Contribution to the integration of microwave and millimeter-wave circuits for telecommunications
Contribution à l’intégration des circuits micro-ondes et millimétriques pour les télécommunications
Résumé
The work presented in this document deals with the integration of microwave and millimeter-wave circuits. It follows the global trend towards improved
performances, miniaturized, low-power and cost-effective circuits. Our research activity includes both the integration of active circuits as well as passive components.
The first given example proposes some solutions aimed for noise performance optimization of integrated RF power amplifiers whose non-linear operation translates the LF noise sources up to microwave frequencies.
We then propose to use the passive mixer based on MOS transistors as a possible candidate for future flexible and reconfigurable radio architectures. The optimizations performed at the device level as well as circuit topology significantly push the maximum operating frequencies up to V and W bands through the implementation of sampling and sub-sampling techniques, which also significantly reduce mixer’s conversion losses.
Finally, since the beginning of the microelectronic industry, the back-end-of-line is processed essentially in two dimensions, by stacking metal layers. We are developing an original approach that seeks to provide an additional degree of freedom by allowing the metalization of the sidewalls of a pillar of resin. This innovation, which has been patented, enables the fabrication of passive devices in three dimensions (3D), such as solenoids and RF transformers, for a very low cost. The successive improvements achieved in the fabrication process have led to extremely compact devices with performances that are currently at the level of the state of the art.
Les travaux présentés dans cette habilitation traitent de l’intégration des circuits micro-ondes et millimétriques. Ils s’inscrivent dans une tendance mondiale dont les enjeux principaux sont l’amélioration des performances, la miniaturisation, la baisse de la consommation électrique des circuits ainsi que la maîtrise des coûts. Notre activité de recherche porte donc tout naturellement à la fois sur l’intégration des circuits actifs et des composants passifs.
Le premier exemple évoqué propose quelques pistes de travail visant à optimiser les performances en bruit des amplificateurs de puissance intégrés dont le fonctionnement non-linéaire tend à transposer les sources de bruit BF vers les fréquences micro-ondes.
Nous proposons ensuite d’employer le mélangeur passif à transistors MOS pour répondre aux besoins de plus en plus forts qui s’expriment en direction des architectures radio flexibles et reconfigurables. Les optimisations effectuées au niveau de la géométrie du composant et de la topologie du circuit repoussent significativement les fréquences limites de fonctionnement (bandes V et W) grâce à la mise en œuvre de techniques d’échantillonnage et de sous-échantillonnage qui réduisent également les pertes de conversions.
Enfin, la microélectronique fonctionne essentiellement à deux dimensions depuis son apparition en procédant à un empilement de couches métalliques. Depuis quelque années, nous étudions une approche originale qui vise à dégager un degré de liberté supplémentaire en permettant la métallisation des flancs d’un pilier de résine. Cette innovation, qui a été brevetée, autorise la fabrication de composants passifs en trois dimensions (3D), tels que des solénoïdes et des transformateurs RF, pour un coût très faible. Les améliorations successives du procédé ont permis d’aboutir à des composants extrêmement compacts avec des performances qui se situent actuellement au niveau de l’état de l’art.
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