Thesis (MScEng (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2011. / ENGLISH ABSTRACT: An investigation is made to find a suitable routing protocol for a millimeter wave ad hoc wireless network. It is discovered that a hierarchical routing protocol is ideal for a high node density. Due to the high bandwidth that is possibly available, with millimeter wave transmission, packets are used to keep links between nodes active and to control data packet congestion. Cluster leaders are elected and use token packets to provide nodes with more queued messages with more transmission chances, assisting the network in congestion control. Hello messages are sent frequently to keep routing information at nodes fresh and to detect broken links quickly. If a broken link is found a new route is readily available, within a second. A simulation is created to test the protocol. Changes are made to the original proactive cluster routing protocol to reduce the route length and lessen routing overhead. A theoretical model is developed to estimate the mean waiting time for a packet. Although insight is gained by modelling the latency with queueing theory it is suggested, due to the protocol’s complexity, to use other mathematical modelling techniques such as a Markov state model or a Petri net. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Ondersoek word ingestel na ’n geskikte roete protokol vir ’n millimeter golflengte ad hoc radio pakkie netwerk. Daar word gevind dat ’n hi¨erargiese kluster roete protokol ideaal is vir ’n ho¨e digtheid van nodusse. As gevolg van die ho¨e bandwydte, wat moontlik beskikbaar is met millimeter golflengte transmissie, word pakkies gebruik om kommunikasie skakels tussen nodes in stand te hou en data pakkie verkeersopeenhoping te beheer. Kluster leiers word verkies en gebruik teken-pakkies om nodes met ’n groter data pakkie las meer transmissie kanse te gee. Sodoende word die verkeersopeenhoping van data pakkies verminder. Hallo pakkies word gereeld gestuur om die roete inligting vars te hou en gebroke kommunikasie skakels vinnig op te spoor. As ’n gebroke skakel gevind word, word ’n alternatiewe roete vinnig opgestel, binne ’n sekonde. ’n Simulasie word opgestel om die protokol te toets. Veranderinge aan die oorspronklike proaktiewe kluster protokol word aangebring om roete lengte te verklein en oorhoofse roete inligting kommunikasie te verminder. ’n Teoretiese model gebasseer op tou-staan teorie word ontwikkel om die wagtyd van ’n pakkie te bepaal. Alhoewel, insig verkry is deur die protokol te analiseer deur middel van tou-staan teorie, word daar voorgestel, as gevolg van die protokol se kompleksiteit, om eerder ander wiskundige modelleeringstegnieke te gebruik soos ’n Markov toestands model of ’n Petri net.

Ces travaux de recherche portent sur les systèmes de communication radio-sur-fibre aux fréquences millimétriques supérieures à 60 GHz. Cette thèse s’articule autour de trois problématiques cruciales pour ces systèmes : la mesure du bruit de phase des signaux millimétriques instables générés par voie optique, la suppression de l’impact du bruit de phase sur les performances des systèmes de communications radio-sur-fibre par l’utilisation de techniques de conversion de fréquence non-cohérente, et enfin l’étude de l’impact du bruit d’intensité sur les performances des systèmes à détection non-cohérente. La première partie du travail présente une nouvelle technique de détection numérique du bruit de phase, capable de mesurer le bruit de phase à n’importe quelle fréquence millimétrique générée par voie optique et donc le plus souvent instable. Il est possible de mesurer le bruit de phase pour une large gamme de fréquences de décalage, allant de fréquence très proches de la porteuse à des bruits lointains grâce à l’adaptation de la résolution fréquentielle de la mesure. Cette mesure se fait de plus sans l’approximation des petits angles, très souvent utilisés. Dans la deuxième partie, un système de communication millimétrique basé sur une détection non-cohérente est étudié. L’étage de conversion de fréquences électrique permettant l’analyse des signaux est réalisé avec une détection d’enveloppe, ce qui permet de s’affranchir des variations de phase et de fréquence de la porteuse générée par voie optique. Pour terminer, des études théoriques et expérimentales sont menées sur l’impact du bruit d’amplitude sur les systèmes radio-sur-fibre utilisant ce type de détection non-cohérente. Les simulations, basées sur des modèles théoriques, sont capables de déterminer quel bruit est prédominant lors des mesures d’EVM parmi les bruits optiques et électriques. Cette technique s’appuie sur l’observation de l’évolution de l’EVM sur la puissance optique reçue. / This Ph.D. investigates the radio over fiber communication systems at mm-wave frequencies higher than 60 GHz. The thesis elaborates on three crucial issues in these systems including:phase noise measurement of unstable optically generated mm-wave signals, elimination ofphase noise impact on performance of radio over fiber systems using non-coherent down conversion technique, and studying the amplitude noise impacts on performance of system based on these detectors. In the first part of this work, a new digital phase noise measurement technique is presented which is able to extract the phase noise of any unstable mm-waveoptically generated signal. This technique is able to measure the phase noise for a widerange of offset frequencies from close-in phase noise to far noise floor by adapting frequency resolution of measurement and without considering small angle approximation. In the second part, we present a radio over fiber system at mm-wave frequency based on non-coherent electrical frequency down conversion stage using an envelope detector which is robust against phase and frequency fluctuations of the optically generated carrier signal. Finally, a the oreticaland experimental study of amplitude noise impact on performance of radio over fiber systemsbased on non-coherent receivers is presented. In this study, a simulation technique based ontheory is developed which is able to determine, among different optical and electrical noise, the one which has the dominant effect on EVM results. This simulation technique is based onobserving the EVM evolution versus received optical power.

Ce travail de thèse porte sur les systèmes de communication radio-sur-fibre (RoF) aux fréquences millimétriques dans la gamme de fréquences 57-66 GHz et leur génération par voie optique. La technique utilisée repose sur l’emploi de diodes laser à verrouillage de modes à boites quantiques. Au cours de cette thèse, plusieurs études ont été effectuées : la première porte sur la capacité d’intégrer ces types des lasers dans des systèmes de communication RoF avec leurs performances sous modulation directe ou externe. La deuxième étude a été consacrée aux effets de la propagation de ces signaux dans des systèmes basés sur les lasers à blocage de modes. Une technique originale a été mise en place afin de réduire la sensibilité à la dispersion chromatique dans la fibre optique. Une étude de la réduction du bruit de phase des lasers à verrouillage de modes basée sur l’observation de l’effet de la contre réaction et l’injection optique externe a été également présentée. / This thesis focuses on the radio-over-fiber (RoF) communication systems at millimeter frequencies in the frequency range 57-66 GHz and optical generation of a signal at millimeter-wave frequency band. The technique used is based on mode-locked laser diodes. The diodes employed in this work are in quantum dots (or quantum dashes) technology. In this thesis, several studies were conducted: the first relates the ability of integration these types of lasers in the RoF communication systems under direct or external modulation. The second study was devoted to propagation effects. An original technique was implemented to reduce the sensitivity to chromatic dispersion in an optical fiber. A study of the reduction of phase noise mode-locked lasers based on the observation of the reaction effect and against the external optical injection was presented.

La bande de fréquence non-licensée autour de 60 GHz est une alternative prometteuse pour couvrir les besoins en bande passante des futurs systèmes de communication. L'utilisation de modulations complexes (comme OFDM ou 64-QAM) à ces fréquences permet d'atteindre, en utilisant une technologie CMOS standard, des débits de plusieurs gigabits par seconde sur quelques mètres voire quelques dizaines de mètres. Pour atteindre ces performances, la tête d'émission-réception RF (front-end RF) doit être dotée d'une référence de fréquence haute performance. Dans ce travail, une architecture originale est proposée pour générer cette référence de fréquence haute performance. Elle repose sur la multiplication de fréquence d'ordre élevé (plusieurs dizaines) d'un signal de référence basse fréquence (moins de quelques GHz), tout en recopiant les propriétés spectrales du signal basse fréquence. Cette multiplication est réalisée en combinant la production d'un signal multi-harmonique dont la puissance est concentrée autour de la fréquence à synthétiser. L'harmonique d'intérêt est ensuite extraite au moyen d'un filtrage. Ces deux étapes reposent sur l'utilisation d'oscillateurs dans des configurations spécifiques. Ce travail porte à la fois sur la mise en équation et l'étude du fonctionnement de ce système, et sur la conception de circuits dans des technologies CMOS avancées (CMOS 40 nm, BiCMOS 55 nm). Les mesures sur les circuits fabriqués permettent de valider la preuve de concept ainsi que de montrer des performances à l'état de l'art. L'étude du fonctionnement de ce système a conduit à la découverte d'une forme particulière de synchronisation des oscillateurs ainsi qu'à l'expression de solutions approchées de l'équation de Van der Pol dans deux cas pratiques particuliers. Les perspectives de ce travail sont notamment l'intégration de cette synthèse innovante dans un émetteur-récepteur complet. / The 60-GHz unlicensed band is a promising alternative to perform the high data rate required in the next generation of wireless communication systems. Complex modulations such as OFDM or 64-QAM allow reaching multi-gigabits per second throughput over up to several tens of meters in standard CMOS technologies. This performance rely on the use of high performance millimeter-wave frequency synthesizer in the RF front-end. In this work, an original architecture is proposed to generate this high performance millimeter-wave frequency synthesizer. It is based on a high order (several tens) multiplication of a low frequency reference (few GHz), that is capable of copying the low frequency reference spectral properties. This high order frequency multiplication is performed in two steps. Firstly, a multi-harmonic signal which power is located around the harmonic of interest is generated from the low frequency reference signal. Secondly, the harmonic of interest is filtered out from this multi-harmonic signal. Both steps rely on the specific use of oscillators. This work deals with the circuit design on advanced CMOS technologies (40 nm CMOS, 55 nm BiCMOS) for the proof of concept and on the theoretical study of this system. This novel technique is experimentally validated by measurements on the fabricated circuits and exhibit state-of-the-art performance. The analytical study of this high order frequency multiplication led to the discovery of a particular kind of synchronization in oscillators and to approximated solutions of the Van der Pol equation in two different practical cases. The perspectives of this work include the design of the low frequency reference and the integration of this frequency synthesizer in a complete RF front-end architecture.

Lors de cette thèse, on a développé un banc automatisé de relevé du diagramme de rayonnement particulièrement pour des antennes millimétriques avec faible directivité. On propose trois méthodes d’alimentation. La première méthode développée a été de concevoir une nouvelle sonde ayant un accès micro-coaxial de plus de 5cm afin de réduire la zone de masquage au minimum. Associée à une configuration de type flip-chip inversée, cette méthode a permis d’avoir une réduction de la zone de masquage de 80° à 20°. La deuxième méthode a été de concevoir une liaison souple par film souple de Kapton. Cette méthode présente l’avantage de placer une plus grande partie des connexions métalliques sous un plan de masse, mais nécessite une connexion optimale à la puce. Les résultats obtenus présentent une zone de masquage pratiquement inexistante, et sont conformes à l’état de l’art. La troisième méthode SER est basée sur la mesure de l’antenne sans placer de sondes ou de connecteurs spéciaux, mais en utilisant un système à charges connues. La simulation nous montre qu'il nous manque une dynamique par ces trois charges. / In this thesis, we designed and built a new 3D test bench, particularly for low-directivity integrated antennas at millimeter-wave frequencies. We proposed three feeding techniques for the antenna under test (AUT): a probe-fed technique, a flexible-transmission-line-fed technique and a radar-cross-section (RCS) method. The probe-fed method was developed with a customized probe, which involves an elongated (50 mm) coaxial line between the probe tip and the probe body, wherein the probe body is reversed (relative to the conventional measurement configuration) so it lies below the plane of the AUT. This method reduces the range of angles that are masked from 80° (for a conventional probe setup) to 20°. The second method was developed using a flexible transmission line with a modified flip-chip connection to the AUT. This method completely eliminates the masked zone. The third method characterizes the radiation pattern using a radar cross-section (RCS) method. This method requires neither a probe system nor connectors. However the simulation results demonstrate that there is insufficient variation in the ratio of received power to incident power as the load on the AUT is varied in order to make precise measurement with conventional measurement equipment.

Au cours des dernières décennies, l’observation du ciel dans les longueurs d’onde millimétriques a permis de faire grandement progresser notre compréhension de l’univers, notamment à travers l’étude du fond diffus cosmologique. Pour répondre aux besoins actuels des astronomes, nous proposons dans ce rapport un instrument intégré permettant de réaliser des mesures spectrales large-bande dans le domaine millimétrique. Celui-ci se base sur le concept de SWIFTS (Stationary-Wave Fourier-Transform Spectrometer :spectromètre de Fourier à ondes stationnaire), un instrument opérationnel aux longueurs d’onde visibles et infrarouges. Notre dispositif " SWIFTS millimétrique " utilise des détecteurs à inductance cinétique (KID pour Kinetic Inductance Detectors) comme détecteurs de lumière. Différents aspects de la conception du SWIFTS millimétrique sont abordés dans ce rapport. Le dimensionnement des éléments clés du dispositif est réalisé à l’aide de simulations électromagnétiques. Nous proposons aussi un procédé de fabrication en technologie silicium permettant le dépôt d’antennes sur membrane de nitrure de silicium SiN. Les premières caractérisations permettent de confirmer un fonctionnement adapté des détecteurs en configuration SWIFTS et démontre l’existence d’un couplage entre l’antenne et un des détecteurs aux longueurs d’onde millimétriques ce qui ouvre la voie à un futur démonstrateur. Parallèlement, la technologie développée pour le SWIFTS millimétrique a rendu possible la fabrication de KID sur membrane. L’intérêt est ici d’évaluer la membrane comme un moyen de réduire l’interaction entre les rayons cosmiques et le détecteur dans la perspective d’une utilisation des KID dans l’espace. Des mesures comparatives effectuées sur KID déposés sur membrane et sur substrat démontrent des taux d'événements identiques dans les deux cas. La membrane est donc inefficace pour l’application envisagée. Le temps de relaxation présente en revanche une dépendance avec la présence du substrat. / For the last decades, millimeter wavelength observations allowed a large improvement of our knowledge of the universe in particular with the study of the Cosmic Microwave Background. To meet today astronomers’ needs, we propose hereby an integrated instrument able to perform wide-band spectral measurements in the millimeter spectrum. It is based on the SWIFTS concept (Stationary-Wave Fourier-Transform Spectrometer) an instrument already demonstrated in the optical and infrared bands. Our device "the millimeterSWIFTS" makes use of Kinetic Inductance Detectors (KID) as light detectors. Multiples aspects of the millimeter SWIFTS development are presented in this report. Design of the key-parts of the device is done with the help of electromagnetic simulations. We also propose a process of fabrication allowing the deposition of an antenna on a silicon nitride membrane SiN. First measurements confirm an adapted behavior of the KID in a SWIFTS design and demonstrate a coupling between the antenna and one of the detectors in themillimeter waves. This opens the way to a future demonstrator. In parallel, the technology developed for the millimeter SWIFTS allowed the deposition of KID on membrane. Main goal here is to assess membranes as a mean to reduce the interaction between cosmic rays and the detector in the case of a space application. Comparative measurements performed on KID deposited on membrane and on substrate demonstrate the same rate of events in both cases. Thus, membrane is not an option for the desired application. However, relaxation time shows a dependency with the presence of substrate.

The purpose of this thesis was to investigate the feasibility of a wireless architectural approach for intra-vehicle communications. The current wired architecture was compared to a wireless approach based on three prominent wireless protocols, namely Bluetooth Low-Energy, Ultra Wide-Band, and 60 GHz Millimeter wave technology. The evaluation was focused on their potential use within the intra-vehicle domain, and judged by characterizing properties such as frequency, bandwidth utilization, and power efficiency. A theoretical study targeting the propagating behavior of electromagnetic waves was also involved. In particular, wireless behavior has been investigated both in general aspects as well as specifically aimed towards the intra-vehicle application. The theoretical study was then concluded and presented with a course of action regarding wireless connectivity. Beneficial design considerations, potentials and challenges were highlighted together with a discussion on the feasibility of a wireless architectural approach. Suggestions for future work and research have been given, which include further expansion of targeted protocols, alleviating the restricted security aspects, and extend the physical aspects onto more software based approaches.

Grace aux récents développements des technologies d’intégration, il est aujourd’hui possible d’envisager la réalisation de circuits et systèmes intégrés sur Silicium fonctionnant à des fréquences auparavant inatteignables. Par conséquence, depuis quelques années, on assiste à la naissance de nouvelles applications en bande millimétrique, comme la communication sans fil à haut-débit à 60GHz, les radars automobiles à 76-77 et 79-82GHz, et l’imagerie millimétrique à 94GHz.Cette thèse vise, en premier lieu, à la définition d’une méthodologie de conception des circuits intégrés en bande millimétrique. Elle est par la suite validée au travers de son application à la conception des amplificateurs faible-bruit en technologie BiCMOS SiGe. Dans ce contexte, une attention particulière a été portée au développement d’une stratégie de conception et de modélisation des inductances localisées. Plusieurs exemples d’amplificateurs faible-bruit ont été réalisés, à un ou deux étages, employant des composants inductifs localisés ou distribués, à 60, 80 et 94 GHz. Tous ces circuits présentent des caractéristiques au niveau de l’état de l’art dans le domaine, ainsi en confirmant l’exactitude de la méthodologie de conception et son efficacité sur toute la planche de fréquence considérée. En outre, la réalisation d’un récepteur intégré pour applications automobiles à 80GHz est aussi décrite comme exemple d’une possible application système, ainsi que la co-intégration d’un amplificateur faible-bruit avec une antenne patch millimétrique intégrée sur Silicium. / The interest towards millimeter waves has rapidly grown up during the last few years, leading to the development of a large number of potential applications in the millimeter wave band, such as WPANs and high data rate wireless communications at 60GHz, short and long range radar at 77-79GHz, and imaging systems at 94GHz.Furthermore, the high frequency performances of silicon active devices (bipolar and CMOS) have dramatically increased featuring both fT and fmax close or even higher than 200GHz. As a consequence, modern silicon technologies can now address the demand of low-cost and high-volume production of systems and circuits operating within the millimeter wave range. Nevertheless, millimeter wave design still requires special techniques and methodologies to overcome a large number of constraints which appear along with the augmentation of the operative frequency.The aim of this thesis is to define a design methodology for integrated circuits operating at millimeter wave and to provide an experimental validation of the methodology, as exhaustive as possible, focusing on the design of low noise amplifiers (LNAs) as a case of study.Several examples of LNAs, operating at 60, 80, and 94 GHz, have been realized. All the tested circuits exhibit performances in the state of art. In particular, a good agreement between measured data and post-layout simulations has been repeatedly observed, demonstrating the exactitude of the proposed design methodology and its reliability over the entire millimeter wave spectrum. A particular attention has been addressed to the implementation of inductors as lumped devices and – in order to evaluate the benefits of the lumped design – two versions of a single-stage 80GHz LNA have been realized using, respectively, distributed transmission lines and lumped inductors. The direct comparison of these circuits has proved that the two design approaches have the same potentialities. As a matter of fact, design based on lumped inductors instead of distributed elements is to be preferred, since it has the valuable advantage of a significant reduction of the circuit dimensions.Finally, the design of an 80GHz front-end and the co-integration of a LNA with an integrated antenna are also considered, opening the way to the implementation a fully integrated receiver.

This thesis discusses optoelectronic devices at mm-wave frequencies, focusing on optoelectronic beamforming and non-mechanical beam steering based on an optically excited Fresnel zone plate plasma. The optically controlled zone plate, termed the photo-injected Fresnel zone plate antenna (piFZPA) within this work, is introduced and a comprehensive theoretical framework developed. The design and optimisation of Fresnel zone plates are detailed, which determine the inherent performance of the piFZPA. A range of zone plates were designed, fabricated, and characterised at 94 GHz with up to 46 dBi gain, -26 dB sidelobe levels, and 67% aperture efficiency being measured for a quarter-wave design. The control of (sub) mm-wave beams by optical modulation of the complex permittivity of a semiconductor substrate is discussed. The significance of the free-carrier plasma dynamics, the effective lifetime, surface recombination, and the limits of the substrate which are imposed by the spatial resolution of the free-carrier plasma are highlighted, with the optimisation of these parameters discussed. The passivation quality of high-resistivity silicon wafers were characterised using a mm-wave photoconductance decay method, which yielded lifetime improvements from τ[subscript(eff)] = 60 us up to τ[subscript(eff)] ≈ 4,000 us, resulting in lowered recombination velocities (S = 15 cm/s). W-band characterisations of the passivated wafers illustrate the significance of surface recombination, with measured attenuations of up to 24 dB. Novel theoretical models are developed throughout this thesis, which yield insight into the requirements of optoelectronic devices, and are shown to agree well with measured data. The theoretical framework developed details the requirements, limitations, suitability, and design of piFZPAs at any frequency. A range of transmission-type piFZPAs are demonstrated and characterised at 94 GHz, both on-axis and off-axis, based on a novel architecture, with up to 8% aperture efficiency. Finally, the hybridisation of the piFZPA technique and well established visible display technologies, which has been developed throughout this thesis, enable low-cost, simple, and highly flexible optoelectronic devices, highlighting this method as an attractive solution to adaptive beamforming and non-mechanical steering at mm-wave and submm-wave frequencies.

Thesis (PhD)--University of Pretoria, 2013. / Electrical, Electronic and Computer Engineering