L'engouement récent pour l'Internet des Objets comme pour les communications satellites entraine des besoins forts en systèmes de communication radio-fréquence (RF) performants. Afin de répondre aux contraintes du marché de masse, ces systèmes doivent être toujours moins encombrants et permettre de maitriser leur consommation de puissance. Ils doivent également être capable d'adresser plusieurs standards de communications et d'ajuster leur performances aux besoins de leur environnement, toujours afin de réduire leur taille et leur consommation. Actuellement, beaucoup de travaux se concentrent sur le développement d'amplificateurs faible-bruits (LNA), le bloc le plus critique des récepteurs RF. L'objectif est donc de concevoir des récepteurs multi-mode et multi-standard. Pour cela, les LNA nécessitent des flots de conception capables de s'adapter aux différentes technologies et topologies afin de répondre à des cahiers des charges très diverses. Cette thèse a donc pour objectif le développement de méthodologies de conception simple et précise pour l'implémentation d'amplificateurs faible bruit.La première méthodologie présentée est dédiée à l'implémentation de LNA en technologie COTS pour des applications spatiales. Ce LNA présente une adaptation large-bande pour adresser plusieurs standards. Il a été conçu pour faire partie d'un récepteur RF dédié aux nano-satellites. Ce dernier a donc fait l'objet d'une étude préliminaire afin de déterminer le cahier des charges à partir des normes des standards visés.La seconde méthodologie est dédiée à l'implémentation de LNA en technologie CMOS pour n'importe quelle type d'applications. Cette méthodologie est d'abord présentée au travers de topologies simples, puis appliquée à un LNA sans inductances à forte linéarité. Cette méthodologie permet notamment de comparer les topologies mais également les technologies CMOS, même les plus avancées telle que la 28 nm FDSOI.Enfin le LNA sans inductances est rendu reconfigurable pour adresser plusieurs standards tout en gardant le dimensionnement optimum obtenu par la méthodologie présentée précédemment. En effet les tailles et polarisation de chaque transistor sont contrôlées numériquement afin d'adapter les performances du LNA à un standard donné. De plus, l'étude de filtres de type N-path combinés au LNA proposé permet d'étendre encore la linéarité du circuit / The recent enthusiasm for the Internet of Objects as well as for satellite communications leads to the need for high-performance radio-frequency (RF) communication systems. In order to meet the constraints of the mass market, these systems must be compact and be as low power as possible. Beside, they are expected to address multiple communication standards and to adjust their performance to the environment, still in order to reduce the size and the power consumption. Currently, many works focus on the development of low-noise amplifiers (LNA), the most critical block of RF receivers. To address this purpose, the goal is to design multi-mode and multi-standard receivers. Hence, LNAs require design flows that can adapt to the different technologies and topologies in order to meet any given set of specifications. This thesis aims at the development of simple and accurate design methodologies for the implementation of low-noise amplifiers.The first proposed methodology is dedicated to the implementation of a LNA in COTS technology for spatial applications. This LNA offers a broadband matching to address several standards. It is designed to be part of an RF receiver for nano-satellites. Thus, the latter is first studied in order to determine the specifications based on the standards of the targeted applications.The second methodology is dedicated to the implementation of LNAs in CMOS technology for any kind of applications. This methodology is first illustrated with basic topologies and then applied to an highly linear inductorless LNA. The design methodology also enables a fair comparison between the topologies and also CMOS technologies, even the most advanced ones such as the 28 nm FDSOI.Finally, reconfigurability is added to the inductorless LNA, to address several standards while retaining the optimum sizing given by the previously introduced methodology. Indeed, the size and polarization of each transistor are digitally controlled in order to adjust the LNA's performance to a given standard. Furthermore, the study of N-path filters combined with the proposed LNA is explored to improve the linearity of the circuit.

Cette thèse porte sur les défis techniques et technologiques dans la conception des architectures mobiles d'émission « tout numérique » reconfigurables fonctionnant dans les bandes cellulaires pour les standards GSM, W-CDMA, HSUPA et LTE. Avec l'évolution constante des besoins en communication, les terminaux mobiles doivent être en mesure de couvrir différents standards à partir d'une même architecture, en fonction des bandes de fréquences libres, du débit et des contraintes spectrales. Dans un but de réduction des coûts, de consommation et d'une plus grande intégration, de nouvelles architectures dites multistandards se sont développées permettant à un seul émetteur d'adresser chaque standard au lieu de paralléliser plusieurs architectures radio chacune dédiée à un standard particulier. Depuis plusieurs années ont émergé des technologies nanométriques telles que le CMOS 90nm ou 65nm, ouvrant la voie à une plus grande numérisation des blocs fonctionnels des architectures jusqu'alors analogiques. Dans cette étude, nous identifions les évolutions possibles entre « monde analogique » et « monde numérique » permettant de déplacer la limite de la bande de base jusqu'à l'amplificateur de puissance. Plusieurs architectures ont été étudiées avec des degrés de numérisation progressifs jusqu'à atteindre l'architecture « tout numérique » englobant une partie de l'amplification de puissance. Un travail approfondi sur l'étude des différents standards cellulaires mené conjointement avec l'implémentation et la simulation de ces architectures, a permis d'identifier les différents verrous technologiques et fonctionnels dans le développement d'architectures « tout numérique ». Les contraintes de pollution spectrale des raies de sur-échantillonnage sont apparues comme dimensionnantes. Pour chaque bande de chaque standard, ces contraintes ont été évaluées, afin de définir une méthode d'optimisation des fréquences de sur-échantillonnage. Cependant un filtrage externe reste nécessaire. Une deuxième étape nous a amené à identifier et concevoir une technique de filtrage passe bande reconfigurable pour les bandes cellulaires de 1710 à 1980MHz avec au moins 60MHz de largeur de bande afin d'adresser le standard LTE, et 23dB d'atténuation à 390MHz du centre de la bande pour adresser le pire cas de filtrage (bandes 1, 3 et 10 en W-CDMA). Nous avons alors conçu et implémenté un filtre reconfigurable à inductances actives, afin de garantir reconfigurabilité et très faibles pertes d'insertion. Cette thèse a donc permis à partir d'une problématique actuelle et au travers d'une démarche d'identification des limites des architectures « tout numérique », de proposer un prototype de filtre adapté. Ce filtre a été conçu en CMOS 65nm, réalisé et mesuré, les performances sont conformes aux exigences requises / This thesis addresses the technical and technological challenges in the design of “all digital” reconfigurable mobile architectures operating cellular standard bands (GSM, WCDMA, HSUPA and LTE). With the ever-changing communication needs, mobile devices must be able to address different standards from a common architecture depending on free frequency bands, data rate and spectral constraints. In order to reduce costs, consumption and to obtain a greater integration, new architectures were developed and called multi-standard allowing a single transmitter to transmit each standard instead of parallelizing several radio architectures each dedicated to a particular standard. For several years nanoscale technologies such as 90nm or 65nm CMOS have emerged, clearing the way to replace analog functional blocks by greater digital functional blocks. In this study, we identify possible changes between "analog world" and "digital world" to move the digital boundary from the baseband to power amplifier. Several architectures have been studied with progressive digitization degrees to meet "all digital" architecture, comprising part of the power amplifier. Extensive work on the study of different cellular standards conducted jointly with the implementation and simulation of these architectures, let us identified the different technological and functional locks in the development of "all digital" architectures. Oversampling spurious constraints have emerged as dimensioning. For each band of each standard, these constraints were evaluated to define an optimization method of over-sampling frequency. However an external filter is required. A second step led us to identify and design a reconfigurable bandpass filtering technique for cellular bands from 1710 to 1980MHz with at least 60MHz of bandwidth in order to address the LTE, and 23dB attenuation at 390MHz from the center of the filter to address the most constringent filtering cases (bands 1, 3 and 10 in W-CDMA). We then designed and implemented a reconfigurable filter based on active inductors to ensure reconfigurability and very low insertion loss. This thesis permit from an actual architecture system issue and through a process to identify limitations of “all digital” architectures, to propose an adapted filtering solution. This filter was designed in 65nm CMOS, implemented. Measured performance is consistent with requirements

Cette thèse porte sur les défis techniques et technologiques dans la conception des architectures mobiles d'émission " tout numérique " reconfigurables fonctionnant dans les bandes cellulaires pour les standards GSM, W-CDMA, HSUPA et LTE. Avec l'évolution constante des besoins en communication, les terminaux mobiles doivent être en mesure de couvrir différents standards à partir d'une même architecture, en fonction des bandes de fréquences libres, du débit et des contraintes spectrales. Dans un but de réduction des coûts, de consommation et d'une plus grande intégration, de nouvelles architectures dites multistandards se sont développées permettant à un seul émetteur d'adresser chaque standard au lieu de paralléliser plusieurs architectures radio chacune dédiée à un standard particulier. Depuis plusieurs années ont émergé des technologies nanométriques telles que le CMOS 90nm ou 65nm, ouvrant la voie à une plus grande numérisation des blocs fonctionnels des architectures jusqu'alors analogiques. Dans cette étude, nous identifions les évolutions possibles entre " monde analogique " et " monde numérique " permettant de déplacer la limite de la bande de base jusqu'à l'amplificateur de puissance. Plusieurs architectures ont été étudiées avec des degrés de numérisation progressifs jusqu'à atteindre l'architecture " tout numérique " englobant une partie de l'amplification de puissance. Un travail approfondi sur l'étude des différents standards cellulaires mené conjointement avec l'implémentation et la simulation de ces architectures, a permis d'identifier les différents verrous technologiques et fonctionnels dans le développement d'architectures " tout numérique ". Les contraintes de pollution spectrale des raies de sur-échantillonnage sont apparues comme dimensionnantes. Pour chaque bande de chaque standard, ces contraintes ont été évaluées, afin de définir une méthode d'optimisation des fréquences de sur-échantillonnage. Cependant un filtrage externe reste nécessaire. Une deuxième étape nous a amené à identifier et concevoir une technique de filtrage passe bande reconfigurable pour les bandes cellulaires de 1710 à 1980MHz avec au moins 60MHz de largeur de bande afin d'adresser le standard LTE, et 23dB d'atténuation à 390MHz du centre de la bande pour adresser le pire cas de filtrage (bandes 1, 3 et 10 en W-CDMA). Nous avons alors conçu et implémenté un filtre reconfigurable à inductances actives, afin de garantir reconfigurabilité et très faibles pertes d'insertion. Cette thèse a donc permis à partir d'une problématique actuelle et au travers d'une démarche d'identification des limites des architectures " tout numérique ", de proposer un prototype de filtre adapté. Ce filtre a été conçu en CMOS 65nm, réalisé et mesuré, les performances sont conformes aux exigences requises

Une antenne auto-complémentaire possède des caractéristiques radioélectriques très intéressantes en ce qui concerne l'élargissement de sa bande passante. Basée sur le principe de Babinet, l'auto-complémentarité permet en effet de maximiser la largeur de bande de par la complémentarité air-métal dans la structure de l'antenne. L'objectif de cette thèse est d'étudier quels pouvaient être les apports de l'auto-complémentarité dans le cas d'antennes à fortes contraintes d'intégration telles que celles utilisées pour les terminaux mobiles. Pour tester les limites de notre étude, nous avons choisi d'appliquer nos résultats à l'intégration d'antennes auto-complémentaires dans un objet communicant de type Smartphone multi-standards. Les antennes dites AC doivent par conséquent satisfaire de nombreux critères de performances tout en montrant leur capacité d'intégration. Celle-ci est rendue d'autant plus délicate, que la miniaturisation implique à son tour des phénomènes physiques limitant certaines performances, notamment en basse fréquence avec la nouvelle bande LTE. Dans une première étude, nous avons considéré différentes antennes et opté pour les antennes IFA-AC sur un plan de masse fini afin de couvrir initialement les bandes hautes DCS/PCS/UMTS et WLAN/LTE2600. Dans une seconde étude, nous avons amélioré leurs performances à l'aide d'éléments structurels nouveaux et interdépendants (éléments rayonnants de type double IFA), qui nous ont permis d'obtenir des résultats probants relatifs notamment à la couverture des bandes LTE800 et GSM. Enfin, nous avons complété notre projet en optimisant le lien radio par l'intégration de plusieurs éléments rayonnants AC sur un même PCB.

Une antenne auto-complémentaire possède des caractéristiques radioélectriques très intéressantes en ce qui concerne l’élargissement de sa bande passante. Basée sur le principe de Babinet, l’auto-complémentarité permet en effet de maximiser la largeur de bande de par la complémentarité air-métal dans la structure de l’antenne. L’objectif de cette thèse est d’étudier quels pouvaient être les apports de l’auto-complémentarité dans le cas d’antennes à fortes contraintes d’intégration telles que celles utilisées pour les terminaux mobiles. Pour tester les limites de notre étude, nous avons choisi d’appliquer nos résultats à l’intégration d’antennes auto-complémentaires dans un objet communicant de type Smartphone multi-standards. Les antennes dites AC doivent par conséquent satisfaire de nombreux critères de performances tout en montrant leur capacité d’intégration. Celle-ci est rendue d’autant plus délicate, que la miniaturisation implique à son tour des phénomènes physiques limitant certaines performances, notamment en basse fréquence avec la nouvelle bande LTE. Dans une première étude, nous avons considéré différentes antennes et opté pour les antennes IFA-AC sur un plan de masse fini afin de couvrir initialement les bandes hautes DCS/PCS/UMTS et WLAN/LTE2600. Dans une seconde étude, nous avons amélioré leurs performances à l’aide d’éléments structurels nouveaux et interdépendants (éléments rayonnants de type double IFA), qui nous ont permis d’obtenir des résultats probants relatifs notamment à la couverture des bandes LTE800 et GSM. Enfin, nous avons complété notre projet en optimisant le lien radio par l’intégration de plusieurs éléments rayonnants AC sur un même PCB. / In this thesis we present the design and optimization of self-complementary antennas to be integrated into a Smartphone. A self-complementary antenna is known as a radio antenna with very interesting bandwidth characteristics. Self-complementarity is based on the Babinet’s principle which aims to maximize bandwidth by considering the complementarity of the air and metal in the construction of an antenna. To achieve an objective, the antennas must satisfy a number of criteria, both in terms of performance and also for the design methods and integration. Miniaturization is very sensitive and it is more difficult to implement an antenna because of the physical phenomena limiting performance, especially at low frequency with the new 4G band. In this study we considered initially the self-complementary-IFA on a finite ground plane size: 120x60mm² in order to cover the high frequencies: DCS/PCS/UMTS and WLAN/LTE2600. In the second part, we focused on the possibility of using some improvement techniques by adding structural element (capacitive elements and radiating elements). Various geometrical modifications applied to antenna structures have also been used to obtain results satisfying all criteria, including coverage of LTE800 bands and GSM bands. Several prototypes were used to compare the theoretical results and validate the concept of self-complementarity. We completed the project by developing a way to improve the radio link in natural environments. We have implemented several radiating self-complementary miniature multiband/broadband elements on the same PCB in order to implement the principles of diversity or MIMO.