Cette thèse porte sur l'étude d'antennes intégrées sur silicium aux fréquences millimétriques, dans le but d'aboutir à des modules d'émission-réception totalement intégrés et reportés par des technologies standards dans un objet communicant. Ce travail comprend deux axes majeurs: Le première axe traite de l'étude, la conception et la réalisation d'antennes intégrées dans un boitier standard QFN couplées à un circuit émetteur-récepteur Ultra Large Bande (ULB) à 60 GHz comprenant des antennes intégrées de type dipôle replié fabriquées en technologie CMOS SOI 65-nm sur silicium haute résistivité. Dans un premier temps, nous avons défini le modèle de simulation à partir duquel nous avons étudié les performances des antennes prenant en compte l'influence de l'environnement (boitier, capot, fil d'interconnexions et technologie de fabrication). Dans un second temps, nous avons réalisé une optimisation des performances en adaptation et en rayonnement en ajoutant au sein du boitier un substrat et des éléments rayonnants couplés aux antennes intégrées sur la puce. Ce dispositif permet de réaliser des communications très haut débit (jusqu'à 2.2 Gbps) avec une très faible consommation d'énergie. Nous montrons qu'il est possible d'atteindre une distance de communication de plusieurs mètres grâce à un réseau transmetteur réalisé en technologie imprimée.Le deuxième axe porte sur la conception et la réalisation d'antennes multifaisceaux en bande V pour applications à long portée; il propose d'associer un réseau transmetteur réalisé sur technologie imprimée à un réseau focal constitué d'un petit nombre d'antennes intégrées sur silicium afin d'obtenir un compromis intéressant entre le niveau de gain, le coût et les capacités de dépointage de faisceau. Plusieurs réseaux sont démontrés avec un faisceau en polarisation circulaire, un gain de 18.6 dBi et une capacité de dépointage de ±24°. / This PhD thesis investigates the integration of antennas on silicon substrates at millimetre-wave frequencies in order to obtain fully-integrated and packaged transceiver modules using standard technologies in wireless devices. This work is organized in two main parts:In the first part, we investigated the design and realization of integrated antennas in a standard QFN package coupled to a 60 GHz Ultra-Wide-Band (UWB) transceiver chip with two integrated folded-dipole antennas implemented in a 65-nm CMOS-SOI technology on high-resistivity silicon. We defined a simulation model from which we studied the performance of integrated antennas, taking into account the influence of the environment (package, lid, wirebonding and manufacturing technology). Then, we optimized the antenna performances in impedance matching and radiation gain using radiating elements printed on a substrate and coupled to the on-chip folded dipoles. This antenna led to the demonstration of high-data rate communications (up to 2.2 Gbps) with a very low power consumption. We showed that the communication distance can be extended up to several meters using a transmit array printed on a low-loss substrate.In the second part, we investigated the design and realization of multibeam antennas in V-band for long-range applications; it is based on a transmit-array realized in standard printed technologies associated with a focal source array, which consists of a small number of integrated antennas on silicon in order to achieve a good compromise between the radiation gain, the cost and the beam steering capabilities. Several arrays were demonstrated with a circularly-polarized beam, a gain of 18.6 dBi et a beam-steering capability of ±24°.

For ultra-high speed communication systems at high center frequencies above 100 GHz, we propose a disruptive change in system architecture to address major issues regarding amplifier chains with a large number of amplifier stages. They cause a high noise figure and high power consumption when operating close to the frequency limits of the underlying semiconductor technologies. Instead of scaling a classic homodyne transceiver system, we employ repeated amplification in single-stage amplifiers through positive feedback as well as synthesizer-free self-mixing demodulation at the receiver to simplify the system architecture notably. Since the amplitude and phase information for the emerging oscillation is defined by the input signal and the oscillator is only turned on for a very short time, it can be left unstabilized and thus come without a PLL. As soon as gain is no longer the most prominent issue, relaxed requirements for all the other major components allow reconsidering their implementation concepts to achieve further improvements compared to classic systems. This paper provides the first comprehensive overview of all major design aspects that need to be addressed upon realizing a SPARS-based transceiver. At system level, we show how to achieve high data rates and a noise performance comparable to classic systems, backed by scaled demonstrator experiments. Regarding the transmitter, design considerations for efficient quadrature modulation are discussed. For the frontend components that replace PA and LNA amplifier chains, implementation techniques for regenerative sampling circuits based on super-regenerative oscillators are presented. Finally, an analog-to-digital converter with outstanding performance and complete interfaces both to the analog baseband as well as to the digital side completes the set of building blocks for efficient ultra-high speed communication.