D - Lab-STICC Caractérisation mm IETR

4 Mm-Waves Antennas Design features Wideband Relatively «High gain» High Efficiency. loss? Low Cost.. Integration Miniaturization Equivalent Area Technology Interconnexion

5 A N T E N N E S M M -W A V E : S O L U T I O N S PLA N A IR E S Technologie Mousse Usinage en 3D Pressage à chaud Propriétés électriques / mécaniques Permittivité proche de l air (ε r=1,05-1,07) Tan δ faible (# 10-3 jusqu en mm) Faible poids (densité 0,05 g/cm3) Faible coût Procédés de conformation Usinage 3D Technique de Pressage à chaud, moulage par injection Procédés de métallisation Bains électrochimiques Dépôts sous vide Peintures Pressage à chaud de plaques métalliques Peinture Ag. Spraylat % Ag. solide = 47% du poids Résistivité : < 0.015Ω / (Epaisseur 12.5µm) Spray painting Spray painting

6 Technologies & Opportunities Substrate Experimental characterization Foam plate Foam material Quasi-optical test bench Mmwave focussing horn 0 db 1,1 0 db ,08-0,002 1,06 Rohacell Tan δ # Thickness : 20µm to 100mm Density, robustness 92 Rohacell S12 ε r # ,004 S11 1,04 S22 S21-0,006 Tan δ r # at 40GHz εr # (σ =0.001) εr # (tgδ= ) 1,02 ε r # ,008 1dB 1-50dB ,01 Fréq GHZ Fréq GHZ 112

7 Technologies & Opportunities Substrate Foam material Rohacell ε r # 1.07 Tan δ # Thickness : 20µm to 100mm Density, robustness Foam Substrate for Planar Antennas

8 Technologies & Opportunities Process Moulded or milled structures Overlapping and 3D assembling possibilities Spray painting

9 Technologies & Opportunities 3D Antennas Multi-axial milling machine

10 C irc ula r H orn Diam mm Diam. 8.0 mm Module en db W aveguidew R 28 WaveguideWR A n g le

11 Technologies & Opportunities 3D mm antenna designs Antenna with reflector Lens antenna Conformal antennas Conformal antennas

12 Technologies & Opportunities 3D mm antenna designs 3D Antenna PCB z Si Passive modules A b a L Actives devices

13 Technologies & Opportunities Interconnexions SMD transition Thevenard et al IMS2005 Vertical transition EM coupling

14 Réalisation de filtres / interfaces Cornet + transition mousse pleine Cornet en mousse pleine et évidée Séparateur OMT et transition associée Cornet + transition aluminium Cornet + transition mousse évidée

15 Integrated C o nic a l H o rn A ntenna Idea Supporting PCB R4003 Metallized painted or sprayed Foam Conical horn Supporting PCB Transition

16 Réalisation d interfaces Pièce métallisée Double transition en matière Plastique Pièce reportée

17 Réalisation de filtres / interfaces Filtre avec double transition Application bande VSAT [ ]GHz 0-10 Amplitude (db) S11 simulé S21 simulé -40 S11 mesuré S21 mesuré Fréque nce (GHz) 31 32

18 Réalisation de filtres / interfaces Intégration de filtres Transitions / interfaces Multi-technologies Synthèse dédiée Optimisation

19 W a veg uide to M ic ro s trip line tra ns itio n

20 Integrated Conical Horn Antenna Metallised foam module Vias holes for ground Assembling screws Microstrip line Ground plane aperture 800 um R mm Dielectric support 800 um Foam Dielectric support Backside cavity

21 33 mm Layout Assembling holes GPPO Connector 12 mm Backside cavity delimitation Microstrip feeder TE11 mode excitation Annular ring with vias holes Vias holes for ground plane continuity Circular horn diameter

22 M ic ro m a c hined Fo a m H o rn A ntenna Fed by a M ic ro s tripline Building blocs Printed circuit board with annular ring interface Micromachined horn antenna Back-side cavity

23 M ic ro m a c hined Fo a m H o rn A ntenna Fed by a M ic ro s trip line Assembled structure Cross section

24 S I M U L A T I O N R E S U L T S (H FS S ) Return Loss & Bandwidth 16.3 dbi 60 GHz (17.2 dbi for a conventional metallic circular waveguide) Radiation Patterns

25 E X PE R IM E N TA L R E S U LTS Return Loss & Bandwidth Radiation Patterns HEplane plane 16.3 dbi 60 GHz 20.45% relative bandwidth

26 I nc idenc e o f the fo a m ex terna l m eta lliza tio n a nd s ha pe o n ra dia tio n perfo rm a nc es Comparative analysis Foam Inside Foam Outside

27 I nves tig a tions Enhanced Bandwidth Co-design with filter FR4 R4003 FR4

28 I nves tig a tions

29 Vers une miniaturisation des systèmes: intégration de sous-ensembles actifs et passifs

30 TECHNOLOGIES 3D Composants Boîtier Amplificateur MMIC Filtre microruban Antenne conformée - support Mousse

31 0 db(s11) bande passante 7% (ROS=2) Gain = 5 dbi -50 db 0 db 0.0 SOLUTION D INTEGRATION SUR SUBSTRAT COMPOSITE CERAMIQUE - MOUSSE M1 = -39 db F = 10.2 GHz co-polarisation cross-polarisation antenne patch microruban freq GHz -50 db 5.0 GHz 0 db Plan H εr=1 εr= co-polarisation cross-polarisation accès CPW et plan de masse microruban Plan E

32 LA TECHNOLOGIE COUCHES EPAISSES fente coplanaire coplanaire multi-niveaux dépôts de couches sérigraphiées: -diélectriques (10 µm / couche) -conductrices (3 à 8 µm / couche) -résistives Précision d alignement # 20 µm Résolution # 80 µm sérigravure: -niveaux conducteurs Précision d alignement # 2 µm Résolution # 20 µm TFMS fente enterrée exemple d intégration en technologie couches épaisses procédé technologique: faible coût (moyennes séries) reproductible de grande précision

33 MINIATURISATION DES SYSTEMES Technologies multicouches : Technologies multicouches : NEL Interconnexion Interconnexion3D 3Ddes desfonctions fonctions performances des circuits Modules Modulesmultifonctions multifonctions Adopter une démarche de synthèse purement 3D

34 APPROCHE D INTEGRATION GLOBALE Principe: Analyse des besoins: - suppression des éléments redondants (DC-Blocks, etc ) - choix d impédances de charge autres que 50 Ω Αssociation de fonctions: - synthèse simultanée de plusieurs fonctions - compacité - diminution des pertes en ligne - compacité - diminution des pertes en ligne - maîtrise de la bande passante

35 PRINCIPES D UNE SYNTHESE MULTIFONCTIONS r u e pl u co Éléments localisés circuits d adapta tion filtre passe bande ne n e ant lignes quart d onde éléments localisés résonateurs Synthèse de filtres

36 Synthèse globale d un module passif antenne / filtre

37 EXEMPLE D APPLICATION : ASSOCIATION FILTRE-ANTENNE stubs COλg/2 résonateur 1 résonateur 2 (shunt) (series) Ζ1 résonateur 3 (antenne=rlc) 50 Ω Ζ2 Zc1 Zc2 résonateur 1 résonateur 2 (series) (shunt) CONTRAINTES TECHNOLOGIQUES MULTIPLES Modèle équivalent Antenne

38 APPLICATION A UN MODULE FILTRE / ANTENNE (PATCH A COUPLAGE ELECTOMAGNETIQUE) Antenne: Patch excité par CPW. Filtre filtre de Tchebyscheff n=3 0.1 db d ondulation stubs et inverseurs quart d onde Ra=46Ω La=4.5nH Ca=44 ff pf Détermination des Zc des différentes lignes Bande passante du filtre substrat alumine Ra. g3 BP = (Hz) 2.π. La Zi = 2π. Z pi. BP 4. fo. gi ( Ω) Zci = Z pi 1. Z pi ( Ω)

39 EXEMPLE DE SYNTHESE 5.5 Ω 5.5 Ω Ra. g3 BP = 2.π. La Zi = 50 Ω 48 Ω Bande passante ripple Z1 Z db db db % 18% 23% 2π. Z pi. BP 4. fo. gi ( Ω) contrôle de la bande contraintes technologiques 3D

40 ANTENNE-FILTRE 3D Face avant Substrat Alumine Stub TFMS TFMS Plan de masse CPW Substrat Mousse Vias de connexion CPW ALUMINE MOUSSE FENTE Antenne Patch Microruban Face arrière

41 0 db db(s11) db(s21) db(s11) -50 db 0 0 ANTENNE-FILTRE 3D : CARACTERISATION FREQ 14.5 GHz 9.5 GHz_ simulation mesure Adaptation du module antenne-filtre FREQ_ 14.5 GHz_ Port 1 0 Port 2 Mesure en transmission Bande passante 20 % (ROS = 2) Gain = 3.5 dbi Découplage réseau alimentation / éléments rayonnants Plan H 0 db 9.5 GHz co-polarisation cross-polarisation -50 db co-polarisation cross-polarisation Plan E

42 ANTENNE-FILTRE 3D : EXTENSION DU PRINCIPE A UNE MISE EN RESEAU D ANTENNES méthodologie Contrôle des: Caractérisation des éléments rayonnants bandes passantes diagrammes de rayonnement Choix d une topologie d alimentation: - série (dépointage) - parallèle Choix de la nature des résonateurs: - lignes couplées - stubs Détermination des grandeurs électriques: (impédances caractéristiques)

43 RESEAU D ANTENNES-FILTRE 3D : ARCHITECTURE a n te n n e antenne L= 4.0V= m veff m L= 4.0V= m veff m W1= w1 um W1= w1 um S= s1 um Lignes couplées TFMS S= s1 um W1= w1 um W1= w1 um S= s1 um_ S= s1 um résonateur 1 (stub λ g/2 en CO) TFMS enterrée PORT Ω CPW 3D

44 8.0 GHz FREQ 12.0 GHz P la n E db(s 11) /DIV 10/DIV db(s 11) Face arrière Filtre de distribution Diagrammes plan E / H db(s 11) Réseau db(s 21) Face avant 0.0 Paramètres [S] 0.0 APPROCHE HYBRIDE 3D ETENDUE A DES MODULES ANTENNE-FILTRE RESEAU Plan H

45 Intégration 3D d un système radioélectrique complet IF BPSK OL IF down-converter

46 DEVELOPPEMENT DE MODULES RF HYBRIDES 3D COMPLET 50.8 mm x 30 mm filtre passe-bas sortie F.I. résistance sérigraphiée oscillateur résonateur CO-série multicouches té de polarisation filtre / antenne transition coplanaire/fente anneau fente plots de report des diodes

47 LIAISON RADIOFREQUENCE COMPLETE : PERFORMANCES Module RF Fonctionnement dual Liaison à 2 Mbits/s porteuse 10GHz s ign a l d ém odu lé 10 m V/d iv s ign a l m od u la n t (50 0 m V/d iv) Emission : Modulateur BPSK Réception : Mélangeur équilibré 500 n s /d iv

48 Q ue fa ire da ns O P T I M I S E idées Synthèse / optimisation Filtre & antenne imbriqués 3D Antenne = résonateur : Synthèse et optimisation EM Résonateur = cavité = source : Optimisation EM Filtre rayonnant / Cavité SIW à pertes Plan de masse limité / filtre distribué & couplage lentille : Optimisation Filtre SIW/3D et substrats «stackés» faisant office de «lentille distribuée» Bande passante et couplages Source / antenne Objectif «large bande» - Couplages Objectif source filtrante angulairement/ correction de phase a priori Excitation multi-sources Coque = Filtre spatial/fréquentiel Optimisation de forme et masquage Application Beamforming/Dosimétrie Lentille plate et filtrage distribué /Cornets coniques et lentille Apport et contraintes d optimisation Insert diélectrique/métallique Problèmes inverses Lentille fixe et optimisation de la source ponctuelle/spatiale