Exploration of Nonlinear Devices and Nonlinear Transmission Line Techniques for Microwaves Applications

Les systèmes de communication modernes dépendent fortement des circuits non linéaires, tels que les amplificateurs de puissance (PA), les mélangeurs, les multiplicateurs, les oscillateurs, les commutateurs, etc., qui sont construits à partir de composants non linéaires passifs (comme des diodes) ou actifs (par exemple des transistors). Cette thèse étudie les dispositifs non linéaires passifs traditionnels et émergents, ainsi que les techniques de lignes de transmission non linéaires (NLTL). Plusieurs de leurs applications micro-ondes ont également été étudiées, y compris la récupération d'énergie sans fil, la synthèse d'impédance électronique et l'adaptation d'impédance bidimensionnelle (inductive et capacitive). Dans le chapitre 1, sont d'abord étudiés les dispositifs non linéaires traditionnels résistifs, capacitifs et inductifs. Les dispositifs non linéaires émergents, y compris les dispositifs MEMS et la spindiode, sont ensuite explorés. La construction physique de base, les principes de fonctionnement, ainsi que les caractéristiques et applications pour divers types de dispositifs non linéaires sont expliqués et comparés. Les lignes de transmission non-linéaires (NLTL) traditionnelles utilisant des dispositifs non linéaires capacitifs (varactor, BST etc.) ou inductifs (ferrite saturée), et la technique hybride NLTL émergente utilisant à la fois des dispositifs non linéaires capacitifs et inductifs sont également étudiées. Le chapitre 2 examine les techniques de conversion d'énergie micro-ondes à courant-continu de faible puissance à la fine pointe de la technologie. Une image complète de l'état de l'art sur cet aspect est donnée graphiquement. Elle compare différentes technologies telles que le transistor, la diode et les technologies CMOS. Depuis le tout début des techniques intégrées RF et micro-ondes et de la récupération d'énergie, les diodes Schottky ont été le plus souvent utilisées dans les circuits de mélange et de redressement. Cependant, dans des applications spécifiques de récupération d'énergie, la technique des diodes Schottky ne parvient pas à fournir une efficacité satisfaisante de conversion RF-dc. Suite aux limitations mises en évidence des dispositifs actuels, ce travail introduit, pour la première fois, un composant non linéaire pour une redressement de faible puissance, basé sur une découverte récente en spintronique, à savoir, la jonction tunnel magnétique, parfois appelée spindiode. Un modèle équivalent de spindiode est développé pour décrire le comportement en fréquence.

Abstract

Modern communication systems are heavily dependent on nonlinear circuits, such as PA, mixer, multiplier, oscillator, switch, etc., the core of which are either passive nonlinear elements and devices (e.g. diodes) or active nonlinear components and devices (e.g. transistors). This thesis aims at investigating a number of traditional and emerging passive nonlinear devices and nonlinear transmission line (NLTL) techniques, and developing four of their microwave applications such as wireless power harvesting, electronic impedance synthesizer, and two-dimensional tuning circuit. In Chapter 1, traditional nonlinear devices in terms of the categories of resistive, capacitive and inductive are firstly investigated. Emerging nonlinear devices including microelectromechanical system (MEMS) devices and spindiodes are then explored. The basic physical constructions, operation principles, and characteristics as well as applications of various types of nonlinear devices are explained and compared. Traditional NLTL techniques make use of either capacitive nonlinear devices (varactor, BST etc.) or inductive nonlinear devices (saturated ferrite), and emerging hybrid NLTL techniques are also studied through the deployment of both nonlinear capacitive and inductive devices. Chapter 2 examines the state-of-the-art low-power microwave-to-dc energy conversion techniques. A comprehensive picture of the state-of-the-art on this aspect is given graphically, which compares different technologies such as transistor, diode, and CMOS schemes. Since the very beginning of RF and microwave integrated techniques and energy harvesting, Schottky diodes as the undisputable dominant choice, have been widely used in mixing and rectifying circuits. However, in specific μW power-harvesting applications, the Schottky diode technique seemingly fails to provide a satisfactory RF–dc conversion. Subsequent to the highlighted limitations of current devices, this work introduces, for the first time, a nonlinear component for low-power rectification based on a recent discovery in spintronics, namely, the Magnetic Tunnel Junction, also called spindiode. An equivalent model of spindiode is developed to describe the frequency behavior. Full parametric studies show that the interfacial capacitance, rather than the geometric capacitance, as it is usually the case for diode, plays a crucial role in the drop of efficiency in microwave frequency applications.