Smart analog passive circuits using ferroelectric materials for software defined radio systems

Abstract

The designs of radio systems are advancing toward fully digital transceivers, which implies that the input signal should pass through an analog to digital converter. This thesis investigates the evolution of smart analog circuits, including input filters and phase shifters, that may be implemented in tunable radio frequency chains for more efficient spectrum use. The limitation of possible jammers are examined utilizing the inovative feautures of these devices and somehow allow all signals within the dynamic range of the converter in a software-defined radio approach. The unique features of this work are focused on the development of input analog radio frequency front-ends that are adaptable in frequency and power, which may vary according to the bias voltage and input power. This research relied on ferroelectric based devices that have predicted variable capacitance and nonlinear behavior at microwave frequencies for wireless and satellite communications. Using the peroviskite of Barium Strontium Titanate, the properties of ferroelectric thick and thin films are intensively explored. BST films provide numerous desirable features for high frequency applications, including field-dependent permittivity and a high breakdown field. The ratios of Barium and Strontium that enable operation at room temperature in the paraelectric phase are examined. Different device topologies for implementing BST capacitors for low voltage applications have been researched throughout several implementations. Among the challenging solutions, there are presented tunable RF devices and three-functional-dimension analog radio frequency front-ends that can adjust its three functional dimensions (frequency, output power, and bias voltage) and limit the dynamic range by employing ferroelectric thick and thin films.

Os projetos de sistemas de rádio estão a avançar para transcetores totalmente digitais, o que implica que o sinal de entrada deve passar por um conversor analógico para digital. Esta tese tem como tópico de investigação a evolução de circuitos analógicos inteligentes, incluindo filtros de entrada e deslocadores de fase, que podem ser implementados em cadeias de radiofrequência adaptáveis para um uso mais eficiente do espetro. A limitação de possíveis interferidores é analisada utilizando as caraterísticas inovadoras destes dispositivos e, de alguma forma, permitir que todos os sinais se enquadramento da gama dinâmica do conversor. As caraterísticas únicas deste trabalho têm o seu foco no desenvolvimento de front-ends analógicos de radiofrequência que sejam adaptáveis em frequência e potência, que podem variar de acordo com a tensão de polarização e a potência de entrada. Este trabalho baseia-se em dispositivos ferroelétricos que têm uma capacidade variável e um comportamento não linear a frequências de micro-ondas utilizadas para comunicações sem fios e comunicações via satélite. Para este fim, utilizam-se a peroviskita de Titanato de Bário e Estrôncio, nas quais são exploradas as propriedades de diversos filmes ferroelétricos espessos e finos. Os filmes de BST fornecem inúmeras caraterísticas desejáveis para aplicações de alta frequência, incluindo permitividade dependente de campo elétrico e um elevado campo de rotura. Os rácios de Bário e Estrôncio que permitem a sua operação à temperatura ambiente na fase paraelétrica são igualmente examinados. Diferentes topologias de dispositivos para implementa，c˜ao de condensadores de BST para aplicações de baixa tensão foram estudadas. Entre as soluções mais desafiadoras, são apresentados dispositivos de RF sintonizáveis e adaptáveis e front-ends de radiofrequência analógicos de três dimensões funcionais que podem ajustar essas três caraterísticas (frequência, potência de saída e tensão de polarização) e limitar a gama dinâmica quando se implementam filmes ferroelétricos espessos e finos.