Atualmente existe uma demanda por sistemas de comunicação com altas taxas de transferência de dados, trabalhando em ondas milimétricas (mmW). Além disso, os sistemas devem ser cada vez menores, apresentando um baixo consumo de potência e baixo custo para poderem ser utilizados em aplicações sem fio direcionadas ao mercado do consumidor. Neste trabalho, é proposto um defasador passivo miniaturizado de baixas perdas para aplicações em mmW baseado em um conceito inovador utilizando sistemas micro-eletromecânicos (MEMS) distribuídos e linhas de transmissão coplanares de ondas lentas (S-CPW). Assim, a defasagem é conseguida pela liberação das fitadas da camada de blindagem da S-CPW utilizando um processo de corrosão com vapor de HF. As fitas liberadas podem ser movimentadas quando uma tensão DC é aplicada, o que muda a fase do sinal propagado. É apresentado também um modelo eletromecânico e RF do defasador, compostos de elementos concentrados, permitindo a simulação do comportamento dinâmico do dispositivos e a mudança da fase. O defasador foi fabricado utilizando um processo realizado integralmente no Laboratório de Microeletrônica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Alguns testes elétricos de atuação, demonstram que o processo de fabricação é viável e permitiu a liberação e atuação do plano de blindagem. / There is a demand for millimeter-wave (mmW) high data-rate communication systems. Systems should have small area as well as low power consumption and low cost in order to address wireless consumer applications. In this work, a low-loss distributed microelectromechanical (MEMS) phase shifter for mmW applications based on an innovative concept using distributed MEMS and slow-wave coplanar transmission lines (S-CPW) is proposed. The phase shift is achieved by releasing the ribbons of the shielding layer of the S-CPW with a HF vapor etching process. In this way the ribbons can be allows actuated when a DC voltage is applied, which changes the phase of the propagating signal. An electromechanical model and a RF model were developed using lumped elements, allowing the simulation of the dynamic behavior of the distributed MEMS and the phase shift. The phase shifter was entirely fabricated at the Laboratory of Microelectronics of the Polytechnic School from the University of São Paulo. Some electrical tests showed that the fabrication process is viable and allowed the correct release of the shielding layer of the phase shifter.

O substrato de nanofios (MnM) é uma nova tecnologia de interposers visando aplicações em ondas-mm que vêm recebendo atenção devido à facilidade de se fabricar vias de interconexão e estruturas de onda lenta de alto desempenho com resultados no estado-da-arte. Entretanto, embora as estruturas de interconexão, como vias e linhas de transmissão, já estejam bem definidas, ainda não se verificou a viabilidade de se usar essa tecnologia como base para antenas planares, uma parte vital de qualquer aplicação de transmissão de dados sem fio. Esse trabalho visa preencher essa lacuna, apresentando métodos para se realizar a caracterização elétrica do substrato através da extração de sua constante dielétrica relativa e tangente de perdas, e para se projetar antenas de uso frequente em aplicações de ondas-mm através de softwares de simulação eletromagnética. Esse trabalho apresenta também as etapas de fabricação da tecnologia numa visão geral e aplicada às estruturas desenvolvidas, seguida da caracterização das estruturas até 110 GHz. Os resultados mostraram um substrato com constante dielétrica relativa de 7 ± 0,2 e com tangente de perdas de 0,03 ± 0,005. Simulações das antenas projetadas mostraram que o substrato MnM é um candidato viável para antenas do tipo end-fire, cuja irradiação acontece paralela ao plano do substrato, devido ao fato dos parâmetros do substrato não interferirem demasiadamente na eficiência de irradiação desse tipo de antena. Entretanto, as simulações também mostraram que esse substrato é um candidato ruim para antenas tipo back-fire, com irradiação perpendicular ao plano do substrato, devido às baixas figuras de eficiência de irradiação e ganho. / The nanowire substrate (MnM) is a novel interposer technology for mm-waves applications that has been receiving more and more attention thanks to the ease of fabricating high performance interconnection vias and slow-wave structures, whose results are in the state-of-the-art. However, even though the interconnection structures, such as transmission lines and vias, are already well-defined, no one has analyzed the potential of the MnM substrate as a planar antenna substrate, a core component of any wireless communications application. This work aims to fill this gap by presenting substrate characterization methods, that involves determining its dielectric constant and loss tangent, and by presenting planar antenna design methods using electromagnetic simulation softwares. This work presents also a general overview of the manufacturing processes being developed, followed by structure measurement up until 110 GHz. The results showed a substrate with a dielectric constant of 7 ± 0.2 and with a loss tangent of 0.03 ± 0.005. Simulations of the designed antennas indicated that this substrate is a viable choice for end-fire antennas, whose radiation is parallel to the plane of the substrate, because the substrate parameters doesn\'t seem to degrade the radiation efficiency of this kind of antenna. However, simulations also showed that the MnM substrate is a poor candidate for back-fire antennas, whose radiation is perpendicular to the plane of the substrate, given the low figures of radiation efficiency and gain.

O substrato de nanofios (MnM) é uma nova tecnologia de interposers visando aplicações em ondas-mm que vêm recebendo atenção devido à facilidade de se fabricar vias de interconexão e estruturas de onda lenta de alto desempenho com resultados no estado-da-arte. Entretanto, embora as estruturas de interconexão, como vias e linhas de transmissão, já estejam bem definidas, ainda não se verificou a viabilidade de se usar essa tecnologia como base para antenas planares, uma parte vital de qualquer aplicação de transmissão de dados sem fio. Esse trabalho visa preencher essa lacuna, apresentando métodos para se realizar a caracterização elétrica do substrato através da extração de sua constante dielétrica relativa e tangente de perdas, e para se projetar antenas de uso frequente em aplicações de ondas-mm através de softwares de simulação eletromagnética. Esse trabalho apresenta também as etapas de fabricação da tecnologia numa visão geral e aplicada às estruturas desenvolvidas, seguida da caracterização das estruturas até 110 GHz. Os resultados mostraram um substrato com constante dielétrica relativa de 7 ± 0,2 e com tangente de perdas de 0,03 ± 0,005. Simulações das antenas projetadas mostraram que o substrato MnM é um candidato viável para antenas do tipo end-fire, cuja irradiação acontece paralela ao plano do substrato, devido ao fato dos parâmetros do substrato não interferirem demasiadamente na eficiência de irradiação desse tipo de antena. Entretanto, as simulações também mostraram que esse substrato é um candidato ruim para antenas tipo back-fire, com irradiação perpendicular ao plano do substrato, devido às baixas figuras de eficiência de irradiação e ganho. / The nanowire substrate (MnM) is a novel interposer technology for mm-waves applications that has been receiving more and more attention thanks to the ease of fabricating high performance interconnection vias and slow-wave structures, whose results are in the state-of-the-art. However, even though the interconnection structures, such as transmission lines and vias, are already well-defined, no one has analyzed the potential of the MnM substrate as a planar antenna substrate, a core component of any wireless communications application. This work aims to fill this gap by presenting substrate characterization methods, that involves determining its dielectric constant and loss tangent, and by presenting planar antenna design methods using electromagnetic simulation softwares. This work presents also a general overview of the manufacturing processes being developed, followed by structure measurement up until 110 GHz. The results showed a substrate with a dielectric constant of 7 ± 0.2 and with a loss tangent of 0.03 ± 0.005. Simulations of the designed antennas indicated that this substrate is a viable choice for end-fire antennas, whose radiation is parallel to the plane of the substrate, because the substrate parameters doesn\'t seem to degrade the radiation efficiency of this kind of antenna. However, simulations also showed that the MnM substrate is a poor candidate for back-fire antennas, whose radiation is perpendicular to the plane of the substrate, given the low figures of radiation efficiency and gain.

As futuras redes de acesso sem-fio, como a quinta geração de telefonia celular (5G), estão introduzindo e consolidando diversas tecnologias, tais como a operação em ondas milimétricas, picocélulas e o emprego massivo de antenas para diversidade espacial e temporal. Todas essas mudanças trazem desafios para a capacidade dos enlaces presentes nessas redes, como o backhaul e fronthaul. Nas últimas gerações, o ifronthaul tem utilizado Rádio-sobre-Fibra Digital (D-RoF, Digital Radio-over Fiber). Entretanto, neste novo paradigma, o processo de digitalização pode vir a consumir uma largura de banda excessiva e a transmissão analógica dos sinais de RF sobre a fibra se torna uma solução mais atrativa. Ao mesmo tempo, WDM-PON (Wavelength-Division-Multiplexing Passive-Optical-Network) é uma proeminente alternativa para o futuro das PONs, especialmente considerando o seu emprego como fronthaul. Para reduzir a necessidade de diversos transmissores diferentes, várias técnicas de auto-alimentação para obtenção de fontes ópticas agnósticas em comprimento de onda têm sido propostas. O presente trabalho faz um estudo de topologias de auto-alimentação com dupla cavidade para operarem como fronthaul analógico nas futuras redes de acesso sem-fio. Simulações numéricas utilizando o software Optisystem demonstram a viabilidade destas topologias em diversos cenários previstos para estas redes de acesso, especialmente considerando a operação em ondas milimétricas. Transmissões bem sucedidas foram obtidas para sinais ASK, M-PSK e M-QAM em frequências de microondas (1,25, 2,5 e 5 GHz) e ondas milimétricas (38 e 60 GHz) com vazões de 155 Mbps a 10 Gbps utilizando modulação direta e modulação externa. / Future radio access networks, such as the fifth generation mobile network (5G), are introducing and consolidating disruptive technologies, such as millimeter wave operation, dense picocell coverage and massive use of antennas for spatial and temporal diversity. These new technologies present a challenge for the capacity of the links that are present on these networks, including backhaul and fronthaul. In the latest cellular network generations, the fronthaul was typically implemented by Digital Radio-over-Fiber (D-RoF) technique. However, in this future context, the digitalization process would require a prohibitive bandwidth and the analog transmission of RF signals over the fiber can be a more attractive solution when compared to D-RoF. At the same time, Wavelength-Division-Multiplexing PON (WDM-PON) is prominent alternative for the future of PONs, especially considering its use as fronthaul. In order to avoid employing numerous distinct transmitters, several self-seeding techniques have been proposed to achieve colorless optical sources. This dissertation presents a numerical study of double-cavity self-seeding topologies to serve as analog fronthaul for future radio access networks. Numerical simulations using the software Optisystem demonstrate the feasibility of these topologies in various scenarios envisioned for these access networks, especially considering operation in millimeter waves. Successful transmission was achieved for ASK, M-PSK and M-QAM signals at microwave (1.25, 2.5 and 5 GHz) and millimeter wave (38 and 60 GHz) frequencies with throughput of 155 Mbps to 10 Gbps using direct and external modulation.

Atualmente existe uma demanda por sistemas de comunicação com altas taxas de transferência de dados, trabalhando em ondas milimétricas (mmW). Além disso, os sistemas devem ser cada vez menores, apresentando um baixo consumo de potência e baixo custo para poderem ser utilizados em aplicações sem fio direcionadas ao mercado do consumidor. Neste trabalho, é proposto um defasador passivo miniaturizado de baixas perdas para aplicações em mmW baseado em um conceito inovador utilizando sistemas micro-eletromecânicos (MEMS) distribuídos e linhas de transmissão coplanares de ondas lentas (S-CPW). Assim, a defasagem é conseguida pela liberação das fitadas da camada de blindagem da S-CPW utilizando um processo de corrosão com vapor de HF. As fitas liberadas podem ser movimentadas quando uma tensão DC é aplicada, o que muda a fase do sinal propagado. É apresentado também um modelo eletromecânico e RF do defasador, compostos de elementos concentrados, permitindo a simulação do comportamento dinâmico do dispositivos e a mudança da fase. O defasador foi fabricado utilizando um processo realizado integralmente no Laboratório de Microeletrônica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Alguns testes elétricos de atuação, demonstram que o processo de fabricação é viável e permitiu a liberação e atuação do plano de blindagem. / There is a demand for millimeter-wave (mmW) high data-rate communication systems. Systems should have small area as well as low power consumption and low cost in order to address wireless consumer applications. In this work, a low-loss distributed microelectromechanical (MEMS) phase shifter for mmW applications based on an innovative concept using distributed MEMS and slow-wave coplanar transmission lines (S-CPW) is proposed. The phase shift is achieved by releasing the ribbons of the shielding layer of the S-CPW with a HF vapor etching process. In this way the ribbons can be allows actuated when a DC voltage is applied, which changes the phase of the propagating signal. An electromechanical model and a RF model were developed using lumped elements, allowing the simulation of the dynamic behavior of the distributed MEMS and the phase shift. The phase shifter was entirely fabricated at the Laboratory of Microelectronics of the Polytechnic School from the University of São Paulo. Some electrical tests showed that the fabrication process is viable and allowed the correct release of the shielding layer of the phase shifter.

As futuras redes de acesso sem-fio, como a quinta geração de telefonia celular (5G), estão introduzindo e consolidando diversas tecnologias, tais como a operação em ondas milimétricas, picocélulas e o emprego massivo de antenas para diversidade espacial e temporal. Todas essas mudanças trazem desafios para a capacidade dos enlaces presentes nessas redes, como o backhaul e fronthaul. Nas últimas gerações, o ifronthaul tem utilizado Rádio-sobre-Fibra Digital (D-RoF, Digital Radio-over Fiber). Entretanto, neste novo paradigma, o processo de digitalização pode vir a consumir uma largura de banda excessiva e a transmissão analógica dos sinais de RF sobre a fibra se torna uma solução mais atrativa. Ao mesmo tempo, WDM-PON (Wavelength-Division-Multiplexing Passive-Optical-Network) é uma proeminente alternativa para o futuro das PONs, especialmente considerando o seu emprego como fronthaul. Para reduzir a necessidade de diversos transmissores diferentes, várias técnicas de auto-alimentação para obtenção de fontes ópticas agnósticas em comprimento de onda têm sido propostas. O presente trabalho faz um estudo de topologias de auto-alimentação com dupla cavidade para operarem como fronthaul analógico nas futuras redes de acesso sem-fio. Simulações numéricas utilizando o software Optisystem demonstram a viabilidade destas topologias em diversos cenários previstos para estas redes de acesso, especialmente considerando a operação em ondas milimétricas. Transmissões bem sucedidas foram obtidas para sinais ASK, M-PSK e M-QAM em frequências de microondas (1,25, 2,5 e 5 GHz) e ondas milimétricas (38 e 60 GHz) com vazões de 155 Mbps a 10 Gbps utilizando modulação direta e modulação externa. / Future radio access networks, such as the fifth generation mobile network (5G), are introducing and consolidating disruptive technologies, such as millimeter wave operation, dense picocell coverage and massive use of antennas for spatial and temporal diversity. These new technologies present a challenge for the capacity of the links that are present on these networks, including backhaul and fronthaul. In the latest cellular network generations, the fronthaul was typically implemented by Digital Radio-over-Fiber (D-RoF) technique. However, in this future context, the digitalization process would require a prohibitive bandwidth and the analog transmission of RF signals over the fiber can be a more attractive solution when compared to D-RoF. At the same time, Wavelength-Division-Multiplexing PON (WDM-PON) is prominent alternative for the future of PONs, especially considering its use as fronthaul. In order to avoid employing numerous distinct transmitters, several self-seeding techniques have been proposed to achieve colorless optical sources. This dissertation presents a numerical study of double-cavity self-seeding topologies to serve as analog fronthaul for future radio access networks. Numerical simulations using the software Optisystem demonstrate the feasibility of these topologies in various scenarios envisioned for these access networks, especially considering operation in millimeter waves. Successful transmission was achieved for ASK, M-PSK and M-QAM signals at microwave (1.25, 2.5 and 5 GHz) and millimeter wave (38 and 60 GHz) frequencies with throughput of 155 Mbps to 10 Gbps using direct and external modulation.

O desenvolvimento deste trabalho foi motivado pela alta demanda de novas aplicações para o mercado do consumidor que necessitam de sistemas de transmissão e recepção de dados sem fio trabalhando na região de ondas milimétricas (mmW - entre 30 GHz e 300 GHz). Para estes tipos de sistemas, os defasadores são cruciais por definir o custo e o tamanho do dispositivo final. A pesquisa bibliográfica mostra que a melhor opção são os defasadores passivos do tipo linha carregada que utilizam Sistemas Microeletromecânicos (MEMS) como elemento de ajuste para a mudança de fase. Por esse motivo neste trabalho foi feito o estudo de diferentes tecnologias para o desenvolvimento de defasadores baseados em MEMS distribuídos e linhas de transmissão com efeito de ondas lentas de tipo shielded-CoPlanar Stripline (S-CPS) e shielded-Coplanar Waveguide (S-CPW). Foram estudadas três diferentes tecnologias: a tecnologia CMOS; a tecnologia dedicada desenvolvida pelo Laboratoire d\'électronique des technologies de l\'information (CEA-Leti) e a tecnologia in-house desenvolvida no Laboratório de Microeletrônica da Universidade de São Paulo. Utilizando a tecnologia CMOS foram fabricadas linhas de transmissão de tipo S-CPS utilizando a tecnologia de 250 nm da IHP (Innovations for High Performance Microelectronics) e a tecnologia de 0,35 µm da AMS (Austria Micro Systems). A tecnologia de 0,35 µm da AMS foi utilizada também para o desenvolvimento de defasadores de 2-bits e 3-bits baseados em linhas de transmissão de tipo S-CPW. Para estes defasadores foi definido um processo de liberação da camada de blindagem, reprodutível, que permitiu a atuação do dispositivo. Outros defasadores baseados em S-CPW que foram desenvolvidos anteriormente com a tecnologia dedicada CEA-LETI, foram modelados eletrostaticamente utilizando o Comsol MultiPhysics e o Ansys Workbench. Os modelos desenvolvidos permitiram entender o comportamento eletromecânico do defasador e foram utilizados reprojetar o defasador com um desempenho otimizado. Finalmente, visando o desenvolvimento dos dispositivos otimizados utilizando a tecnologia in house com os materiais e métodos disponíveis no Laboratório de Microeletrônica da USP (LME-USP), foram estudadas algumas etapas críticas do processo de fabricação. / The development of this work is motivated by the high demand for new applications for the consumer market that require wireless systems for data transmission and reception working in the millimeter wave region (mmW - between 30 GHz and 300 GHz). For these kinds of systems, the phase shifter are crucial to define the cost and size of the final device. The bibliographical research shows that the best option are the passive load line-type phase shifters using Microelectromechanical Systems (MEMS) as tuning element. Therefore, in this work, the study of different technologies for the development of phase shifter based on distributed MEMS and slow-wave transmission lines. The two types of transmission lines considered were the shielded-CoPlanar Stripline (S-CPS) and shielded-Coplanar Waveguide line (S-CPW). Three different technologies were studied: CMOS technology; the dedicated technology developed by the Laboratoire d\'électronique des technologies de l\'information (CEA-Leti) and the in-house technology developed at the Microelectronics Laboratory of the University of São Paulo. Using the CMOS technology, S-CPS-type transmission lines were fabricated using IHP\'s 250 nm CMOS technology and AMS\'s 0.35 µm CMOS technology. AMS\'s 0.35 µm technology has also been used for the development of 2-bit and 3-bit phase-shifters based on S-CPW type transmission lines. For these phase shifters, a reproducible shielding layer release process was defined that allowed the device to operate. Also, another phase shifter based in S-CPW-type transmission lines that were previously developed with dedicated CEA-LETI technology was electrostatically modeled using Comsol MultiPhysics and Ansys Workbench. The developed models allowed to understand the electromechanical behavior of the phase shifter and was used for a new design of the phase shifter with an optimized performance. Finally, in order to develop the optimized devices using the in-house technology with the materials and methods available at the USP Microelectronics Laboratory (LME-USP), some critical stages of the fabrication process were studied.

O desenvolvimento deste trabalho foi motivado pela alta demanda de novas aplicações para o mercado do consumidor que necessitam de sistemas de transmissão e recepção de dados sem fio trabalhando na região de ondas milimétricas (mmW - entre 30 GHz e 300 GHz). Para estes tipos de sistemas, os defasadores são cruciais por definir o custo e o tamanho do dispositivo final. A pesquisa bibliográfica mostra que a melhor opção são os defasadores passivos do tipo linha carregada que utilizam Sistemas Microeletromecânicos (MEMS) como elemento de ajuste para a mudança de fase. Por esse motivo neste trabalho foi feito o estudo de diferentes tecnologias para o desenvolvimento de defasadores baseados em MEMS distribuídos e linhas de transmissão com efeito de ondas lentas de tipo shielded-CoPlanar Stripline (S-CPS) e shielded-Coplanar Waveguide (S-CPW). Foram estudadas três diferentes tecnologias: a tecnologia CMOS; a tecnologia dedicada desenvolvida pelo Laboratoire d\'électronique des technologies de l\'information (CEA-Leti) e a tecnologia in-house desenvolvida no Laboratório de Microeletrônica da Universidade de São Paulo. Utilizando a tecnologia CMOS foram fabricadas linhas de transmissão de tipo S-CPS utilizando a tecnologia de 250 nm da IHP (Innovations for High Performance Microelectronics) e a tecnologia de 0,35 µm da AMS (Austria Micro Systems). A tecnologia de 0,35 µm da AMS foi utilizada também para o desenvolvimento de defasadores de 2-bits e 3-bits baseados em linhas de transmissão de tipo S-CPW. Para estes defasadores foi definido um processo de liberação da camada de blindagem, reprodutível, que permitiu a atuação do dispositivo. Outros defasadores baseados em S-CPW que foram desenvolvidos anteriormente com a tecnologia dedicada CEA-LETI, foram modelados eletrostaticamente utilizando o Comsol MultiPhysics e o Ansys Workbench. Os modelos desenvolvidos permitiram entender o comportamento eletromecânico do defasador e foram utilizados reprojetar o defasador com um desempenho otimizado. Finalmente, visando o desenvolvimento dos dispositivos otimizados utilizando a tecnologia in house com os materiais e métodos disponíveis no Laboratório de Microeletrônica da USP (LME-USP), foram estudadas algumas etapas críticas do processo de fabricação. / The development of this work is motivated by the high demand for new applications for the consumer market that require wireless systems for data transmission and reception working in the millimeter wave region (mmW - between 30 GHz and 300 GHz). For these kinds of systems, the phase shifter are crucial to define the cost and size of the final device. The bibliographical research shows that the best option are the passive load line-type phase shifters using Microelectromechanical Systems (MEMS) as tuning element. Therefore, in this work, the study of different technologies for the development of phase shifter based on distributed MEMS and slow-wave transmission lines. The two types of transmission lines considered were the shielded-CoPlanar Stripline (S-CPS) and shielded-Coplanar Waveguide line (S-CPW). Three different technologies were studied: CMOS technology; the dedicated technology developed by the Laboratoire d\'électronique des technologies de l\'information (CEA-Leti) and the in-house technology developed at the Microelectronics Laboratory of the University of São Paulo. Using the CMOS technology, S-CPS-type transmission lines were fabricated using IHP\'s 250 nm CMOS technology and AMS\'s 0.35 µm CMOS technology. AMS\'s 0.35 µm technology has also been used for the development of 2-bit and 3-bit phase-shifters based on S-CPW type transmission lines. For these phase shifters, a reproducible shielding layer release process was defined that allowed the device to operate. Also, another phase shifter based in S-CPW-type transmission lines that were previously developed with dedicated CEA-LETI technology was electrostatically modeled using Comsol MultiPhysics and Ansys Workbench. The developed models allowed to understand the electromechanical behavior of the phase shifter and was used for a new design of the phase shifter with an optimized performance. Finally, in order to develop the optimized devices using the in-house technology with the materials and methods available at the USP Microelectronics Laboratory (LME-USP), some critical stages of the fabrication process were studied.

Orientador: Jacobus Willibrordus Swart / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-18T12:44:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Yamamoto_SilasDemmy_M.pdf: 5306597 bytes, checksum: 9dd3930c43415f31bf913b4d374c25eb (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: O trabalho intitulado Integração de Sistema Transceptor de 60 GHz para Aplicações Sem Fio de Interface Multimídia de Alta Definição (Wireless HDMI) foi realizado na empresa STMicroelectronics (França), no departamento de P&D de Tecnologia / CAD Central e Soluções, como requisito para a obtenção do título de mestre. O objetivo deste trabalho foi de pesquisar e propor uma integração de sistema do tipo Sistema no Empacotamento (SiP ou System in Package) a nível industrial, com o desenvolvimento de um Módulo de Múltiplos Chips (MCM ou Multi-Chip Module) de camadas cerâmicas com tecnologia Cerâmica Cossinterizada sob Alta Temperatura (HTCC), integrando componentes de diferentes tecnologias - um circuito integrado CMOS 65 nm, um circuito integrado monolítico de micro-ondas (MMIC) de Arseneto de Gálio (GaAs) comercial e antenas IPD (Dispositivo de Integração Passiva) de vidro. Além disso foram desenvolvidas técnicas de projeto de integração na tecnologia HTCC, atendendo-se às regras para fabricação e montagem industrial. Utilizaram-se no projeto ferramentas software de projeto de simulação elétrica e eletromagnética, resultando no módulo com área de 13 x 8 mm2 e 1,12 mm de espessura incluindo os componentes. Nas linhas de transmissão do sinal a 60 GHz e de banda base foram medidas perdas de inserção de 1,0 dB/mm e 0,6 dB respectivamente. A antena integrada no módulo apresentou um ganho mínimo de 6 dBi (de 53,5 a 59,5 GHz), com perda de retorno maior que 10 dB (de 51 a 63 GHz) e um pequeno deslocamento em relação à banda especificada. Os resultados de medição de algumas amostras demonstraram que a tecnologia HTCC, para integração do sistema, é viável tanto em termos de desempenho, quanto nos aspectos industrial e comercial, mesmo antes da análise da montagem e desempenho do MMIC HPA e do sistema / Abstract: This Master's degree work, entitled System-in-Package (SiP) Integration of 60 GHz Transceiver for Wireless High Definition Multimedia Interface Application, was executed at STMicroelectronics Company (France), Minatec site in the department of Research and Technological Development/Central CAD and Solutions Department, under the guidance of PhD. Andreia Cathelin. The objective was to research and propose a SiP integration for industrial production. The Multi-Chip Module with ceramic materials (MCM-C) of High Temperature Cofired Ceramic technology (HTCC) was developed. Components and devices of different technologies - an RF 65 nm CMOS Integrated Circuit (IC), a commercial Gallium Arsenide (GaAs) monolithic microwave IC (MMIC), and IPD (Integrated Passive Device) antennas with glass substrate - were integrated into the same module. Further design techniques were developed complying with techniques for industrial assembly and the design rules of Kyocera, the company which provides HTCC technology and module manufacturing. The complete system integration was designed with electronic design automation (EDA) software tools with electrical and electromagnetic simulation resulting in a 13 x 8 mm2 area and 1.12 mm thickness module including its components. The 60 GHz and the base band transmission lines presented an insertion loss of 1.0 dB/mm and 0.6 dB respectively. The IPD antenna integrated in the module presented a 6 dBi minimum gain (53.5 to 59.5 GHz band) with return loss above 10 dB (51 to 63 GHz band) and a small shift of the frequency band. The measurement results of some assembled samples showed that HTCC technology is viable in terms of performance and industrial production for the 60 GHz application, even before the analysis of MMIC HPA and the system evaluation / Mestrado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Mestre em Engenharia Elétrica

[ES] El estándar de quinta generación (5G) es la clave potencial para satisfacer el aumento exponencial en la demanda de nuevas aplicaciones, servicios y usuarios. La tecnología 5G ofrecerá una latencia extremadamente baja de 1 ms, una velocidad máxima de datos de 10 Gbit/s, una alta densidad de conexión de hasta 106 dispositivos/km2 y permitirá una alta movilidad de los dispositivos de hasta 500 km/h. En esta Tesis se proponen varias soluciones basadas en tecnologías habilitadoras para el despliegue de redes 5G. La arquitectura de la red de acceso de radio en la nube (C-RAN) se emplea junto con las técnicas de Fotónica de Microondas como una solución prometedora para generar y transmitir señales de ondas milimétricas (mmW) en la próxima generación de comunicaciones móviles. La tecnología radio sobre fibra (RoF) ha demostrado ser una buena opción para enfrentarse al desafío de la distribución inalámbrica mmW debido a la gran distancia de transmisión, el gran ancho de banda y la inmunidad a las interferencias electromagnéticas, entre algunas de las principales ventajas. Además, esta tecnología se puede ampliar con comunicaciones ópticas de espacio libre (FSO) en sistemas de radio sobre FSO (RoFSO) en las redes inalámbricas. En esta Tesis, las señales mmW se generan fotónicamente mediante modulación externa de doble banda lateral con supresión de portadora (CS-DSB) y se distribuyen a través de enlaces fronthaul híbridos RoF/FSO. Además, la generación múltiple de señales permite la distribución reconfigurable en canales multiplexados por división de longitud de onda (WDM) desde una oficina central hasta las estaciones base, y se ha evaluado el impacto de las turbulencias producidas en los canales FSO sobre las señales mmW generadas fotónicamente en términos de fluctuaciones de potencia y ruido de fase de la señal. Se propone la técnica de modulación directa de un láser (DML) como solución principal para la transmisión de datos a través de enlaces ópticos híbridos que emplean un esquema de multiplicación de frecuencias ópticas, es decir, CS-DSB, para la generación de señales de mmW. En concreto, se evalúan teórica y experimentalmente los esquemas de generación fotónica local y remoto de señales mmW y se comparan para su implementación práctica en la red frontal de la C-RAN y, además, se estudia experimentalmente el impacto de la distorsión armónica y de la intermodulación en la transmisión de datos. Igualmente, con el fin de obtener la capacidad que ofrece el DML en términos de ancho de banda, también se presenta una evaluación teórica y experimental del efecto de la dispersión de la fibra y el chirp sobre diferentes anchos de banda de señales de M-modulación de amplitud en cuadratura (QAM). No obstante, la Tesis también incluye otro enfoque para la transmisión de datos basado en el uso de otro modulador externo. En este caso, la demostración experimental de la generación de señales ópticas empleando CS-DSB y la transmisión de señales a través de fibra híbrida y red frontal FSO se completa con un enlace de antena que permite transmitir señales 5G 64/256-QAM. La investigación realizada con los sistemas CS-DSB y DSB también permiten comparar la robustez frente al desvanecimiento inducido por la dispersión cromática de la fibra. Además, se ha realizado una evaluación experimental impacto las turbulencias producidas en los canales FSO sobre las señales mmW generadas fotónicamente con diferentes distribuciones térmicas y se ha cuantificado la degradación de la señal de datos de acuerdo con las condiciones de la turbulencia. Como demostradores finales, esta Tesis incluye un sistema de transmisión full-dúplex que emplea señales 5G en enlace descendente (DL) a 39 GHz y en enlace ascendente (UL) a 37 GHz; y la transmisión de señales OFDM LTE de 60 GHz (DL) y 25 GHz (UL) sobre una infraestructura heterogénea de frontal óptico que consiste en fibra óptica de 10 km, un canal FSO de 100 m y un enlace de radio inalámbrico de 2 m. / [CA] L'estàndard de quinta generació (5G) és la clau potencial per a satisfer l'augment exponencial en la demanda de noves aplicacions, serveis i usuaris. La tecnologia 5G oferirà una latència extremadament baixa d'1 ms, una velocitat màxima de dades de 10 Gbit/s, una alta densitat de connexió de fins a 106 dispositius/km2 i permetrà una alta mobilitat dels dispositius de fins a 500 km/h. En aquesta tesi es proposen diverses solucions basades en tecnologies habilitadores per al desplegament de xarxes 5G. L'arquitectura de la xarxa d'accés de ràdio en el núvol (CRAN) s'empra junt amb les tècniques de Fotònica de Microones com una solució prometedora per a generar i transmetre senyals d'ones mil·limètriques (mmW) en la pròxima generació de comunicacions mòbils. La tecnologia ràdio sobre fibra ( RoF) ha demostrat ser una bona opció per a enfrontar-se al desafiament de la distribució sense fil mmW a causa de la gran distància de transmissió, el gran ample de banda i la immunitat a les interferències electromagnètiques, entre alguns dels principals avantatges. A més, aquesta tecnologia es pot ampliar amb comunicacions òptiques d'espai lliure (FSO) en sistemes de ràdio sobre FSO (RoFSO) en les xarxes sense fil. En aquesta Tesi, els senyals mmW es generen fotònicament per mitjà de modulació externa de doble banda lateral amb supressió de portadora (CS-DSB) i es distribueixen a través d'enllaços frontals híbrids RoF/FSO.. A més, la generació múltiple de senyals permet la distribució reconfigurable en canals multiplexats per divisió de longitud d'ona ( WDM) des d'una oficina central fins a les estacions base, i s'ha avaluat l'impacte de les turbulències produïdes en els canals FSO sobre els senyals mmW generades fotònicament en termes de fluctuacions de potència i soroll de fase del senyal. Aquest treball proposa la tècnica de modulació directa d'un làser (DML) com solució principal per a la transmissió de dades a través d'enllaços òptics híbrids que fan servir un esquema de multiplicació de freqüències òptiques, és a dir, CS-DSB, per a la generació de senyals de mmW. En concret, s'avalua teòric i experimentalment els esquemes de generació fotònica local i remota de senyals mmW i es comparen per a la seua implementació pràctica a la xarxa frontal de la C-RAN i a més, s'estudia experimentalment l'impacte de la distorsió harmònica i de la intermodulació en la transmissió de dades. Igualment, amb el fi d'obtindre la capacitat que ofereix el DML en termes d'amplada de banda, també es presenta una avaluació teòrica i experimental de l'efecte de la dispersió de la fibra i el chirp sobre diferents amples de banda de senyals de M-modulació d'amplitud en quadratura (QAM). No obstant això, la Tesis també inclou altre enfocament per a la transmissió de dades basat amb l¿ús d'altre modulador extern. En aquest cas, la demostració experimental de la generació de senyals òptics emprant CS-DSB i la transmissió de senyals a través de fibra híbrida i xarxa frontal FSO es completa com un enllaç d'antena que permet transmetre senyals 5G 64/256-QAM. La investigació realitzada amb els sistemes CS-DSB i DSB també permet comparar la seua robustesa davant l¿esvaïment induït per la dispersió cromàtica. A més, s'ha avaluat experimentalment l'impacte de les turbulències produïdes en els canals FSO sobre els senyals mmW generades fotònicament amb diferents distribucions tèrmiques i s'ha quantificat la degradació del senyal de dades d'acord amb les condicions de la turbulència. Com a demostradors finals, aquesta Tesi inclou un sistema de transmissió full-dúplex que empra senyals 5G en enllaç descendent (DL) a 39 GHz i en enllaç ascendent (UL) a 37 GHz; i la transmissió de senyals OFDM LTE de 60 GHz (DL) i 25 GHz (UL) sobre una infraestructura heterogènia de frontal òptic que consisteix en fibra òptica de 10 km, un canal FSO de 100 m i un enllaç de ràdio sense fil de 2 m. / [EN] The fifth generation (5G) standard is the potential key to meet the exponentially increasing demand of the emerging applications, services and mobile end users. 5G technology will offer an extremely low latency of 1 ms, peak data rate of 10 Gbit/s, high contention density up to 106 devices/km2 and enable high mobility up to 500 km/h. This Thesis proposes several solutions based on enabling technologies for deploying 5G networks. Cloud-radio access network (C-RAN) architecture is employed in conjunction with microwave photonics techniques as a promising solution to generate and transmit millimeter wave (mmW) signals in the next generation of mobile communications. Radio over fiber (RoF) has been demonstrated as a good option to face the challenge of mmW wireless distribution, due to long transmission distance, large bandwidth and immunity to electromagnetic interference, as some of the main advantages. Moreover, this technology can be extended with free-space optical (FSO) communications in Radio over FSO systems (RoFSO) as wireless networks. In this Thesis, mmW signals are photonically generated by carrier suppressed double sideband (CS-DSB) external modulation and distributed over hybrid RoF/FSO fronthaul links. Moreover, multiple generated signals allow reconfigurable distribution in wavelength-division multiplexed (WDM) channels from a central office to the base stations, and the impact of turbulent FSO channels on photonically generated mmW signals has been evaluated in terms of power signal fluctuations and phase noise. A directly modulated laser (DML) is proposed as a major solution for signal transmission over hybrid optical links employing optical frequency multiplication scheme, i.e. CS-DSB, for mmW signal generation. Moreover, local and remote photonic mmW signal generation schemes are theoretically and experimentally evaluated and compared for practical deployment in C-RAN fronthaul network while the impact of harmonic and intermodulation distortion on data transmission is also experimentally studied. Furthermore, for the sake of obtaining the DML usability in terms of bandwidth, theoretical and experimental evaluation of the effect of fiber dispersion and chirp over different M-quadrature amplitude modulation (QAM) signals bandwidth is also presented. Another data transmission approach based on the cascade of two external modulators is also employed in the Thesis. In this case, the experimental demonstration of optical signal generation employing CS-DSB and signal transmission over hybrid fiber and FSO fronthaul network is completed with a seamless antenna link leading to successful transmission of 64/256-QAM 5G signals. The CS-DSB and DSB schemes are also investigated for the sake of comparison in terms of robustness against fiber chromatic dispersion-induced fading. Furthermore, experimental evaluation of the impact of turbulent FSO links on photonically generated mmW signals with different thermal distributions has been performed and data signal degradation has been quantified according to the turbulence conditions. As final demonstrators, the Thesis includes a full-duplex transmission system employing 39 GHz downlink (DL) and 37 GHz uplink (UL) 5G signals over hybrid links; and 60 GHz (DL) and 25 GHz (UL) OFDM LTE signal transmission over an heterogeneous optical fronthaul infrastructure consisting of 10 km optical fiber, 100 m FSO channel and 2 m wireless radio link. / I would like to acknowledge the financial support given by Research Excellence Award Programme GVA PROMETEO 2017/103 Future Microwave Photonics and European Network for High Performance Integrated Microwave Photonics (EUIMWP) CA16220. / Vallejo Castro, L. (2022). Photonic Millimeter Wave Signal Generation and Transmission Over Hybrid Links in 5G Communication Networks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/190253