Design, realization and characterization of three-dimensional inductors and transformers for RF (radio frequency) and microwave applications

La miniaturisation, la fabrication et l'intégration des composants passifs RF constituent des enjeux majeurs actuels, sans oublier le critère du coût de fabrication, très important notamment pour les applications grand public. Les composants passifs tels que les inductances et les transformateurs font l'objet d'un effort de développement permanent pour accroitre leurs performances et réduire la surface occupée. Les travaux décrits dans ce manuscrit s'inscrivent dans ce contexte et visent le développement d'une nouvelle filière technologique permettant la réalisation à faible coût de composants inductifs tridimensionnels à hautes performances. Le travail présenté dans ce mémoire s'articule en quatre chapitres. Le premier chapitre dresse un état de l'art des inductances et des transformateurs intégrés en abordant les principales topologies utilisées, les technologies de fabrication et les applications. Dans le deuxième chapitre, l'étude et l'optimisation des inductances et des transformateurs solénoïdaux est abordée après avoir décrit les origines des pertes limitant les performances. Pour cela, nous avons recours à la simulation électromagnétiques 3D. Dans le troisième chapitre, un problème de caractérisation des composants inductifs à forts coefficients de surtension est soulevé. Après avoir constaté que l'environnement de mesure réduisait artificiellement les performances, quelques solutions sont proposées et vérifiées expérimentalement. Enfin, le dernier chapitre traite de la fabrication et de la caractérisation des composants mis au point. Les meilleures performances mesurées correspondent à un facteur de qualité de 61 à 5,4 GHz pour une inductance de 2,5 nH et un gain maximum disponible de -0,5 dB à -0,39 dB sur la plage 3,8 - 6,5 GHz pour un transformateur 2:2. Ces résultats placent ces composants parmi les meilleures réalisations actuelles.The miniaturization, fabrication and integration of RF passive components are current major challenges, also taking into account the fabrication cost which is very important especially for consumer applications. Passive components such as inductors and transformers are subject to an ongoing development to improve their performance and reduce the area occupied. The work described in this manuscript is part of that context and target the development of a new technological process allowing the production of low-cost three-dimensional high-performance inductive components. The work presented in this paper is divided into four chapters. The first chapter describes the state of the art of integrated inductors and transformers by addressing the main topologies used fabrication technologies and applications. In the second chapter, the study and optimization of solenoid inductors and transformers is discussed after describing the origins of performance limiting losses. For this, we use the 3D electromagnetic simulation. In the third chapter, the problem concerning the characterization of inductive components with high Q factor is raised. After finding that the measurement environment artificially reduces performance, some solutions are proposed and experimentally verified. Finally, the last chapter discusses the fabrication and characterization of developed components. The best measured performance corresponds to a quality factor of 61 to 5.4 GHz for an inductance value of 2.5 nH and a maximum available gain of -0.5 dB to 0.39 dB over the range from 3.8 to 6.5 GHz for a 2:2 transformer. These results place these components among the best current achievements