P ro jet U E B «O ptim is e»

P ro jet U E B «O ptim is e» Contributions : Ch. Person, C. Quendo e@mails : christian.person@telecom-bretagne.eu cedric.quendo@univ-brest.fr 14/04/2010

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

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

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

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

Technologies & Opportunities Substrate Experimental characterization Foam plate Foam material Quasi-optical test bench Mmwave focussing horn 0 db 1,1 0 db 0 72 1,08-0,002 1,06 Rohacell Tan δ # 0.001 Thickness : 20µm to 100mm Density, robustness 92 Rohacell 102 112 S12 ε r # 1.07-0,004 S11 1,04 S22 S21-0,006 Tan δ r # 0.001 at 40GHz εr # 1.069 (σ =0.001) εr #-0.003 (tgδ=0.00279) 1,02 ε r # 1.07 82-0,008 1dB 1-50dB 72 82 72-0,01 Fréq GHZ 92 112 102 72 112 Fréq GHZ 112

Technologies & Opportunities Substrate Foam material Rohacell ε r # 1.07 Tan δ # 0.001 Thickness : 20µm to 100mm Density, robustness Foam Substrate for Planar Antennas

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

Technologies & Opportunities 3D Antennas Multi-axial milling machine

C irc ula r H orn Diam. 45.7 mm Diam. 8.0 mm Module en db W aveguidew R 28 WaveguideWR28 0-2 -4-6 -8-1 0-1 2-1 4-1 6-1 8-2 0-2 2-2 4-2 6-2 8-3 0-3 2-3 4-3 6-3 8-4 0-4 2-4 4-9 0-6 0-3 0 0 A n g le 30 60 90

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

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

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

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

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

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

Réalisation de filtres / interfaces Filtre avec double transition Application bande VSAT [29.5-30]GHz 0-10 Amplitude (db) -20-30 S11 simulé S21 simulé -40 S11 mesuré S21 mesuré -50-60 -70 27 28 29 30 Fréque nce (GHz) 31 32

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

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

Integrated Conical Horn Antenna Metallised foam module Vias holes for ground Assembling screws Microstrip line Ground plane aperture 800 um R4003 3.175 mm Dielectric support 800 um Foam Dielectric support Backside cavity

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

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

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

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 gain @ 60 GHz (17.2 dbi for a conventional metallic circular waveguide) Radiation Patterns

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

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

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

I nves tig a tions

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

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

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 270 90 180 M1 = -39 db F = 10.2 GHz co-polarisation cross-polarisation antenne patch microruban freq 0 15.0 GHz -50 db 5.0 GHz 0 db -40.0 Plan H 270 90 εr=1 εr=9.6 180 co-polarisation cross-polarisation accès CPW et plan de masse microruban Plan E

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

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

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

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

Synthèse globale d un module passif antenne / filtre

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

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)

EXEMPLE DE SYNTHESE 5.5 Ω 5.5 Ω Ra. g3 BP = 2.π. La Zi = 50 Ω 48 Ω Bande passante ripple Z1 Z2 0.01 db 5.5 3.3 0.2 db 5.5 5.5 0.5 db 5.5 7.5 9.9% 18% 23% 2π. Z pi. BP 4. fo. gi ( Ω) contrôle de la bande contraintes technologiques 3D

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

0 db 0 270 90 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 -50-25 -25 180 270 90 180 co-polarisation cross-polarisation Plan E

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)

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 1 50.0 Ω CPW 3D

8.0 GHz FREQ 12.0 GHz 0 0.0 0.0 0 90 180 P la n E db(s 11) 270-50.0 10/DIV 10/DIV -50.0 db(s 11) Face arrière Filtre de distribution -20.0-50.0 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 270 90 180 Plan H

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

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

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

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