Dans le cadre des communications numériques sans fil, la vitesse d'échange de données (débit) reste toujours une des caractéristiques qui limite la performance du système. Une diminution des temps d¿échange est donc nécessaire pour l'amélioration de la performance et l'introduction des nouvelles applications. Des applications comme " Wireless HD " rendent possible la transmission sans fil de vidéo non-compressée " à haute définition (débit = 4 Gbps) " Kiosk Downloading " permettrait l'échange de données à haut débit (1-2 Gbps) sur une courte portée (1 -2 mts). Pour atteindre ce débit, la bande autour de 60 GHz est donc visée pour profiter de ses 7 GHz de bande passante disponibles. Dans le cadre du projet PANAMA, un intérêt spécial est aussi donné à l'efficacité du système transmetteur (Amplificateur de Puissance et Antenne) et ce sera donc un autre axe de notre recherche : l'étude des stratégies pour l'amélioration du rendement énergétique global. On se concentrera surtout sur la connexion PA ' Antenne qui donnera lieu aux stratégies de co-intégration et de co-conception. Plusieurs problématiques doivent être confrontées : la co-simulation (actif et passif) ainsi que la mesure des antennes dans cette bande millimétrique. Cette haute fréquence introduit des limitations, notamment sur les performances de l'antenne. Ainsi le but de cette thèse est de proposer des solutions d'antennes qui remplissent les besoins de l'application (solutions basée sur le résonateur diélectrique). La solution complète des systèmes intégrés doit comprendre également des solutions encapsulées ( "packaged " ), sujet aussi abordé dans ce travail.

In this thesis, based on the indoor channel measurements and ray-tracing modeling for the indoor mm-wave wireless communications, the challenges of the design of the radio in this band is studied. Considering the recently developed standards such as IEEE 802.15.3c, ECMA and WiGig at 60 GHz, the link budget of the system design for different classes of operation is done and the requirement for the antenna and other RF sections are extracted. Based on radiation characteristics of mm-wave and the fundamental limits of low-cost Silicon technology, it is shown that phased-array is the ultimate solution for the radio and physical layer of the mobile millimeter wave multi-Gb/s wireless networks. Different phased-array configurations are studied and a low-cost single-receiver array architecture with RF phase-shifting is proposed. A systematic approach to the analysis of the overall noise-figure of the proposed architecture is presented and the component technical requirements are derived for the system level specifications. The proposed on-chip antennas and antenna-in-packages for various applications are designed and verified by the measurement results. The design of patch antennas on the low-cost RT/Duroid substrate and the slot antennas on the IPD technologies as well as the compact on-chip slot DRA antenna are explained in the antenna design section. The design of reflective-type phase shifters in CMOS and MEMS technologies is explained. Finally, the design details of two developed 60 GHz integrated phased-arrays in CMOS technology are discussed. Front-end circuit blocks such as LNA, continuous passive reflective-type phase shifters, power combiner and variable gain amplifiers are investigated, designed and developed for a 60 GHz phased-array radio in CMOS technology. In the first design, the two-element CMOS phased-array front-ends based on passive phase shifting architecture is proposed and developed. In the second phased-array, the recently developed on-chip dielectric resonator antenna in our group in lower frequency is scaled and integrated with the front-end.

The objective of the proposed research is to present a compact system-on-package (SOP)-based passive front-end solution for millimeter-wave wireless communication/sensor applications, that consists of fully integrated three dimensional (3D) cavity filters/duplexers and antenna. The presented concept is applied to the design, fabrication and testing of V-band transceiver front-end modules using multilayer low temperature co-fired (LTCC) technology. The millimeter-wave front-end module is the foundation of 60 GHz (V-band) wireless systems for short-range multimedia applications, such as high-speed internet access, video streaming and content download. Its integration poses stringent challenges in terms of high performance, large number of embedded passive components, low power consumption, low interference between integrated components and compactness. To overcome these major challenges, a high level of integration of embedded passive functions using low-cost and high-performance materials that can be laminated in 3D, such as the multilayer LTCC, is significantly critical in the module-level design. In this work, various compact and high-performance passive building blocks have been developed in both microstrip and cavity configurations and their integration, enabling a complete passives integration solution for 3D low-cost wireless millimeter-wave front-end modules. It is worthy to note that most of the designs implemented comes away with novel ideas and is presented as the first extensive state-of-art components, entirely validated by measured data at 60 GHz bands.

Les télécommunications sans fil connaissent un intérêt toujours soutenu depuis plus d'une décennie car elles permettent une simplification des infrastructures par rapport aux télécommunications filaires, une mobilité accrue des terminaux, et finalement un usage plus souple pour l'utilisateur.<br /><br />Le défi actuel de ce champ des télécommunications est d'assurer une augmentation des débits de transmission. Pour cela plusieurs techniques sont envisagées, parmi lesquelles la montée en fréquence vers le spectre des ondes millimétriques. Cette approche est à la base de cette thèse qui présente les résultats de la caractérisation et de la modélisation statistique du canal de propagation intra-bâtiment à 60 GHz. Ces travaux sont basés sur plusieurs campagnes de mesure menées principalement en milieu résidentiel.<br /><br />Les principaux résultats soulignent l'importance du problème d'obstruction provoqué par l'activité humaine, ainsi que la difficulté de la propagation entre les pièces d'un bâtiment. Enfin, ces mesures révèlent que la mise en œuvre d'une diversité angulaire au sein du réseau devrait permettre de contrer ces deux difficultés. Par ailleurs, sont proposés des modèles de la propagation spatio-temporel et variant dans le temps, basés sur les propriétés statistiques des différentes caractéristiques du canal.

La bande de fréquences au voisinage de 60GHz (bande 57-64GHz) est en développement rapide pour les systèmes de communication sans fil à courte portée. Cependant, les rayonnements autour de 60GHz sont absents du spectre naturel et les organismes vivants n'y ont encore jamais été exposés dans les conditions environnementales. <br />Ce travail de thèse porte sur l'analyse des effets potentiels des rayonnements millimétriques de faible puissance au niveau cellulaire. Les études sont axées sur deux directions de recherche. Premièrement, nous avons considéré l'influence des ondes millimétriques à 60GHz sur la structure et les propriétés biophysiques des modèles artificiels des membranes biologiques. Deuxièmement, nous avons étudié l'influence du rayonnement millimétrique autour de 60GHz sur les modifications de l'expression génétique des protéines chaperones dans les cellules gliales du cerveau humain.

Pour faire face à la saturation du spectre électromagnétique en matière de communications sans fil, les groupes industriels dominant le marché développent de nouveaux appareils de télécommunications sans fil, qui offriront un débit très élevé combiné à une meilleure confidentialité. Ces systèmes fonctionneront dans des bandes de fréquences autour de 60 GHz, naturellement absentes du spectre électromagnétique environnemental, ce qui suscite des interrogations légitimes quant à leur innocuité. Ce travail de thèse porte sur l'analyse des effets potentiels des rayonnements millimétriques sur la physiologie de la cellule. Nous avons tout d'abord étudié les effets des ondes millimétriques par le biais d'études in vitro, en utilisant différents modèles de cultures de cellules humaines, exposés à différents temps et à différentes fréquences, notamment celles correspondantes à des résonances de groupement moléculaires, comprises entre 57 et 64 GHz. Nous avons étudié l'impact potentiel de ces ondes sur un organite cellulaire, le réticulum endoplasmique, connu pour être sensible à son environnement et impliqué dans de nombreuses pathologies. Nous avons ensuite étudié les effets de la variation de puissance sur des processus physiologiques concernant le réticulum endoplasmique mais aussi sur la synthèse de protéines spécifiques liées à la réponse inflammatoire. Enfin, par la technique de puces à ADN, nous avons réalisé une approche transcriptomique à haut débit, portant sur l'ensemble du génome, afin de déterminer l'existence de gènes cibles sensibles à des expositions aux ondes millimétriques. Plusieurs gènes candidats ont été sélectionnés et serviront de biomarqueurs.

In this thesis, based on the indoor channel measurements and ray-tracing modeling for the indoor mm-wave wireless communications, the challenges of the design of the radio in this band is studied. Considering the recently developed standards such as IEEE 802.15.3c, ECMA and WiGig at 60 GHz, the link budget of the system design for different classes of operation is done and the requirement for the antenna and other RF sections are extracted. Based on radiation characteristics of mm-wave and the fundamental limits of low-cost Silicon technology, it is shown that phased-array is the ultimate solution for the radio and physical layer of the mobile millimeter wave multi-Gb/s wireless networks. Different phased-array configurations are studied and a low-cost single-receiver array architecture with RF phase-shifting is proposed. A systematic approach to the analysis of the overall noise-figure of the proposed architecture is presented and the component technical requirements are derived for the system level specifications. The proposed on-chip antennas and antenna-in-packages for various applications are designed and verified by the measurement results. The design of patch antennas on the low-cost RT/Duroid substrate and the slot antennas on the IPD technologies as well as the compact on-chip slot DRA antenna are explained in the antenna design section. The design of reflective-type phase shifters in CMOS and MEMS technologies is explained. Finally, the design details of two developed 60 GHz integrated phased-arrays in CMOS technology are discussed. Front-end circuit blocks such as LNA, continuous passive reflective-type phase shifters, power combiner and variable gain amplifiers are investigated, designed and developed for a 60 GHz phased-array radio in CMOS technology. In the first design, the two-element CMOS phased-array front-ends based on passive phase shifting architecture is proposed and developed. In the second phased-array, the recently developed on-chip dielectric resonator antenna in our group in lower frequency is scaled and integrated with the front-end.

Nowadays, thanks to the modern technologies, the human being has been able todevelop new techniques to solve problems present in the past. Regarding the medicalfield, it is common to use several apparatus in order to measure the vital signs. Themain drawback about the traditional methods employed for this purpose is that theyare invasive towards the patient. However, in this thesis it has been developed afurther design of a radar system so as to be able to measure these vital signs in awireless way. Based on a 60 GHz frequency modulated continuous wave radar chip, it has been ableto increase the performance of the measurements by adding a second radar chip.Because of this new feature, the radar system is now having a better precision byprocessing greater data matrix to analyse the targets positions and theirmeasurements. In addition, an enhanced MCU has been incorporated in order toavoid performance bottlenecks because it is necessary to handle the processing of thedata received by the two radar chips. Lastly, reducing the sweeping time (periodbetween the lowest frequency broadcast to linearly reach the highest frequencybroadcast) from 20 ms the previous design to 1 ms, which requires higher samplingrate to cover the fast sweep and provide higher flow of information that leads to fasterdetection process. A 3D design of the prototype has been designed to show the physical appearance itwould have once entering in production. The result is a compact and highlyintegrated radar system which will be able to monitor the heart beating andrespiration frequency of a human being in a range of ten meters.

Les environnements intelligents et l’homme connecté semble être la prochaine évolution des télécommunications sans fil. En effet, le développement des nouvelles bandes de fréquence millimétriques permettront de créer des communications haut débit et de nouveaux types d’environnements, les Wireless Body Environment Networks, où les utilisateurs auront la possibilité d’interagir avec l’environnement. Pour développer ces environnements, il est nécessaire d’étudier les mécanismes de propagation et les canaux de communication sans fil autour du corps humain. Cette thèse analyse les canaux de propagation pour les réseaux corporels à 60 GHz et plus particulièrement trois scenarios: (i) la propagation entre une station de base externe et un noeud placé à proximité du corps (off-body) ; (ii) la propagation entre deux noeuds portés sur le corps (on-body) ; (iii) la communication entre une station de base externe et un noeud tenu porté par la main de l’utilisateur (near-body). Un modèle de canal numérique est proposé et implémenté pour modéliser la propagation off-body en environnement intérieur. Le modèle est basé sur le standard IEEE 802.11ad et une solution de la diffraction d’une onde plane incidente sur un modèle cylindrique du corps humain. Le modèle est développé pour deux polarisations orthogonales et les performances d’une communication WiGig sont étudiées via le bit error rate. La propagation on-body est étudiée pour deux différentes configurations: avec et sans ligne de vue directe. Ces scenarios mènent à des solutions analytiques différentes: l’équation de Norton et l’onde rampante. Ces solutions sont obtenues en utilisant des modèles de corps simplifiés et ont été validées expérimentalement. De plus, une méthode permettant d’améliorer le bilan de liaison entre deux dispositifs portés sur le corps en utilisant des plaques métalliques réduisant les pertes de propagation. Cette technique a été illustrée théoriquement en utilisant les équations de Millington. Une campagne de mesure a été effectuée sur un modèle de corps plat ayant les propriétés électriques de la peau humaine. Il a été montré que cette méthode permet d’augmenter le bilan de liaison de 20 dB. La région near-body s’étendant de 5 à 30 cm du corps humain est étudiée. Il s’agit de la région correspondant à la portée de main. Un algorithme numérique est proposé pour modéliser la présence d’un utilisateur dans un environnement intérieur. Un modèle statistique a aussi été proposé. Il a été montré que la distribution spatiale du champ suit une Two-Wave Diffuse Power distribution. / The smart environments and the connected human seems to be the future of wireless communications. The development of new frequency bands in the millimeter range will allow us to create high data rate communications which will led to the Wireless Body Environment Networks. In this kind of scenarios, it is expected that the user and the environment will interact. In order to develop such new applications, it is necessary to first study the propagation mechanisms and then, the communication channel underlying body centric environments. This thesis treats of channel models for 60 GHz Body Area Networks and more particularly of three kinds of scenarios: (i) the communication between an external base station and a worn node (off-body); (ii) the communication between two worn nodes (on-body); the communication between an external base station and a hand-held device (near-body). An indoor off-body channel model is numerically proposed and implemented. The model is based on the IEEE 802.11ad indoor standard channel at 60 GHz and a fast computation solution of the scattering of a plane wave by a circular cylinder. The model is developed for two orthogonal polarizations and the communications performances are studied. The on-body propagation is studied for two different configurations: line-of-sight and non-line-of-sight communications on the body. These scenarios led to different solutions for the channel knowing as, respectively, Norton’s equations and creeping formulations. These solutions are obtained using simplified geometries which has been experimentally validated. Further, in order to improve the propagation on the human body, a technique using metallic plates has been proposed. This technique has been theoretically studied using Milligton’s equations and experimentally assessed on a flat phantom with the properties of the human skin. The proposed method allows to save up to 20 dB. Finally, the near-body communication scenario has been introduced and studied. The near-body region is extended from 5 to 30 cm away of the user body which corresponds to the arm’s reach and models a handheld device. A numerical algorithm has been proposed to model indoor near-body environments. Also, a special has been given to statistical body shadowing. It has been shown that the fading follows a Two-Wave Diffuse Power distribution.

The primary motivation behind this research was to determine whether 3D printed lenses printed out using the non-planar technique can help achieve better beam intensity for a 60 GHz printed-circuit-board based radar and consequently improve radar efficiency. Non-planar printing is a new development in the 3D printing industry. In the non-planar printing method, the printer is moving simultaneously in all X, Y and Z-axis. This process prints with curved layers, which helps achieve a smoother surface. For this, a newly developed version of the Slic3r, specifically called non-planar Slic3r, was used. The modelled lens was imported into this Slic3r software. The G-Code was generated, and using it, non-planar lenses were printed along with planar lenses for comparison purpose. The lenses printed out using the non-planar technique were not perfectly smooth as was thought initially. Both planar and non-planar lenses measurements were taken in a watchful environment, and the measurements were later compared. The comparison of measurements showed that the non-planar lens did not show any noticeable gain in the intensity over planar lenses. The conclusion, however, is limited to the frequency range around 60 GHz, and in the case of higher frequencies, the result may change