In this modern age of information, the demands on data transmission networks for greater capacity, and mobile accessibility are increasing drastically. The increasing demand for mobile access is evidenced by the proliferation of wireless systems such as mobile phone networks and wireless local area networks (WLANs). The frequency range over which an oxygen resonance occurs in the atmosphere (~58-62 GHz) has received recent attention as a possible candidate for secure high-speed wireless data networks with a potentially high degree of frequency reuse. A significant challenge in implementing data networks at 60 GHz is the manufacture of low-cost RF transceivers capable of satisfying the system requirements. In order to produce transceivers that meet the additional demands of high-volume, mobility, and compactness, monolithic millimeter wave integrated circuits (MMICs) offer the most practical solution. In the design of radio tranceivers with a high degree of integration, the receiver front-end is typically the most critical component to overall system performance. High-performance low-noise amplifiers (LNAs) are now realizable at frequencies in excess of 100 GHz, and a wide variety of mixer topologies are available that are capable of downconversion from 60 GHz. However, local oscillators (LOs) capable of providing adequate output power at mm-wave frequencies remain bulky and expensive. There are several techniques that allow the use of a lower frequency microwave LO to achieve the same RF downconversion. One of these is to employ a subharmonic mixer. In this case, a lower frequency LO is applied and the RF mixes with a harmonic multiple of the LO signal to produce the desired intermediate frequency (IF). The work presented in this thesis will focus on the development of a GaAs MMIC 4-X subharmonic mixer in Finite Ground Coplanar (FGC) technology for operation at 60 GHz. The mixer topology is based on an antiparallel Schottky diode pair. A discussion of the mechanisms behind the operation of this circuit and the methods of practical implementation is presented. The FGC transmission lines and passive tuning structures used in mixer implementation are characterized with full-wave electromagnetic simulation software and 2-port vector network analyzer measurements. A characterization of mixer performance is obtained through simulations and measurement. The viability of this circuit as an alternative to other high-frequency downconversion schemes is discussed. The performance of the actual fabricated MMIC is presented and compared to currently available 60 GHz mixers. One particular MMIC design exhibits an 11.3 dB conversion loss at an RF of 58.5 GHz, an LO frequency of 14.0 GHz, and an IF of 2.5 GHz. This represents excellent performance for a 4X Schottky diode mixer at these frequencies. Finally, recommendations toward future research directions in this area are made. / Master of Science

Avec le contexte actuel des défis sécuritaires, la détection de petits objets devient un enjeu majeur pour lutter contre les actes malveillants. Mais les évolutions des technologies en bandes millimétriques et le potentiel de ces bandes, notamment autour de 60 GHz peuvent faciliter la conception de systèmes de plus en plus performants, permettant de répondre à ces enjeux. Cette thèse s’inscrit dans ce contexte pour proposer un système de détection ultra-large bande (ULB) millimétrique pour des applications de courte portée. Après un état de l'art détaillé des fondamentaux de la détection, nous présentons une validation de l'estimation de la surface équivalente radar (SER) par simulation avec le logiciel HFSS et par mesures en chambre anéchoïque. Ces deux études nous ont permis d'identifier les éléments essentiels à l'analyse système et les paramètres critiques de la détection d'objets canoniques cylindres et plaques. Une fois l'analyse système cernée, nous avons proposé une approche de détection multi-bande basée sur le radar monostatique pour améliorer la couverture de détection des systèmes, mais aussi et surtout pour pallier la limitation de la détection des objets en fonction de leur orientation par rapport à l'axe de viser de l'antenne. Nous avons également proposé une architecture (émetteur-récepteur) simple pouvant être associée au principe de détection. Le dimensionnement du système nous a permis d'identifier les amplificateurs faible bruit (LNAs) comme éléments critiques du récepteur et ainsi d'établir leurs spécifications pour atteindre les performances visées. Une comparaison des technologies SG13S de IHP et D007IH de OMMIC est menée dans la dernière partie de ce travail. Le choix de la technologie est justifié et la conception des LNAs sous ADS Keysight est détaillée. Une simulation de l'ensemble du système basée sur les performances des LNAs conçus et sur les simulations de SER est présentée pour illustrer la mise en œuvre de la détection. Enfin, les performances de la détection sont évaluées pour des cibles cylindriques et les apports du système proposé sont illustrés en comparaison avec une détection classique mono-bande / With the current context of security challenges, small objects detection is becoming a major issue in the fight against malicious acts. However, developments in millimeter-band technologies and the potential of these bands, particularly around 60 GHz, can facilitate the design of increasingly efficient systems to meet these challenges. This thesis is part of this context to propose an ultra-wideband (UWB) millimeter-wave detection system for short-range applications.After a detailed state-of-the-art of the fundamentals of detection, we present a validation of the radar cross-section (RCS) estimation by simulations with HFSS software and by measurements in anechoic chamber. These two studies allowed us to identify the essential elements for system analysis and the critical parameters for the detection of canonical objects such as cylinders and plates.Once the system analysis was identified, we proposed a multi-band detection approach based on monostatic radar to improve the detection coverage of the systems, but also and especially to overcome the limitation of objects detection according to their orientation in relation to the antenna boresight. We also proposed a simple architecture (transceiver) that could be associated with the detection principle. The system design allowed us to identify low noise amplifiers (LNAs) as critical elements of the receiver and thus establish their specifications to achieve the targeted performances.A comparison of IHP's SG13S and OMMIC's D007IH technologies is conducted in the last part of this work. The choice of technology is justified and the design of LNAs under ADS Keysight is detailed. A simulation of the entire system based on the performance of the designed LNAs and RCS simulations is presented to illustrate the implementation of detection. Finally, detection performances are evaluated for cylindrical targets and the contributions of the proposed system are illustrated in comparison with conventional single-band detection

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.