MEMS based solutions for magnetless RF nonreciprocal circuits

This work investigates the possibility of realizing magnetless circulators for RF applications using piezoelectric MEMS resonators.The Angular Momentum Bias (AMB) technique is introduced, as a way to achieve nonreciprocal transmission thanks to a spatio-temporal modulation of passive resonant circuits. After a review of this concept, it is discussed how using MEMS devices in this context can lead to a new class of low-power, low-loss, miniaturized magnetless circulator. RF MEMS resonators are designed, fabricated and characterized for this application, and several PCB implementations of MEMS circulators are demonstrated at 1GHz and 2.5GHz. Moreover, a strategy to further improve circuit performances by using piezoelectric MEMS filters is presented and demonstrated: this novel network could merge the functionalities of narrowband RF filtering with communication schemes based on miniaturized nonreciprocal devices.

Questo lavoro è focalizzato sul progetto e l’implementazione di circolatori non magnetici basati su risuonatori MEMS. Lo schema di modulazione noto come Angular Momentum Bias (AMB) consente infatti di ottenere una risposta nonreciproca modulando nel tempo componenti passivi. Il concetto è prima illustrato nel dettaglio, poi viene discusso come l’utilizzo di risuonatori MEMS in questo contesto possa portare alla realizzazione di circolatori integrati con basso consumo di potenza e basse perdite. A sostegno di queste argomentazioni, dei risuonatori MEMS sono stati progettati, fabbricati e testati: diversi risultati sperimentali di circolatori MEMS a 1GHz ed a 2.5GHz realizzati su PCB sono presentati e comparati. Inoltre, viene proposta una nuova strategia per migliorare alcune caratteristiche di questi circuiti grazie all’uso di filtri piezoelettrici MEMS: in questo modo si possono coniugare le funzionalità dei filtri di selezione di canali RF con uno schema di comunicazione basato su dispositivi nonreciproci miniaturizzabili.