Ces dernières années, le LEAT a travaillé sur des systèmes radars d'aide à la conduite (automobile) ou pour la détection de câbles haute tension (sécurité en vol pour hélicoptères) en bande millimétrique. Classiquement, les antennes utilisées sont des réflecteurs paraboliques offrant de très bonne performances mais coûteux. Une alternative en circuit imprimée faible coût a été développée ces dernières années: les reflectarrays. Nous nous sommes attachés à développer un programme de modélisation permettant d'obtenir rapidement une bonne approximation du diagramme de rayonnement des antennes réflecteurs. Cet outil permet de simuler et de prévoir le comportement des réflecteurs de grande taille contrairement aux logiciels commerciaux qui nécessitent des ressources informatiques importantes. Les antennes à grand gain sont souvent destinées à effectuer du balayage. Dans ce cas, il est important de minimiser les premiers lobes secondaires. La solution que nous avons proposée consiste à développer une source primaire possédant un diagramme qui permette de concentrer 99% de l'énergie dans le lobe principale du diagramme et ainsi permettre de fortement diminuer les lobes secondaires par rapport aux sources classiquement utilisées (diminution de près de 15 dB). Afin d'améliorer les performances des reflectarrays en terme de gain et de dépointage, nous avons utilisé une taille de cellules réduite offrant ainsi une meilleure correction de phase. Sur des réflecteurs de petite taille, on constate une amélioration de 3 dB sur le gain et une perte de gain de 1 dB contre 3 pour un dépointage de 60° avec des cellules classiques.

L’objectif de ces travaux de recherche est la conception en technologie intégrée d’une nouvelle topologie de ligne de transmission accordable afin de réaliser des déphaseurs en bande millimétrique. Cette topologie nommée TS-CPW (pour « Tunable Slow wave CoPlanar Waveguide ») utilise d’une part le phénomène d’ondes lentes qui permet de miniaturiser longitudinalement la ligne de transmission et offre un facteur de qualité plus élevé qu’en technologie microruban intégrée, et d’autre part une approche de type MEMS (Micro Electro Mechanical system) afin obtenir l’accordabilité de la ligne avec une figure de mérite élevée comparativement à une approche de type varactor. Dans un premier temps, la topologie et la conception d’une ligne TS-CPW basée sur des simulations électromagnétiques sont présentées en technologie BiCMOS. Dans un second temps, toujours sur la base de TS-CPWs, des déphaseurs présentant 3-bit de résolution, avec différentes valeurs de déphasage total (de 157.5° et 315°), ont été développés à une fréquence de fonctionnement égale à 60 GHz. Les TS-CPWs et les déphaseurs ont été réalisés avec la technologie BiCMOS 0.25 µm de l’institut IHP en Allemagne, puis mesurés à l’aide d’un analyseur de réseau à IHP et à l’IMEP-LaHc. / This work focuses on the design of millimeter-wave phase shifters based on a new topology of tunable transmission lines named Tunable Slow wave CoPlanar Waveguide (TS-CPW). TS-CPW uses, on one side, the slow wave phenomenon in order to miniaturize longitudinally the transmission line and to show a better quality factor than its integrated microstrip transmission line counterpart and, on the other side, the MEMS approach to achieve tunability of the transmission line with a good figure-of-merit. First, the topology, the design and the electromagnetic simulations of the TS-CPW based on MEMS (Micro Electro Mechanical system) are presented in a BiCMOS technology. Next, phase shifters with 3-bit of resolution based on TS-CPWs are developed at 60 GHz with two different values of total phase shift (157.5° and 315°). These TS-CPWs and phase shifters were fabricated in IHP’s 0.25 µm BiCMOS technology and measured on the vector network analyzers of IHP and IMEP-LaHC.

Cette thèse se concentre sur la conception de circuits intégrés radio fréquence en technologie CMOS. En particulier, l’effort est axé sur les circuits pour la synthèse de fréquence (boucles à verrouillage de phase) pour les émetteurs/récepteurs. L’attention se concentre sur la conception des blocs critiques comme les oscillateurs contrôlé en tension(VCO) et les diviseurs de fréquence. La première partie de la thèse présente des directives pour la conception de VCO à résonateur LC à résistance négative et la conception d’un oscillateur en quadrature contrôlé en tension (QVCO) à 15GHz. Ce dernier représente la contribution à la réalisation d’un synthétiseur de fréquence à 15GHz en technologie CMOS 130 nm pour des applications satellites réalisé en collaboration avec Polytech’Nice (Sophia Antipolis, France). La deuxième partie de la thèse montre la contribution à la réalisation d’un synthétiseur de fréquence 60GHz en technologie CMOS 65 nm, en collaboration avec le laboratoire LAAS (Toulouse, France) pour les réseaux haut débit sans fil et à courte distance WPAN. Une attention particulière a été portée sur la conception des blocs fonctionnant des les bandes millimétriques tel que l’oscillateur et les deux premiers blocs de la chaine de division.En ce qui concerne les diviseurs de fréquence, deux topologies à injection ont été utilisées pour leur efficacité et leur basse consommation. Le prédiviseur a été conçu avec une topologie oscillateur à résonateur LC synchronisé suivi d’un oscillateur en anneau synchronisé. Le VCO a une topologie à résistance négative. Tous les circuits ci-dessus ont été réalisés et testée avec succès. / The research activities presented in this thesis are related to the design of analog CMOS Radio Frequency Integrated Circuits. In particular the effort was focused on frequency synthesizers (Phase-Locked Loop) for transceiver. This work especially deals with critical blocks such as Voltage Controlled Oscillator (VCO) and Frequency Dividers.The first part of the thesis reports the design guidelines of a negative resistance LC-tank VCO and the design of a 15GHz Quadrature Voltage Controlled Oscillator. This represents the contributions to the realizations of a Phase-Locked Loop (PLL) realization in CMOS 130 nm technology for satellite applications in collaborations with the Polytech’Nice Sophia laboratory in France. The second part of this work reports the design contribution of a 60GHz Phase-Locked Loop in 65 nm CMOS technology for Wireless Personal Area Network (WPAN) applications in collaboration with the LAAS laboratory (Toulouse, France). In particular the design efforts were devote to the blocks working at millimeter Wave (mmW) frequency such as VCO and Frequency Divider (FD). Concerning the Frequency Dividers the Injection-Locked topology was selected for the sake of its high frequency and low power characteristics. In particular the prescaler is an Injection-Locked LC-tank Frequency Divider (ILLCFD) followed by an Injection-Locked Ring Oscillator Frequency Divider (ILROFD). For the VCO the negative resistance design approach has been employed.All cited circuits have been implemented and succesfully tested.

La vision future de l'internet des objets (IdO) et Internet du Tout (OIE) plongera les personnes soi-disant environnements intelligents impliquant un grand nombre de secteurs d'applications telles que l'habitat intelligent, smart-villes, surveillance de l'environnement, l'e-santé ... IdO et l'OIE ont tendance à faire des objets du quotidien lisible, identifiable, localisable, adressable et contrôlable via le déploiement sans fil généralisée et l'Internet. Parmi ces capacités, la localisation et plus largement le positionnement omniprésente joueront, dans un proche avenir, un rôle clé pour promouvoir une autre vision émergente: un Internet spatio-temporelle des lieux (IoP), qui serait en mesure de structurer et d'organiser, par des moyens des approches sans fil d'énergie savez, le contenu spatial d'Internet. Il est bien connu que dans les réseaux locaux sans fil et personnelles, l'encombrement du spectre, les communications à faible efficacité énergétique et l'exploitation insuffisante des ressources spatiales sont parmi les facteurs qui peuvent ralentir son développement en termes de débit et de l'autonomie. Pour surmonter ces restrictions inévitables, la technologie de localisation sans fil, comme le mécanisme pour découvrir relation spatio-temporelle entre les objets connectés, apparaît ici aussi comme une des solutions clés. Ce est parce que les techniques de localisation dédiés à la communication sans fil peuvent aider à développer plus largement l'exploitation des ressources spatiales et de permettre la conduite routage optimisé pour une faible énergie communication multi-hop et la décongestion du spectre pour Green ICT (Information et Communication Technology). Pour proposer des systèmes optimisés atteindre à la fois la communication des taux de données élevés et la localisation précise, nous définissons un TDOA bien adapté (Time Difference of Arrival) méthode basée en mesure d'effectuer la localisation basée sur des signaux de communication et de données seulement. Avec cette technique, contrairement estimations TDOA classiques, il est possible de diminuer considérablement la complexité des infrastructures nécessaires en utilisant des configurations SIMO (Single Input Multiple Output), MISO (Multiple Input Single Output) ou MIMO (Multiple Input Multiple Output) dans les objets connectés . Toute cette étude est faite dans le cadre de l'IEEE 802.11ad spécifications de l'alliance standard et WiGig, mais les solutions proposées sont compatibles avec d'autres normes et peuvent être étendues à d'autres applications de contexte courant nécessitant entrées de localisation tels que la robotique par exemple ou de shopping intelligent... / The forthcoming vision of Internet of Things (IoT) and Internet of Everything (IoE) will immerse people in so-called Smart Environments involving a great number of sectors of applications such as smart habitat, smart-cities, environment monitoring, e-health… IoT and IoE tend to make everyday objects readable, recognizable, locatable, addressable and controllable via the widespread wireless deployment and the internet. Among these capabilities, localization and more extensively the ubiquitous positioning will play, in the next future, a key role to promote another emerging vision: a spatio-temporal Internet of Places (IoP), which would be able to structure and organize, by means of wireless energy aware approaches, the spatial content of Internet. It is well known that in wireless local and personal area networks, the spectrum congestion, the low energy efficiency communications and the insufficient exploitation of the spatial resources are among the factors that may slow down its development in terms of throughput and autonomy. To overcome these unavoidable restrictions, wireless localization technology, as the mechanism for discovering spatio-temporal relationship between connected objects, appears here also as one of the key solutions. This is because dedicated localization techniques in wireless communication can help in developing more extensively the exploitation of spatial resources and allow driving optimized routing for low energy multi-hop communication and spectrum decongestion for Green ICT (Information and Communication Technology). To propose optimized systems achieving both high data rate communication and precise localization, we define a well suited TDOA (Time Difference of Arrival) based method able to perform localization based on communication signals and data only. With this technique, unlike conventional TDOA estimations, it is possible to drastically decrease the complexity of required infrastructures by using either SIMO (Single Input Multiple Output), MISO (Multiple Input Single Output) or MIMO (Multiple Input Multiple Output) configurations in connected objects. This whole study is made within the framework of the IEEE 802.11ad standard and WiGig alliance specifications, however the proposed solutions are compatible with other standards and can be extended to other context aware applications requiring localization inputs such as robotics for example or smart shopping...

L'objectif de ce travail est de concevoir et de caractériser un front-end millimétriqueutilisant des lignes de propagation à ondes lentes S-CPW optimisées en technologies CMOS avancées.Ces lignes présentant des facteurs de qualité 2 à 3 fois supérieurs à ceux des lignes classiques de typemicroruban ou CPW.Dans le premier chapitre, l'impact de l'évolution des noeuds technologiques CMOS sur lesperformances des transistors MOS aux fréquences millimétriques et sur les lignes de propagation ainsiqu'un état de l'art concernant les performances des front-end sont présentés. Le deuxième chapitreconcerne la réalisation des lignes S-CPW dans différentes technologies CMOS et la validation d'unmodèle phénoménologique électrique équivalent. Le troisième chapitre est dédié à la conceptiond'amplificateurs de puissance à 60 GHz utilisant ces lignes S-CPW en technologies CMOS 45 et65 nm. Cette étude a permis de mettre en évidence l'apport des lignes à ondes lentes aux performancesdes amplificateurs de puissance fonctionnant dans la gamme des fréquences millimétriques. Uneméthode de conception basée sur les règles d'électro-migration et permettant une optimisation desperformances a été développée. Finalement, un amplificateur faible bruit et un commutateur d'antennetravaillant à 60 GHz et à base de lignes S-CPW ont été conçus en technologie CMOS 65 nm afin degénéraliser l'impact de ce type de lignes sur les performances des front-end millimétriques.

Ce travail de thèse s'inscrit dans la recherche des solutions économiquementviables pour des réseaux personnels à hauts débits (plusieurs Gbps à plusieursdizaines de Gbps) opérationnels en bande millimétrique autour de 60 GHz. Aucas où ces réseaux servent un nombre élevé d'utilisateurs, ils comprendront unemultitude d'antennes afin d'assurer l'accès sans fil rapide. Afin de réduire aumaximum le coût d'un module d'antenne, les réseaux doivent fournir un signalanalogue à des porteuses millimetriques. Une solution prometteuse pour les systèmesde distribution qui correspond à ces besoins sont des structures à fibreoptique, laquelle permet une transmission à faibles pertes et à haute bande passante.On parle de l'approche "radio-sur-fibre" (en anglais, radio-over-fiber). Laproblématique est de pouvoir générer et moduler un signal aux fréquences millimétriqueslors de la transmission optique - et ce avec des composant bas coûts.La technique utilisée dans le cadre de cette thèse est l'emploi des diodes laser àverrouillage de modes. Ces derniers vont pouvoir générer des hautes fréquencestout en ne nécessitant qu'une alimentation continue, et ils peuvent être modulésde manière directe ou externe. Les lasers à semi-conducteurs employés ici sontd'une génération encore à l'état d'étude puisqu'il s'agit des lasers à boites (ouîlots) quantiques. Ces lasers ont montrés de très bonnes capacités à générer dessignaux électriques aux fréquences autour de 60 GHz, bien qu'ayant encore, pourl'instant, à une stabilité de fréquence (ou de phase) limitée. Dans le cadre des systèmesde communication opto/micro-ondes, peu de travaux approfondis ont étémenés sur ces structures.Au cours de cette thèse, plusieurs études ont été effectuées. La première portesur les propriétés générales d'un système construit à partir de ce type de laser(puissances disponibles, figure de bruit, linéarité etc.). Une deuxième étude aété consacrée aux effets de la propagation des signaux dans les systèmes baséssur les lasers à verrouillage de modes, notamment de la dispersion chromatiquelaquelle a un effet considérable sur les distances de transmission. Les deux étudesmettent en avant l'importance d'une limitation du nombre de modes générés parla diode laser afin d'optimiser non seulement le gain du lien et la puissance RFrécupérée, mais aussi la figure de bruit du système. Lors d'une troisième étude, lastabilité en fréquence/phase s'est révélée critique, car le bruit de fréquence/phaselimite la qualité de la transmission en introduisant un plancher d'erreur mêmepour des rapports signal-a-bruit très élevés. Des différentes générations de lasersà boites (îlots) quantiques et à verrouillage de modes ont été testées. Le problèmedu bruit de fréquence et de phase persiste et ne peut pas être résolu en utilisantles techniques classiques comme les boucles à verrouillage de phase conventionnelles.Une solution pour ce problème a été développée pour les systèmes detransmission; elle permet simultanément un ajustement de fréquence supérieure(précision de quelques Hz à quelques kHz) à celle donnée par le processus de fabricationdes diodes lasers (précision de quelques GHz), ainsi qu'une stabilisationde fréquence et de phase.

Au cours des dernières années, la faisabilité des émetteurs-récepteurs millimétriques entièrement intégrés a été largement démontrée en technologies silicium CMOS et BiCMOS. Deux axes sont actuellement très porteurs dans ce domaine : (1) l’amélioration des performances à travers des boucles d’asservissement intégrées (ALC : Automatique Level Control), (2) le développement de solutions de caractérisation sur silicium des composants millimétriques (BIT : Built In Test). L’objectif principal de cette thèse est de développer les blocsde base (détecteurs de puissance et baluns) pour répondre aux besoins actuels des applications ALC et BIT. Les circuits réalisés combinent l’avantage de composants actifs de la technologie BiCMOS 55 nm, de STMicroelectronics, avec l’avantage des structures passives à ondes lentes développées à l’IMEP-LAHC. Ce travail permet un développement plus rapide et robuste pour la future génération de systèmes millimétriques. / In the past few years, the feasibility of high performance millimeter-wave(mmWave) fully-integrated transceivers has been widely demonstrated in both CMOS andBiCMOS silicon technologies. Nowadays, automatic level control (ALC) solutions and in-situtesting (BIT: Built in Testing) and characterization of mmWave components, constitute themajor research interest in mmWave domain. This work focus on the development of the mainbuilding blocks (power detectors and baluns) that meet the requirement of the today’smmWave ALC and BIT applications. The developed prototypes take advantage of the highperformances transistors offered by the BiCMOS 55 nm technology, from STMicroelectronics, aswell as the high performances of the slow-wave based passive components developed by theIMEP-LAHC laboratory. Several prototypes were developed as a proof of concept for thedesignated applications. This work helps future generation millimeter-wave systems to havefaster development and better robustness.

Ces travaux de thèse portent sur l’étude des solutions innovantes de caractérisation destinées à l’amélioration de la précision du schéma équivalent petit signal à des fréquences d’ordre millimétrique. Après un état de l’art dans ce domaine et suite à plusieurs caractérisations au niveau composant, une nouvelle structure de test “nouvelle approche” est conçue, réalisée et caractérisée. Cette approche est basée sur une nouvelle méthode d’extraction du schéma équivalent petit signal à partir d’une structure adaptée. Cette méthode réalise une adaptation des impédances du transistor sous test aux impédances des équipements de mesure. Comme résultats, la transmission du signal entre la source et le composant sous test ainsi que la précision de la mesure des paramètres extraits sont améliorés. La méthode développée permet la validation des modèles compacts des composants fabriqués en technologie BiCMOS 0.25μm au niveau circuit. Les mesures réalisées ont montré une bonne amélioration de l’extraction entre un transistor sous test seul et un transistor sous test adapté. La méthode d’investigation proposée permet l’extraction des modèles à des très hautes fréquences avec une meilleure précision. Cette thèse ouvre donc des perspectives pour la caractérisation en bande millimétrique notamment caractérisation des structures adaptées en impédances et de méthodes de de-embedding dédiées à ces dernières. / This thesis deals with the study of innovative solutions for small signal characterization at millimeter wave frequency. After a state of the art in this field and following to several characterizations at device level, a new test structure “new approach” is designed, fabricated, and characterized. The approach of characterizing at circuit level is based on a new method to extract the small signal equivalent circuit using matched test structures. This method proposed here makes the DUT impedances carefully match the characteristic impedances of the measurement equipment. In results, the transmission of the signal from the source to the DUT is improved while the parameters extraction accuracy is improved. The developed method enables the BiCMOS 0.25μm compact models validation in circuit level in mm-Wave band and enables accurate parameter extraction in a narrow band at higher frequencies. The verification results demonstrated that the new test structure significantly outperformed the conventional method in measurement accuracy specifically in very high frequency. Some aspects of the matched test structure could be subject of further investigation. In particularly topics such as, characterization over multiple test structure geometries and deembedding test structure losses.

Récemment la bande 60 GHz a été mise en avant pour le développement des réseaux de communication sans fil centrés sur le corps humain. Cet intérêt de la bande 60 GHz pour les applications BAN (Body Area Network) s'explique par les avantages clefs qu'elle procure par rapport aux bandes de fréquence plus basses (possibilité de débits de données supérieurs à 7 Gbit/s, réduction des interférences avec les réseaux voisin, compacité des dispositifs, etc). Le nombre d'application de communication BAN est amené à croître dans les années à venir avec le déploiement de la 5ème génération de réseaux de télécommunications mobiles. Afin de protéger efficacement les utilisateurs des expositions générées par ces applications BAN à 60 GHz, il est nécessaire de se pencher sur les problématiques de réduction du couplage corps/antennes, mais également sur l'évaluation et la quantification du niveau d'exposition du corps à 60 GHz. Pour cela, les travaux de thèse ont été organisés suivant trois axes de recherche : le premier consiste à mettre en évidence et à quantifier l'impact de certains choix de conception en matière d'antennes sur le couplage avec le corps humain ; le second porte sur les outils et les méthodes utilisés pour estimer l'impact thermique d'une exposition électromagnétique 60 GHz sur le fantôme équivalent de la peau ; et le troisième propose une nouvelle approche à la fois dosimétrique et thermique pour évaluer et analyser le couplage corps/antennes en bande millimétrique. / The 60-GHz frequency band has been identified recently as attractive for body centric wireless communication development. Indeed, this band has several key advantages compared to lower frequency bands as high data rates above 7 Gbit/s, low risks of interference with neighboring wireless networks and compact devices. With the development of the future 5th generation of mobile networks in the millimeter-wave band, the number of BAN applications at 60 GHz should increase. To avoid health effects and protect user against an electromagnetic exposure of BAN devices at 60 GHz, the reduction of the coupling between human body and antennas, as well as the evaluation and quantification of exposure are main research aspect of the thesis. The main thesis contributions are divided in three parts: a quantification of antenna design effects on the interactions between human body and antennas; a study of tools and methods used to assess thermal effects due to 60 GHz exposure on a skin-equivalent phantom; and a new dosimetric and thermal approach to evaluate interaction between human body and BAN antennas at 60 GHz.

L’émergence des satellites très haut débit pour la couverture des zones rurales s’accompagne de nombreuses contraintes technologiques. Dans le cadre du plan France très haut débit, le projet THD-sat proposé par le CNES se base sur l’utilisation des bandes Q et V pour assurer les liaisons avec les stations au sol et libérer de la ressource sur la bande Ka communément utilisée par les satellites ancienne génération. Avec la montée en fréquence, les besoins en termes de filtrage deviennent très stricts nécessitant des considérations particulières. Le premier chapitre reprend le contexte de l’étude et expose les différents éléments permettant de justifier le choix de la technologie SIW qui profite à la fois des bons facteurs de qualité des modes volumiques se propageant dans le substrat et de l’aisance du procédé technologique et de l’intégration des structures planaires. Les performances des cavités SIW restent néanmoins intimement liées à l’épaisseur de substrat qui doit être augmentée pour atteindre de meilleurs facteurs de qualité. L’augmentation de l’épaisseur de substrat s’accompagne de deux principales limitations : le rallongement des fils de « bonding » utilisés pour le câblage du filtre à son environnement MIC d’épaisseur 254 μm et l’élargissement de la ligne d’accès 50 Ω induisant des problèmes de discontinuités et d’excitations de modes parasites. L’approche suivie consiste à considérer des formes 3D permettant l’adaptation de mode et d’épaisseur entre une ligne microruban sur substrat de 254 μm d’épaisseur et le SIW d’épaisseur plus importante. Une nouvelle transition 3D est dès lors imaginée. Le chapitre II reprend les différents procédés technologiques utilisés pour la mise en forme et la métallisation des substrats 3D. Les substrats considérés sont l’alumine et la silice fondue mis en forme par ablation laser et le thermoplastique COP mis en forme par moulage. La principale limitation de l’ablation laser concerne les épaisseurs de substrat accessibles. Nous nous limitons à 635 μm dans le cas de l’alumine et à 500 μm dans le cas de la silice fondue. Le moulage polymère permet de s’affranchir de cette limitation et de viser des substrats plus épais (2 mm pour la solution COP).Le chapitre III reprend les étapes de conception des différentes solutions de filtrage avec la nouvelle transition 3D. Des résultats de mesures de différents prototypes réalisés sont par ailleurs présentés. Ces résultats sont globalement encourageants mais nécessitent d’être davantage développés pour être mieux exploitables. / The emergence of satellite high-speed internet for the coverage of rural zones is accompanied by numerous technological constraints. The current trend is to use higher frequency bands to release the satellite capacity for users. The increasing frequency requires new considerations especially for filtering needs which become notably strict in terms of performance and integration in small integrated circuits. This work introduces filtering solutions based on high quality factor Substrate Integrated Waveguides (SIW) using a novel 3D transition for a better integration in widely planar Hybrid ICs.The first chapter introduces the study’s context and the different elements justifying the use of the SIW technology.In fact, these structures profit from both the good quality factors of TE-modes propagating in the substrate and the easy fabrication process and integration of planar circuits. However, to increase the SIW quality factor, the substrate’s height should be increased which induces interconnection limitations such as long bond wires with high parasitic effects and large microstrip access lines with discontinuity problems and the propagation of parasitic modes. The adopted approach consists in imagining 3D shapes providing both mode and thickness matching between a microstrip line etched on a thin substrate and a high substrate SIW.The second chapter introduces the different manufacturing processes used for the substrate’s shaping and metallization. Three substrates are considered: Alumina, fused Silica and Cyclo Olefin Polymer COC. Alumina is widely used in space applications and has a well-mastered process. For equivalent dielectric losses, fused silica has a lower permittivity for bigger structures with less manufacturing tolerance sensitivity. Both Alumina and fused silica substrates are shaped using a laser ablation. The reachable substrate’s height using this machining method is relatively low. The polymer solution (COP) is elaborated using a molding process allowing higher substrates heights.The last chapter outlines the design steps of the different solutions and the measurement results of the first prototypes. These results are on the whole encouraging but require further development.