ANALISI TEORICA E SPERIMENTALE DI PHASE-SHIFTERS BASATI SU METAMATERIALI PER APPLICAZIONI AD ALTA FREQUENZA

Questa tesi ha lo scopo di sviluppare un modello teorico-computazione e le specifiche di progetto di phase-shifters basati su linee di trasmissione con metamateriali che operino nella banda 110-170 GHz. Lo studio di questi dispositivi si pone nell'ambito di una collaborazione tra il Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione (DII) dell'UNIVPM e il centro di ricerca e produzione IHP Microelectronics GmbH. Grazie a questa collaborazione è stato possibile effettuare un confronto teorico-sperimentale tra risultati delle simulazioni e dati sperimentali ottenuti da misurazioni sul dispositivo realizzato. Esiste una vasta letteratura the tratta di phase-shifters con materiali tradizionali e relative applicazioni; il vantaggio nell'uso dei metamateriali consiste, in particolare, nella miniaturizzazione, nella riduzione del cross-talk e dell'accoppiamento capacitivo, e permette di realizzare dispositivi a basso consumo energetico. Dispositivi di questo tipo trovano molteplici applicazioni in sistemi dalla radiofrequenza (RF) alle onde millimetriche; infatti il phase-shifter è un componente fondamentale per la realizzazione di sistemi quali phased-array di antenne, dispositivi di accoppiamento, filtri tunabili, circolatori e altro. Il modello teorico si basa su una linea di trasmissione a microstriscia sopra un substrato di ossido di silicio, in cui vengono inserite coppie di celle risonanti ad accoppiamento elettrico (ELC). In base alle dimensioni e al numero delle celle inserite, l'onda elettromagnetica in propagazione nella microstriscia avrà un'interazione con le celle sottostanti che, a loro volta produrranno un campo che si accoppierà all'onda iniziale. La presenza delle celle nel dielettrico risulta in un materiale con indice di permittività negativo. È stato possibile ottenere dati da misurazioni sulle effettive linee di trasmissione prodotte, viene infatti descritto il processo di produzione in silicio-germanio. Per rendere possibile la misurazione, la struttura è stata progettata con un'interfaccia coplanare con una successiva transizione a microstriscia, rendendo necessaria una calibrazione MRTL (Multi Thru-Reflect Line) della probe-station. Prima di passare alla modellazione, viene quindi esposta la procedura di misurazione e calibrazione dello strumento. La simulazione full-wave 3D è stata effettuata utilizzando COMSOL Multiphysics e MATLAB , tenendo conto delle dimensioni reali (spessore del substrato, dimensioni della linea) e delle specifiche dello stack tecnologico (caratteristiche dei materiali) IHP. Lo scopo è quello di ottenere curve teoriche dei parametri di Scattering da porre a confronto con quelle ottenute dalle misurazioni on-wafer. Si passa quindi al confronto teorico-sperimentale tra i dati ottenuti dalle misurazioni e quelli prodotti dal simulatore. Dal confronto emerge chiaramente che il modello teorico-numerico permette di predire le misure sperimentali con grande accuratezza. Vengono infine riportate le curve degli andamenti della fase, dai risultati è possibile osservare i valori di sfasamento al variare della dimensione e del numero delle celle presenti nel dielettrico. Il dispositivo realizzato è alla base dello sviluppo di un phase-shifter tunabile, di fondamentale importanza per la fabbricazione di array di antenne e altri dispositivi.