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Multilayer scalable coupler with high directivity

Basta, Nina Popovic 21 September 2015 (has links)
This thesis addresses the design, analysis, and experimental validation of a high-directivity and high coupling microwave directional coupler. The motivating application is in broadband signal routing between cores of multi-core processors, where the delay of simple wire interconnects introduces unacceptable latency. The performance goals include scalability with frequency, a coupling coefficient of 3 dB, directivity larger than 40 dB, high return loss, low insertion loss below 3 dB at the center frequency, and small footprint. The approach to this problem taken in the thesis is a combination of edge and broad-side coupling in a multi-layer, multi-conductor microstrip coupled-line system. The two coupling mechanisms between neighboring pairs of coupled lines, along with appropriate end interconnections, allow for reduced size and design that achieves equal propagation velocities for the different modes supported by the five-conductor guiding structure that contribute to coupling. To validate the approach, a coupler designed for operation at 1 GHz is demonstrated to have a isolation of -22 dB with a coupling coefficient of 3\,dB and a return loss of -20 dB. The coupler is implemented on a FR-408 substrate with a permittivity of 3.66 and 1.17mm and 0.17mm thicknesses, and a total area of 12.65 cm^2. Three metalization layers are used in the design, with edge and broad-side coupled pairs of lines on the top two layers and diagonal end interconnects between the top and bottom lines. The coupler design is then scaled to 3 GHz by shortening the coupled-line length, and established -24 dB isolation, coupling of 3 dB, return loss of -20 dB, and has a total area of 6.9 cm^2. The analysis of the coupler shows that full-wave electromagnetic modeling agrees well with measurements and is necessary during the design process, while circuit analysis with built-in coupled-line models shows poorer agreement with experimental data. A tolerance analysis shows that the coupler performance is most sensitive to milling precision and separation between coupled-lines. Based on the measured and simulated results, it is shown that this type of coupler can be further scaled to higher frequencies and on-chip implementations for signal distribution in multi-core processors, or any other application where a number of components need to be interconnected with low latency and no reflection.
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Étude et réalisation d'un duplexeur SOI accordable multibande pour les futures générations de systèmes de téléphonie mobile / Study and design of a tunable SOI duplexer multiband for future generations of mobile systems

Settaf, Zakaria 16 December 2016 (has links)
Plusieurs standards de téléphonie mobile ont été définis et sont utilisés actuellement. Dans un avenir proche, avec le développement de la 5G de nouveaux standards et de nouvelles bandes de fréquence faire leur apparition. De ce fait, avec l'utilisation de nombreux circuits dédiés à un standard et donc à une bande de fréquence, des difficultés d'intégration et desproblèmes de coûts apparaissent. Il est donc devenu nécessaire pour les concepteurs de proposer des circuits intégrés reconfigurables pour plusieurs gammes de fréquences avec des modes de fonctionnement différents.Dans un système d'émetteur récepteur, le duplexeur permet l'établissement d'une communication simultanée en utilisant une seule antenne pour la transmission et la réception de données, sans que celles-ci soient corrompues. C'est un composant vital, surtout pour la chaine de réception car la réception du signal désiré dépend de ses caractéristiques. Ce dispositif est conçu sur du matériau piézoélectrique, qui ne permet pas d'obtenir un filtre agile en fonction de la fréquence. Dans ce contexte, il est intéressant de rechercher une nouvelle architecture de duplexeur, permettant une réalisation intégrée et un fonctionnement agile.Plusieurs architectures de duplexeur ont été retenues en se basant sur des études récentes menées dans différentes équipes de recherche. Un classement de ces architectures a été proposé, avec des améliorations pour les rendre intégrables et reconfigurables. Parmi toutes les solutions de duplexeurs passifs étudiées, le duplexeur à coupleur hybride 3dB est unesolution permettant d'obtenir des performances attractives. Les simulations pour différentes bandes de fréquences ont montré qu’il était difficile de respecter les spécifications de l’isolation Tx/Rx. Des solutions possibles ont été présentées et des modifications de la structure d'un amplificateur du LNA ont été évaluées en simulation. Ainsi, les performancesd’isolation peuvent être améliorées grâce à des structures actives d’annulation du signal résiduel Tx.La conception, la réalisation et le test de coupleurs hybrides et duplexeurs sont présentés. Le circuit a été implémenté en utilisant la technologie SOI 0.13 micromètre de ST Microelectronics et mesuré avec un boitier BT soudé sur un support de test PCB. Les performances RF du duplexeur peuvent être ajustées en fonction de la bande de fréquence désirée grâce aux capacités commutées. Les performances RF du coupleur hybride 3dB permettent d’envisager l’application de la structure proposée pour les futurs développements de systèmes de téléphonie. / Several standards have been defined and are currently used on mobile phones. With the high request for the broadband, several new standards are developed and introduced in 5G. This results in the use of many circuits, dedicated to one standard and thus one frequency band, which increase the difficulty of integrating these dedicated circuits and therefore costly. It hasbecome necessary for designers to propose tunable integrated circuit that can address several frequency ranges with different operating modes.The duplexer allows the establishment of simultaneous communications, using a single antenna for sending and receiving data, without any interferences. It is a vital component, especially for receiver. In fact, the quality of the received signal depends greatly on the duplexer characteristics. This device is designed on the piezoelectric material, which does not allow to achieve a tunable filter according to the frequency. In this context, it seems interesting to study a new architecture of duplexer. Therefore, it is necessary to define the duplexer function based on studies and system simulations, thus identify the constraints and technology limitations. Several duplexer architectures were selected based on recent studies in different research teams.A classification of these architectures was proposed and also improvements to make them integrated and tunable. Among all the solutions studied, the duplexer using hybrid 3dB coupler shown the most attractive performance. Simulations for different frequency bands showed that it's difficult to achieve Tx/Rx isolation requirements. Different solutions have been presented and LNA structure have been changed and thus evaluated by simulations. Thanks to that, the Tx/Rx isolation can be improved through active cancellation structures.The final chapter presents the design, implementation and testing of hybrid 3dB coupler and duplexer. It has been implemented using SOI 0.13 micrometer from ST Microelectronics and tested on BT-resin substrat. The RF performance of the duplexer can be corrected according to the desired frequency band through the switched capacitor. The RF performance of the hybrid 3dB coupler is in the line with expectations and allows to consider its integration in future system developments.

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