This doctoral thesis is inserted into the complex context of millimeter-wave telecommunications, dealing with two very important elements in a transceiver for such frequencies: phase shifters and voltage-controlled oscillators. The phase shifters designed in this work are based on the metallic nanowire membrane technology platform (MnM), using suspended, slow-wave lines and liquid crystal. The suspended lines have the main advantage of showing low transmission losses, thanks to the absence of losses of air, keeping the length reduction thanks to the slow-wave effect. The insertion of liquid crystal to the suspended lines intensifies the slow-wave effect and allows the phase velocity controls of the line. Also, it lowers the pull-in voltage of the line, allowing it to work as a MEMS phase-shifter. This electrostatic switching causes a significative decrease of phase velocity, resulting in compact and high-performance phase shifters. The values for the figure of merit are 43.8 °/dB for a pure liquid crystal phase shifter and 108 °/dB for a phase-shifter that combines the phase shift generated by the liquid crystal and MEMS switching. These results show the strong potential of this topology for millimeter wave applications. The voltage-controlled oscillators were designed in a RF-oriented BiCMOS technology, the 55-nm BiCMOS technology developed by ST Microelectronics. This technology offers high-performance devices and a low-loss back-end. The oscillators use a novel tank circuit based in quarter-wavelength stubs based in slow-wave coplanar striplines (S-CPS) periodically loaded by MOS varactors. The design started with the development of a resonator topology that maximizes varactor control over the phase velocity of the line, as well as a design procedure that enables the determination of the best possible resonator, given a set of design parameters. Also, some other elements of the oscillator were explored: first, the study of the tank loss compensation configuration; second, a bufferless topology, where the output power is derived directly from the tank circuit; third and last, the use of electronic switches to control a tunable transformer based on S-CPS. The oscillators were designed having a center frequency of 80 GHz and all have a frequency tuning range better than 10 %, while displaying a figure of merit better than -170 dB. One of the oscillators displayed a frequency tuning range of almost 20 %, covering the E-band completely and continually. These results show that the varactor-loaded S-CPS resonator is an innovative oscillator topology that is very powerful and flexible, enabling the design of compact and high-performance oscillator of millimeter-wave applications.

Esta tese de doutorado está inserida no complexo contexto de telecomunicações em ondas milimétricas, abordando dois elementos importantíssimos de um transceptor nesta faixa de frequências: defasadores e osciladores controlados por tensão. Os defasadores projetados neste trabalho são baseados na plataforma tecnológica da membrana de nanofios metálicos (MnM, acrônimo em inglês), utilizando linhas de onda-lenta suspensas e cristal líquido. As linhas suspensas têm a principal vantagem de apresentarem perdas de transmissão reduzidas devido às baixas oferecidas pelo ar, mantendo a redução de comprimento devido ao efeito de onda lenta. A adição de cristal líquido às linhas suspensas faz intensificar o efeito de onda lenta e permite o controle da velocidade de fase da linha. Este acréscimo tem como efeito adicional baixar a tensão de pull-in da linha suspensa, que pode funcionar como um defasador MEMS. O chaveamento eletrostático da linha causa uma variação importante na velocidade de fase. O resultado são defasadores compactos e com alta figura de mérito. Os valores de figura de mérito em 60 GHz são de 43.8 °/dB para a defasagem gerada apenas por cristal líquido e de 108 °/dB para a combinação do cristal líquido com o chaveamento eletrostático MEMS. Estes resultados mostram o forte potencial desta topologia para aplicações em ondas milimétricas. Os osciladores controlados por tensão foram projetados numa tecnologia BiCMOS otimizada para aplicações em altas frequências, a BiCMOS 55-nm desenvolvida pela ST Microelectronics. Esta tecnologia disponibiliza dispositivos de alto desempenho, assim como um conjunto de camadas metálicas de baixas perdas em altas frequências. Os osciladores utilizam um circuito tanque inovador baseado em um ressoador de toco de quarto de comprimento de onda baseado em linhas coplanares de onda-lenta (S-CPS) carregadas periodicamente com varactores MOS. Foi desenvolvida a geometria do circuito tanque objetivando maximizar o controle do varactor na velocidade de fase da linha, assim como um procedimento de projeto que permite se determinar o melhor ressoador dado um conjunto de parâmetros de projeto. Além disto, foram explorados outros elementos ligados ao ressoador S-CPS: o primeiro é um estudo da configuração da célula de compensação de perdas do circuito tanque; a segunda é a tomada de potência diretamente do tanque, sem a necessidade de amplificador buffer entre o tanque e a carga; terceiro e último, o emprego de chaves eletrônicas para se controlar um transformador sintonizável baseado em linhas S-CPS. Os osciladores projetados, centrados em 80 GHz, apresentam faixa de excursão de frequência superiores a 10 %, com figura de mérito melhor do que -170 dB, tendo sido projetado um oscilador com banda de oscilação de quase 20 GHz, cobrindo a banda-E completamente e continuamente. Estes resultados demonstram que o ressoador S-CPS é uma topologia muito poderosa, inovadora e flexível que permite o projeto de osciladores compactos e de alto desempenho para aplicações em ondas milimétricas.