Aujourd’hui, l’amélioration des fréquences de coupure des transistors sur silicium en technologie CMOS et BiCMOS permet la conception d’applications au-delà de 110 GHz. Des recherches antérieures dans le cadre du laboratoire commun entre STMicroelectronics et l’IEMN ont permis le développement de méthodologies et d’outils de caractérisation en régime petit signal jusque 325 GHz et en bruit jusque 110 GHz. L’objectif de cette thèse est la conception d’un outil de caractérisation en bruit au-delà de 110 GHz pour permettre l’extraction des quatre paramètres de bruit des transistors. Après une présentation des difficultés liées à la caractérisation millimétrique sur silicium, la deuxième première partie de ce travail se consacre au développement d’un banc de mesure de bruit dans la bande 130 – 170 GHz. Son optimisation a permis d’obtenir un facteur de bruit du récepteur inférieur à 7 dB sur toute la bande de fréquences. La conception de tuners intégrés sur silicium en technologie BiCMOS9MW est ensuite détaillée. Leur réalisation a permis l’extraction des quatre paramètres de bruit d’un transistor bipolaire en technologie BiCMOS9MW dans la bande 130 – 170 GHz. La dernière partie de ce travail présente la mesure et l’extraction des modèles petit signal et de bruit jusque 110 GHz des transistors MOSFET et TBH avancés de STMicroelectronics permettant l’établissement d’une base de données pour des caractérisations au-delà de 110 GHz. Enfin, une ouverture vers un système de mesure de bruit totalement intégré sur silicium est évoquée pouvant permettre des caractérisations en bruit au-delà de 170 GHz. / Today, cut-off frequencies improvement of silicon transistors in CMOS and BiCMOS technologies allow the design of applications over 110 GHz. Prior research in common lab between STMicroelectronics and IEMN allowed methodologies and characterization studies in small signal up to 325 GHz and noise up to 110 GHz. This thesis objective is the development of noise characterization setup over 110 GHz to allow silicon transistor four noise parameters extraction. After a presentation of characterization difficulties on silicon, the second part of this work is devoted to noise setup development in 130 – 170 GHz frequency range. The optimization of the setup allowed us to obtain a receiver noise factor below 7 dB. Silicon in-situ tuner design is then detailed. Achievement of these tuners gave us the possibility to extract the four noise parameters of a bipolar transistor in BiCMOS9MW technology in 130 – 170 GHz frequency range. The last part of this work presents small signal and noise model extraction up to 110 GHz of STMicroelectronics advanced MOSFET and HBT transistors to allow database building which will be useful to permit noise characterizations of these transistors over 110 GHz. Finally, the possibility to develop complete on wafer noise system on silicon is mentioned to provide noise characterization over 170 GHz.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Depuis la découverte des nanotubes de carbone en 1991 par Sumio Iijima et de leurs fascinantes caractéristiques électriques et mécaniques, de nombreuses études ont visé leurs utilisations dans toutes sortes d'applications et notamment en électronique. Ainsi, nous avons proposé d'axer nos travaux de recherche vers l'utilisation de nanotubes de carbone, de part leurs propriétés mécaniques et électriques exceptionnelles, pour la réalisation de fonctions électromécaniques pour des applications hyperfréquences (RF-NEMS). Une première partie de nos travaux a ainsi été dédiée à l'étude des propriétés des nanotubes de carbone et des architectures de composants pouvant potentiellement conduire à des composants RF-NEMS aux performances et fonctionnalités augmentées. La seconde partie de nos travaux a ainsi porté sur le développement de méthodes de modélisation et de protocoles de conception spécifiquement adaptés aux échelles et aux caractères multi physiques des composants. Un logiciel développé nous a ainsi permis de concevoir et de prédire les performances d'une capacité variable à base de nanotubes de carbone, dont nous avons démontré la viabilité contournant ainsi la forte résistance présenté par un nanotube unitaire, verrou actuel de cette technologie. Enfin, nous avons proposé les architectures de fonctions hyperfréquences plus complexes telle qu'un déphaseur accordable dont les performances, prédites par les outils que nous avons mis en place, démontrant l'attrait des nanotubes de carbone pour la réalisation de fonctions d'accord évoluées et performantes, avec un fort potentiel attendu au niveau de temps de réaction (se situant dans le domaine de la nanoseconde).

La croissance rapide du marché des télécommunications a conduit à une augmentation significative du nombre de bandes de fréquences allouées et à un besoin toujours plus grand en terminaux offrant un accès à un maximum de standards tout en proposant un maximum de services. La miniaturisation de ces appareils, combinée à la mise en place de fonctions supplémentaires, devient un vrai challenge pour les industriels. Une solution consiste à utiliser des fonctions hyperfréquences accordables (filtres, commutateurs, amplificateurs,…). A ce jour, trois technologies d'accord sont principalement utilisées : capacités variables, matériaux agiles ou encore MEMS RF. Dans le cadre de cette thèse, nous avons travaillé sur l’optimisation de dispositifs hyperfréquences reconfigurables en utilisant des couches minces ferroélectriques KTN et des diodes varactor. Nos premiers travaux étaient relatifs à l’optimisation des dispositifs hyperfréquences accordables à base de couche minces KTN. Dans ce sens, nous avons tout d’abord caractérisé le matériau KTN en basse et haute fréquence afin de déterminer ses caractéristiques diélectriques et ses caractéristiques en température. Nous avons ensuite réalisé des dispositifs hyperfréquence élémentaires tels des capacités interdigitées et des déphaseurs à base de KTN. Leurs performances ont alors été comparées aux mêmes dispositifs réalisés cette fois à base de la solution la plus utilisée BST. Bien qu’un léger avantage soit acquis à la solution BST, il n’en reste pas moins vrai que les résultats avec le matériau KTN sont très proches indiquant que cette voie peut également, après optimisation, apporter une alternative au BST. La seconde partie de nos travaux concerne la réalisation de filtres planaires accordables en fréquence à base de matériaux KTN et de diodes varactor. Nous avons ainsi réalisé deux filtres passe-bande accordables. Un premier filtre passe-bande de type « open loop » possédant deux pôles agiles en fréquence centrale et un second filtre passe-bande de type SIR rendant possible l’accord de sa fréquence centrale ainsi que de sa bande passante à partir de diodes varactor. Lors de la conclusion sur nos travaux, nous évoquons les suites à donner à ce travail et les perspectives. / The rapid growth of the telecommunications industry has led to a significant increase in the number of allocated frequency bands and a growing need for terminals providing access to an increasing number of standards while offering maximum services. The miniaturization of these devices combined with the implementation of additional functions has become a real challenge for the industry. The use of tunable microwave functions (filters, switches, amplifiers ...) appears as a solution to this issue. In this way, three main technologies are mainly used: variable capacitors, tunable materials and RF MEMS. Within the scope of this thesis work, our investigations focused on tunable microwave devices optimization through the use of KTN ferroelectric thin films and varactor diodes. The first part of our study deals with the optimization of tunable microwave devices based on KTN ferroelectric thin films. In this way, we initially characterized KTN material in low and high frequency to determine its dielectric properties and characteristics according to the temperature. Then, we designed basic microwave devices such as interdigitated capacitors and phase shifters based on KTN thin films. Their performances were then compared with BST solution. Despite results highlighting a slight advantage to BST solution, KTN material, after optimization process, could be a BST alternative solution. In a second part, our work focused on the realization of tunable planar filters based on KTN materials and varactor diodes. We made two tunable bandpass filters. The first one is a center frequency tunable bandpass two pole open loop filter and the second one is a center frequency and bandwidth tunable SIR bandpass filter using varactor diodes. Finally, we discussed follow-up to give to this work and outlooks.

La croissance rapide du marché des télécommunications a conduit à une augmentation significative du nombre de bandes de fréquences allouées et à un besoin toujours plus grand en terminaux offrant un accès à un maximum de standards tout en proposant un maximum de services. La miniaturisation de ces appareils, combinée à la mise en place de fonctions supplémentaires, devient un vrai challenge pour les industriels. Une solution consiste à utiliser des fonctions hyperfréquences accordables (filtres, commutateurs, amplificateurs,...). A ce jour, trois technologies d'accord sont principalement utilisées : capacités variables, matériaux agiles ou encore MEMS RF. Dans le cadre de cette thèse, nous avons travaillé sur l'optimisation de dispositifs hyperfréquences reconfigurables en utilisant des couches minces ferroélectriques KTN et des diodes varactor. Nos premiers travaux étaient relatifs à l'optimisation des dispositifs hyperfréquences accordables à base de couche minces KTN. Dans ce sens, nous avons tout d'abord caractérisé le matériau KTN en basse et haute fréquence afin de déterminer ses caractéristiques diélectriques et ses caractéristiques en température. Nous avons ensuite réalisé des dispositifs hyperfréquence élémentaires tels des capacités interdigitées et des déphaseurs à base de KTN. Leurs performances ont alors été comparées aux mêmes dispositifs réalisés cette fois à base de la solution la plus utilisée BST. Bien qu'un léger avantage soit acquis à la solution BST, il n'en reste pas moins vrai que les résultats avec le matériau KTN sont très proches indiquant que cette voie peut également, après optimisation, apporter une alternative au BST. La seconde partie de nos travaux concerne la réalisation de filtres planaires accordables en fréquence à base de matériaux KTN et de diodes varactor. Nous avons ainsi réalisé deux filtres passe-bande accordables. Un premier filtre passe-bande de type " open loop " possédant deux pôles agiles en fréquence centrale et un second filtre passe-bande de type SIR rendant possible l'accord de sa fréquence centrale ainsi que de sa bande passante à partir de diodes varactor. Lors de la conclusion sur nos travaux, nous évoquons les suites à donner à ce travail et les perspectives.

L’évolution des différentes générations de systèmes de télécommunications cellulaires a entraîné une complexité du frontal des terminaux mobiles caractérisés notamment par la multiplication des chaînes RF qui le constituent. Chaque chaîne est dédiée à un standard, ce qui n’est pas optimale ni du point de vue du coût, ni de l’encombrement. Afin d’optimiser les performances et la consommation du transmetteur radiofréquence, l’approche retenue dans cette thèse consiste à concevoir de façon globale différents blocs afin de partager les contraintes. Dans cette thèse, l’approche globale de la co-conception est organisée en deux sous études. Celles-ci sont destinées à terme à être intégrées dans un même frontal RF entièrement configurable.La première étude aborde la problématique de la conception conjointe entre une antenne et un amplificateur de puissance (PA) qui sont traditionnellement conçus séparément. Nous avons tout d’abord déterminé les spécifications de l’antenne permettant de maximiser le transfert d’énergie entre ces deux blocs. Ensuite, nous avons conçu l’antenne en partageant les contraintes d’impédance à la fois dans la bande utile et aux harmoniques entre cette dernière et le PA afin de relâcher les spécifications sur le réseau d’adaptation d’impédance. Cette approche permet de maintenir la linéarité du PA à des niveaux de puissances supérieures par rapport au cas où l’antenne est adaptée sur 50 Ω.La seconde étude s’intéresse à la conception conjointe d’antennes et de composants agiles. Nous avons réparti l’effort de miniaturisation et les pertes ohmiques associées entre la structure d’antenne et le composant agile (capacité commutable numériquement). Les développements présentés se sont appuyés sur des simulations électromagnétiques, des modélisations, des caractérisations système (linéarité et temps de commutation) et des mesures en rayonnement (efficacité) de prototypes d’antennes miniatures dans les bandes basses 4G. Nos études ont abouti à la conception d’une antenne fente reconfigurable fonctionnant sur la bande instantanée maximale autorisée par la 4G. Pour une intégration sur smartphone, l’élément rayonnant n’occupe que 18 x 3 mm2 de surface soit λ_0/30×λ_0/180 à 560 MHz. La fréquence de résonance de l’antenne varie entre 560 MHz et 1.03 GHz et l’efficacité totale varie entre 50% et 4%. Un banc de mesure de la linéarité a été implémenté afin d’évaluer la linéarité des antennes agiles. La spécification de linéarité exigée par le standard est maintenu jusqu’à une puissance de 22 dBm. / The recent development of cellular communication standards has led to an increasing RF front-end complexity due to the ever increasing number of RF needed paths. Each RF path is dedicated to a frequency bands group which might not be optimal for cost and occupied space area. Consequently, in order to optimize the RF performances and energy consumption, the approach used in this thesis is to share the constraints between the PA and the antenna of the front-end: this is called co-design. In this thesis, the considered co-design approach is twofold and in near future both results should be simultaneously considered and integrated into one fully reconfigurable RF front-end design.The first study addresses the co-design of an antenna and its associated power amplifier (PA), which are traditionally designed separately. We first determine the antenna impedance specifications to maximize the tradeoff between the energy transfer and PA linearity. Then, we propose to remove the impedance matching network between antenna and PA, while demonstrating that a low impedance antenna can maintain the RF performances. Contrarily to the classical approach where the antenna is matched to 50 Ω, the proposed co-design shows the possibility to keep the linearity of the PA even for high power levels (> 20 dBm).The second study focuses on the co-design of an antenna and tunable components. We are sharing the miniaturization effort and the resistive losses between the antenna structure and the tunable capacitor (DTC). The achieved developments are based on electromagnetic simulations, modeling, system characterization (linearity and switching time) and radiation measurements (efficiency) of miniature reconfigurable antenna prototypes in the 4G low bands. The considered studies have led to the design of a frequency reconfigurable antenna addressing the maximum instantaneous available bandwidth authorized by 4G. The radiator occupies only 18 x 3 mm2 (λ0/30 x λ0/180 at 560 MHz), and thus it is extremely suitable for a possible integration onto smartphones. The antenna resonance frequency is tuned between 560 MHz and 1030 MHz and the total efficiency varies between 50% and 4%. For the first time, the impact of SOI DTC implemented on the antenna radiating structure on linearity is measured with a dedicated test bench. The linearity specified by 4G is maintained up to 22 dBm of transmitted power.