Butler Matrix in a MnM interposer for millimiter wave applications

Este trabalho teve por objetivo projetar, fabricar e caracterizar um protótipo de uma Matriz de Butler operando na faixa de ondas milimétricas (mmW) utilizando a plataforma MetallicNanowire-Membrane (MnM). Para isso, uma metodologia de fabricação foi proposta e aprimorada, na qual, a partir de uma sequência de processos de microfabricação composta por etapas de litograa, deposição de lmes nos e espessamento por eletrodeposição, construíram-se dispositivos nos substratos de alumina nanoporosa, constituídos por até duas camadas de metalização interconectadas por vias formadas nos nanoporos. Essa tecnologia foi usada para construir linhas de transmissão, acopladores híbridos e crossovers,blocos fundamentais para a montagem da Matriz de Butler. Os acopladores fabricados exibiram perdas de inserção entre 3,6 dB e 3,9 dB e diferença de fase de 90,8° nas saídas em 60 GHz e perdas de retorno e isolação melhores que 15 dB para uma banda de aproximadamente 10 GHz em torno dessa frequência. Já os crossovers foram projetados usando o cruzamento de linhas microstrip, no qual um dos trechos do sinal é desviado para uma linha coplanar waveguide (CPW) nas costas do substrato através das vias. Os crossovers fabricados apresentaram, em 60 GHz, perdas de retorno de 15 dB e 25 dB para os trechos direto e com vias, respectivamente, perdas de inserção inferiores que 0,7 dB e isolação superior a 20 dB para o layout mais compacto. Utilizando os resultados de projeto dos componentes, construiu-se uma Matriz de Butler 4 × 4 completa acoplada a um array linear de quatro antenas patch. Os diagramas de radiação do array de antenas foram medidos inserindo potência em cada uma das quatro entradas da Matriz, indicando que o protótipo fabricado foi capaz de irradiar o sinal nas direções de aproximadamente ±10° e ±40° em relação à direção normal ao plano do substrato na frequência de 60 GHz, resultados os quais apresentaram boa concordância com as previsões obtidas por simulações usando o Método dos Momentos. Esses resultados são pioneiros no Brasil e mostram a viabilidade e o potencial da plataforma MnM para a construção de front-ends RF completos que suportem a técnica de beamsteering. This work aimed to design, manufacture and characterize a prototype of a Butler Matrix operating in the millimeter wave (mmW) frequency range using the Metallic-NanowireMembrane (MnM) platform. For this, a fabrication methodology was proposed and improved, in which, from a sequence of microfabrication processes based on lithography,thin lm deposition and electrodeposition steps, devices were built on nanoporous alumina substrates, featuring two metallization layers interconnected by the vias formed in the nanopores. This technology was used to fabricate transmission lines, hybrid couplers and crossovers, which are the fundamental building blocks for the Butler Matrix. The manufactured couplers exhibited insertion losses between 3.6 dB and 3.9 dB and a phase difference of 90.8° at outputs at 60 GHz and return and isolation losses better than 15 dB for a bandwidth of approximately 10 GHz around that frequency. The crossovers were designed using the crossing of microstrip lines, in which one of the paths is diverted to a coplanar waveguide (CPW) line on the bottom of the substrate through the vias. The manufactured crossovers presented, at 60 GHz, return losses of 15 dB and 25 dB for the direct and diverted paths, respectively, insertion losses lower than 0.7 dB and insulation greater than 20 dB for the most compact layout fabricated. Using the design data of these components, a complete Butler Matrix 4×4 coupled to a linear array of four patch antennas was built. The radiation patterns of the antenna array were measured by inserting power into each of the four inputs of the Matrix, indicating that the manufactured prototype was able to radiate the signal in the directions of approximately ±10° and ±40° measured from broadside at 60 GHz, results which showed fair agreement with the predictions obtained by simulations using the Method of Moments. These results are pioneering in Brazil and show the feasibility and potential of the MnM platform for building complete RF front-ends that support the beamsteering technique.