Ces travaux de thèse se concentrent sur la conception d'amplificateur de puissance MMIC large-bande haut rendement en technologie GaN pour des applications militaires de type radar et guerre électronique. Les objectifs principaux sont de proposer des structures innovantes de combinaison de puissance notamment pour réduire la taille des amplificateurs actuels tout en essayant d'améliorer leur rendement dans le même temps. Pour cela, une partie importante de ces travaux consiste au développement de combineurs de puissance ultra compactes et faibles pertes. Une fois ces combineurs réalisés et mesurés, ils sont intégrés dans des amplificateurs de puissance afin de prouver leur fonctionnalité et les avantages qu'ils apportent. Différents types d'amplificateur tant au niveau de l'architecture que desperformances sont réalisés au cours de ces travaux. / This work focus on the design of wideband and high efficiency GaN MMIC high power amplifiers for military applications such as radar and electronic warfare. The main objectives consist in finding innovative power combining structures in order to decrease the overall size of amplifiers and increasing their efficiency at the same time. For these matters, an important part of this work consisted in the design and realization of ultra compact and low loss power combiners. Once the combiners realized and measured, they are integrated into power amplifiers to prove their functionality and the advantages they bring. Several kind of amplifiers have been realized whether regrind their architecture or their performances.

Avec la multiplication des transmissions sans fil et l'augmentation de la taille des données à transférer, il est devenu primordial d’augmenter le débit et donc de monter en fréquence. C'est pour cela que la bande des 60 GHz (57-66 GHz) a été allouée mondialement. A cause de la forte atténuation et de la coupure éventuelle du lien émission/réception du fait de la présence humaine, les antennes à 60 GHz doivent être très souvent reconfigurables. C’est dans cette optique que Canon Research Center France et l’IETR se sont associés pour mener à bien ce travail de thèse. Un nouveau procédé de fabrication de matériau à gradient d’indice a été développé. Le fait de presser un échantillon de matériau composite contenant de l’air permet d’augmenter sa masse volumique et donc sa constante diélectrique. Cette dernière est donc contrôlable par simple pression à une température optimisée. Grâce à ce procédé, divers antennes et composants à gradient d’indice ont été réalisés. L’étude s’est principalement focalisée sur la lentille de Luneburg, qui présente une loi d’indice radiale et qui possède une infinité de points focaux autour de la lentille. Cette lentille a été réalisée avec une variation d’indice progressive et est alimentée tout d’abord par un guide d’onde ouvert. L’étude s’est ensuite focalisée sur la conception de sources intégrées afin de pouvoir les positionner côte à côte et permettre d’obtenir le dépointage du faisceau. Pour ce faire, l’utilisation de guides diélectriques intégrés rayonnant (RSIW) a été étudiée. Deux sources passives sont conçues avec respectivement une transition ligne/fente/guide et une transition avec plongeur dans le guide rayonnant. Par la suite, une troisième source a été conçue utilisant un substrat unique avec une transition ligne coplanaire/plongeur/guide afin de simplifier la technologie de réalisation. Enfin, deux prototypes actifs ont été conçus afin de faire une communication complète à 60 GHz. Des puces réceptrices intégrées de chez Hittite ont été utilisées afin d’alimenter les sources rayonnantes qui illuminent la lentille de Luneburg. L’objectif in fine était d’obtenir trois faisceaux dirigés dans des directions distinctes. Enfin, une première contribution à l’étude d’antennes en bande submillimétrique est effectuée avec la réalisation d’un cornet, d’une antenne à polarisation circulaire et d’une antenne de focalisation en champ proche. / With the increase of wireless communications and the required bite rate of data, it needs to increase the working frequency up to the millimeter wave range. For that purpose, the 60 GHz bandwidth (57-66GHz) has been unlicensed all over the world. Because of the loss and possible non-line-of-sight communication, the antennas should have beam scanning properties. Therefore, the Canon Research Center France and the IETR have run a study (PhD) to fulfill this project. A new technological process has been developed in order to manufacture inhomogeneous materials. By pressing a composite foam material sample, it will expel the air from the sample and so, increase its density and its relative permittivity. Using this process, several antennas and components have been manufactured. A particular focus has been done on the Luneburg lens antenna. This one has a radial index law and has infinity of focal points around the lens. This lens has been manufactured with a smooth gradient index law and first fed by an open-ended waveguide to validate the technological process. Secondly, integrated sources have been studied in order to place them side by side and to allow scanning the main beam direction. Thus, the use of Radiating Substrate Integrated Waveguide (RSIW) appears to be the solution. Two passives sources have been realized. The first one is a RSIW fed by a coupling slot from a microstrip line and the second one is a RSIW fed by a coaxial probe from a first thin SIW. A thirdly RSIW has been studied fed by a coplanar line and a coaxial probe and to simplify the manufacturing. Finally, two active antennas prototypes have been realized to perform a complete communication at 60 GHz. Complete integrated chips from the Hittite company have been used to feed the RSIW which illuminate the Luneburg lens. The objective was to implement a beam scanning antennas with three distinct beam directions. Lastly, a preliminary contribution to the sub-millimeter antennas has been performed with the manufacturing of a horn, a circular polarization antenna and a near-field focusing antenna.

Dans la course aux développements des technologies, une révolution a été induite par l'apparition des technologies Nitrures depuis deux décennies. Ces technologies à grande bande interdite proposent en effet une combinaison unique tendant à améliorer les performances en puissance, en intégration et en bilan énergétique pour des applications hautes fréquences (bande L à bande Ka en production industrielle). Ces technologies mobilisent fortement les milieux académiques et industriels afin de proposer des améliorations notamment sur les aspects de fiabilité. Les larges efforts consentis par des consortiums industriels et académiques ont permis de mieux identifier, comprendre et maîtriser certains aspects majeurs limitant la fiabilité des composants, et ainsi favoriser la qualification de certaines filières. Cependant, la corrélation et l'analyse physique fine des mécanismes de dégradation suscite encore de nombreux questionnements, et il est indispensable de renforcer ces études par une approche d'analyse multi-outils. Nous proposons dans ce travail de thèse une stratégie d'analyse selon deux aspects majeurs. Le premier concerne la mise en œuvre d'un banc de stress qui autorise le suivi de nombreux marqueurs électriques statiques et dynamiques, sans modifier les conditions de connectiques des dispositifs sous test. Le second consiste à mettre en œuvre un modèle physique TCAD le plus représentatif de la technologie étudiée afin de calibrer le composant à différentes périodes du stress.Le premier chapitre est consacré à la présentation des principaux tests de fiabilité des HEMTs GaN, et des défauts électriques et/ou structuraux recensés dans la littérature ; il y est ainsi fait état de techniques dites non-invasives (c.-à-d. respectant l'intégrité fonctionnelle du composant sous test), et de techniques destructives (c.-à-d. n'autorisant pas de reprise de mesure). Le second chapitre présente le banc de stress à haute fréquence et thermique développé pour les besoins de cette étude ; l'adjonction d'un analyseur de réseau vectoriel commutant sur les quatre voies de tests permet de disposer de données dynamiques fréquentielles, afin d'interpréter les variations du modèle électrique petit-signal des modules sous test à différentes périodes du stress. [...] / In the race to technologies development, disruptive wide bandgap GaN devices propose challenging performances for high power and high frequency applications. These technologies strongly mobilize academic and industrial partners in order to improve both the performances and the reliability aspects. Extensive efforts have made it possible to better identify, understand and control first order degradation mechanisms limiting the lifetime of the devices; however, the correlation (and fine physical analysis) of different degradation mechanisms still raises many questions, and it is essential to strengthen these studies by mean of multi-tool analysis approach. In this thesis, we propose a twofold analysis strategy. The first aspect concerns the implementation of a stress bench that allows the monitoring of numerous static and dynamic electrical markers, without removing the devices under test from their environment (in order to have a consistent data set during the period of the strain application). The second aspect consists in implementing a physical TCAD model of the technology under study, in order to calibrate the component before stress, and to tune the model at different periods of stress (still considering stress-dependent parameters potentially affecting the device). The first chapter is devoted to the presentation of the main reliability tests of GaN HEMTs, and of the electrical and/or structural defects identified in the literature; it thus refers to so-called non-invasive techniques (i.e. respecting the functional integrity of the component under test), and destructive techniques (i.e. not allowing additive electrical measurement). The second chapter presents the high frequency and thermal stress bench dedicated to this study; the addition of a vector network analyzer switching between the four test channels provides dynamic frequency data, in order to interpret the variations of the small signal electrical model of the devices under test at different stress periods.[...]

The project contains adventurous research, with an aim to understand and design a planar Gunn diode with a novel integrated circuit configuration to extract the 2nd harmonic. This will potentially enhance the Gunn diode as a high frequency source towards frequencies in excess of 600 GHz. The RF performance from the above integrated circuit was achieved by design and simulation of radial and diamond stub resonators, which were used to short the fundamental oscillation frequency while allowing the second harmonic frequency to pass through to the load. The diamond stub resonator is a new configuration offering a number of advantages which include a higher loaded quality factor and occupies 55% less chip area than a comparable radial stub resonator. The designed novel circuits with integrated planar Gunn diode were fabricated using microwave monolithic integrated circuits (MMIC) technology at the James Watt Nanofabrication centre in Glasgow University. Full DC and microwave characterisation of the diodes and integrated circuits with diodes was carried out using a semiconductor analyser, network analyser (10 MHz to 110GHz) and spectrum analyser (10 MHz to 125GHz). The microwave measurements were carried out at the high frequency RF laboratories in Glasgow University. Both GaAs and InP based Gunn diodes were characterised and RF characterisation work showed that higher fundamental frequencies could be obtained from Gunn diodes fabricated on InGaAs on a lattice matched InP substrate. Planar Gunn diodes with an anode to cathode spacing of 4 microns giving a fundamental frequency of oscillation of 60 GHz were fabricated as an integrated circuit with coplanar waveguide (CPW) circuit elements to extract the second harmonic. A second harmonic frequency of 120 GHz with an RF output power of -14.11 dBm was extracted with very good fundamental frequency suppression. To the authors knowledge this was the first time second harmonic frequencies have been extracted from a planar Gunn diode technology. Aluminium gallium arsenide (AlGaAs) planar Gunn diodes were also designed with an integrated series inductor to match the diode at the fundamental frequency to obtain higher RF output powers. Devices with a 1 micron anode to cathode separation gave the highest fundamental oscillation frequency of 121 GHz the highest reported for a GaAs based Gunn diode and with an RF output power of -9 dBm. These circuits will have potential applications in secure communications, terahertz imaging etc.

This thesis presents the design of radio-frequency (RF) tunable active inductors (TAIs) with independent inductance (L) and quality factor (Q) tuning capability, and their application in the design of RF tunable phase shifters and directional couplers for wireless transceivers. The independent L and Q tuning is achieved using a modided gyrator-C architecture with an additional feedback element. A general framework is developed for this Q- enhancement technique making it applicable to any gyrator-C based TAI. The design of a 1.5V, grounded, 0.13um CMOS TAI is presented. The proposed circuit achieves a 0.8nH-11.7nH tuning range at 2GHz, with a peak-Q in excess of 100. Furthermore, printed and integrated versions of tunable positive/negative refractive index (PRI /NRI) phase shifters, are presented in this thesis. The printed phase shifters are comprised of a microstrip transmission-line (TL) loaded with varactors and TAIs, which, when tuned together, extends the phase tuning range and produces a low return loss. In contrast, the integrated phase shifters utilize lumped L-C sections in place of the TLs, which allows for a single MMIC implementation. Detailed experimental results are presented in the thesis. As an example, the printed design achieves a phase of -40 to +34 degrees at 2.5GHz. As another application for the TAI, a reconfigurable CMOS directional coupler is presented in this thesis. The proposed coupler allows electronic control over the coupling coefficient, and the operating frequency while insuring a low return loss and high isolation. Moreover, it allows switching between forward and backward operation. These features, combined together, would allow using the coupler as a duplexer to connect a transmitter and a receiver to a single antenna. Finally, a planar electronically steerable patch array is presented. The 4-element array uses the tunable PRI/NRI phase shifters to center its radiation about the broadside direction. This also minimizes the main beam squinting across the operating bandwidth. The feed network of the array uses impedance transformers, which allow identical interstage phase shifters. The proposed antenna array is capable of continuously steering its main beam from -27 to +22 degrees of the broadside direction with a gain of 8.4dBi at 2.4GHz.

This dissertation addresses the design of monolithically integrated phase shifters at S- and L- frequency bands using a commercially available GaAs process from Triquint. The focus of the design is to operate over a wide bandwidth with full 360° phase shift capability, 50 Ω input/output impedance match and low RMS phase and gain errors. The first version of the design is based on passive all-pass phase shifters integrated with wideband amplifiers to compensate for insertion loss. This design uses a 4-bit system to achieve the required phase shift and each bit consists of 3 sections of all-pass filters designed at separate frequencies within the 0.8 – 3 GHz band. Simulation results show a complete 360° phase shift with RMS gain error of less than 0.6 dB and RMS phase error of less than 2.5°. The system is also shown to achieve good input and output impedance matching characteristics. However, the fabricated prototype fails to perform with full functionality due to the excessive number of passive inductors in the design and the resulting mutual coupling. The mutual coupling issue could be solved by spacing out the layout to allow more separation among the inductors. Unfortunately, in the S- and L-bands, this is not an option for this research work as the fabricated design already uses the maximum allowed chip size as determined by the foundry. In addition, larger chip sizes considerably increase the cost in practical applications. To address the challenging needs of small size, wide bandwidth and low frequency applicability, the second design introduced in this dissertation proposes a novel phase shifter implementation that utilizes tunable active differential inductors within all-pass networks. The inductor tuning is used to achieve phase shifts up to 180⁰. A switchable active balanced to unbalanced transition circuit (balun) is included in front of the all-pass network to complement its phase shift capability by another 180°. In addition, the all-pass network is followed by a variable gain amplifier (VGA) to correct for gain variations among the phase shifting states and act as an output buffer. Although active inductors have been previously used in the design of various components, to the best of our knowledge, this is the first time that they have been used in an all-pass phase shifter. The approach is demonstrated with an on-chip design and implementation exhibiting wideband performance for S and L band applications by utilizing the 0.5 µm TriQuint pHEMT GaAs MMIC process. Specifically, the presented phase shifter exhibits 1 × 3.95 mm2 die area and operates within the 1.5 GHz to 3 GHz band (i.e. 2:1 bandwidth) with 10 dB gain, less than 1.5 dB RMS gain error and less than 9° RMS phase error. Comparison with the state-of-the-art MMIC phase shifters operating in S and L bands demonstrates that the presented phase shifter exhibits a remarkable bandwidth performance from a very compact footprint with low power consumption. Consequently, it presents an important alternative for implementation of wideband phase shifters where all-passive implementations will consume expensive die real estate.

Le réflectomètre six-portes est un dispositif de mesure en hyperfréquences qui permet de déterminer le facteur de réflexion d'un dispositif sous test (qui est directement lié avec son impédance d'entrée) ou alternativement de trouver le rapport en module et phase entre deux différents signaux. Ce type de mesure est utilisé très souvent dans le domaine des hyperfréquences, d'un coté dans les laboratoires pour caractériser des composants et de l'autre coté dans des applications comme les radars de sécurité pour les automobiles, les démodulateurs numériques ou le contrôle d'antennes adaptatives. <br /><P><br />L'un des avantages du réflectomètre six-portes par rapport aux autres systèmes qui mesurent les mêmes quantités est sa structure très simple : il s'agit essentiellement d'un circuit linéaire avec six accès dont quatre sont connectés à des détecteurs de puissance. Il est donc beaucoup plus facile à réaliser et moins coûteux que les autres types de système qui nécessitent généralement des composants plus sophistiqués comme par exemple des mélangeurs de bonne qualité. <br /><P><br />Après un calibrage du réflectomètre six-portes, il est possible de calculer le facteur de réflexion du dispositif sous test ou le rapport en module et phase entre deux signaux différents ainsi que des informations sur la précision de ces valeurs à partir des puissances mesurées par les quatre détecteurs. On peut donc dire que le calcul numérique à l'aide d'un ordinateur remplace le besoin de disposer d'un circuit de mesure très sophistiqué qui permet d'obtenir les résultats d'une manière plus directe. <br /><P><br />Malgré cet avantage considérable que présente la simplicité du circuit, les réflectomètres six-portes sont à ce jour surtout utilisés dans des laboratoires de métrologie en raison de la bonne précision des mesures qu'ils permettent de réaliser ; par contre, leur emploi dans des produits commercialisés est très faible et concerne principalement des applications très spécialisés. Il existe plusieurs raisons pour ce fait, entre autres la bande de fréquences assez réduite dans laquelle fonctionnent la plupart des réflectomètres six-portes, l'encombrement de certaines de ces structures qui contiennent souvent plusieurs coupleurs directifs, et aussi des problèmes qui peuvent apparaître dans la procédure de calibrage du système dans certaines situations. <br /><P><br />Dans cette thèse, nous présentons donc plusieurs développements pour résoudre ces problèmes afin de rendre possible une utilisation des réflectomètres six-portes à plus grande échelle dans des produits industriels. Il s'agit d'abord d'un algorithme de calibrage très robuste qui élimine les difficultés que pouvaient présenter dans certaines situations les algorithmes utilisés auparavant. Puis, nous avons développé un réflectomètre six-portes en technologie hybride à bas coût avec une surface de 20 cm² incluant les détecteurs de puissance, qui fonctionne sur une très large bande de fréquences, de 1.5 MHz à 2200 MHz. Finalement, nous présentons un réflectomètre six-portes que nous avons réalisé en technologie intégrée monolithique MMIC. Le circuit occupe une surface de 2.2 mm² incluant les détecteurs et fonctionne entre 1.3 GHz et 3.0 GHz. Ses meilleures caractéristiques se trouvent autour de la fréquence de 1.8 GHz, la fréquence de la nouvelle gamme de radiomobiles DCS 1800. <br /><P><br />Tous ces développements devraient beaucoup faciliter l'utilisation des réflectomètres six-portes dans des applications industrielles destinées à un grand public comme des radars de sécurité pour les automobiles ou des démodulateurs numériques pour les radiomobiles. Nous espérons que les résultats de notre travail aideront à convaincre un plus grand nombre de fabricants des avantages de ce dispositif encore relativement nouveau.

A 5-bit MMIC serial to parallel converter has been designed in Gallium Arsenide. It is intended to be used together with a 5-bit True Time Delay (TTD) circuit, but it can easily be expanded into an arbitrary number of bits. The circuit has been designed with a logic style called DCFL and a 0.20 mm process (ED02AH) from OMMIC has been used to fabricate the circuit. The chip size of this 5-bit MMIC serial to parallel converter is 2.0x0.8 mm (including pads) and close to two hundred transistors are used. Due to the complexity of the transistor models the complete serial to parallel converter has not been fully simulated. However, the smaller building blocks like inverter, latch, etc. have been simulated successfully. These blocks were assembled into the complete circuit.

In this thesis, three different types of low-noise amplifiers (LNA’s) have been designed using a 0.25 mm SiGe BiCMOS process. Firstly, a single-stage amplifier has been designed with 11 dB gain and 3.7 dB noise figure at 8 GHz. Secondly, a cascode two-stage LNA with 16 dB gain and 3.8 dB noise figure at 8 GHz is also described. Finally, a cascade two-stage LNA with a wide-band RF performance (a gain larger than unity between 2-17 GHz and a noise figure below 5 dB between 1.7 GHz and 12 GHz) is presented. These SiGe BiCMOS LNA’s could for example be used in the microwave receivers modules of advanced phased array antennas, potentially making those more cost- effective and also more compact in size in the future. All LNA designs presented in this report have been implemented with circuit layouts and validated through simulations using Cadence RF Spectre.

<p>A 5-bit MMIC serial to parallel converter has been designed in Gallium Arsenide. It is intended to be used together with a 5-bit True Time Delay (TTD) circuit, but it can easily be expanded into an arbitrary number of bits. The circuit has been designed with a logic style called DCFL and a 0.20 mm process (ED02AH) from OMMIC has been used to fabricate the circuit. The chip size of this 5-bit MMIC serial to parallel converter is 2.0x0.8 mm (including pads) and close to two hundred transistors are used. Due to the complexity of the transistor models the complete serial to parallel converter has not been fully simulated. However, the smaller building blocks like inverter, latch, etc. have been simulated successfully. These blocks were assembled into the complete circuit.</p>