FR2958085A1

FR2958085A1 - Ligne de transmission haute frequence accordable

Info

Publication number: FR2958085A1
Application number: FR1052067A
Authority: FR
Inventors: Philippe Ferrari; Gustavo Pamplona Rehder; Philippe Benech
Original assignee: Universite Joseph Fourier Grenoble 1
Current assignee: Universite Joseph Fourier Grenoble 1
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2011-09-30
Anticipated expiration: 2030-03-23
Also published as: US20130063229A1; CN102948007A; JP5719426B2; US9099763B2; WO2011117532A1; EP2550703A1; FR2958085B1; JP2013523036A

Abstract

L'invention concerne une ligne de transmission haute fréquence comprenant un ruban conducteur (6) associé à un plan de blindage (4) disposé sous la structure de ligne et divisé en microbandes parallèles de direction générale orthogonale à la direction de la ligne, ces microbandes étant mobiles par rapport au ruban conducteur.

Description

B10210 1 LIGNE DE TRANSMISSION HAUTE FRÉQUENCE ACCORDABLE

Domaine de l'invention La présente invention concerne une ligne de transmission radiofréquence (RF). On entend ici par radiofréquence le domaine des ondes millimétriques ou submillimétriques, par exemple dans une plage de fréquences de 10 à 500 GHz. Exposé de l'art antérieur Le développement continu des circuits intégrés sur silicium se révèle apte à des fonctionnements à très haute fréquence dans le domaine des radiofréquences. Les éléments passifs utilisés comprennent des adaptateurs, des atténuateurs, des diviseurs de puissance et des filtres. Les lignes de transmission reliant ces éléments constituent un élément de base dans un circuit RF. Pour exploiter la technologie sur silicium, on a besoin de lignes de transmission sur puces à haut facteur de qualité. En effet, le facteur de qualité est un paramètre essentiel car il représente les pertes d'insertion d'une ligne de transmission pour un déphasage donné. De plus ces lignes doivent fournir un déphasage déterminé et avoir une impédance caractéristique déterminée pour la fréquence utilisée.

De façon générale, ces lignes de transmission sont constituées d'un ruban conducteur ayant des dimensions latérales de 10 à 50 }gym et d'une épaisseur de l'ordre du }gym (0,5 à 3 }gym B10210

2 selon la technologie utilisée). Ce ruban conducteur est entouré d'un ou plusieurs conducteurs latéraux, supérieur ou inférieur constituant des plans de masse destinés à constituer avec le ruban conducteur une structure de type guide d'onde. Dans des technologies compatibles avec la réalisation de circuits intégrés électroniques, le ruban conducteur et les plans de masse sont constitués d'éléments de niveaux de métallisation formés au-dessus d'un substrat semiconducteur. Un type de ligne de transmission particulièrement per- formant est décrit dans le brevet américain N° 6 950 590 dont la figure 4a est reproduite dans la figure 1 ci-jointe. Sur un substrat de silicium 128 revêtu de niveaux métalliques séparés par un isolant 127, est formé un plan de masse inférieur 136 divisé en bandes parallèles de petite largeur, par exemple de l'ordre de 0,1 à 3 pm. Dans un niveau de métallisation plus élevé est formé un ruban conducteur central 122 constituant la ligne de transmission proprement dite, entouré de rubans latéraux de masse coplanaires 124, 126. Des avantages et caractéristiques d'une telle ligne sont décrits en détail dans le brevet susmentionné. L'ensemble du ruban central 122 et des lignes de masse 124 et 126 étant coplanaire, cette structure est couramment appelée guide d'onde coplanaire et désignée par le sigle CPW (d'après les termes anglo-saxons CoPlanar Waveguide). En outre, comme cela est indiqué dans ce brevet, la structure constitue un guide à onde lente couramment désigné par le sigle S-CPW pour guide d'onde coplanaire à onde lente (Slow wave CoPlanar Waveguide). Dans une structure telle que celle de la figure 1, les dimensions des divers éléments sont optimisées pour obtenir, à une fréquence déterminée, des caractéristiques de phase données ainsi qu'une impédance caractéristique donnée. Il n'est pas possible de modifier ces caractéristiques une fois la ligne réalisée. Par exemple, il n'est pas possible de réaliser un déphaseur présentant un déphasage donné identique pour plusieurs B10210

3 fréquences différentes, ou un adaptateur d'impédance permettant d'adapter diverses impédances. Résumé Ainsi, la présente invention prévoit une ligne de transmission de type guide d'onde coplanaire particulièrement adaptée à une intégration sur des circuits intégrés microélectroniques dans laquelle divers paramètres du guide d'onde sont ajustables pour optimiser le déphasage à une fréquence choisie et pour une impédance caractéristique choisie, et pour modifier les paramètres de la ligne afin de s'adapter à une fréquence de fonctionnement différente ou à une impédance caractéristique différente. On cherche ainsi à réaliser une ligne de transmission dans laquelle on puisse optimiser indépendamment l'impédance caractéristique et le retard (c'est-à-dire la différence de phase entre le signal à l'entrée de la ligne et le signal à la sortie de cette ligne). Un mode de réalisation de la présente invention prévoit une ligne de transmission haute fréquence comprenant un ruban conducteur associé à au moins un plan conducteur, dans laquelle au moins un plan conducteur est mobile par rapport au ruban conducteur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la ligne de transmission est du type à guide d'onde coplanaire à 25 onde lente. Selon un mode de réalisation de la présente invention, au moins un plan conducteur est un plan de blindage disposé sous la structure de ligne et divisé en microbandes parallèles de direction générale orthogonale à la direction de la ligne. 30 Selon un mode de réalisation de la présente invention, la ligne de transmission comprend des moyens électrostatiques de déplacement du plan conducteur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la ligne de transmission comprend un deuxième plan conducteur 35 sous le plan de blindage.

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4 Selon un mode de réalisation de la présente invention, la ligne de transmission comprend des moyens de polarisation sélective des diverses microbandes. Selon un mode de réalisation de la présente invention, au moins un plan conducteur est constitué de rubans de masse coplanaires mobiles latéralement encadrant le ruban conducteur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la ligne de transmission comprend des moyens de déplacement électrostatique latéral des rubans de masse.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, la ligne de transmission comprend, sur un substrat semiconducteur, un premier plan conducteur, un deuxième plan conducteur ou plan de blindage divisé en microbandes, un ruban conducteur encadré de rubans de masse, une cavité s'étendant sous une partie au moins de la longueur des rubans et du plan de blindage jusqu'au voisinage du premier plan conducteur. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une reproduction de la figure 4a du brevet américain 6 950 590 ; les figures 2A, 2B et 2C sont des vues en coupe d'une 25 ligne de transmission selon un mode de réalisation de la présente invention, dans trois positions ; les figures 3A, 3B et 3C sont respectivement une vue en coupe, une vue en perspective et une vue de dessus d'une ligne de transmission selon un mode de réalisation de la 30 présente invention ; et la figure 4 est une vue de dessus d'une ligne de transmission selon un autre mode de réalisation de la présente invention.

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On notera que, de façon générale, comme cela est usuel dans la représentation des composants microélectroniques, les éléments des diverses figures ne sont pas tracés à l'échelle. Description détaillée 5 La figure 2A est une vue en coupe d'une ligne de transmission de type S-CPW. Une vue en perspective de cette structure serait analogue à celle illustrée en figure 1. Sur un substrat 1, par exemple un substrat semiconducteur, par exemple en silicium, sont formés des niveaux de métallisation séparés par un matériau isolant 2. Dans un niveau intermédiaire de métallisation, est formé un plan de blindage divisé en microbandes 4 analogue à la structure 136 de la figure 1. Au-dessus de ce niveau de métallisation est formé un ruban de transmission central 6 analogue au ruban 122 et, de part et d'autre de ce ruban central, sont formés des rubans latéraux de masse 8 et 9 analogues aux rubans de masse 124 et 126 de la figure 1. En outre, dans le mode de réalisation représenté, un plan de métallisation 10 est prévu à un niveau inférieur. Le plan 10 est éventuellement divisé en microbandes parallèles à celles du plan de blindage 4. Une cavité 12 est creusée de façon à délimiter un espace vide sous le ruban central 6 et de part et d'autre de celui-ci. Dans l'exemple représenté, la cavité 12 s'étend dans le matériau isolant sur la largeur du ruban central et des rubans latéraux en s'arrêtant un peu au-dessus du niveau de métallisation 10. Ainsi, les microbandes du plan de blindage 4 sont ancrées latéralement dans le matériau isolant 2 et leur partie centrale est libre. Si on applique une différence de potentiel continue entre les plans de métallisation 4 et 10, les microbandes métalliques du plan de blindage 4 seront attirées vers le bas par la métallisation 10, comme le représente la figure 2B. Inversement, si une différence de potentiel est appliquée entre la ligne 6 et les microbandes du plan de blindage 4, ces microbandes seront attirées vers le haut par la B10210

6 ligne 6, comme cela est représenté en figure 2C. On notera qu'un isolant, non représenté, est formé sous le ruban 6 et/ou sur les microbandes pour éviter une mise en court-circuit des ces éléments.

Bien que cela ne se voie pas dans la vue en coupe de la figure 2A, il est clair que seule une partie de la longueur de la ligne se trouve au-dessus de la cavité 12 et que chacun des rubans de la ligne (le ruban central et les rubans de masse latéraux) est appuyé sur des parties isolantes situées à l'arrière et à l'avant du plan de coupe. Le rapprochement ou l'éloignement relatif du ruban 6 et des éléments du plan de blindage 4 aura pour effet principal de modifier la capacité équivalente Ceq de la ligne de transmission. Ceci entraîne une modification de l'impédance caractéris- tique Z = (Leq/Ceq)1i2 de la ligne, Leq étant l'inductance équivalente de la ligne. Corrélativement, la vitesse de phase du signal de propagation, v(p = 1/ (Leq.Ceq) 1i2, sera modifiée et il en résulte une modification de la longueur électrique de la ligne, 0 = 1(w/v(p), où 1 représente la longueur physique de la ligne de transmission et w la fréquence angulaire du signal. On pourrait modifier Ceq en appliquant des différences de potentiel plus ou moins importantes entre le plan de masse 4 et le plan de métallisation inférieur 10 ou la ligne de transmission. Toutefois, on préfèrera en pratique agir par tout ou rien en appliquant des potentiels tels que, au repos, les microbandes du plan de blindage 4 sont sensiblement horizontales (figure 2A), dans un deuxième état, ces bandes sont dans une position extrême basse (figure 2B) et, dans un troisième état, ces bandes seront dans un état extrême haut (figure 2C).

Pour ajuster finement la variation de capacité, on pourra prévoir de déplacer sélectivement un nombre choisi de bandes du plan de blindage 4 en appliquant le potentiel susceptible de générer une force d'attraction électrostatique avec le plan conducteur inférieur ou avec le ruban conducteur en polari- saut sélectivement un nombre choisi de ces bandes conductrices.

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7 Comme on l'a vu précédemment, la possibilité de modifier la capacité équivalente Ceq entraîne une possibilité de modification de l'impédance caractéristique de la ligne et de la vitesse de phase d'un signal dans la ligne. Toutefois, ceci ne permet pas de régler indépendamment ces deux paramètres. Pour permettre un réglage indépendant de l'impédance caractéristique et de la vitesse de phase, un mode de réalisation de la présente invention prévoit que la distance latérale entre les rubans de masse latéraux et le ruban central est réglable, ce qui a pour effet essentiel de modifier l'inductance équivalente Leq de la ligne. Un premier mode de réalisation d'une structure permet-tant d'obtenir ce réglage indépendant est illustré en figures 3A, 3B, 3C qui sont respectivement une vue en coupe, une vue en perspective et une vue de dessus. Les figures 3A, 3B et 3C seront décrites collectivement ci-après. La structure des figures 3A, 3B et 3C est similaire à celle de la figure 2A. On retrouve le plan conducteur inférieur 10, le plan intermédiaire 4 et la ligne ruban centrale 6 encadrée des rubans de masse 8 et 9. Alors que dans le cas de la structure de la figure 2, les rubans de masse 8 et 9 n'étaient pas nécessairement totalement inclus au-dessus de la cavité 12, ils le sont maintenant de façon à pouvoir être mobiles latérale-ment sous l'effet d'une différence de tension entre ces rubans de masse et des électrodes latérales externes 21, 22. Les rubans de masse 8 et 9 sont reliés à des plots 23-1, 23-2 et 24-1, 24-2 respectivement formés sur l'isolant 2 par des lamelles 25-1, 25-2 et 26-1, 26-2. Les lamelles 25-1, 25-2 et 26-1, 26-2 forment ressort et permettent un déplacement des rubans de masse 8 et 9 quand ils sont attirés par les électrodes externes 21, 22. Bien entendu, on pourrait aussi prévoir une attraction électrostatique entre le conducteur central et les plans de masse 8 et 9. Des systèmes de butée pourront être prévus pour 35 limiter le déplacement des plans de masse et éviter un court- B10210

8 circuit entre ces plans de masse et les électrodes 21, 22 ou le conducteur central 6. Ces butées pourront par exemple être constituées de couches isolantes déposées sur les faces latérales des divers éléments.

Ce déplacement relatif des rubans de masse latéraux par rapport au ruban central a pour effet principal de modifier l'inductance équivalente Leq de la ligne de transmission. On peut ainsi régler indépendamment Leq et Ceq et donc Z et v(p. La figure 4 est une vue de dessus illustrant une variante de réalisation de la présente invention. La ligne de transmission est divisée en une succession 30-1, 30-2... 30-n de n éléments de ligne dont chacun est constitué comme la structure illustrée en figures 3A, 3B, 3C. On comprendra que ceci multiplie les possibilités de réglage.

La présente invention est susceptible de nombreuses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. Divers moyens pourront être mis en oeuvre pour déplacer le plan de blindage, le ruban central et les rubans de masse latéraux les uns par rapport aux autres.

L'invention a été décrite dans le cadre d'un exemple particulier de son application à une structure de type S-CPW. Toutefois on comprendra qu'elle s'applique de façon générale à d'autres types de lignes de transmission à ruban dont les paramètres dépendent de la ou des distances entre ce ruban et divers plans de masse. Comme on l'a indiqué précédemment, pour le déplacement du plan de blindage 4, on pourra prévoir ou bien que ce déplace- ment soit possible uniquement vers le haut, ou bien uniquement vers le bas. On pourra également prévoir que ce déplacement soit sélectif, c'est-à-dire que l'on puisse déplacer individuellement les différentes microbandes de la structure constituant le plan de blindage 4. Dans le mode de réalisation décrit en détail, les microbandes sont encastrées à leurs deux extrémités. On pourra aussi prévoir que ces microbandes sont interrompues dans leur partie médiane et sont encastrées à une seule de leurs deux B10210

9 extrémités (sous le ruban central 6 ou sous les rubans de masse 8, 9) pour former des poutres encastrées. Dans ce cas on pourra prévoir qu'au moins une partie centrale du ruban central ou des rubans de masse repose sur un isolant pour encastrer les poutres qui forment le plan de blindage 4. En ce qui concerne le déplacement latéral, diverses variantes pourront également être utilisées. En particulier, les électrodes d'attraction 21 et 22 et les rubans de masse 8, 9 pourront être couplés par des structures interdigitées. De plus, les lamelles formant ressorts 25-1, 25-2, 26-1, 26-2 pourront avoir diverses configurations, par exemple des formes en méandres. L'un des avantages de la structure décrite ici est qu'elle est bien compatible avec les techniques usuelles de formation de niveaux de métallisation généralement utilisés pour la réalisation d'interconnexions au dessus d'un circuit intégré microélectronique. Uniquement à titre d'exemple, et pour fixer les idées, on pourra choisir pour une ligne de transmission destinée à fonctionner à des fréquences voisines de 60 GHz les dimensions suivantes : - largeur des rubans et distance entre les rubans 6, 8, 9 : de l'ordre de 7 à 15 }gym, - distance verticale entre les niveaux de métallisation : de 25 l'ordre de 0,5 à 2 }gym, - distance entre les rubans de masse 8 et 9 et les électrodes 21 et 22 : de l'ordre de 0,5 à 2 }gym. Avec ces valeurs on pourra commander le déplacement électrostatique des divers éléments avec des tensions ayant des 30 valeurs de l'ordre de la dizaine de volt et provoquer des variations des valeurs de capacité et d'inductance d'un facteur de l'ordre de 1,5 à 3.

Claims

REVENDICATIONS1. Ligne de transmission haute fréquence comprenant un ruban conducteur (6) associé à au moins un plan conducteur, dans laquelle au moins un plan conducteur est mobile par rapport au ruban conducteur.
2. Ligne de transmission selon la revendication 1 du type à guide d'onde coplanaire à onde lente.
3. Ligne de transmission selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle au moins un plan conducteur est un plan de blindage (4) disposé sous la structure de ligne et divisé en microbandes parallèles de direction générale orthogonale à la direction de la ligne.
4. Ligne de transmission selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant des moyens électrostatiques de déplacement du plan conducteur.
5. Ligne de transmission selon l'une quelconque des revendications 3 à 4, comprenant un deuxième plan conducteur (10) sous le plan de blindage.
6. Ligne de transmission selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, comprenant des moyens de polarisation 20 sélective des diverses microbandes.
7. Ligne de transmission selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle au moins un plan conducteur est constitué de rubans de masse coplanaires (8 et 9) mobiles latéralement encadrant le ruban conducteur (6). 25
8. Ligne de transmission selon la revendication 7 comprenant des moyens de déplacement électrostatique latéral des rubans de masse.
9. Ligne de transmission selon la revendication 1, comprenant, sur un substrat semiconducteur, un premier plan 30 conducteur (10), un deuxième plan conducteur ou plan de blindage (4) divisé en microbandes, un ruban conducteur (6) encadré de rubans de masse (8 et 9), dans laquelle une cavité s'étend sous une partie au moins de la longueur des rubans et du plan de blindage jusqu'au voisinage du premier plan conducteur.