Letteratura scientifica selezionata sul tema "Design millimétrique"

Radio telescopes are used by astronomers to observe the naturally occurring radio waves generated by planets, interstellar molecular clouds, galaxies, and other cosmic objects. These telescopes are equipped with radio receivers that cover a portion of the radio frequency (RF) and millimetre-wave spectra. The Sardinia Radio Telescope (SRT) is an Italian instrument designed to operate between 300 MHz and 116 GHz. Currently, the SRT maximum observational frequency is 26.5 GHz. A feasibility study and preliminary tests were performed with the goal of equipping the SRT with a W-band (84–116 GHz) mono-feed radio receiver, whose results are presented in this paper. In particular, we describe the adaptation to the SRT of an 84–116 GHz cryogenic receiver developed by the Institute de Radio Astronomie Millimétrique (IRAM) for the Plateau de Bure Interferometer (PdBI) antennas. The receiver was upgraded by INAF with a new electronic control system for the remote control from the SRT control room, with a new local oscillator (LO), and with a new refrigeration system. Our feasibility study includes the design of new receiver optics. The single side band (SSB) receiver noise temperature measured in the laboratory, Trec ≈ 66 K at 86 GHz, is considered sufficiently low to carry out the characterisation of the SRT active surface and metrology system in the 3 mm band.

Context. Large field-of-view imaging and polarimetry instruments operating at millimetre and sub-millimetre wavelengths are fundamental tools to understand the role of magnetic fields in channelling filament material into prestellar cores, providing unique insight in the physics of galactic star-forming regions. Among other topics, at extra-galactic scales, polarisation observations of Active Galactic Nuclei (AGNs) will allow us to constrain the possible physical conditions of the emitting plasma from the jets and/or explore the physics of dust inside supernova remnants. The kilo-pixel New IRAM KIDs Array 2 (NIKA2) camera, installed today at the Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM) 30-m telescope, represents one of the best tools available to astronomers to produce simultaneous intensity and polarimetry maps over large fields at 260 GHz (1.15 mm). Aims. The polarisation measurement, in NIKA and NIKA2, is achieved by rapidly modulating the total incoming polarisation. In the end, this allows one to safely isolate the small science signal from the large, un-polarised, and strongly variable, atmospheric background. Methods. The polarisation modulation is achieved by inserting a fast rotating half-wave plate (HWP) in the optical beam. In order to allow wide field-of-view observations, the plate has to be large, with a diameter of 250 mm. The modulation of the polarised signal at 12 Hz also requires the waveplate to be sufficiently light. In addition, this key optical element has to exhibit optimal electromagnetic characteristics in terms of transmission and differential phase-shift. For this purpose, three metamaterial HWPs have been developed using the mesh-filter technology. The knowledge acquired in developing the first two single-band HWPs was used to achieve the more challenging performance requirements of the last dual-band HWP. The first and the third waveplates met the requirements for both the NIKA and NIKA2 instruments. Results. We first illustrate the design, the technical developments, the fabrication, and laboratory characterisation of the three mesh-HWPs. The deployment of two such elements in the NIKA and NIKA2 instruments at the 30-metre telescope is then described. We conclude with representative examples of astrophysical maps integrating polarimetry.

L’augmentation constante du nombre de capteurs dans les voitures modernes, assurant desfonctions d’assistance à la conduite, font du radar automobile un élément essentiel de la voitured’aujourd’hui et de demain. Cette tendance contribue à plus long terme au développement duvéhicule autonome. L’industrie automobile considère un changement du standard radar actuelà 80 GHz vers une nouvelle bande de fréquence autour de 140 GHz. Ce saut en fréquencepermettrait de réaliser des capteurs plus compact tout en maintenant voir en améliorant laprécision du capteur, grâce aux applications MIMO notamment. Le travail de cette thèse consisteà estimer la faisabilité d’un récepteur radar fonctionnant à 140 GHz.Une première partie de ces travaux se concentre sur le développement d’outils de travail etde modèles pour permettre l’implémentation de circuits intégrés à des fréquences millimétriques.D’abord, une méthode de conception de réseaux d’adaptations d’impédances à bases de transformateursintégrés est présentée. Grâce à leurs nombreux avantages en plus de leur capacitéd’adaptation d’impédances, ils seront constamment utilisés dans la suite de ces travaux. Ensuite,un modèle complet est proposé pour décrire le comportement multi-harmoniques des circuitspassifs appelés N-path et notamment des mélangeurs. Leurs avantages en termes de bruit,consommation et linéarité les rendent adaptés à l’implémentation de radars à 140 GHz.Un deuxième axe de travail consiste à l’implémentation de plusieurs ‘front-ends’ RF pourrécepteurs radar basés sur une architecture appelée ‘mixer-first’. Deux solutions sont d’abordprésentées, exploitant au mieux les avantages des mélangeurs N-path modélisés. Une premièresolution fondamentale est proposée et est conforme aux contraintes de l’application des radarsà longue portée. Une alternative sous-harmonique dotée d’une portée légèrement réduite estensuite développée. Elle permettrait d’importantes économies sur la surface et la consommationde la puce, ce qui répondrait aux demandes du marché pour un produit moins cher que l’onpourrait intégrer en plus grand nombre dans un véhicule.Enfin, un groupe innovant de mélangeurs passifs, appelés mélangeurs ‘bottom-plate’, estétudié pour concevoir deux nouveaux ‘front-end’ RF. Ce type de mélangeur garde les avantages desmélangeurs N-path traditionnels tout en présentant un gain en tension significatif. Un premierrécepteur fondamental est conçu, basé sur une topologie existante aux fréquences RF seulement,pour répondre aux contraintes de l’application radar à 140 GHz. Un deuxième récepteur estensuite développé grâce à une nouvelle topologie de mélangeur sous-harmonique qui a étédéveloppée dans cette thèse. Ces deux nouvelles versions permettent d’améliorer la distance dedétection du module radar
The constant increase in the number of sensors in modern cars, fulfilling advanced driving assistancefunctions, places the automotive radar as an essential element in today’s and tomorrow’svehicle. This tendency is motivated in the long term by the development of autonomous vehicles.The industry considers moving the automotive radar product from the current standard around80 GHz to a new frequency band around 140 GHz. This increase in the operation frequency wouldenable more compact sensors while maintaining and even improving the sensor accuracy thanksto MIMO applications. This work aims to assess the feasibility of a radar receiver at 140 GHz.A first part of this work is dedicated to the development of design tools and models which facilitatethe implementation of millimeter wave circuits. First, a design methodology for impedancematching networks based on integrated transformers is presented. Thanks to their numerousadvantages in addition to their impedance matching capability, they will be used in all thefollowing development of this work. Then, a complete model of the multi-harmonic behaviorof passive N-path circuits and more particularly N-path mixers is proposed. Their benefits interm of noise, current consumption and linearity make them suitable for the implementation of140 GHz automotive radars.A second part of this work is focused on the implementation of multiples RF front-ends forradar receivers, based on a mixer-first architecture. Two solutions are first proposed which fullyexploit the advantages of the modeled mixers at the considered frequency. A fundamental solutionis proposed which complies with the long-range radar applications. A sub-harmonic alternativewith a slightly reduced range is then presented. It would enable significant savings on the chiparea and the current consumption, answering to a market demand for low-cost radar productsthat can be embedded in large number inside one vehicle.Finally, a novel type of passive mixers, called bottom-plate mixer is studied to design twoadditional radar receivers front-ends. These mixers keep the advantages of the traditional N-pathmixers while also presenting a high voltage gain. A fundamental receiver is proposed, based onan existing topology at RF frequencies only, that addresses the constraints for the 140 GHz radarapplication. A second sub-harmonic receiver is designed with a novel topology developed in thiswork, which complement the first receiver. These two front-ends allows a longer detection rangefor the radar module

Le monde des transports connaît aujourd’hui une révolution vers la complète automatisation. Néanmoins, cette automatisation passe par la création de nouveaux systèmes de communication, possédant des débits élevés et une faible latence. Grâce au développement de la 5G, de nouveaux scénarios, tels que la communication entre véhicules ou entre le véhicule et le reste de l’infrastructure, voient le jour. Il en va de même pour des milieux plus complexes, tels que le milieu ferroviaire où une mutation de système de communication est en route avec l’étude d’un nouveau standard de communication, le FRMCS. Néanmoins, pour réaliser de tels systèmes, une connaissance fine du comportement du canal de propagation radioélectrique est nécessaire. Pour répondre à ce besoin, au sein d’IMT Atlantique, un sondeur de canal a été développé, permettant de réaliser des mesures longues pour des scénarios dynamiques et en milieu véhiculaire. Ce sondeur a été installé dans divers environnements pour être testé en conditions in situ, avant d’être utilisé dans le cadre d’une campagne de mesure en milieu ferroviaire. De ces mesures, les paramètres de grandes et petites échelles sont calculés pour différents environnements pour un scénario similaire à l’architecture proposée par le 3GPP. Finalement, ces résultats sont discutés et comparés avec les modèles fournis par ce même 3GPP
The world of transportation is currently experiencing a revolution towards complete automation. However, this automation depends on the creation of new communication systems with high data rates and low latency. Thanks to the development of 5G, new scenarios such as vehicle-to-vehicle communication or communication between vehicles and the rest of the infrastructure have become possible. The same applies to more complex environments, such as the railway sector, where a transformation in communication systems is underway with the study of a new communication standard, FRMCS. However, to achieve such systems, a deep understanding of the behavior of the radio propagation channel is essential. To meet this need, at IMT Atlantique, a channel sounder has been developed, allowing long-term measurements for dynamic scenarios in vehicular environments. This sounder has been installed in various environments to be tested under in situ conditions before being used in a measurement campaign in the railway sector. From these measurements, large and small-scale parameters are calculated for different environments, following a scenario similar to the architecture proposed by 3GPP. Finally, these results are discussed and compared with the models provided by the same 3GPP

Ce travail porte sur la conception de déphaseurs de type réflectif (RTPS) sur silicium à ondes millimétriques avec des moyens de test basé sur l'oscillation (OBT). Pour plus de cohérence, une seule technologie a été utilisée, la BiCMOS STM 55 nm. Tout d'abord, la théorie et les mises en œuvre pratiques des coupleurs 3-dB sont discutées. Une attention particulière est portée à la topologie du guide d'onde coplanaire couplé à ondes lentes (CS-CPW), en raison de ses bonnes performances. En utilisant cette topologie, les mesures de deux coupleurs 3-dB sont rapportées : (i) un coupleur de 120 GHz, et (ii) un coupleur de 185 GHz.Ensuite, les topologies existantes des varactors intégrés sont discutées. Les résultats des mesures sont présentés pour un varactor MOS en mode inversion (I-MOS) de 1 à 325 GHz. En outre, l'architecture de varactor MOS de source commune (CS-MOS) est proposée et les résultats des mesures de 1 à 145 GHz pour cette architecture sont présentés.Puis, la théorie des RTPS est présentée et les coupleurs basés sur CS-CPW ainsi que les varactors MOS en mode d'accumulation (A-MOS), I-MOS et CS-MOS sont utilisés pour la conception de quatre RTPS. Les résultats des mesures et des simulations de ces RTPS, avec des fréquences centrales allant de 60 à 200 GHz, sont présentés.Ensuite, la théorie et les résultats des mesures de l'OBT sur un RTPS intégré de 60 GHz sont discutés.Enfin, une technique de compactage du calibrage TRL des ondes millimétriques est décrite à l'aide d'outils d'apprentissage sur machine
This work focuses on the design of on-silicon mm-wave Reflection-Type Phase Shifters (RTPS) with Oscillation-Based Test (OBT) capabilities. For more consistency, a single technology was considered, the STM 55-nm BiCMOS. First, the theory and practical implementations of 3-dB couplers is discussed. Particular attention is brought to the Coupled Slow-wave CoPlanar Waveguide (CS-CPW) topology, due to its good performance. Using this topology, the measurements of two 3-dB couplers are reported: (i) a 120-GHz, and (ii) a 185-GHz coupler.Next, the existing topologies of integrated varactors are discussed. Measurement results are reported for an Inversion-mode MOS (I-MOS) varactor from 1 up to 325 GHz. Additionally, the Common-Source MOS (CS-MOS) varactor architecture is proposed and measurement results from 1 to 145 GHz for this architecture are reported.Then, the theory of RTPS is presented and CS-CPW-based couplers together with Accumulation-mode MOS (A-MOS), I-MOS and CS-MOS varactors are used for the design of four RTPS. The measurement and simulation results of these RTPS, with central frequencies ranging from 60 to 200 GHz, are presented.Subsequently, the theory and measurement results of the OBT on an integrated 60-GHz RTPS are discussed.Finally, a mm-wave TRL calibration compaction technique is described using machine-learning tools

En réponse à la demande croissante sur le marché des objets connectés (IoT), cette thèseexplore la conception et l’optimisation d’amplificateurs à faible bruit (LNA) en tant quecomposants essentiels des récepteurs fonctionnant en dessous de 6 GHz et dédiés auxnormes cellulaires Long-Term Evolution for Machines (LTE-M) et Narrowband IoT (NBIoT). Face aux défis croissants de la connectivité des dispositifs IoT à ultra-basse consommation, l’importance de l’optimisation des LNAs réside dans l’amélioration des performances globales des récepteurs, en répondant aux exigences strictes en termes de faiblebruit et de consommation énergétique réduite propres aux applications LTE-M et NB-IoT.De plus, cela nécessite l’utilisation d’une technologie de très grande échelle d’intégration,économique et performante. Dans cette thèse, nous utilisons la technologie 28 nm FD-SOICMOS fournie par STMicroelectronics.Afin d’accroître l’efficacité énergétique, le LNA est conçu en utilisant une méthodeanalytique complète. Cette approche exploite le niveau d’inversion du transistor commeparamètre de conception clé, offrant ainsi des perspectives sur l’espace de conception.Grâce à l’utilisation d’un modèle compact avancé (ACM) simple à 6 paramètres développédans cette thèse, applicable à toutes les régions et tous les régimes de fonctionnement dutransistor, cette méthode permet d’obtenir un dimensionnement préliminaire du LNA àtravers des équations analytiques. Ce modèle simple, une adaptation de versions ACMantérieures prenant en compte divers paramètres physiques, convient à la fois à la technologie bulk (à substrat massif) et à la technologie FD-SOI, incluant la quatrième borne(grille arrière).La contribution majeure de ce travail consiste en la conception d’un amplificateur àfaible bruit (LNA) multimode sans inductance, accordable, basé sur une architecture degrille commune (CG) à renforcement actif du gm (gm-boost). L’accordabilité est obtenuepar une sélection grossière discrète du mode suivie d’un réglage fin continu grâce à lagrille arrière de la technologie FD-SOI. Il démontre la capacité offerte par la polarisationde la grille arrière à mettre en œuvre des architectures finement ajustables, répondantspécifiquement aux exigences dynamiques des environnements IoT.Le modèle du transistor ainsi que la description analytique du LNA nous permettentd’implémenter un algorithme de conception afin d’explorer les différents compromis de performance face à un ensemble de spécifications. Implémenté dans la technologie FD-SOI28 nm de STMicroelectronics avec une surface active de 0,0059 mm2, les performancesmesurées démontrent un gain en tension de plus de 30 dB avec une plage dynamiquedépassant 20 dB entre les modes. Le facteur de bruit varie de 1,8 dB à 7 dB, tandis quele Point d’Interception du Troisième Ordre référé à l’entrée (IIP3) s’étend de -24,5 dBm à-6,5 dBm en fonction du mode sélectionné. La consommation électrique maximale est de1,86 mW avec une alimentation de 0,9 V. Le réglage fin des performances du LNA entreles modes permet une couverture étendue de l’espace de conception.De plus, les méthodologies de conception proposées sont appliquées à différentes architectures de LNA, notamment la source commune avec rétroaction résistive, la grillecommune et le LNA à grille commune avec gm-boost, mettant en évidence la polyvalenceet l’applicabilité de l’approche analytique pour aborder divers scénarios de conception
In response to the flourishing market demands for the new generation of IoT devices, thiswork addresses the design and optimization of Low Noise Amplifiers (LNAs). The LNAsserves as the main building block of low-power LNA-first sub-6GHz receivers dedicated to5G Long-Term Evolution for machines (LTE-M) and Narrowband IoT (NB-IoT) cellularstandards. Recognizing the escalating challenges in ultra-low power IoT device connectivity, the significance of optimizing LNAs lies in enhancing overall receiver performanceand meeting the strict low noise and reduced power budget requirements of LTE-M andNB-IoT applications. Besides, it requires the utilization of cost-efficient, high-performing,and extensively integrated technology for Very Large Scale Integration. In this thesis, weemploy the 28 nm FD-SOI CMOS technology provided by STMicroelectronics.To improve power efficiency, the LNA is designed using a comprehensive analyticalmethodology. This methodology leverages the transistor inversion level as a key designparameter, providing insights into the design space. Employing a proposed simple 6-parameter advanced compact model (ACM) introduced in this work, applicable acrossall transistor regions and operation regimes, the methods enable preliminary LNA sizingthrough analytical equations. This simple model, an adaptation of previous ACM versionsaccommodating various physical parameters, is made suitable for both bulk and FD-SOItechnology, incorporating a fourth terminal.The primary contribution lies in the design of a wideband, low-noise sub-6GHz tunable multimode inductorless LNA, utilizing an active gm-boosting Common-Gate (CG)architecture. Tunability is achieved through discrete coarse mode selection and continuous fine-tuning the back-gate of FD-SOI CMOS technology, showcasing the adaptabilityof body-bias for finely tunable architectures, specifically addressing the dynamic demandsof IoT environments.The transistor model, coupled with the analytical LNA description, guides the designalgorithm, exploring various performance trade-offs against the specified requirements.Implemented in STMicroelectronics’ 28 nm FD-SOI CMOS Technology with an activearea of 0.0059 mm2, the measured performance demonstrates over 30 dB voltage gainwith a dynamic range exceeding 20 dB across modes for a frequency range of 400 MHzto 5 GHz. The noise figure (NF) varies from a stringent value of 1.8 dB to 7 dB, while the Input-referred third-order Intercept Point (IIP3) spans from -24.5 dBm to -6.5 dBmbased on the selected mode. The maximum power consumption is 1.86 mW from a 0.9 Vsupply. Fine-tuning the LNA performances across modes achieves extensive coverage ofthe design space.Furthermore, the proposed design methodologies are applied to different LNA architectures, including Resistive feedback common-source, common-gate, and gm-boost common gate LNAs, showcasing the simplicity and applicability of the analytical approach in addressing diverse design scenarios. This paves the way to future energy-efficient implementations targetting ULP ULV IoT receiver front-end solutions

Depuis une vingtaine d’années les communications mobiles sont en constante évolution pour répondre à la demande et aux besoins des utilisateurs notamment en termes de quantité de données à échanger. Le grand public tout comme les professionnels demandent donc des connexions très haut débit fiables avec des temps de latence réduits. L’introduction de la 5G permettra de dépasser les limites actuelles et offrira de nouveaux services mais implique une rupture technologique importante. Dans ce cadre, l’industrie électronique s’intéresse au développement des composants clés de demain permettant de répondre aux différentes évolutions à venir. L’objectif de ce travail de thèse a donc été de trouver des solutions originales pour améliorer les performances des front-end RF des futurs terminaux mobiles. Ainsi deux dispositifs ont été étudiés. Un filtre reconfigurable pour les fréquences inférieures à 6 GHz en technologie LTCC intégrant un switch SP4T en technologie SOI et un réseau d’antennes à faible coût autour de 28 GHz pour la 5G NR (Nouvelle Radio) ont été conçus, réalisés et testés
Mobile communications are in constant race to meet the demands of the users, especially in the terms of the amount of data they want to use. The introduction of the 5G NR (New Radio) will exceed the current limits but it needs technological breakthroughs to achieve its goals. To achieve the promises of the new 5G NR communication standard the electronics industry is interested in to develop new key components for tomorrow. The objective of this thesis work has been to design two key components to respond to the different future developments of the mobile devices. Therefore a frequency agile filter for frequencies below 6 GHz and a low cost antenna array around 28 GHz for 5G NR have been designed, manufactured and tested

Les transistors à haute mobilité d’électrons (HEMTs) en Nitrure de Gallium (GaN) s’affirment aujourd’hui comme une technologie essentielle à l’amplification de puissance à haute fréquence. Les HEMTs GaN étudiées et développées reposent essentiellement sur une hétérostructure AlGaN/GaN mais une alternative à base d’une barrière composée en InAlN, réduisant les contraintes sur les mailles cristallographiques de l’ensemble, est étudiée par certains laboratoires. Ce manuscrit de thèse rapporte une étude des potentialités de la filière HEMT InAlN/GaN développée au III-V Lab, en s’intéressant tout particulièrement aux effets de pièges induits par des défauts présents au sein de la structure. Une méthode de détection de ces défauts est proposée, basée sur la mesure de paramètres [S] en basse fréquence. Un modèle de HEMT InAlN/GaN électrothermique comprenant la contribution des effets de pièges est rapporté et sert de base à la conception d’un amplificateur de puissance en technologie MMIC, fonctionnant en bande Ka, présenté au dernier chapitre
Nowadays, High Electron Mobility Transistors (HEMTs) in Gallium Nitride (GaN) take the lead in power amplification at microwave frequencies. Most of the studies and developments on those HEMTs concern AlGaN/GaN structures but alternative transistors with an InAlN barrier, which reduces the strain in the crystal lattice of the whole structure, are investigated by few laboratories. This thesis presents some advanced studies on the new InAlN/GaN HEMT developed by the III-V Lab, focusing on the trapping phenomena induced by defects inside the crystal structure. A new method for the characterization of these defects, based on low-frequency S-Parameters measurements, is proposed. Furthermore, a non-linear electro thermal model including trapping effects for an InAlN/GaN HEMT is detailed and used to design a MMIC power amplifier for Ka-band applications

Ce travail de thèse a été financé par le projet FUI Mass-Start (2017-2020). Le projet ambitionne de développer une solution open source 5G pour le MIMO Massif. L’objectif est le développement d’une plateforme Hardware et Software, sur le principe du succès d’OAI en 4G (www.openairinterface.org). Les principaux livrables matériels du projet sont les sous-systèmes radio et de traitement de bande de base compatibles 5G, leur intégration dans un démonstrateur de terminal 5G basé sur OAI et le réseau d’antennes permettant les expérimentations de bout en bout du lien MIMO Massif. L'objectif de la thèse est le développement et la mesure de système antennaires qui seront utilisés dans le projet.Sur la bande 5G FR1, le travail s'est concentré sur le développement d'une méthodologie de conception antennaire combinant circuit d'adaptation et optimisation géométrique. Les contraintes en bande passante sont évaluées à partir du facteur de qualité des antennes. Le prototype final démontre qu'un système non-résonnant permet de couvrir la plupart des bandes de téléphonie mobile 5G sous les 6GHz en respectant des contraintes d'intégration très forte.Sur la bande 5G FR2, et plus précisément sur la bande n258 Européenne, différents types d'architecture d'antennes réseau ont été évalués et mesuré. La thèse s'est particulièrement concentrée sur la co-conception entre les antennes et les modules électroniques sur une technologie PCB.Les solutions proposées ont été utilisées pour quantifier et modéliser l'effet du corps humain, et plus particulièrement de la main, sur les performances sur réseau antennaire. Enfin, une solution basée sur plusieurs réseaux distribués sur un téléphone montre une meilleure robustesse aux effets de blocage du corps humain
The work in this thesis has been funded by the French FUI project MASS-START (2017-2020). The project aims at the integration of 5G compatible baseband and radio subsystems into an Over-Air-Interface-based 5G terminal and gNodeB demonstrator, and the antenna array for end-to-end Multiple Input Multiple Output link experimentation. The scope of the thesis concerns the design and assessment of antenna systems that are to be used in the project.At 5G Frequency Range 1 band, the work concentrates on the development of a methodology to design antenna with a matching circuit for mobile terminals with limited area. The bandwidth limitation is evaluated using Quality-Factor. A Particle Swarm Optimization algorithm is proposed and examined in different antenna designs for mobile terminals. The final design demonstrates a system with three non-resonating coupling elements covering most of the sub-6GHz bands of 5G. At 5G Frequency Range 2 band, more precisely band n258 of Europe, different types of array antennas are studied. The work first checks two types of feeding for a patch antenna that can be integrated into Printed Circuit Board to have a low profile antenna and ease the fabrication procedure. The designs are later fabricated and experimentally evaluated. With a Millimeter-Wave array at hand, we proceed a measurement campaign in which the effects of the user's finger at close proximity of the antenna are evaluated. The losses due to absorption, reflection, diffraction are quantified and compared with numerical estimations in literature. A system of multiple end-fire arrays placed at different locations in a terminal is also studied showing the compromising effectiveness if one array is severely blocked

Worldwide regulations for short range communication devices allow the unlicensed use of several Gigahertz of bandwidth in the frequency band around 60 GHz. This 60GHz band is ideally suited for applications like very high data rate, energy-autonomous wireless sensor networks or Gbit/s multimedia links with low power constraints. Not long ago, radio interfaces that operate in the millimeter-wave frequency range could only be realized using expensive compound semiconductor technologies. Today, the latest sub-micron CMOS technologies can be used to design 60GHz radio frequency integrated circuits (RFICs) at very low cost in mass production. This thesis is part of an effort to realize a low power System in Package (SiP) including both the radio interface (with baseband and RF circuitry) and an antenna array to directly transmit and receive a 60GHz signal. The first part of this thesis deals with the design of the low power RF transceiver front-end for the radio interface. The key building blocks of this RF front-end (amplifiers, mixers and a voltage controlled oscillator (VCO)) are designed, realized and measured using the 65nm CMOS technology of ST Microelectronics. Full custom active and passive devices are developed and characterized for the use within these building blocks. An important step towards the full integration of the RF transceiver front-end is the assembly of these building blocks to form a basic receiver chip. Circuits with small chip size and low power consumption compared to the state of the art have been accomplished. The second part of this thesis concerns the development of behavioral models for the designed building blocks. These system level models are necessary to simulate the behavior of the entire SiP, which becomes too complex when using detailed circuit level models. In particular, a novel technique to model the transient, steady state and phase noise behavior of the VCO in the hardware description language VHDL-AMS is proposed and implemente d. The model uses a state space description to describe the dynamic behavior of the VCO. Its nonlinearity is approximated by artificial neural networks. A drastic reduction of simulation time with respect to the circuit level model has been achieved, while at the same time maintaining a very high level of accuracy.

Ce travail de recherche a été principalement motivé par les avantages importants apportés par la technologie UTBB FDSOI aux applications analogiques et RF de faible puissance. L'objectif principal est d'étudier le comportement dynamique du transistor MOSFET du type UTBB FDSOI et de proposer des modèles prédictifs et des recommandations pour la conception de circuits intégrés RF, en mettant un accent particulier sur le régime d'inversion modérée. Après une brève analyse des progrès réalisés au niveau des architectures du transistor MOSFET, un état de l’art de la modélisation du transistor MOSFET UTBB FDSOI est établi. Les principaux effets physiques impliqués dans le transistor à double grille avec une épaisseur du film de 7 nm sont passés en revue, en particulier l’impact de la grille arrière, à l’aide de mesures et de simulations TCAD. La caractéristique gm/ID en basse fréquence et la caractéristique ym/ID proposée pour la haute fréquence sont étudiées et utilisées dans une conception analogique efficace. Enfin, le modèle NQS haute fréquence proposé reproduit les mesures dans toutes les conditions de polarisation y compris l’inversion modérée jusqu’à 110 GHz
This research work has been motivated primarily by the significant advantages brought about by the UTBB FDSOI technology to the Low power Analog and RF applications. The main goal is to study the dynamic behavior of the UTBB FDSOI MOSFET in light of the recent technology advances and to propose predictive models and useful recommendations for RF IC design with particular emphasis on Moderate Inversion regime. After a brief review of progress in MOSFET architectures introduced in the semiconductor industry, a state-of-the-art UTBB FDSOI MOSFET modeling status is compiled. The main physical effects involved in the double gate transistor with a 7 nm thick film are reviewed, particularly the back gate impact, using measurements and TCAD. For better insight into the Weak Inversion and Moderate Inversion operations, both the low frequency gm/ID FoM and the proposed high frequency ym/ID FoM are studied and also used in an efficient first-cut analog design. Finally, a high frequency NQS model is developed and compared to DC and S-parameters measurements. The results show excellent agreement across all modes of operation including very low bias conditions and up to 110 GHz

Les systèmes de communication sans fil en fréquences millimétriques ont gagné considérablement en importance au cours des dernières années. Des applications comme les réseaux WLAN et WPAN à 60 GHz, le radar automobile autour de 80 GHz ou l'imagerie à 94 GHz sont apparues, demandant un effort conséquent pour la conception des circuits intégrés émetteurs et récepteurs sur silicium. Dans ce contexte, les transformateurs intégrés sont particulièrement intéressants. Ils peuvent réaliser des fonctions comme l'adaptation d'impédance, la conversion du mode asymétrique au différentiel et la combinaison de puissance. La conception et la modélisation de ce type de transformateur font le sujet de cette thèse. Une étude détaillée des topologies de transformateurs est présentée, concernant le dessin des inductances, leur position relative, leurs dimensions géométriques, le blindage du substrat et l'obtention de rapports importants de transformation. Leur modélisation par des simulations électromagnétiques et par un circuit électrique à éléments discrets est également discutée. Le modèle présente une topologie 2-π et une série d'équations analytiques dépendant de ses caractéristiques technologiques et géométriques pour évaluer tous ses composants. Un très bon accord entre les simulations et les mesures est observé pour des transformateurs en technologies CMOS 65 nm et BiCMOS 130 nm jusqu'à 110 GHz. Finalement, les transformateurs sont appliqués à la conception d'un mélangeur BiCMOS à 77 GHz et un amplificateur de puissance CMOS à 60 GHz.