Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1819
Main Title: Efficient Design, Integration and Optimization of Highly Miniaturized Filters for RF/Wireless Applications
Translated Title: Effiziente Design, Integration und Optimierung von Hoch-Miniaturisierte Filters für HF/Drahtlose Anwendungen
Author(s): Baba, Mohamadou
Advisor(s): Reichl, Herbert
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Durch den technologischen Fortschritt auf dem Gebiet der Aufbau- und Verbindungstechnik in den letzen Jahren, insbesondere im Bereich der Multi-Chip-Module (MCM) für System-in-Package (SiP) Technologien, stehen beachtliche Entwicklungen im Hinblick auf die Hochfrequenzschaltungsintegration zur Verfügung. Diese Technologien eignen sich deshalb sehr gut zur Integration von Hochfrequenz-Filtern, wobei Restriktionen zu beachten sind, die sich aus technologisch bedingten Entwurfsregeln bzw. aus der Hochfrequenzschaltungstechnik ergeben. Im Rahmen dieser Arbeit, wurde eine Methodologie für den Entwurf und die Integration von Hochfrequenz-Filtern entwickelt. Spiralförmige Spulen mit verschiedenen elektrischen Längen wurden entworfen. Durch die Verwendung ihrer Induktivitäten sowie ihrer parasitären Kapazitäten wurden Bandpass-Filter in unterschiedlichen Topologien und Konfigurationen entworfen und in MCM-L für SiP- Technologie integriert. Die Ausnutzung der parasitären Kapazitäten führte zur Reduzierung der Komponenten-Anzahl im Designentwurf und damit zu einer Design-Miniaturisierung. Für die Designimplementierung der Bandpass-Filter zweiter Ordnung wurden folgende Design-Topologien und -Konfigurationen abgeleitet: Gap-Topologie, Tap-Topologie, Lateral-Konfiguration, Vertikal-Konfiguration mit Versatz zwischen den Resonatoren und Vertikal-Konfiguration ohne Versatz zwischen den Resonatoren. Für die Design-Implementierung in Vertikal-Konfiguration ohne Versatz zwischen den Filter-Elementen wurden Fenster in den Metall-Zwischenlagen vorgesehen, um die elektromagnetische (EM) Kopplung zwischen den Filterelementen zu ermöglichen und zu kontrollieren. Dieser Entwurf und die Integration erfolgt über den intensiven Einsatz von elektromagnetischen Feldsimulationen auf Basis der Momentenmethode (MoM). Die Einflüsse von Design-Topologie/Konfiguration in Hinblick auf die Miniaturisierung sowie Effizienz von Filtern wurden analysiert. Die Design-Implementierung mit Gap-Topologie in Vertikal-Konfiguration ohne Versatz zwischen den Resonatoren zeigte einen positiven Einfluss auf die Filter-Selektivität, aber auf Kosten der Filter-Sensitivität. Die Einflüsse von technologischen Schwankungen auf die Filter-Charakteristik wurden ebenfalls analysiert. Die Filterbandbreite ist deutlich sensitiver gegenüber Toleranzen der Substratdicke im Vergleich zur Toleranz der Material-Dielektrizitätskonstante. Auf Basis der entwickelten Methoden wurden Filter entworfen, integriert und optimiert. Für die Validierung der Methoden sowie für die Verifikation der Design- und Modellierungstechniken wurden einige der entworfenen Filter fabriziert und messtechnisch charakterisiert. Eine sehr gute Übereinstimmung der Parameter zwischen gemessenen und simulierten Test-Strukturen wurde erzielt. Die Design-Integration der vertikalen Konfiguration ohne Versatz zwischen den Filter-Elementen hat ein Miniaturisierungspotential von bis zu 27 % erwiesen ohne deutliche Veränderung der Einfügedämpfung innerhalb des Durchlassbereichs.
Due to the technological progress in the fields of the integrated circuits (ICs) packaging over the past few years, particularly in the field of the multi-chip-module (MCM) based system-in-package (SiP) technology, considerable developments concerning RF circuit design has been made. Therefore, this technology is well suitable for the integration of RF filters, while restrictions have to be considered, which derive from technologically dependent design rules as well as RF circuitry. In the framework of this work, a methodology for efficient design and integration of RF filters was developed. The design made use of spiral-shaped microstrip inductors designed with different electrical lengths. By the use of the inductances as well as the parasitic capacitances of these inductors, bandpass filters were designed in different topologies and configurations, and implemented using MCM-L based SiP technology. Using of the parasitic reactance led to a substantial reduction in component count as well as in overall circuit design size. For the implementation of second order bandpass filters, the following design topologies and configurations were derived: “gap topology”, “tap topology”, “lateral configuration”, “vertical configuration with off-set between the resonant elements”, and “vertical configuration without off-set between the resonant elements”. For the filter design implementation in “vertical configuration without off-set between the resonant elements”, ground planes designed with electromagnetic (EM) windows were placed between the resonant elements in such a way to control the EM coupling happening between the resonant elements. The EM simulations of the filter design structures were performed by means of the full-wave solver “Agilent Momentum” that employs the Method of Moments (MoM) codes for the discretization of the total structures. The impacts of the design topologies/configurations on the filter performances as well as on the circuit design miniaturization were analyzed. The design implementation with “gap topology” in “vertical configuration without off-set between the resonant elements” improved the filter selectivity, but at the cost of the sensitivity. Sensitivity analyses for the design parameters were performed in order to predict the impacts of the tolerances (due to the manufacturing process fluctuations) on the filter characteristics. The bandwidth was proved most sensitive against the substrate thickness tolerances. Based on this methodology, filters for various applications were designed, integrated and optimized. For the experimental validation of this design methodology as well as verification of the modeling accuracy and analysis method, test samples were fabricated and tested through on-board RF measurements. There was a good correlation between measurement and simulation data. The design implementation in “vertical configuration without off-set between the resonant elements” offered a potential of filter size reduction up to 27 % without noticeable performance degradation within the passband.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-18349
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2116
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1819
Exam Date: 20-Feb-2008
Issue Date: 11-Apr-2008
Date Available: 11-Apr-2008
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Design-Implementierung
Design-Topologie/Konfiguration
Elektromagnetische (EM) Kopplung
HF-Filters
Multi-Chip-Module Laminate (MCM-L)
Design implementation
Design topologies/configurations
Electromagnetic (EM) coupling
Multi-chip-module laminate (MCM-L)
RF filters
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