There has been unprecedented growth in wireless technologies in recent years; wireless devices such as cellular telephones and wireless local area network (WLAN) transceivers are becoming ubiquitous. It is now common for a single hardware device, such as a cellular telephone, to be capable of multi-band operation. Implementing a dedicated radio frequency (RF) front-end for each frequency band increases the component count and therefore the cost of the device. Consequently, there is now a requirement to design RF and microwave circuits that can be reconfigured to operate at different frequency bands, as opposed to switching between several fixed-frequency circuits. Barium strontium titanate (BST) thin films show great promise for application in reconfigurable microwave circuits. The material has a high dielectric constant which can be controlled by the application of a quasi-static electric field, combined with relatively low losses at microwave frequencies. Tunable microwave components based on BST-thin films have the potential to replace several fixed components, thereby achieving useful size and cost reductions. This thesis is concerned with the growth and microwave circuit applications of BST thin films on c- and r-plane sapphire substrates. Sapphire is an ideal substrate for microwave integrated circuit fabrication due to its low cost and low loss. Electronically tunable capacitors (varactors) were fabricated by patterning interdigital electrode structures on top of the BST films. High capacitance tunabilities of 56% and 64% were achieved for the films grown on c-plane and r-plane sapphire, respectively, at 40 V bias. A novel electronically tunable 3 dB quadrature hybrid circuit was also developed. Prototypes of this circuit were initially implemented using commercial varactor diodes, in order to validate the design. An integrated version of the coupler was then fabricated using BST varactors on c-plane sapphire. The results achieved demonstrate the potential of sapphire-based BST thin films in practical microwave circuits.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Microondes et microtechnologies : Lille 1 : 2004. / N° d'ordre (Lille 1) : 3515. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. [213]-223. Liste des publications.

Thesis(M.S.)--Auburn University, 2007. / Abstract. Vita. Includes bibliographic references (p.40-41).

Thesis (M. App. Sc.)--Carleton University, 2003. / Includes bibliographical references (p. 140-143). Also available in electronic format on the Internet.

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L'objectif de ce travail est d'aborder la conception de réseaux d'adaptation d'impédance accordable (RAA) dans deux contextes bien distincts en radiofréquences : le RAA en faible signal et le RAA en fort signal.Concernant les aspects faible signal, des critères de performance de RAA ont été établis et étudiés. Une nouvelle expression générale de l'efficacité d'un RAA a été développée. Elle permet de prédire le rendement d'un RAA à partir des facteurs de qualité des composants dont on dispose dans une technologie donnée et du rapport de transformation à réaliser. Des abaques de couverture d'impédances en fonction des pertes d'insertion ont été calculés. Ils mettent en évidence les régions de couverture où le RAA apporte une amélioration à la performance du système, pour diverses topologies de RAA.Un démonstrateur sur PCB a été réalisé. Il est constitué de deux RAA, qui assurent l'adaptation simultanée d'un amplificateur de puissance sur une large plage d'impédances, comprises dans un cercle de l'abaque de Smith d'équation VSWR < 5 :1. La zone de couverture a été mesurée et présentée en fonction des pertes d'insertion, qui mettent en évidence les régions où les RAA contribuent à l'amélioration de la performance de l'amplificateur et celles où les pertes d'insertion du RAA n'arrivent pas à compenser le gain du à la réduction des coefficients de réflexion.Dans une seconde partie, la conception de RAA en fort signal a été traitée. L'objectif a été de présenter à la sortie d'un amplificateur de puissance les impédances qui optimisent son efficacité pour chaque puissance de travail. Un démonstrateur en technologie CMOS SOI 130 nm a été conçu et simulé. Il consiste en un amplificateur de puissance pour le standard WCDMA, fonctionnant à 900 MHz, et un RA accordable par des varactors MOS, capable de générer les impédances optimales correspondant à des puissances de sortie comprises entre 20 et 30 dBm. Les résultats ont mis en évidence le bénéfice apporté par l'insertion d'un RA accordable par rapport à un RA fixe.

L'objectif de la thèse était la conception et la synthèse de filtres RF passe-bande reconfigurables, basés sur des résonateurs de type "Patch". Une méthode de conception dédiée à la synthèse des filtres reconfigurables a été développée et appliquée à deux filtres reconfigurables basés sur des " patchs " triangulaire et circulaire. La technique de synthèse repose sur l'analyse de la matrice de couplage, facilitée par une analyse électromagnétique des modes propres des résonateurs " Patch ". Les filtres reconfigurables ont été conçus et optimisés à l'aide de simulations électromagnétiques 3D en incluant le modèle électrique des composants localisés utilisés, diodes varactors et capacités fixes. Les deux filtres reconfigurables ont été réalisés en technologie circuit imprimé. Les dimensions minimum du " layout " ont été choisies afin d'être compatibles avec une technologie bas coût, la dimension la plus faible n'étant pas inférieure à 0,5 mm.

L'objectif de la thèse était la conception et la synthèse de filtres RF passe-bande reconfigurables, basés sur des résonateurs de type “Patch”. Une méthode de conception dédiée à la synthèse des filtres reconfigurables a été développée et appliquée à deux filtres reconfigurables basés sur des « patchs » triangulaire et circulaire. La technique de synthèse repose sur l'analyse de la matrice de couplage, facilitée par une analyse électromagnétique des modes propres des résonateurs « Patch ». Les filtres reconfigurables ont été conçus et optimisés à l'aide de simulations électromagnétiques 3D en incluant le modèle électrique des composants localisés utilisés, diodes varactors et capacités fixes. Les deux filtres reconfigurables ont été réalisés en technologie circuit imprimé. Les dimensions minimum du « layout » ont été choisies afin d'être compatibles avec une technologie bas coût, la dimension la plus faible n'étant pas inférieure à 0,5 mm. / The objective of this thesis is the design and synthesis of tunable bandpass filters at microwave frequencies using planar patch resonators. A methodology for the design and synthesis of tunable patch filters is developed and applied to two filters with triangular and circular topologies. The methodology provides techniques to extract the coupling scheme that models the filter behavior and the necessary equations for calculating the corresponding coupling matrix. Then, the theoretical filter response resulting from the analysis of the coupling matrix coefficients is compared to the results of complete simulations. The complete simulations combine the results of the 3D electromagnetic (EM) simulation of the filter layout with the results of the electrical simulation of the tuning devices, represented by their lumped elements equivalent model. This allows the correct model of the tuning effect and the definition of the tuning possibilities and limits. In order to validate the methodology, the tunable patch filters are fabricated using Microwave Integrated Circuit (MIC) technology on flexible substrates. The minimum dimensions are greater than 0.5 mm, ensuring a low cost fabrication process.

L’objectif de ce travail est d’aborder la conception de réseaux d’adaptation d’impédance accordable (RAA) dans deux contextes bien distincts en radiofréquences : le RAA en faible signal et le RAA en fort signal.Concernant les aspects faible signal, des critères de performance de RAA ont été établis et étudiés. Une nouvelle expression générale de l’efficacité d’un RAA a été développée. Elle permet de prédire le rendement d’un RAA à partir des facteurs de qualité des composants dont on dispose dans une technologie donnée et du rapport de transformation à réaliser. Des abaques de couverture d’impédances en fonction des pertes d’insertion ont été calculés. Ils mettent en évidence les régions de couverture où le RAA apporte une amélioration à la performance du système, pour diverses topologies de RAA.Un démonstrateur sur PCB a été réalisé. Il est constitué de deux RAA, qui assurent l’adaptation simultanée d’un amplificateur de puissance sur une large plage d’impédances, comprises dans un cercle de l’abaque de Smith d’équation VSWR < 5 :1. La zone de couverture a été mesurée et présentée en fonction des pertes d’insertion, qui mettent en évidence les régions où les RAA contribuent à l’amélioration de la performance de l’amplificateur et celles où les pertes d’insertion du RAA n’arrivent pas à compenser le gain du à la réduction des coefficients de réflexion.Dans une seconde partie, la conception de RAA en fort signal a été traitée. L’objectif a été de présenter à la sortie d’un amplificateur de puissance les impédances qui optimisent son efficacité pour chaque puissance de travail. Un démonstrateur en technologie CMOS SOI 130 nm a été conçu et simulé. Il consiste en un amplificateur de puissance pour le standard WCDMA, fonctionnant à 900 MHz, et un RA accordable par des varactors MOS, capable de générer les impédances optimales correspondant à des puissances de sortie comprises entre 20 et 30 dBm. Les résultats ont mis en évidence le bénéfice apporté par l’insertion d’un RA accordable par rapport à un RA fixe. / The aim of this research was the design of tunable matching networks, in two different contexts: the TMN at low and high signals.Performance criteria of TMN were studied. A general expression has been developed that estimates the TMN efficiency in function of the quality factor of the components used. The impedance coverage of different RAA topologies was plotted in function of the insertion losses.For the small signal, we designed a prototype in PCB, composed by two TMN, which ensure the simultaneous matching of a power amplifier in a wide range of impedances, included in a circle of the Smith chart VSWR < 5: 1. The coverage area was measured and presented in function of the insertion losses, emphasizing the areas where the TMN contribute to improve the amplifier performance and those where insertion losses of the TMN are not able to compensate gain with the reduction of the reflection coefficients.Subsequently, we discussed the design of TMN for the large signal. The objective is to present at the output of a power amplifier, the impedances that optimize efficiency for each power of operation. A 130 nm SOI prototype was designed and simulated, consisting of a power amplifier for WCDMA standard, 900 MHz, and a MN tunable by MOS varactors able to produce the optimal impedances corresponding to an output power between 20 and 30 dBm. The results showed the benefit provided by inserting a tunable MN compared to a fixed one.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet Français « VéLo » qui est une collaboration entre l’industriel STMicroelectronics et plusieurs laboratoires dont les laboratoires IMS-bordeaux et LAAS. Le but du projet est de concevoir un prototype de radar anticollision millimétrique. Dans ce travail un synthétiseur de fréquence est implémenté. Ce dernier sera intégré dans la chaine de réception du démonstrateur. Une étude bibliographique des architectures classiques de système de radiocommunication a été réalisée. Des exemples d’architectures rencontrées dans le domaine millimétrique ont été étudiés.L’objet principal de cette thèse est l’étude des oscillateurs synchronisés par injection ILO. L’objectif est de réaliser un oscillateur verrouillé par injection qui sera piloté par un oscillateur de fréquence plus basse possédant des caractéristiques de stabilité et de bruit meilleures.Dans ce travail de thèse, le mécanisme de verrouillage des oscillateurs par injection a été décrit. Un modèle de synchronisation par injection série, basé sur la théorie de Huntoon Weiss et inspiré du travail de Badets réalisé sur les oscillateurs synchrones verrouillés par injection parallèle, est proposé. La théorie établie a permis d’exprimer la plage de synchronisation en fonction de la topologie utilisée et des composants de la structure. La validité de la théorie a été évaluée par la simulation de la structure. Les résultats présentés montrent une bonne concordance entre la simulation et la théorie et permettent de valider le principe de synchronisation par injection. La faisabilité de l’intégration d’un ILO millimétrique synchronisé par l’harmonique d’un signal de référence de fréquence plus basse a été démontrée expérimentalement. Le synthétiseur de fréquence est réalisé en technologie BiCMOS 130nm pour des applications millimétriques de STMicroelectronics. Ce dernier opère dans une plage de 2GHz autour de la fréquence 82,5GHz. Les performances en bruit du synthétiseur sont satisfaisantes. Le bruit de phase de l’ILO recopie celui du signal injecté. Les équipements de mesures utilisés, le bruit de phase de l’oscillateur atteint des valeurs inférieures à -110dBc/Hz à 1MHz de la porteuse. / This thesis is a part of a French project "VELO". The project is collaboration between STMicroelectronics and several laboratories including IMS-Bordeaux and LAAS laboratories. The aim of this project is to achieve a prototype of millimeter anti-collision radar. In this work a frequency synthesizer is implemented. This circuit will be incorporated in the reception chain of the demonstrator. A bibliographical study of classical architecture was completed. Examples of architectures encountered in the millimeter frequency range have been studied. The purpose of this thesis is to study the phenomena of synchronization in oscillators. The objective is to design an injection locked oscillator ILO driven by another oscillator, the second oscillator operates at lower frequency and offers better stability and noise characteristics.In this thesis, the injection locking mechanism of the oscillators has been described. A model of synchronization by series injection is proposed. The model is based on the theory of Huntoon and Weiss and inspired by Badets’ work performed on parallel injection. The theory expresses the synchronized frequency range depending on the used topology and the values of the components. The validity of the theory was evaluated by simulation. The results show good agreement between simulation and theory and validate the principle of synchronization by injection.The feasibility of a millimeter ILO synchronized by the harmonic of a reference signal operating at lower frequency has been demonstrated experimentally. The synthesizer was implemented in BiCMOS technology for 130nm applications millimeter of STMicroelectronics. The oscillator operates at 82.5 GHz and performs a frequency range of 2GHz. The noise performance of the synthesizer is satisfactory. The phase noise of the ILO depends on the reference phase noise, and reaches values of -110dBc/Hz at 1MHz from the carrier frequency.