Academic literature on the topic 'Cavité radio fréquence'

A L’ESRF, les instabilités longitudinales multi paquets générées par les modes d’ordres supérieurs (HOM) des cavités sont maîtrisés par un contrôle de la température des cavités cuivre, permettant d’atteindre une intensité de 200 mA dans l’anneau de stockage. Récemment, le développement d’un système complémentaire d’asservissement en phase des paquets d’électrons a permis d’atteindre une intensité de 300 mA. Un axe majeur du travail de thèse a consisté au développement d’une cavité mono-cellule 352 MHz à HOM fortement atténués en vue d���une opération à 500 mA sans boucle d’asservissement. Cette étude s’est basée sur un modèle de cavité 500 MHz développé à BESSY, où l’absorption de la puissance des HOM est assurée par des ferrites placées dans trois guides d’ondes cylindriques identiques comportant chacun deux nervures. Un premier prototype correspondant à une mise à l’échelle de ce modèle pour 352 MHz a été optimisé par simulations électromagnétiques. Les spectres d’impédances de ce prototype ont aussi été mesurés, soulignant quelques différences avec les simulations. Cette structure apporterait une atténuation suffisante des HOM pour atteindre, avec 18 cavités, une intensité de 500 mA. Néanmoins, cette solution imposerait des atténuateurs de 1. 4 m incompatibles avec les dimensions du tunnel. Un nouveau travail de simulation a alors permis d’aboutir à un design incluant un atténuateur très court à quatre nervures et deux autres bi-nervurés. Des mesures sur le second prototype devraient confirmer une atténuation plus forte des HOM. Une alternative, basée cette fois sur le contrôle en température de cavités 500 MHz de type ELETTRA adaptées pour l’ESRF, a aussi été simulée
At the ESRF, longitudinal coupled bunch instabilities (LCBI) driven by higher order modes (HOM) are avoided up to the nominal beam current of 200 mA by precisely controlling the radio frequency cavity temperatures. A maximum of 300 mA was recently stored in the storage ring with a new longitudinal bunch-by-bunch feedback. The aim of this thesis was to design a strongly damped 352 MHz single-cell normal conducting cavity to eventually reach at term a 500 mA stored current without feedback system. The study was based on a cavity developed at BESSY for 500 MHz with three identical homogeneous double ridge waveguides (DRWG) loaded by ferrite blocks to damp the HOM. A first aluminium low power prototype scaled from this cavity was optimized at the ESRF by means of electromagnetic simulations. The longitudinal and transverse HOM impedances measured in the prototype matched generally well the computed values except for some modes. This first iteration yielded just enough HOM damping to suppress all LCBI up to 500 mA of stored beam with eighteen such cavities in the ring. However, the required 1. 4 m long HOM dampers would not fit in the existing tunnel. The dampers were then completely reworked by simulations leading to an innovative solution, including a short quadruple ridge waveguide and two DRWG with reduced size, which should significantly lower the HOM impedances. As an alternative to HOM damping, temperature tuning of HOM applied to a scaling of the 500 MHz ELETTRA single-cell cavity was also investigated numerically

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration tripartite entre STMicroelectronics, le CEALeti et le TIMA. Elle a pour objet la caractérisation et l'étude de la fiabilité des composants à ondes acoustiques de volume (ou BAW pour Bulk Acoustic Wave) fabriqués à partir de couches piézoélectriques minces déposées sur un miroir de Bragg réalisé sur silicium (la technologie SMR pour Solidly Mounted Resonator) pour des applications Radiofréquence (RF). Dans ce travail, on s'intéresse particulièrement aux résonateurs et filtres à modes longitudinaux à base de Nitrure d'Aluminium (AlN) excités et piégés dans des capacités de type Métal-Insolant-Métal (MIM) dans le but de caractériser leur adéquation à répondre aux critères industriels et de permettre la compréhension et la modélisation des phénomènes physiques entrant en jeu dans la dégradation des composants. Le premier chapitre introduit la problématique des composants radiofréquences pour la téléphonie cellulaire et plus particulièrement les composants à ondes acoustiques de volume. Ce chapitre décrit le principe de fonctionnement de la technologie BAW, ses avantages ainsi que la problématique de la fiabilité comme étant un point clef dont l'étude est nécessaire avant la commercialisation. Le deuxième chapitre est consacré à l'analyse des propriétés électriques et acoustiques de la brique de base de la technologie BAW SMR qui est la structure MIM. Dans le troisième chapitre, on s'intéresse à l'étude de résonateurs sur miroir de Bragg sous différentes conditions de fonctionnement afin d'évaluer leur stabilité, de mettre en évidence les modes de défaillance et d'expliquer les phénomènes physiques observés. Enfin, le quatrième chapitre de ce manuscrit est consacré à l'étude d'un filtre complet exploitant ces résonateurs comme éléments d'impédance. La conclusion du mémoire reprend les principaux résultats des travaux effectués et fournit des lignes directrices en vue d'améliorer la stabilité et la fiabilité de la technologie BAW
This thesis work has been achieved in the frame of collaboration between STMicroelectronics, CEALeti and TIMA laboratory. It aims at the characterization and the study of the reliability of bulk acoustic wave (BAW) devices made of piezoelectric thin layers deposited on a Bragg mirror mounted in silicon substrate (Solidly Mounted Resonator (SMR) technology) for Radiofrequency (RF) applications. This work focuses on longitudinal mode resonators and filters based on Aluminum Nitride (AlN) Metal-Insulator-Metal (MIM) structures. It aims at understanding and to model physical phenomena leading to the degradation of components, whose ability to meet industrial reliability requirement is assessed. The first chapter introduces the state of the art for RF components for cellular phones, and more specifically the BAW technology. This chapter describes the operating principle of the BAW technology, its advantages and points out the problems of reliability as a key point to investigate before components commercialization. The second chapter deals with the analysis of electrical and acoustic properties of the MIM structure which is the basic block of the BAW SMR technology. In the third chapter, the study focuses on the behaviour of the SMR resonator operating under different conditions in order to assess its stability, to identify failure modes and to explain the observed physical phenomena. In the fourth chapter, the performance of a RF filter built with the characterized SMR resonators is investigated. The main results of this work are eventually summarized in the conclusion of the manuscript and methods to improve the stability and reliability of BAW technology are provided

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration tripartite entre STMicroelectronics, le CEALeti et le TIMA. Elle a pour objet la caractérisation et l'étude de la fiabilité des composants à ondes acoustiques de volume (ou BAW pour Bulk Acoustic Wave) fabriqués à partir de couches piézoélectriques minces déposées sur un miroir de Bragg réalisé sur silicium (la technologie SMR pour Solidly Mounted Resonator) pour des applications Radiofréquence (RF). Dans ce travail, on s'intéresse particulièrement aux résonateurs et filtres à modes longitudinaux à base de Nitrure d'Aluminium (AlN) excités et piégés dans des capacités de type Métal-Insolant-Métal (MIM) dans le but de caractériser leur adéquation à répondre aux critères industriels et de permettre la compréhension et la modélisation des phénomènes physiques entrant en jeu dans la dégradation des composants. Le premier chapitre introduit la problématique des composants radiofréquences pour la téléphonie cellulaire et plus particulièrement les composants à ondes acoustiques de volume. Ce chapitre décrit le principe de fonctionnement de la technologie BAW, ses avantages ainsi que la problématique de la fiabilité comme étant un point clef dont l'étude est nécessaire avant la commercialisation. Le deuxième chapitre est consacré à l'analyse des propriétés électriques et acoustiques de la brique de base de la technologie BAW SMR qui est la structure MIM. Dans le troisième chapitre, on s'intéresse à l'étude de résonateurs sur miroir de Bragg sous différentes conditions de fonctionnement afin d'évaluer leur stabilité, de mettre en évidence les modes de défaillance et d'expliquer les phénomènes physiques observés. Enfin, le quatrième chapitre de ce manuscrit est consacré à l'étude d'un filtre complet exploitant ces résonateurs comme éléments d'impédance. La conclusion du mémoire reprend les principaux résultats des travaux effectués et fournit des lignes directrices en vue d'améliorer la stabilité et la fiabilité de la technologie BAW.

Sur les sources circulaires de rayonnement synchrotron, des cavités RF harmoniques permettent d'augmenter la durée de vie Touschek d'un facteur 2 à 4 en allongeant les paquets. Certains effets secondaires peuvent limiter le gain en durée de vie, voire déstabiliser le faisceau ou au contraire le stabiliser. Le but de cette thèse a été l'évaluation de systèmes RF harmoniques en tenant compte de leur interaction avec tous les mécanismes de dynamique longitudinale dans diverses conditions d'opération. Des modèles de poursuite (tracking) ont été développés car les méthodes de calcul standard ne s'appliquent pas aux fortes non linéarités de l'onde RF obtenue. Un code de tracking multipaquet avec une particule par paquet a servi à comprendre les effets transitoires importants observés avec le système RF harmonique d'ALS et un trou de 17% dans le remplissage de l'anneau de stockage. Les calculs confirment que la durée de vie ne peut être augmentée au delà d'un facteur 1,4. Les simulations sont également en accord avec des mesures systématiques effectuées à BESSY II. L'implémentation d'un code de tracking multipaquet multiparticules a permis d'inclure les mouvements cohérents multipaquets et les effets monopaquets. Les simulations expliquent bien l'amortissement Landau d'instabilités multipaquets observé sur différentes machines. Des paquets intenses sont déjà allongés par l'interaction avec l'impédance de l'anneau. Les simulations indiquent qu'un système harmonique peut apporter un allongement supplémentaire significatif. En tenant compte de tous les effets longitudinaux, il s'avère qu'une seule cavité harmonique supraconductrice active constituerait la solution la plus adaptée à l'ESRF. Pour les modes de remplissage monopaquet et à seize paquets, des augmentations de durée de vie de facteurs 2 et 3 pourraient respectivement être obtenues
Harmonic cavities have been installed on various storage ring light sources to increase the Touschek lifetime by a factor 2 to 4 by lengthening the bunches. Several side effects have been observed, which limit the gain in lifetime. In the worst case, the beam stability can be altered, but harmonic cavities can also provide a stabilising effect. The purpose of this thesis was to evaluate the performance of harmonic RF systems and their interaction with all longitudinal beam dynamics issues under various operation conditions. Special particle tracking models have been developed, as well-known analytical calculations no longer apply to the resulting non-linear RF waveform. A multibunch single particle tracking code has been implemented to understand the strong transient beam loading effects with the ALS harmonic RF system for a 17% gap in the storage ring fill. Computations confirm the observed limitation in beam lifetime improvement to a factor 1. 4. Systematic experiments carried out at BESSY II are also in good agreement with the simulations. A multibunch multiparticle tracking code has been developed to include multibunch coherent motion as well as single bunch effects. The simulations explain the strong Landau damping of coupled bunch instabilities observed on several machines. Bunches with high intensities are already elongated by the interaction with the ring impedance. The computations indicate that a harmonic RF system can provide significant additional lengthening. Under consideration of all longitudinal effects, it turns out that a single active superconducting harmonic cavity would constitute the most appropriate solution for the ESRF. For the single and sixteen bunch fill patterns, an improvement in beam lifetime by a factor 2 and 3 could be obtained, respectively

Les composants passifs électro-acoustiques sont des éléments critiques des architectures RF. Les plus représentés sont les filtres à ondes acoustiques de surface (SAW) ou de volume (BAW), qui permettent le filtrage RF (filtre d’antenne). Pour le filtrage de canal, les solutions SAW sont actuellement en place, bien que des travaux récents aient montré l’intérêt des résonateurs à ondes de Lamb pour ce type d’application. Ces derniers composants présentent l’avantage d’être compatibles avec une technologie de fabrication de filtres BAW réalisés sur membrane suspendue (FBAR), permettant une co-intégration des deux types de composants à moindre coût. Toutefois, le choix technologique de STMicroelectronics et du CEA-Leti s’est porté sur une technologie de résonateurs BAW réalisés sur miroir de Bragg (SMR). Le but de cette thèse est donc de démontrer la possibilité de réaliser des résonateurs reprenant le principe des résonateurs à ondes de Lamb, mais co-intégrables avec des BAW-SMR. Après une présentation de l’état des lieux des composants électromécaniques utilisés dans les architectures RF et des diverses propositions de dispositifs semblables présentes dans la littérature, nous abordons une étude théorique du principe de fonctionnement de ce type de composants, ce qui nous permet d’en cerner les caractéristiques : coefficientsde couplage électromécaniques proches de ceux des résonateurs à ondes de Lamb, mais fonctionnement à des fréquences proches de celles des résonateurs BAW. Nous présentons ensuite les méthodes de dimensionnement employées. Enfin, nous présentons un procédé de réalisation proche de celui des BAWSMR fabriqués au CEA-Leti, mais adapté à nos composants. A l’issue de caractérisations électriques, nous sommes en mesure de présenter les premiers composants de ce type fonctionnels, et une liste d’améliorations possibles. Ces travaux ont permis des publications dans quatre conférences dont trois internationales, un journal, un dépôt de brevet d’invention et deux publications internes au laboratoire commun IEMN-STMicroelectronics
Passive acoustic devices are enabling elements for RF architectures. Aside from the well known surface acoustic wave (SAW) and bulk acoustic wave (BAW) filters used for RF filtering, Lamb wave devices have recently been seen as an alternative to SAW devices currently used also for intermediate frequency filtering. These resonators are compatible with a membrane-based BAW technology (FBAR) and could thus be co-integrated with them with no additional cost. However, STMicroelectronics and CEALeti have focused their developments around BAW resonators using a Bragg mirror for acoustic isolation (SMR). Therefore, the aim of this work is to demonstrate the possibility of fabricating resonators close to Lamb wave resonators, but technologically compatible with a BAW-SMR technology. After reviewing the applications of electromechanical resonators in RF architectures and the proposals for the kind of resonators we are investigating available in the literature, we start with a theoretical investigation of these devices. This enables us to determine basic characteristics of these resonators: electromechanical coupling factors close to Lamb wave devices, but operation at frequencies close to BAW resonators. Then, we describe the design of demonstrators. Finally, we describe a fabrication process, similar to BAW-SMR fabrication process, which has provided to date the first operating devices using this principle. Electrical characterizations show that the fabricated resonators are functional, and we discuss possible improvements.This work led to publications in four conferences, (three international conferences), a paper, a patent and two internal publications at IEMN-STMicroelectronics common laboratory

Pour des raisons de coût, de consommation et de volume, l'intégration complète des systèmes de communication apparaît comme un sujet porteur pour l'industrie de la microélectronique. C'est pourquoi, de nouveaux résonateurs à ondes acoustiques de volume (BAW) se développent. Un des avantages de ces résonateurs est la possibilité de les intégrer dans un système complet sur substrat silicium pour des applications de type filtrage. En revanche, il existe des variations dans le procédé de fabrication qui font que les épaisseurs des matériaux déposés fluctuent légèrement. Cela impacte directement la fréquence de résonance des résonateurs et il convient de palier à ces variations si on souhaite réaliser un système intégré. Le sujet de travail de cette thèse s'inscrit dans le cadre de cette réflexion et porte sur l'étude et la réalisation de nouvelles architectures de filtres permettant l'utilisation de résonateurs BAW accordables en fréquence
For reasons of cost, consumption, and volume, the complete integration of communication systems seems a subject carrying for the micro-electronic industry. That is why, new resonators with bulk acoustic waves (BAW) are developed. One of the advantages of these resonators is the possibility of integrating them in a complete system on silicon substrate for filtering applications. On the other band, there are variations in the manufacturing process which make that the thicknesses of the deposited materials fluctuate slightly. That directly impacts the resonance frequency of the resonators and it is necessary to compensate these variations if one wishes to carry out an integrated system. The thesis work subject deals with the study and the realization of new filters architectures allowing the use of tuneable BAW resonators