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] Se espera que las futuras comunicaciones móviles experimenten una revolución técnica que vaya más allá de las velocidades de datos de Gbps y reduzca las latencias de las velocidades de datos a niveles muy cercanos al milisegundo. Se han investigado nuevas tecnologías habilitadoras para lograr estas exigentes especificaciones. Y la utilización de las bandas de ondas milimétricas, donde hay mucho espectro disponible, es una de ellas. Debido a las numerosas dificultades técnicas asociadas a la utilización de esta banda de frecuencias, se necesitan complicados modelos de canal para anticipar las características del canal de radio y evaluar con precisión el rendimiento de los sistemas celulares en milimétricas. En concreto, los modelos de propagación más precisos son los basados en técnicas de trazado de rayos deterministas. Pero estas técnicas tienen el estigma de ser computacionalmente exigentes, y esto dificulta su uso para caracterizar el canal de radio en escenarios interiores complejos y dinámicos. La complejidad de la caracterización de estos escenarios depende en gran medida de la interacción del cuerpo humano con el entorno radioeléctrico, que en las ondas milimétricas suele ser destructiva y muy impredecible. Por otro lado, en los últimos años, la industria de los videojuegos ha desarrollado potentes herramientas para entornos hiperrealistas, donde la mayor parte de los avances en esta emulación de la realidad tienen que ver con el manejo de la luz. Así, los motores gráficos de estas plataformas se han vuelto cada vez más eficientes para manejar grandes volúmenes de información, por lo que son ideales para emular el comportamiento de la propagación de las ondas de radio, así como para reconstruir un escenario interior complejo. Por ello, en esta Tesis se ha aprovechado la capacidad computacional de este tipo de herramientas para evaluar el canal radioeléctrico milimétricas de la forma más eficiente posible. Esta Tesis ofrece unas pautas para optimizar la propagación de la señal en milimétricas en un entorno interior dinámico y complejo, para lo cual se proponen tres objetivos principales. El primer objetivo es evaluar los efectos de dispersión del cuerpo humano cuando interactúa con el canal de propagación. Una vez evaluado, se propuso un modelo matemático y geométrico simplificado para calcular este efecto de forma fiable y rápida. Otro objetivo fue el diseño de un reflector pasivo modular en milimétricas, que optimiza la cobertura en entornos de interior, evitando la interferencia del ser humano en la propagación. Y, por último, se diseñó un sistema de apuntamiento del haz predictivo en tiempo real, para que opere con el sistema de radiación en milimétricas, cuyo objetivo es evitar las pérdidas de propagación causadas por el cuerpo humano en entornos interiores dinámicos y complejos. / [CA] S'espera que les futures comunicacions mòbils experimenten una revolució tècnica que vaja més enllà de les velocitats de dades de Gbps i reduïsca les latències de les velocitats de dades a nivells molt pròxims al milisegundo. S'han investigat noves tecnologies habilitadoras per a aconseguir estes exigents especificacions. I la utilització de les bandes d'ones millimètriques, on hi ha molt espectre disponible, és una d'elles. A causa de les nombroses dificultats tècniques associades a la utilització d'esta banda de freqüències, es necessiten complicats models de canal per a anticipar les característiques del canal de ràdio i avaluar amb precisió el rendiment dels sistemes cellulars en millimètriques. En concret, els models de propagació més precisos són els basats en tècniques de traçat de rajos deterministes. Però estes tècniques tenen l'estigma de ser computacionalment exigents, i açò dificulta el seu ús per a caracteritzar el canal de ràdio en escenaris interiors complexos i dinàmics. La complexitat de la caracterització d'estos escenaris depén en gran manera de la interacció del cos humà amb l'entorn radioelèctric, que en les ones millimètriques sol ser destructiva i molt impredicible. D'altra banda, en els últims anys, la indústria dels videojocs ha desenrotllat potents ferramentes per a entorns hiperrealistes, on la major part dels avanços en esta emulació de la realitat tenen a veure amb el maneig de la llum. Així, els motors gràfics d'estes plataformes s'han tornat cada vegada més eficients per a manejar grans volums d'informació, per la qual cosa són ideals per a emular el comportament de la propagació de les ones de ràdio, així com per a reconstruir un escenari interior complex. Per això, en esta Tesi s'ha aprofitat la capacitat computacional d'este tipus de ferramentes per a avaluar el canal radioelèctric millimètriques de la manera més eficient possible. Esta Tesi oferix unes pautes per a optimitzar la propagació del senyal en millimètriques en un entorn interior dinàmic i complex, per a la qual cosa es proposen tres objectius principals. El primer objectiu és avaluar els efectes de dispersió del cos humà quan interactua amb el canal de propagació. Una vegada avaluat, es va proposar un model matemàtic i geomètric simplificat per a calcular este efecte de forma fiable i ràpida. Un altre objectiu va ser el disseny d'un reflector passiu modular en millimètriques, que optimitza la cobertura en entorns d'interior, evitant la interferència del ser humà en la propagació, per a així evitar pèrdues de propagació addicionals. I, finalment, es va dissenyar un sistema d'apuntament del feix predictiu en temps real, perquè opere amb el sistema de radiació en millimètriques, l'objectiu del qual és evitar les pèrdues de propagació causades pel cos humà en entorns interiors dinàmics i complexos. / [EN] Future mobile communications are expected to experience a technical revolution that goes beyond Gbps data rates and reduces data rate latencies to levels very close to a millisecond. New enabling technologies have been researched to achieve these demanding specifications. The utilization of mmWave bands, where a lot of spectrum is available, is one of them. Due to the numerous technical difficulties associated with using this frequency band, complicated channel models are necessary to anticipate the radio channel characteristics and to accurately evaluate the performance of cellular systems in mmWave. In particular, the most accurate propagation models are those based on deterministic ray tracing techniques. But these techniques have the stigma of being computationally intensive, and this makes it difficult to use them to characterize the radio channel in complex and dynamic indoor scenarios. The complexity of characterizing these scenarios depends largely on the interaction of the human body with the radio environment, which at mmWaves is often destructive and highly unpredictable. On the other hand, in recent years, the video game industry has developed powerful tools for hyper-realistic environments, where most of the progress in this reality emulation has to do with the handling of light. Therefore, the graphic engines of these platforms have become more and more efficient to handle large volumes of information, becoming ideal to emulate the radio wave propagation behavior, as well as to reconstruct a complex interior scenario. Therefore, in this Thesis one has taken advantage of the computational capacity of this type of tools to evaluate the mmWave radio channel in the most efficient way possible. This Thesis offers some guidelines to optimize the signal propagation in mmWaves in a dynamic and complex indoor environment, for which three main objectives are proposed. The first objective has been to evaluate the scattering effects of the human body when it interacts with the propagation channel. Once evaluated, a simplified mathematical and geometrical model has been proposed to calculate this effect in a reliable and fast way. Another objective has been the design of a modular passive reflector in mmWaves, which optimizes the coverage in indoor environments, avoiding human interference in the propagation, in order to avoid its harmful scattering effects. And finally, a real-time predictive beam steering system has been designed for the mmWaves radiation system, in order to avoid propagation losses caused by the human body in dynamic and complex indoor environments. / Romero Peña, JS. (2022). Human Body Scattering Effects at Millimeter Waves Frequencies for Future 5G Systems and Beyond [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191325