The conventional approach for testing RF circuits is specification-based testing, which involves verifying sequentially all specification requirements that are promised in the data sheet. This approach is a long-time effective testapproach but nowadays suffers from significant drawbacks.First, it requires generation and capture of test signals at the DUT operating frequency. As the operational frequencies of DUT are increasing, it becomes difficult to manage signal generation and capture using ATE. As a consequence, there is a need of expensive and specialized equipment. In addition,as conventional tests target several parameters, there is a need of several data captures and multiple test configurations. As a consequence, by adding settling time between each test and test application time, the whole test time becomes very long, and the test board very complex.Another challenge regarding RF circuit testing is wafer-level testing. Indeed, the implementation of specification-based tests at wafer level is extremely difficult due to probing issues and high parasitic effects on the test interface.Moreover, multi-site testing is usually not an option due to the small count of available RF test resources, which decreases test throughput. Hence, the current practice is often to verify the device specifications only after packaging.The problem with this solution is that defective dies are identified late in the manufacturing flow, which leads to packaging loss and decreases the global yield of the process.In order to reduce production costs, there is therefore a need to develop test solutions applicable at wafer level, so that faulty circuits can be removed very early in the production flow. This is particularly important for dies designed to be integrated in Systems-In-Package (SIP).In this context, a promising solution is to develop indirect test methods. Basically, it consists in using DUT signatures to non-conventional stimuli to predict the result of conventional tests. The underlying idea is to learn during an initial phase the unknown dependency between simple measurements and conventional tests. This dependency can then be modeled through regression functions. During the testing phase, only the indirect measurements are performed and specifications are predicted using the regression model built in the learning phase.Our work has been focused on two main directions. First, we have explored the implementation of the alternate test method based on DC measurements for RF circuits and we have proposed a methodology to select the most appropriateset of DC parameters. Results from two test vehicles (a LNA using electrical simulations and a PA using real production data) indicate that the proposed methodology allows precise estimation of the DUT performances while minimizing the number of DC measurements to be carried out.Second, we have proposed a novel implementation of the alternate test strategy in order to improve confidence in alternate test predictions and to overcome the effect of limited training set sizes. The idea is to exploit model redundancy in order to identify, during the production testing phase, devices with suspect predictions; these devices are then are removed from the alternate test tierand directed to a second tier where further testing may apply.

The objective of this research is to design and implement low-noise wideband RFIC components with CMOS technology for the direct-conversion architecture. This research proposes noise reduction techniques to improve the thermal noise and flicker noise contribution of a low noise amplifier (LNA) and a mixer. Of these techniques, the LNA is found to reduce noise, boost gain, and consume a relatively low amount of power without sacrificing the wideband and linearity advantages of a conventional common gate (CG) topology. The research concludes by investigating the proposed mixer topology, which senses and compensates local oscillator (LO) phase mismatches, the dominant cause of flicker noise.

Le Chauffage Cyclotron Ionique (ICRH) par des ondes dans la gamme 30-80MHz est couramment utilisé dans les plasmas de fusion magnétique. Excitées par par des réseaux phasés de rubans de courant à la périphérie du plasma, ces ondes existent sous deux polarisations. L’onde rapide traverse le bord ténu du plasma par effet tunnel puis se propage à son centre où elle est absorbée. L’onde lente, émise de façon parasite, existe seulement à proximité des antennes. Quelle puissance peut être couplée au centre avec 1A de courant sur les rubans? Comment les champs radiofréquence (RF) proches et lointains émis interagissent-ils avec le plasma de bord par rectification de gaine RF à l’interface plasma-paroi? Pour répondre simultanément à ces deux questions, en géométrie réaliste sur l’échelle spatiale des antennes ICRH, cette thèse a amélioré et testé le code numérique SSWICH (Self-consitent Sheaths and Waves for ICH). SSWICH couple de manière auto-cohérente la propagation des ondes RF et la polarisation continue (DC) du plasma via des conditions aux limites non-linéaires de type gaine (SBC) appliquées à l’interface plasma / paroi. La nouvelle version SSWICH-FW est pleine onde et a été développée en deux dimensions (toroïdale/radiale). De nouvelles SBCs couplant les deux polarisations d’ondes ont été obtenues et mises en œuvre le long de parois courbes inclinées par rapport au champ magnétique de confinement. Avec ce nouvel outil en l'absence de SBCs, nous avons étudié l'impact d'une densité décroissant continûment à l'intérieur de la boîte d'antenne en traversant la résonance hybride basse (LH). Dans les limites mémoire de notre poste de travail, les champs RF au-dessous de la résonance LH ont changé avec la taille de maille. Par contre spectre de puissance couplée n’a que très peu évolué, et n’était que faiblement influencé par la densité à l'intérieur de l'antenne. En présence de SBCs, les simulations SSWICH-FW ont identifié le rôle de l'onde rapide sur l’excitation de gaines RF et reproduit certaines observations expérimentales clés. SSWICH-FW a finalement été adapté pour réaliser les premières simulations 2D électromagnétiques et de gaine-RF de la machine plasma cylindrique magnétisée ALINE / Ion Cyclotron Resonant Heating (ICRH) by waves in 30-80MHz range is currently used in magnetic fusion plasmas. Excited by phased arrays of current straps at the plasma periphery, these waves exist under two polarizations. The Fast Wave tunnels through the tenuous plasma edge and propagates to its center where it is absorbed. The parasitically emitted Slow Wave only exists close to the launchers. How much power can be coupled to the center with 1A current on the straps? How do the emitted radiofrequency (RF) near and far fields interact parasitically with the edge plasma via RF sheath rectification at plasma-wall interfaces? To address these two issues simultaneously, in realistic geometry over the size of ICRH antennas, this thesis upgraded and tested the Self-consistent Sheaths and Waves for ICH (SSWICH) code. SSWICH couples self-consistently RF wave propagation and Direct Current (DC) plasma biasing via non-linear RF and DC sheath boundary conditions (SBCs) at plasma/wall interfaces. Its upgrade is full wave and was implemented in two dimensions (toroidal/radial). New SBCs coupling the two polarizations were derived and implemented along shaped walls tilted with respect to the confinement magnetic field. Using this new tool in the absence of SBCs, we studied the impact of a density decaying continuously inside the antenna box and across the Lower Hybrid (LH) resonance. Up to the memory limits of our workstation, the RF fields below the LH resonance changed with the grid size. However the coupled power spectrum hardly evolved and was only weakly affected by the density inside the box. In presence of SBCs, SSWICH-FW simulations have identified the role of the fast wave on RF sheath excitation and reproduced some key experimental observations. SSWICH-FW was finally adapted to conduct the first electromagnetic and RF-sheath 2D simulations of the cylindrical magnetized plasma device ALINE

Este trabalho apresenta o projeto de um amplificador de potência (PA) de rádio-frequência (RF) linear em tecnologia complementar metal-oxido silício (CMOS). Nele são analisados os desafios encontrados no projeto de PAs CMOS assim como soluções encontradas no estado-da-arte. Um destes desafios apresentados pela tecnologia é a baixa tensão de alimentação e passivos com alta perda, o que limita a potência de saída e a eficiência possível de ser atingida com métodos tradicionais de projeto de PA e suas redes de transformação de impedância. Este problema é solucionado através do uso de redes de combinação de impedância integradas, como a usada neste trabalho chamada transformador combinador em série (SCT). Os problemas com o uso de tecnologia CMOS se tornam ainda mais críticos para padrões de comunicação que requerem alta linearidade como os usados para redes sem-fio locais (WLAN) ou padrões de telefonia móvel 3G e 4G. Tais protocolos requerem que o PA opere em uma potência menor do que seu ponto de operação ótimo, degradando sua eficiência. Técnicas de linearização como pré-distorção digital são usadas para aumentar a potência média transmitida. Uma ténica analógica de compensação de distorção AM-PM através da linearização da capacitância de porta dos transistores é usada neste trabalho. O processo de projeto é detalhado e evidencia as relações de compromisso em cada passo, particularmente o impacto da terminação de harmônicos e a qualidade dos passivos na rede de transformação de carga. O projeto do SCT é otimizado para sintonia da impedância de modo comum que é usada para terminar o segundo harmonico de tensão do amplificador. O amplificador projetado tem um único estágio devido a área do chip ser limitada a 1:57 x 1:57 mm2, fato que impacta seu desempenho. O PA foi analisado através de simulação numérica sob várias métricas. Ele atinge uma potência máxima de saída de 24:4 dBm com uma eficiência de dreno de 24:53% e Eficiência em adição de potência (PAE) de 22%. O PA possui uma curva de ganho plana em toda faixa ISM de 2.4 GHz, com magnitude de 15:8 0:1dB. O PA tem um ponto de compressão de OP1dB = 20:03 dBm e o sinal tem um defasamento não-linear de = 1:2o até esta potência de saída. Um teste de intermodulação de dois tons com potência 3dB abaixo do OP1dB tem como resultado uma relação entre intermodulação de terceira ordem e fundamental de IMD3 = 24:22 dB, e de quinta ordem inferior e superior e fundamental de IMD5Inferior = 48:16 dB e IMD5Superior = 49:8 dB. Por fim, mostra-se que o PA satisfaz os requerimentos para operar no padrão IEEE 802.11g. Ele atinge uma potência média de saída de 15:4 dBm apresentando uma magnitude do vetor erro (EVM) de 5:43%, ou 25:3 dB e satisfazendo a máscara de saída para todos os canais. / This work presents the design of a fully integrated Radio-frequency (RF) linear Power Amplifier( PA) in complementary metal-oxide silicon (CMOS) technology. In this work we analyse the challenges in CMOS PA design as well as the state-of-the-art solutions. One such challenge presented by this technology is the low supply voltage and high-loss passives, which pose severe limits on the output power and efficiency achieved with traditional PA design methods and load impedance transformation networks. This issue is addressed by the use of on-chip, highly efficient power combining networks such as the one in this work: A series combining transformer (SCT). The problem of using CMOS becomes even more critical for recent communications standards that require high transmitter linearity such as the ones used for wireless local area network (WLAN) or 3G and 4G mobile communications. This requirement is such that the PA operate at a high power back-off from its optimum operating point, degrading efficiency. To address this problem linearization techniques such as digital pre-distortion can be used in order to decrease the necessary power back-off. In this work an analog technique of AM-PM distortion compensation is used to linearize the capacitance at the input of the amplifier’s transistors and reduce this type of distortion that severely impacts the error vector magnitude (EVM) of the signal. The design process is detailed and aims to make evident the trade-offs of PA design and particularly the impact of harmonic termination and the quality of passives on the load transformation network, the series combining transformer design is optimized for common-mode impedance tuning used for 2nd harmonic termination. The circuit has only a single amplifying stage due to its area being limited to 1:57 x 1:57 mm2 and the design is very constrained by this fact. The PA simulated performance is analyzed under various metrics. It achieves a simulated maximum output power of 24:4 dBm with a drain efficiency of 24:53% and power added efficiency (PAE) of 22%. The PA has a very flat power gain of 15:8 0:1 dB throughout the 2.4 GHz industrial, scientific and medical (ISM) band and is unconditionally stable with 4:9. The PA has a compression point of OP1dB = 20:03 dBm and the signal has a non-linear phase shift of = 1:2o up to this output power. A two-tone intermodulation test with 3dB back-off from OP1dB has a ratio of third-order intermodulation to fundamental of IMD3 = 24:22 dB, and lower and upper fifth order intermodulation to fundamental of IMD5Lower = 48:16 dB and IMD5Upper = 49:8 dB. Finally the PA is shown to satisfy the requirements for operation within the institute of electrical and electronic engineers (IEEE) 802.11g standard. It achieves an average output power of 15:4 dBm while having an EVM of 5:43% or 25:3 dB while satisfying the output spectrum mask for all channels.

Este trabalho apresenta o projeto de um amplificador de potência (PA) de rádio-frequência (RF) linear em tecnologia complementar metal-oxido silício (CMOS). Nele são analisados os desafios encontrados no projeto de PAs CMOS assim como soluções encontradas no estado-da-arte. Um destes desafios apresentados pela tecnologia é a baixa tensão de alimentação e passivos com alta perda, o que limita a potência de saída e a eficiência possível de ser atingida com métodos tradicionais de projeto de PA e suas redes de transformação de impedância. Este problema é solucionado através do uso de redes de combinação de impedância integradas, como a usada neste trabalho chamada transformador combinador em série (SCT). Os problemas com o uso de tecnologia CMOS se tornam ainda mais críticos para padrões de comunicação que requerem alta linearidade como os usados para redes sem-fio locais (WLAN) ou padrões de telefonia móvel 3G e 4G. Tais protocolos requerem que o PA opere em uma potência menor do que seu ponto de operação ótimo, degradando sua eficiência. Técnicas de linearização como pré-distorção digital são usadas para aumentar a potência média transmitida. Uma ténica analógica de compensação de distorção AM-PM através da linearização da capacitância de porta dos transistores é usada neste trabalho. O processo de projeto é detalhado e evidencia as relações de compromisso em cada passo, particularmente o impacto da terminação de harmônicos e a qualidade dos passivos na rede de transformação de carga. O projeto do SCT é otimizado para sintonia da impedância de modo comum que é usada para terminar o segundo harmonico de tensão do amplificador. O amplificador projetado tem um único estágio devido a área do chip ser limitada a 1:57 x 1:57 mm2, fato que impacta seu desempenho. O PA foi analisado através de simulação numérica sob várias métricas. Ele atinge uma potência máxima de saída de 24:4 dBm com uma eficiência de dreno de 24:53% e Eficiência em adição de potência (PAE) de 22%. O PA possui uma curva de ganho plana em toda faixa ISM de 2.4 GHz, com magnitude de 15:8 0:1dB. O PA tem um ponto de compressão de OP1dB = 20:03 dBm e o sinal tem um defasamento não-linear de = 1:2o até esta potência de saída. Um teste de intermodulação de dois tons com potência 3dB abaixo do OP1dB tem como resultado uma relação entre intermodulação de terceira ordem e fundamental de IMD3 = 24:22 dB, e de quinta ordem inferior e superior e fundamental de IMD5Inferior = 48:16 dB e IMD5Superior = 49:8 dB. Por fim, mostra-se que o PA satisfaz os requerimentos para operar no padrão IEEE 802.11g. Ele atinge uma potência média de saída de 15:4 dBm apresentando uma magnitude do vetor erro (EVM) de 5:43%, ou 25:3 dB e satisfazendo a máscara de saída para todos os canais. / This work presents the design of a fully integrated Radio-frequency (RF) linear Power Amplifier( PA) in complementary metal-oxide silicon (CMOS) technology. In this work we analyse the challenges in CMOS PA design as well as the state-of-the-art solutions. One such challenge presented by this technology is the low supply voltage and high-loss passives, which pose severe limits on the output power and efficiency achieved with traditional PA design methods and load impedance transformation networks. This issue is addressed by the use of on-chip, highly efficient power combining networks such as the one in this work: A series combining transformer (SCT). The problem of using CMOS becomes even more critical for recent communications standards that require high transmitter linearity such as the ones used for wireless local area network (WLAN) or 3G and 4G mobile communications. This requirement is such that the PA operate at a high power back-off from its optimum operating point, degrading efficiency. To address this problem linearization techniques such as digital pre-distortion can be used in order to decrease the necessary power back-off. In this work an analog technique of AM-PM distortion compensation is used to linearize the capacitance at the input of the amplifier’s transistors and reduce this type of distortion that severely impacts the error vector magnitude (EVM) of the signal. The design process is detailed and aims to make evident the trade-offs of PA design and particularly the impact of harmonic termination and the quality of passives on the load transformation network, the series combining transformer design is optimized for common-mode impedance tuning used for 2nd harmonic termination. The circuit has only a single amplifying stage due to its area being limited to 1:57 x 1:57 mm2 and the design is very constrained by this fact. The PA simulated performance is analyzed under various metrics. It achieves a simulated maximum output power of 24:4 dBm with a drain efficiency of 24:53% and power added efficiency (PAE) of 22%. The PA has a very flat power gain of 15:8 0:1 dB throughout the 2.4 GHz industrial, scientific and medical (ISM) band and is unconditionally stable with 4:9. The PA has a compression point of OP1dB = 20:03 dBm and the signal has a non-linear phase shift of = 1:2o up to this output power. A two-tone intermodulation test with 3dB back-off from OP1dB has a ratio of third-order intermodulation to fundamental of IMD3 = 24:22 dB, and lower and upper fifth order intermodulation to fundamental of IMD5Lower = 48:16 dB and IMD5Upper = 49:8 dB. Finally the PA is shown to satisfy the requirements for operation within the institute of electrical and electronic engineers (IEEE) 802.11g standard. It achieves an average output power of 15:4 dBm while having an EVM of 5:43% or 25:3 dB while satisfying the output spectrum mask for all channels.

Submitted by Rafael Santana (rafael.silvasantana@ufpe.br) on 2017-05-11T18:23:17Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Tese de Doutorado - Thiago Oliveira dos Santos.pdf: 7279959 bytes, checksum: 0f1baf3b46416fbe6259c440b1dba2da (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-11T18:23:17Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Tese de Doutorado - Thiago Oliveira dos Santos.pdf: 7279959 bytes, checksum: 0f1baf3b46416fbe6259c440b1dba2da (MD5) Previous issue date: 2016-02-29 / CNPQ. CNEN / Tem aumentado nas últimas décadas o interesse sobre questões relacionadas à conservação ambiental, sendo a poluição atmosférica um dos principais problemas de saúde pública nos grandes centros urbanos. Grande parte dessa contaminação atmosférica é causada por poluentes gasosos e material particulado inalável. Uma das principais fontes é a queima de combustíveis fósseis emitidos, principalmente, por veículos automotores. Alguns organismos, como liquens e bromélias atmosféricas, possuem a habilidade de acumular elementos químicos em seus tecidos, o que os torna excelentes ferramentas em estudos de monitoração da qualidade do ar. O presente trabalho avaliou a qualidade do ar na Região Metropolitana do Recife (RMR) utilizando o líquen Cladonia verticillaris e a bromélia Tillandsia recurvata por meio da quantificação de elementos químicos associados ao tráfego de veículos. Os biomonitores foram alocados em 40 pontos distribuídos na Região Metropolitana do Recife com diferentes intensidades de tráfego de veículos. Após o período de exposição de seis meses, Al, Ba, Ca, Cd, Cl, Fe, K, Mg, Mn, P, Pb, Sb, Sr, Th, V e Zn foram quantificados por meio de Fluorescência de Raios-X por Dispersão de Energia (EDXRF) e Espectrometria de Massa com Plasma Indutivamente Acoplado (ICP-MS). Os organismos foram complementares, sendo ferramentas adequadas para monitoração da qualidade do ar. Assim, o tráfego de veículos foi considerado um dos principais agentes para o incremento de elementos químicos na atmosfera urbana da RMR. / The interest on questions related to environmental conservation has increased in recent decades, being air pollution one of the main public health problems in huge urban centers. Major part of this atmospheric contamination is caused by gaseous pollutants and inhalable particulate matter. One of the main sources is the burning of fossil fuels mainly emitted by motor vehicles. Some organisms, like lichen and atmospheric bromeliad, are able to accumulate chemical elements in their tissues, thereby becoming excellent tools for air quality studies of monitoring. The present work evaluated the air quality in the Metropolitan Region of Recife (RMR) using the lichen Cladonia verticillaris and the bromeliad Tillandsia recurvata, through the quantification of chemical elements associated to vehicles traffic. The biomonitors were transferred to 40 points distributed in the RMR with different intensities of the vehicle traffic. After the exposition period of six months, Al, Ba, Ca, Cd, Cl, Fe, Mg, Mn, P, Pb, Sb, Sr, Th, V and Zn were quantified by Energy Dispersive X-Ray Fluorescence (EDXRF) and Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS). The organisms were complementary, being appropriated tools for monitoring the air quality. The vehicle traffic was considered one of the major contributor for increasing chemical elements in the RMR urban atmosphere.

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um sistema integrado transdutor/bobinas de gradientes de alto desempenho para Imagens por Ressonância Magnética. Este sistema é composto por um transdutor de radiofreqüência tipo sela e um conjunto de 3 bobinas locais assimétricas. No desenho do transdutor foram otimizados os parâmetros: relação sinal ruído e uniformidade do campo magnético por ele gerado. A densidade de corrente de cada bobinas local foi otimizada mediante técnicas numéricas estocásticas para gerar um gradiente de campo magnético uniforme em cada uma das 3 direções do espaço numa região das dimensões do crânio. O conjunto de bobinas de gradientes construído possui um diâmetro livre de 31.5 cm e gera em média 25 mT/m/A por bobina, com indutâncias inferiores a 310 mH. São mostradas as aplicações clínicas desenvolvidas nas áreas de imagens tridimensionais e angiografia, a partir das seqüências de pulsos implementadas e aproveitando o uso do sistema integrado, em um tomógrafo de ressonância magnética de 0.5 Tesla. Imagens de phantom foram adquiridas em menos de 500 ms usando o conjunto integrado e técnicas do tipo Echo Planar Imaging. Aspectos referentes à caracterização e correção de campos magnéticos estáticos e homogêneos são também comentados. As soluções descritas nesta tese têm um amplo conteúdo tecnológico e beiram nas fronteiras da Física Aplicada e a Engenharia Biomédica. / Here we describe the development of a high performance radio-frequency/gradient coil integrated system for Magnetic Resonance Imaging. A saddle radio-frequency coil and a three-axis asymmetric local gradient coil composed this system. Two parameters were optimized in the RF coil design: signal-to-noise ratio and magnetic field uniformity. The current density of each local coil was optimized using stochastic numerical techniques, in order to generate a uniform magnetic field gradient by axis in a region representing a human head. The build gradient coil set has an inner diameter of 31 cm. The average gradient efficient of the three-axis is 25 mT/m/A and the maximum inductance is less than 310 mH. We show the clinical applications performed in three-dimensional and angiography imaging areas in a 0.5 Tesla magnetic resonance tomograph. These applications were optimized to taking advantage from the integrated system. Phantom images were acquired in less than 500 millisecond using echo planar techniques and the integrated set. Some aspects about static and homogeneous magnetic field characterization and correction are also commented. In this work we described solutions with wide technologic content close to the boundaries of the Applied Physics and Biomedical Engineering.

Experimentos de Imagens por Ressonância Magnética (IRM) em pequenos animais, assim como em humanos, exigem um conjunto especifico de bobinas de Radiofrequência (RF) para maximizar ambos a homogeneidade de campo durante a transmissão e a Relação Sinal Ruído (RSR) durante a recepção. As geometrias mais comuns de bobinas transmissoras utilizadas em sistemas de humanos são as bobinas tipo gaiola ou Birdcage Coil. Dentre as geometrias de bobinas receptoras, o conceito de bobina tipo Phased Array é amplamente utilizado em aplicações que necessitam de alta RSR em uma grande região de interesse, além de permitirem obter imagens com metodologias de aquisição paralela. Este trabalho descreve o desenvolvimento de um conjunto de bobinas transmissoras e receptoras especificamente projetadas para a aquisição de imagens do cérebro de ratos para o estudo do hipocampo. As geometrias de bobinas transmissoras estudadas foram dois Birdcages com 8 e 16 condutores e a geometria proposta por nós chamada Double Crossed Saddle (DCS Coil). Para a recepção desenvolvemos uma bobina de superfície com dois loops e um Phased Array com dois canais de recepção. Os resultados confirmam que dentre as bobinas transmissoras desenvolvidas a geometria do tipo Birdcage com 16 condutores é a mais homogênea, produzindo campos de RF com alta uniformidade em regiões de interesse de até 80% do diâmetro interno das bobinas. No entanto, o elevado número de capacitores em sua estrutura faz com que a geometria DCS coil, devido à sua simplicidade e reduzido número de capacitores, represente uma alternativa em experimentos onde as condições de carga da amostra possam variar. Dentre as geometrias de receptoras estudadas a bobina de superfície obteve maior desempenho em termos de RSR em comparação com o Phased Array de 2 canais. A comparação dos resultados utilizando bobinas específicas para a transmissão e recepção com uma bobina volumétrica operando como transmissora e receptora simultaneamente comprova a superioridade em termo de RSR dos sistemas que utilizam bobinas dedicadas, sendo confirmados através de imagens in vivo do cérebro de ratos, possibilitando aquisições com mesma resolução e RSR em um tempo reduzido de experimento. / Magnetic Resonance Imaging (MRI) experiments on small animals, as well as in human, require a specific RF coil set in order to maximize the Radiofrequency (RF) field homogeneity during transmission and Signal-to-Noise Ratio (SNR) during reception. The most common geometries of RF transmitter coil used in human systems are the well known Birdcage resonators. Among the receiver coils geometry the concept of NMR Phased Arrays or multi channel coils is widely employed in applications that need a high SNR in a large region of interest (ROI), further allowing parallel imaging acquisition methodologies. The work reported here describes the development of a transmit-only and receive-only RF coil set actively detuned specifically designed to MRI acquisition of rats brain for purposes of neuroscience studies. The transmitter geometries developed were two Birdcages with 8 and 16 rungs and our proposed geometry named Double Crossed Saddle (DCS). For reception we developed one common surface coil made of two turn loops and a 2-channel Phased Array, both actively detuned during reception. The results have confirmed that the 16 rungs Birdcage are superior among other transmit coils in producing homogeneous RF field inside a ROI of 80% of coil´s inner diameter. However, the simplicity and reduced number of capacitors makes the DCS coil a good choice in experiments with different samples and load conditions. Among the receive coils developed, the surface coil showed a better SNR in comparison with the 2-channel Phased array, which has the advantage of producing a large area with high SNR. The SNR of both surface coil and 2-channel array was compared with a transceiver Saddle Crossed coil, available at our lab, specific designed to obtain rat brain images. These results have corroborated that transmit-only and receive-only RF coils have best performance than transceiver volume coils for obtain MRI images of rats brain, allowing image acquisition with same resolution and reduced scan time.

Neste trabalho foi feita uma ampla pesquisa sobre blocos de RF, VCOs e LNAs, que fazem parte de transceptores. Esses blocos foram projetados utilizando um indutor externo com um alto Q, com o intuito de melhorar as principais características de desempenho de cada um dos blocos. Com a finalidade de ter um ponto de comparação foram projetados os mesmos blocos implementando todos os indutores integrados (internos). Foi proposta a utilização da tecnologia flip chip para interconectar os indutores externos aos dies dos circuitos, devido às vantagens que ela apresenta. Para implementar os indutores externos propôs-se um processo de fabricação completo, incluindo especificação das etapas de processos e dos materiais utilizados para estes indutores. Adicionalmente foi projetado um conjunto de máscaras para fabricar os indutores externos e fazer a montagem e teste dos circuitos que os utilizam. Para validar o processo proposto e caracterizar os indutores externos foram projetadas diferentes estruturas de teste. O Q do indutor externo é da ordem de 6 vezes maior que do indutor integrado, para a tecnologia escolhida. Foram projetados e fabricados dois VCOs LC: FC-VCO (Flip Chip VCO com o indutor externo), OC-VCO (On Chip VCO com o indutor interno), e dois LNAs CMOS de fonte comum cascode com degeneração indutiva: FC-LNA (Flip Chip LNA com o indutor Lg externo) e OC-LNA (On Chip LNA com todos os indutores internos). O objetivo desses quatro circuitos é demonstrar que o desempenho de circuitos RF pode ser melhorado, usando indutores externos com alto Q, conectados através de flip chip. Para implementação desses circuitos utilizou-se a tecnologia de processo AMS 0,35µm CMOS, para aplicações na banda 2,4GHz ISM, considerando o padrão Bluetooth. Foram medidos apenas os blocos com os indutores internos (OC-VCO e OC-LNA). Para os blocos com os indutores externos (FC-VCO e FC-LNA) foram apresentados os resultados de simulação pós-layout. Através da comparação dos resultados de simulação entre os VCOs foi comprovado que o uso de um indutor externo com alto Q conectado via flip chip pode melhorar significativamente o ruído de fase dos VCOs, atingindo -117dBc/Hz a 1MHz de frequência de offset para o FC-VCO, em 2,45GHz, onde a FOM é 8dB maior que o OC-VCO. Outro ganho foi através da área poupada, o FC-VCO tem uma área cerca de 83% menor que a do OC-VCO. Após as medidas elétricas do OC-VCO obteve-se um desempenho do ruído de fase de -110dBc/Hz@1MHz para 2,45GHz, e -112dBc/Hz@1MHz para 2,4GHz, o qual atende as especificações de projeto. O FC-LNA, que foi implementado com o indutor de porta Lg externo ao die, conectado via flip chip, atingiu uma figura de ruído de 2,39dB, 1,1dB menor que o OC-LNA com o mesmo consumo de potência. A área ocupada pelo FC-LNA é aproximadamente 30% menor do que o OC-LNA. Através das medidas elétricas do OC-LNA verificou-se que o circuito apresenta resultados adequados de S11 (perda de retorno da entrada) e S22 (perda de retorno da saída) na banda de frequências de interesse. No entanto, o valor do ganho apresenta uma redução em relação ao esperado. A proposta do trabalho de unir a tecnologia flip chip ao uso de indutores externos, proporciona circuitos mais compactos e consecutivamente mais baratos, pela economia de área de Si. Adicionalmente, após os indutores externos serem caracterizados, os mesmos indutores podem ser reutilizados independente da tecnologia CMOS utilizada facilitando o projeto dos blocos de RF em processos mais avançados. / This work presents a research about RF blocks that are used in Transceivers, VCOs and LNAs. These blocks were designed using a high-Q RF external inductor in order to improve the main performance characteristics. The same blocks were designed implementing all inductors on-chip (internal) in order to have a point of comparison. It was proposed the use of Flip Chip technology to interconnect the external inductors to the dies of the circuits due to the advantages that this technology offers. A full manufacturing process was proposed to implement the external inductors, including the specification of process steps and materials used for these inductors. Additionally, a set of masks was designed to fabricate the external inductors, to mount and test the circuits that used these inductors. Different test structures were designed to validate the proposed process and to characterize the external inductors. Q factor of the external inductor is around 6 times larger than the inductor integrated into the chosen IC technology. Two LC VCOs and two common-source cascode CMOS LNAs with inductive degeneration were designed and fabricated: FC-VCO (Flip Chip VCO using external inductor), OC-VCO (On Chip VCO using on-chip inductor), FCLNA (Flip Chip LNA using an external Lg inductor) and OC-LNA (On Chip LNA with all inductors implemented on-chip). The purpose of these four circuits is to demonstrate that the performance of RF circuits can be improved by using high-Q external inductors, connected by flip chip. The 0.35µm CMOS AMS technology was used to implement these circuits intended for applications in the 2.4 GHz ISM band, considering the Bluetooth standard. Were measured only the blocks with internal inductors (OC-VCO and OC-LNA). For the blocks with external inductors (FCVCO and FC-LNA) were presented the results of post-layout simulation. The comparison between the VCOs simulations results demonstrates that using an external high-Q inductor connected by flip chip can significantly improve the phase noise of VCOs. FC-VCO reached a phase noise of -117dBc/Hz at 1MHz offset frequency and a FOM 8dB greater than the OC-VCO. Another important improvement was the saved area, the FC-VCO has an area approximately 83% lower than that of OC-VCO. After electrical characterizations of the OC-VCO, phase noise performances of -110dBc/Hz@1MHz for 2.45GHz and -112dBc/Hz@1MHz for 2.4GHz were obtained, that accomplish the design specifications. FC-LNA reached a noise figure of 2.39dB, 1.1dB lower than that of OC-LNA with the same power comsumption. The total area occupied by FC-LNA is around 30% lower than that OC-LNA. Measurement results of the OC-LNA showed that the circuit presents suitable S11 (input return loss) and S22 (output return loss) values in the desired frequency band. However, the gain value presents a reduction compared with the expected values. The proposal to use the flip chip technology together with external inductors, allows more compact and cheap circuits, because Silicon area can be saved. Moreover, after the external inductors being characterized, the same inductors can be reused regardless of the CMOS technology facilitating the design of RF blocks in more advanced processes.

Ces travaux de recherches s’inscrivent dans le cadre d’une amélioration du bilan de liaison des données de télémesures sur les lanceurs spatiaux. Pour cela, un dispositif d’antenne à pointage électronique a été choisi. Celui-ci utilise un réseau de quatre antennes patchs alimentés par un prototype composé d’un diviseur de puissance 1 vers 4 et de quatre déphaseurs. Les états de phases choisis pour chacun des déphaseurs sont 0°, 90° et 180°. Après une étude bibliographique, les meilleurs déphaseurs pouvant assurer cette fonction sont les déphaseurs à base de coupleur hybride. Grâce à l’utilisation de MEMS-RF dans ces circuits, il est n’est pas nécessaire de rajouter des amplificateurs de puissance, car ces composants sont faibles pertes RF et linéaires. Plusieurs topologies de déphaseurs à base de coupleur hybride utilisant ces commutateurs ont été étudiés. D’après cette étude, il a été possible de réduire la taille des circuits sans détériorer les performances RF, ce qui nous a permis d’en choisir deux d’entre eux. Un commande à distance est nécessaire pour ces dispositifs alors une boîte à relais a été choisie pour assurer ce rôle. Le premier prototype est composé d’un diviseur de puissance qui a été commandé et de quatre déphaseurs fabriqués. Le deuxième prototype est entièrement intégré sur puce, ce qui a permis de réduire la surface du dispositif ainsi que d’améliorer les pertes RF. Ces travaux ont donc pu montrer la faisabilité de fabriquer un prototype simple, faible pertes, et linéaire. / These research works is within the context of an improved link budget telemetry data on space launchers. For this device, an electronically steerable antenna was chosen. It uses an array of four patch antennas supplied by a prototype composed of a power splitter 1 to 4 and four phase shifters. For each selected phase shifters, the phase states are 0 °, 90 ° and 180 °.After a bibliographical study, the best phase shifters that can perform this function are the shifters based on hybrid coupler. Thanks to the use of RF-MEMS in these circuits, it is not necessary to add power amplifiers because these components are linear and present low RF losses. Several topologies of phase shifters based on hybrid coupler using RF-MEMS were studied. According to this study, it was possible to reduce the size of circuits without damaging the RF performance, which allowed us to choose two of them. A remote control is needed for these devices to relay box then was chosen for this role. The first prototype consists of a power divider which was commissioned and produced phase shifters. The second prototype is fully integrated on-chip, which has reduced the device surface and improves the RF losses.These studies were able to demonstrate the feasibility to produce a simple linear prototype with low RF losses.