MEMS tuning and matching circuits, and millimeter wave on-wafer measurements

Abstract

The focus of this thesis is on the development of on-wafer measurement techniques for millimeter wave device and circuit characterization as well as on the development of MEMS based impedance tuning circuits both for measurement and telecommunication applications. Work done in this thesis is presented with eight scientific articles written by the author. The summary of the thesis introduces the field of on-wafer measurements and impedance tuning methods, and is followed by the articles.

Wide-band on-wafer measurement systems have been developed for noise parameter measurement at room temperature at W-band, and for cryogenic S-parameter measurements at 50–110 GHz and 20–295 K. Using the developed systems, noise parameters of an InP HEMT have been measured and results are shown in the frequency band of 79–94 GHz. These are the first published noise parameter measurement results for an active device at W-band, and first on-wafer measurement results at cryogenic conditions and at 50–110 GHz.

Novel RF MEMS impedance tuners have been developed for instrumentation and measurement applications to improve measurement automation and accuracy in on-wafer measurements. Several integrated impedance tuners have been realized to cover 6–120 GHz frequency range. RF MEMS technology has also been used for reconfigurable matching networks. Reconfigurable distributed 4–18 GHz and 30–50 GHz matching networks have been designed, fabricated, and characterized. These are based on switched 4 or 8 MEMS capacitors producing 16 or 256 different impedances. The matching networks are ideal for multi-band and wide impedance range amplifier as well as for antenna matching and tuning applications. Both the tuners and matching networks have shown state-of-the-art performance for circuits realized with integrated circuit technologies.

Väitöskirjatyössä kehitettiin suoraan kiekolta tehtäviä millimetriaaltoalueen mittauksia sekä mikromekaanisia (MEMS) impedanssin säätö- ja sovituspiirejä.

Mittauslaitteistoja ja -menetelmiä kehitettiin suoraan kiekolta tehtäviin mittauksiin millimetriaaltoalueelle. Kohinaparametrien mittaamiseksi kehitettiin laitteisto W-alueelle (75-110 GHz), ja mittaustulokset esitetään InP HEMT -transistorille 79-94 GHz taajuusalueella. Sirontaparametrien mittaamiseksi kryogeenisissä olosuhteissa kehitettiin laitteisto W-alueelle, ja laajakaistaiset sekä kahden aaltoputkikaistan kattavat mittaustulokset esitetään InP HEMT -transistoreille 50-110 GHz:n taajuusalueella ja 20-295 K:n lämpötiloissa. Sekä molemmat mittauslaitteistot että esitettävät tulokset ovat ainutlaatuisia näillä taajuuksilla.

Kohinaparametrimittauslaitteistojen kehittämiseksi ja mittausten automatisoimiseksi väitöskirjatyössä suunniteltiin ja valmistettiin integroituja mikromekaanisia impedanssivirittimiä. Impedanssivirittimillä tuotetaan erilaisia impedansseja, ja niitä voidaan kontrolloida sähköisesti. Impedanssin säätö perustuu MEMS-kondensaattoreihin, ja kehitetyillä piireillä saadaan tuotettua tuhansia erilaisia impedansseja riippuen MEMS-kondensaattoreiden lukumäärästä. Impedanssivirittimiä kehitettiin usealle eri taajuusalueelle taajuuksien 6 ja 120 GHz välille. Virittimien tuottama heijastuskerroin on parhaimmillaan lähellä yhtä mitatun seisovan aallon suhteen ollessa 199 taajuudella 30 GHz. Työssä myös sovellettiin MEMS-kondensaattoreita impedanssinsovituspiireihin tehovahvistimen ja antennin sovittamiseksi. Piireissä integroidun siirtolinjan sähköistä pituutta ja impedanssia muutetaan. Mitatut tulokset osoittavat, että piireillä voidaan sovittaa paljon erilaisia impedansseja pienin häviöin ja lineaarisesti.