Teses / dissertações sobre o tema "Design millimétrique"

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.

Avec la prolifération des appareils électroniques portables et mobiles communicants, il est recommandé de pouvoir échanger des données rapidement et commodément entre les appareils. Avec la pénurie de bande passante et la congestion dans le spectre des fréquences faibles, la technologie de communication à ondes millimétriques (Mm-wave) est considérée comme l'une des technologies clés du futur pour permettre des applications sans fil à débit élevé grâce à son large spectre abondant. Les nœuds de technologie CMOS avancés sont dotés de ft et fmax plus élevés qui permettent une utilisation peu coûteuse et généralisée de ce spectre. Cependant, de nombreux défis associés à la conception de circuits et de systèmes RF millimétriques en utilisant des technologies CMOS avancées ont été identifiés. L’amplificateur de puissance (PA) a été identifié comme étant le bloc le plus difficile à concevoir dans un émetteur-récepteur intégré RF millimétrique. Le concept au niveau du système de l’architecture basse puissance est d’abord étudié et des blocs clés tels que l’antenne 60 GHz et le modulateur OOK dans la technologie CMOS 130nm ont été présentés. Cette thèse explore également les défis de conception de l’amplificateur de puissance à ondes millimétriques dans la technolgie 28nm UTBB-FDSOI. Trois conceptions différentes d’amplificateur de puissance de 60 GHz ont été démontrées dans 28nm LVT FDSOI : 1) Un PA cascode à deux étages, 2) Un PA différentiel à deux étages à base de transformateur, 3) Un PA différentiel à deux étages à puissance combinée. Les performances simulées, y compris la prise en compte des parasites principaux de disposition ont été présentées. Les travaux futurs incluront l’intégration sur puce avec le PA
With the proliferation of portable and mobile electronic devices, there is a strong need to exchange data quickly and conveniently between devices encouraging to overcome challenges in bandwidth shortages and congestion in the lower frequencies spectrum. Millimeter-wave (Mm-wave) technology is considered as one of the future key technologies to enable high data rates wireless applications due to its large abundant spectrum. Advanced CMOS technology nodes comes with high ft and fmax, enable low cost and widespread use of this spectrum. However, many associated challenges ranging from device, circuit and system perspectives for the implementation of a highly integrated mm-wave transceiver especially the power amplifier (PA) which identified to be the most challenging RF block to be designed. The system level concept of low power architecture is firstly studied and key blocks such as 60 GHz antenna and OOK modulateur in 130nm CMOS technology were presented. This thesis also explores the design challenges of mm-wave power amplifier in 28nm UTBB-FDSOI technology. Three different designs of 60 GHz power amplifier were demonstrated in 28nm LVT FDSOI : 1) A two-stage cascode PA, 2) A two-stage differential PA with low-km TMN, 3) A power combined two-stage differential PA with low-km TMN. The simulated performance including the consideration of key layout parasitics were presented. Future work will include for on-chip integration with the PA

Ce travail montre les résultats et discussions à propos du projet partagé des structures pour un récepteur radio-fréquence des ondes millimétriques. Deux structures ont été étudiés : Le LNA et le résonateur en anneau. Ces structures ont été développes en utilisant des nouvelles techniques de projet de circuit micro-électroniques et utilisation des outils CAD.Les circuit ont été fabriqués avec la technologie QuBIC NXP®BiCMOS SiGe:C de 0.25μm.Les résultats de mesure sont en conformité avec l’état de l’art pour des LNA
This work presents the results and discussions about shared design (co-design)of structures for a RF receptor in millimetric waves. Two structures were mainly studied: TheLNA and the resonator filter. Both structures were developed using novel microelectronic circuitdesign techniques and with the extensive use of CAD software. The circuits were fabricatedusing a0.25μmBiCMOS SiGe:C QuBIC technology from NXP®semiconductors, and themeasurement results are in conformity with the state-of-the-art

Les futurs réseaux de communications pour déployer des services sans-fil très haut-débit envisagent l’utilisation de larges bandes de fréquences. Alors que les bandes de fréquences habituelles dans le spectre sub-6 GHz sont extrêmement prisées et limitées, la future génération de réseaux mobile amorce une montée en fréquence en exploitant les bandes millimétriques. Dans cette quête de ressources fréquentielles, le spectre sub-THz, de $90$ à $300$ GHz, offre des bandes disponibles d'une largeur sans précédent. Les communications sans-fil dans les fréquences sub-THz sont donc considérées comme une solution privilégiée pour atteindre des débits de l’ordre du Tbit/s et ainsi répondre aux futurs besoins de la connectivité sans-fil. Néanmoins, bien qu'elles soient matures, les technologies sans-fil existantes ne peuvent être directement transposées aux bandes sub-THz car elles ne tiennent pas compte des caractéristiques spécifiques des communications sub-THz. Il est donc nécessaire de mener des recherches supplémentaires afin de concevoir des systèmes de communication performants et adaptés aux enjeux et contraintes de ce nouveau spectre. Parmi les principaux défis technologiques amenés par la montée en fréquence et l’utilisation de bandes larges se trouvent les limitations de performance dues aux oscillateurs générant un bruit de phase important et une problématique d’échantillonnage à très haute fréquence. Dans cette thèse, les recherches menées portent sur le développement de la couche physique pour les systèmes de communication sub-THz et tentent de lever ces verrous technologiques. Notre objectif est double : augmenter le débit de données de communication et assouplir les contraintes sur les architectures radiofréquences. Pour ce faire, notre approche consiste à concevoir conjointement le traitement du signal pour les domaines analogique et numérique.Les deux principales contributions de ce travail sont les suivantes : l'optimisation d'émetteurs-récepteurs cohérents pour les canaux à fort bruit de phase ; et la proposition de systèmes de communication dédiés avec des architectures non-cohérentes et haut-débits. Tout d'abord, nous avons proposé des schémas de transmission optimisés pour les canaux à fort bruit de phase comprenant : la modulation, la démodulation, et l'adaptation de lien. Les solutions proposées permettent de réaliser des communications à haute-efficacité spectrale avec des contraintes relâchées sur les oscillateurs radiofréquences. Par conséquent, nos travaux décrivent des solutions techniques précieuses au développement de couches physiques à haute efficacité spectrale pour le spectre sub-THz. Dans un second temps, nous avons également ciblé les couches physiques de faible complexité et simple à mettre en œuvre dans les fréquences sub-THz. Nous avons ainsi étudié la conception de systèmes de communication spécifiquement dédiés au bandes sub-THz utilisant des architectures non cohérentes. Pour réaliser des communications haut-débit avec des architectures non-cohérentes, nous avons notamment considéré l’utilisation du multiplexage spatial et de larges bandes de fréquences. Nos travaux sur le multiplexage spatial dans les fréquences sub-THz démontrent que des communications haut-débit peuvent être réalisées sur des architectures de faible complexité et de faible puissance en utilisant des systèmes multi-antennaire et des récepteurs à détection d'énergie. Par ailleurs, utiliser de larges bandes de fréquences implique de fortes contraintes sur la conversion analogique-numérique. Afin de réduire les fréquences d’échantillonnage des convertisseurs et de simplifier la mise en œuvre pratique, nous avons proposé un nouveau récepteur pour les systèmes radio-impulsionnels haut-débit. Nous avons montré qu’une architecture de réception avec des projections parallèles du signal reçu dans le domaine analogique conduit à des performances quasi-optimales avec des fréquences d'échantillonnage considérablement réduites
To deploy high-rate wireless services, future communication networks envisage the use of wide frequency bands. Still, the usual frequency bands in the sub-$6$ GHz spectrum are extremely limited and expensive. To expand its available spectrum, the forthcoming generation of mobile networks with 5G initiates the use of higher frequencies through the exploitation of millimeter-wave bands. In this search for frequency resources, the sub-THz spectrum from $90$ to $300$ GHz offers unprecedentedly large available bands, several tens of GHz. Wireless communications in sub-THz frequencies are therefore seen as a foremost solution to achieve Tbit/s data rates and meet the requirements of future wireless connectivity. Nevertheless, existing and mature wireless technologies cannot be directly transposed to the sub-THz bands as they do not consider the specific features of sub-THz communications. Additional research is hence required to design efficient communication systems adapted to the constraints of sub-THz frequencies. Some of the major technological challenges brought by using high carrier frequencies and large bandwidths include: the performance limitations caused by the strong phase impairments of high-frequency oscillators; and the problem of high sampling rates required by the analog-to-digital conversion. In this thesis, the conducted research focuses on the development of the physical layer for sub-THz communication systems and attempts to overcome these technological barriers. Our objective is twofold: to increase the communication data rate and to relax the constraints on radio-frequency architectures. To do so, our approach consists in jointly designing signal processing for the analog and digital domains.The two main contributions of this work are: the optimization of coherent transceivers for strong phase noise channels; and the proposal of dedicated communication systems with non-coherent and high-rate architectures. First, we have proposed optimized transmission schemes for strong phase noise channels including: the modulation, the demodulation, and the link adaptation. The proposed solutions achieve high spectral efficiency communications with relaxed constraints on radio-frequency oscillators. Our results show that the use of optimized transmission schemes greatly contributes to mitigate the impact of phase noise on coherent transceivers. Consequently, our work describes valuable technical solutions to the development of physical layers with high spectral efficiency for the sub-THz spectrum. Second, we have also targeted low-complexity physical layers readily implementable in sub-THz frequencies. We have studied the design of communication systems specifically dedicated to the sub-THz bands using non-coherent architectures. In order to implement high-rate communications with non-coherent architectures, we have considered the use of spatial multiplexing and wide frequency bands. Our work on spatial multiplexing in sub-THz frequencies demonstrates that high-rate communications can be implemented with low complexity and low power architectures using multi-antenna systems and energy detection receivers. Besides, the use of wide bands strongly constrains the analog-to-digital conversion. In order to reduce the required sampling frequencies of converters and to simplify practical implementations, we have proposed a new receiver for high-rate impulse radio systems. We have shown that the proposed receiver architecture, using parallel projections of the received signal in the analog domain, leads to near-optimal performance with significantly reduced sampling frequencies

Les commutateurs capacitifs MEMS RF présentent un intérêt connu dans le domaine des micro-ondes pour satisfaire de nombreuses applications (spatiales, téléphonie mobile). Ils permettent de rendre reconfigurable les modules hautes fréquences sans tous les inconvénients des composants actifs. Cependant, beaucoup de problèmes restent irrésolus: la fiabilité des diélectriques, la tenue en puissance et le rendement de fabrication. Le procédé technologique n'est pas assez optimisé pour obtenir des structures fonctionnelles avec de bonnes performances et reproductibilité. Le sujet de cette thèse traite de l'optimisation du procédé de fabrication des commutateurs RF capacitifs à tenue en puissance améliorée et de leur intégration dans un synthétiseur d'impédances pour des applications en bande K. La partie 1 montre le procédé de fabrication et ses principales améliorations. Des études sur la couche sacrificielle et sur la méthode de libération ont permis d'augmenter les performances RF et le rendement technologique. De plus, de nouveaux diélectriques ont été testés pour accroître la durée de vie des commutateurs. La relation entre la puissance appliquée et la température qu'elle génère est décrite dans le chapitre 2. Des caractérisations ont été réalisées pour comprendre les comportements mécaniques sous stress, qui peut être notamment provoqué par des mesures de puissance. Des solutions ont été trouvées et étudiées pour absorber ou prévenir les déformations sous un stress thermique. Enfin, toutes ces optimisations et études ont été appliquées à un tuner d'impédance. Sa topologie, sa fabrication et ses caractérisations constituent le dernier chapitre
Capacitive RF MicroElectroMechanical System switches present well-known interests in microwave field for a lot of applications (spatial, mobile phone). They may bring tunability to high frequency modules without all the drawbacks of active devices. However numerous problems remain unsolved like dielectric reliability, power handling and fabrication yield which slow down the industrialisation of such components. Efforts have already been done on the design, the dielectric reliability and the technological process. This last-one is not enough improved to obtain functional structures with enhanced performances and reproducibility. The purpose of this thesis work deals with the optimization of the fabrication process of capacitive RF switches with enhanced power handling and their integration in an impedance tuner for K band applications. The first section shows the fabrication process and its principal improvements. Studies on sacrificial layer and releasing method permitted to increase the RF performances and the technological yield. Moreover, new dielectrics have been investigated in order to get better switch life time. The relation between the applied power and the generated temperature is described in the second chapter. Thermal characterizations have been performed to understand the mechanical behaviours under stress. Thanks to infra-red camera, the overheating due to power has been determined. Solutions have been found and studied to absorb or prevent deformations under thermal stress. Finally, all these improvements and studies have been applied to a circuit: an impedance tuner. Its design, fabrication and characterization constitute the final chapter of this manuscript

Avec la prolifération des appareils électroniques portables et mobiles communicants, il est recommandé de pouvoir échanger des données rapidement et commodément entre les appareils. Avec la pénurie de bande passante et la congestion dans le spectre des fréquences faibles, la technologie de communication à ondes millimétriques (Mm-wave) est considérée comme l'une des technologies clés du futur pour permettre des applications sans fil à débit élevé grâce à son large spectre abondant. Les nœuds de technologie CMOS avancés sont dotés de ft et fmax plus élevés qui permettent une utilisation peu coûteuse et généralisée de ce spectre. Cependant, de nombreux défis associés à la conception de circuits et de systèmes RF millimétriques en utilisant des technologies CMOS avancées ont été identifiés. L’amplificateur de puissance (PA) a été identifié comme étant le bloc le plus difficile à concevoir dans un émetteur-récepteur intégré RF millimétrique. Le concept au niveau du système de l’architecture basse puissance est d’abord étudié et des blocs clés tels que l’antenne 60 GHz et le modulateur OOK dans la technologie CMOS 130nm ont été présentés. Cette thèse explore également les défis de conception de l’amplificateur de puissance à ondes millimétriques dans la technolgie 28nm UTBB-FDSOI. Trois conceptions différentes d’amplificateur de puissance de 60 GHz ont été démontrées dans 28nm LVT FDSOI : 1) Un PA cascode à deux étages, 2) Un PA différentiel à deux étages à base de transformateur, 3) Un PA différentiel à deux étages à puissance combinée. Les performances simulées, y compris la prise en compte des parasites principaux de disposition ont été présentées. Les travaux futurs incluront l’intégration sur puce avec le PA
With the proliferation of portable and mobile electronic devices, there is a strong need to exchange data quickly and conveniently between devices encouraging to overcome challenges in bandwidth shortages and congestion in the lower frequencies spectrum. Millimeter-wave (Mm-wave) technology is considered as one of the future key technologies to enable high data rates wireless applications due to its large abundant spectrum. Advanced CMOS technology nodes comes with high ft and fmax, enable low cost and widespread use of this spectrum. However, many associated challenges ranging from device, circuit and system perspectives for the implementation of a highly integrated mm-wave transceiver especially the power amplifier (PA) which identified to be the most challenging RF block to be designed. The system level concept of low power architecture is firstly studied and key blocks such as 60 GHz antenna and OOK modulateur in 130nm CMOS technology were presented. This thesis also explores the design challenges of mm-wave power amplifier in 28nm UTBB-FDSOI technology. Three different designs of 60 GHz power amplifier were demonstrated in 28nm LVT FDSOI : 1) A two-stage cascode PA, 2) A two-stage differential PA with low-km TMN, 3) A power combined two-stage differential PA with low-km TMN. The simulated performance including the consideration of key layout parasitics were presented. Future work will include for on-chip integration with the PA

Ce travail porte sur la conception d'un amplificateur de puissance à 79 GHz et la co-intégration de l'amplificateur de puissance et l'antenne en technologie silicium SiGe. L'objectif de la thèse est de développer un module radiofréquence à l'émission pour des applications radar à 79 GHz. Ce module sera composé d'un amplificateur de puissance, d'une antenne et du circuit d'adaptation PA/Antenne. L'inter-étage entre le PA et l'antenne est une source supplémentaire d'atténuation du signal, d'autant plus rédhibitoire en technologie intégrée pour des fréquences aussi élevées. En réalisant une conception commune, ou codesign, de l'antenne et de l'amplificateur de puissance (PA), nous pouvons, à terme, nous affranchir du traditionnel inter-étage d'adaptation d'impédance entre ces deux blocs. Plus précisément, il convient de dimensionner l'antenne afin qu'elle présente a la sortie du PA l'impédance optimale que requiert son rendement en puissance maximum.

Le futur réseau mobile 5G est prévu pour être déployé à partir de 2020, dans un contexte d’évolution exponentielle du marché de la téléphonie mobile et du volume de données échangées. La 5G servira de levier à des applications révolutionnaires qui permettront l’émergence du monde connecté. Dans ce but, plusieurs spécifications pour le réseau sont attendues même si aucun standard n’est encore défini et notamment une faible latence, une consommation d’énergie réduite et un haut débit de données. Les bandes de fréquences traditionnellement utilisées dans les réseaux mobiles ne permettront pas d’atteindre les performances visées et plusieurs bandes de fréquences millimétriques sont à l’étude pour créer un spectre complémentaire. Cependant, ces bandes de fréquence millimétriques souffrent d’une forte atténuation dans l’air et dans les matériaux de construction. Plusieurs techniques vont être implémentées pour outrepasser ces limitations dans les zones urbaines denses comme le backhauling, FD-MIMO et beamforming phased array. Ces techniques entraînent l’utilisation d’un grand nombre de transmetteurs dans les stations de bases et dans les dispositifs de l’utilisateur final. La technologie CMOS offre d’indéniables avantages pour ce marché de masse tandis que la technologie FD-SOI offre des performances et fonctionnalités additionnelles. L’amplificateur de puissance est le bloc le plus critique à concevoir dans un transmetteur et consomme le plus d’énergie. Afin d’adresser les challenges de la 5G, plusieurs spécifications concernant la puissance consommée, la linéarité et le rendement sont attendues. Les variations de l’environnement dans les beamforming phased array et le contexte industriel nécessitent des topologies robustes alors qu’une reconfigurabilité au niveau de l’amplificateur de puissance est bénéfique dans le cas de circuits adaptatifs. Cette thèse adresse ces challenges en explorant la conception d’un amplificateur de puissance reconfigurable et robuste pour des applications 5G en intégrant des techniques de design spécifiques et en mettant en avant les avantages de la technologie 28nm FD-SOI pour la reconfigurabilité
The 5G future mobile network is planned to be deployed from 2020, in a context of exponential mobile market and exchanged data volume evolution. The 5G will leverage revolutionary applications for the advent of the connected world. For this purpose, several network specifications are expected notably low latency, reduced power consumption and high data-rates even if no standard is yet defined. The frequency bands traditionally used for mobile networks will not permit the needed performances and several mmW frequency bands are under study to create a complementary frequency spectrum. However, these mmW frequency bands suffer from large attenuation inbuilding material and in free-space. Therefore, several techniques will be implemented to tackle these limitations indense urban areas like backhauling, FD-MIMO and beamforming phased array. This is leading to a large number of transceivers for base stations and end-user devices. CMOS technology offers undeniable advantages for this mass market while FD-SOI technology offers additional features and performances. The power amplifier is the most critical block to design in a transceiver and is also the most power consuming. To address the 5G challenges, several specifications concerning power consumption, linearity and efficiency are expected. The environment variations inbeamforming phased array and the industrial context drive the need for robust topologies while power amplifier reconfigurability is benefic in a context of adaptive circuits. This thesis addresses these challenges by exploring the conception of a robust and reconfigurable power amplifier targeting 5G applications while integrating specific design techniques and taking advantage of 28nm FD-SOI CMOS technology features for reconfigurability purposes

L'activité de recherche scientifique effectuée dans le cadre de mon doctorat de sciences s'est déroulée dans le secteur de la conception de circuits intégrés radiofréquences pour des systèmes ultra-wideband (UWB) et aux ondes millimétriques, et s'est articulée comme suit: (i) circuits intégrés radiofréquences pour émetteur-récepteurbasse puissance pour réseaux locaux wireless; (ii) radar UWB complètement intégré pour la surveillance cardio-pulmonaire en technologie 90nm CMOS; (iii) amplificateurs faible bruit (LNA) à 60 GHz en technologie standard 65nm CMOS
The research activity carried out during this PhD consists on the design of radio- frequency integrated circuits, for ultra-wideband (UWB) and millimeter-wave sys- tems, and covers the following topics: (i) radio-frequency integrated circuits for low-power transceivers for wireless local networks; (ii) fully integrated UWB radar for cardio-pulmonary monitoring in 90nm CMOS technology; (iii) 60-GHz low noise amplifer (LNA) in 65nm CMOS technology

L’évolution constante des technologies sans fil telles que le Wi-Fi, les normes de réseaux mobiles ou d’objets connectés, a donné naissance à de nouvelles applications et usages. Les possibilités offertes par cette multitude d’alternatives sont exploitées par les réseaux sans fil hétérogènes qui, en combinant au sein d’un réseau unique plusieurs technologies, permettent aux utilisateurs d’accéder à des services complémentaires de façon transparente. Cependant, pour bénéficier pleinement de ces avantages, plusieurs défis techniques sont à relever. L’un d’eux est relatif au déploiement de ces réseaux multi- technologies. En pratique, cette tâche s’appuie sur des règles et outils d’ingénierie afin de réaliser une planification optimale. Dans ce contexte, un objectif de la thèse a été d’établir des modèles sur lesquels peuvent se baser les outils d’ingénierie radio afin d’optimiser le déploiement de réseau locaux sans fil multi- technologies.Il s’agit principalement de calibrer des modèles de propagation pour l’estimation de couverture radio en environnement indoor résidentiel entre 800 MHz et 60 GHz; d’établir un modèle de débit pour l’estimation de capacité Wi-Fi en fonction du trafic montant et descendant; et de concevoir un modèle de résolution multi-objectif pour optimiser le positionnement de points d’accès opérant à 5 et 60 GHz. En complément, cette thèse a également proposé des recommandations pratiques visant à placer au mieux les points d’accès en phase de déploiement. Cela s’est fait par le biais d’études de sensibilité de couverture à divers facteurs, tels que l’environnement immédiat de l’émetteur ou encore la présence de personnes faisant obstruction
The constant evolution of wireless technologies such as Wi-Fi, mobile networks standards or IoT, has given rise to new applications and usages. The possibilities offered by this multitude of alternatives are exploited by heterogeneous wireless networks which, by combining within a single network several technologies, provide the users with a seamless access to complementary services. However, to take full advantage of these benefits, there are several technical issues to address. One of them is related to the deployment of these multi-technology networks. In practice, this task relies, most of the time, on radio network design software to achieve optimal planning. In such context, the main objective of this thesis is to establish models which can be used by radio network planning tools in order to the deployment of multi-technology wireless local area networks. This task has involved calibrating propagation models for radio coverage estimation, in residential indoor environments from 800 MHz to 60 GHz; developing a throughput model for Wi-Fi capacity estimation based on uplink and downlink traffic; and establishing a multi- objective resolution model to optimize the positioning of access points operating at 5 and 60 GHz. Moreover, this thesis also proposes practical recommendations for a better positioning of access points during deployment phases. This task has been achieved through coverage sensitivity studies to various factors, such as the transmitter surroundings or the presence of obstructing people

Les détecteurs de puissance sont les blocs clés pour établir la mesure de puissance. Par conséquent, ils sont considérés parmi les circuits les plus importants dans de nombreuses applications micro-ondes et ondes millimétriques (telles que les systèmes de télécommunication, les équipements médicaux, les systèmes radar, etc.). Dans ce contexte, ce manuscrit présente la conception, la caractérisation et l'analyse théorique de différents détecteurs de puissance basés sur la technologie BiCMOS 55-nm de STMicroelectronics, dans différentes bandes de fréquences, et cela pour plusieurs applications. Pour les applications 5G dans la bande (35-55) GHz, des détecteurs ajustables sont conçus pour être utilisés dans différentes domaines, surtout que leurs paramètres peuvent être ajustés. En outre, plusieurs topologies de détecteurs non polarisés sont conçues pour aider à améliorer l'efficacité énergétique des équipements 5G comme IoT. Cela peut être réalisé en utilisant ces détecteurs dans des circuits d’«envelope tracking» qui réduisent la consommation d'énergie des amplificateurs de puissance. Deux détecteurs à fréquence compensée dans les bandes de fréquences (140-220) GHz et (450-600) GHz sont conçus pour fournir une valeur de sensibilité stable et élevée sur toute la bande passante d'intérêt. Ces détecteurs peuvent être utilisés pour la mesure de puissance sur puce pour augmenter l'efficacité de mesure à telles fréquences élevées. Ces détecteurs peuvent également être utilisés dans des applications THz telles que l'imagerie THz et les radars. Certains détecteurs de ce travail atteignent des performances à l’état de l’art dans plusieurs bandes de fréquences, cela grâce à leurs conceptions originales exécutées en technologie STMicroelectronics
Power detectors are the key blocks to establish the power measurement. Therefore, they are considered among the most important circuits in many microwave and millimeter wave applications (such as communication systems, medical equipments, radar systems, etc.). In this context, this thesis presents the design, characterization and theoretical analysis of different diode based power detectors, built in 55nm-BiCMOS technology from STMicroelectronics, in different frequency bands, towards different applications. For 5G applications in the frequency band (35-55) GHz, tunable detectors are designed to be used in different applications, since their parameters can be adjusted. In addition, several topologies of zero bias detectors are designed to help improving the efficiency in the 5G and IoT devices. This can be realized by employing those detectors in envelop tracking circuits which reduce the power consumption of power amplifiers. Two frequency compensated detectors in the frequency bands (140-220) GHz and (450-600) GHz are designed providing stable and high sensitivity value over the whole frequency band of interest. These detectors can be used for on-chip power detection which helps increasing the power measurement efficiency at such high frequencies. These detectors can be also used in THz applications such as THz imaging and radars. Some detectors in this work reach the state of the art performances in several frequency bands, thanks to their original designs executed in STMicroelectronics technology

Ce travail porte sur la conception d'un amplificateur de puissance à 79 GHz et la co-intégration de l'amplificateur de puissance et l'antenne en technologie silicium SiGe. L'objectif de la thèse est de développer un module radiofréquence à l'émission pour des applications radar à 79 GHz. Ce module sera composé d'un amplificateur de puissance, d'une antenne et du circuit d'adaptation PA/Antenne. L'inter-étage entre le PA et l'antenne est une source supplémentaire d'atténuation du signal, d‟autant plus rédhibitoire en technologie intégrée pour des fréquences aussi élevées. En réalisant une conception commune, ou co-design, de l'antenne et de l'amplificateur de puissance (PA), nous pouvons, à terme, nous affranchir du traditionnel inter-étage d'adaptation d'impédance entre ces deux blocs. Plus précisément, il convient de dimensionner l'antenne afin qu'elle présente a la sortie du PA l'impédance optimale que requiert son rendement en puissance maximum
This work focuses on the design of a power amplifier (PA) at 79 GHz and the co-integration of the PA and the antenna on SiGe technology. The objective of this thesis is to develop a RF front-end block for radar applications at 79 GHz. This block is compound of a power amplifier, antenna and PA/Antenna inter-stage matching. The inter-stage between the PA and the antenna adds supplementary losses in the global performances, especially prohibitive in integrated technology for high frequencies. The co-design of the antenna and the PA allows to suppress the traditional inter-stage impedance matching between these two blocks. More specifically, it is suitable to design the antenna with the appropriate output impedance of the PA which gives optimal performances for maximum power and efficiency

Le but de cette thèse est d'explorer les opportunités de design au-delà des fréquences millimétriques en se rapprochant le plus possible de la bande THz en technologie CMOS. L’application spécifique est la détection hétérodyne pour l'imagerie THz. Sachant qu’on vise des fréquences autour de 280 GHz et on travaille avec la technologie CMOS 65 nm, les composant réalisés fonctionnent 80 GHz au-dessus de la fréquence de coupure fmax des transistors utilisés. En termes de réalisation on a développé deux oscillateurs à verrouillage par injection sous-harmonique fonctionnant autour de 280 GHz. La fréquence d’injection de chaque oscillateur est d’environ 47 GHz (1/6 de la fréquence de sortie). Afin de produire des oscillations au-delà de fmax, des techniques de génération harmonique ont été utilisées (push-push, triple-push, etc). Les oscillateurs génèrent des signaux de – 19 et – 14 dBm de puissance à 280 GHz. Chaque composant a été utilisé comme oscillateur local pour des récepteurs hétérodynes fonctionnant à la même fréquence. Ces récepteurs n’ont pas de LNA au début de la chaîne à cause des faibles fréquences de coure néanmoins ils utilisent des mélangeurs passifs afin de pouvoir multiplier des signaux au-delà des limites. Les deux récepteurs développés ont un gain de conversion de – 6 dB et ont des figures de bruit (NF) de 36 et 30 dB. La version la plus performante du récepteur (30 dB de NF) a été intégrée avec une antenne développée par le Labsticc afin de pouvoir réaliser des images Sub-THz avec la détection hétérodyne
The main goal of this thesis is to explore design opportunities beyond the millimeter wave frequencies and to get as close as possible to the THz band using CMOS technologies. The main application is the heterodyne detection for THz imaging. The cut-off frequencies ft/fmax of the used process (65 nm CMOS) are 150/205 GHz, the chosen operation frequency of the developed systems is 280 GHz which means that the circuits developed during this thesis operate at least 80 GHz beyond their fmax cut-off frequency. Two 280 GHz sub-harmonic injection locked oscillators were developed, the injection frequency corresponds to one sixth of the ouput frequency. In order to generate oscillations beyond fmax, harmonic boost techniques are used such as the push-push and triple push techniques. The output power of the oscillators are - 19 and - 14 dBm at 280 GHz. Both components were used as local oscillators for two heterodyne receivers operating around the same frequency. In order to down-covert the Sub-THz signal, a passive resistive mixer is used; this kind of circuit allows mixing beyond the active transistor limits. Also there is no LNA at the begining of the Rx chain since the cut-off frequencies are very low and there will be no gain for amplification at 280 GHz. The conversion gain of both receivers is - 6 dB however the NF's are 36 dB and 30 dB. The best receiver (30 dB) is co-integrated with an antenna (developed by Labsticc) using the same process allowing heterodyne detection THz imaging

Grace aux récents développements des technologies d’intégration, il est aujourd’hui possible d’envisager la réalisation de circuits et systèmes intégrés sur Silicium fonctionnant à des fréquences auparavant inatteignables. Par conséquence, depuis quelques années, on assiste à la naissance de nouvelles applications en bande millimétrique, comme la communication sans fil à haut-débit à 60GHz, les radars automobiles à 76-77 et 79-82GHz, et l’imagerie millimétrique à 94GHz.Cette thèse vise, en premier lieu, à la définition d’une méthodologie de conception des circuits intégrés en bande millimétrique. Elle est par la suite validée au travers de son application à la conception des amplificateurs faible-bruit en technologie BiCMOS SiGe. Dans ce contexte, une attention particulière a été portée au développement d’une stratégie de conception et de modélisation des inductances localisées. Plusieurs exemples d’amplificateurs faible-bruit ont été réalisés, à un ou deux étages, employant des composants inductifs localisés ou distribués, à 60, 80 et 94 GHz. Tous ces circuits présentent des caractéristiques au niveau de l’état de l’art dans le domaine, ainsi en confirmant l’exactitude de la méthodologie de conception et son efficacité sur toute la planche de fréquence considérée. En outre, la réalisation d’un récepteur intégré pour applications automobiles à 80GHz est aussi décrite comme exemple d’une possible application système, ainsi que la co-intégration d’un amplificateur faible-bruit avec une antenne patch millimétrique intégrée sur Silicium
The interest towards millimeter waves has rapidly grown up during the last few years, leading to the development of a large number of potential applications in the millimeter wave band, such as WPANs and high data rate wireless communications at 60GHz, short and long range radar at 77-79GHz, and imaging systems at 94GHz.Furthermore, the high frequency performances of silicon active devices (bipolar and CMOS) have dramatically increased featuring both fT and fmax close or even higher than 200GHz. As a consequence, modern silicon technologies can now address the demand of low-cost and high-volume production of systems and circuits operating within the millimeter wave range. Nevertheless, millimeter wave design still requires special techniques and methodologies to overcome a large number of constraints which appear along with the augmentation of the operative frequency.The aim of this thesis is to define a design methodology for integrated circuits operating at millimeter wave and to provide an experimental validation of the methodology, as exhaustive as possible, focusing on the design of low noise amplifiers (LNAs) as a case of study.Several examples of LNAs, operating at 60, 80, and 94 GHz, have been realized. All the tested circuits exhibit performances in the state of art. In particular, a good agreement between measured data and post-layout simulations has been repeatedly observed, demonstrating the exactitude of the proposed design methodology and its reliability over the entire millimeter wave spectrum. A particular attention has been addressed to the implementation of inductors as lumped devices and – in order to evaluate the benefits of the lumped design – two versions of a single-stage 80GHz LNA have been realized using, respectively, distributed transmission lines and lumped inductors. The direct comparison of these circuits has proved that the two design approaches have the same potentialities. As a matter of fact, design based on lumped inductors instead of distributed elements is to be preferred, since it has the valuable advantage of a significant reduction of the circuit dimensions.Finally, the design of an 80GHz front-end and the co-integration of a LNA with an integrated antenna are also considered, opening the way to the implementation a fully integrated receiver