Les demandes du marché sont toujours plus exigeantes dans le domaine de la micro- électronique. Les besoins en termes de fréquence de fonctionnement (> 10GHz) des dispositifs ainsi qu'en termes de puissance délivrée (> 1W/mm) sont en constante augmentation. De ce fait, on commence à atteindre les limites du matériau silicium. Ceci présente une grande opportunité pour les matériaux III-V, en particulier ceux à base de nitrure de gallium (GaN) qui offrent un très grand gap (3.4 eV) et une très bonne mobilité grâce au 2DEG (1500-2000 cm[indice supérieur 2]/V.s) [Touati, 2007]. Bien que ce soient les composants actifs (transistors) qui définissent les performances d'un circuit, les composants passifs doivent être correctement étudiés afin de ne pas nuire au reste du circuit. Le matériau de base étant fixé : le GaN, il est ici question de développer le procédé de fabrication des dits composants passifs. L'objectif est donc ici de déterminer et d'adapter les procédés de fabrication permettant d'obtenir des composants passifs fonctionnant à hautes fréquences (30-300GHz) dans l'optique de réaliser des circuits MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit). La durée d'une seule maîtrise ne permettant pas d'étudier une technologie de fabrication dans son ensemble, nous nous focaliserons sur une série restreinte d'étapes de fabrication. Les dites étapes seront la fabrication et la caractérisation de résistances à base de NiCr (Nickel-Chrome), l'étude de la gravure de diélectriques (SiO2, Si3N4) ainsi que la réalisation et la caractérisation de capacités et d'inductances. Pour ce qui est des résultats attendus, la littérature montre qu'on est déjà capables de fabriquer des composants passifs fonctionnant au moins jusqu'à 40GHz. On peut noter par exemple, des capacités MIM (Métal Isolant Métal) allant de 0,5 à 10 pF, des inductances spirales allant de 0,25 à 12 nH, des résistances de plusieurs centaines d'Ohms ou encore des lignes de transmissions de différentes longueurs (quelques micromètres jusqu'à quelques millimètres) [Martin, 2007; Richard, 2009].

Le travail présenté dans ce mémoire de HDR porte sur le développement d'antennes millimétriques en bande W. Ces dernières succientent un regain d'intérêt suite à l'émergence des applications civiles en gamme millimétrique, notemment dans le domaine des radar. Concevoir de telles antennes, de type reflectarray, implique non seulement le développement d'outils de simulation/modélisation spécifiques mais aussi la mise en place de dispositifs de mesures adaptés. Le manuscrit s'articule autour de axes de recherche: - le premier chapitre présente les principaux résultats obtenus dans le cadre des antennes millimétriques pour radar embarqués, - le second chapitre décrit les études relatives aux réseaux réflecteurs et lentilles diélectriques, - le troisième chapitre est consacré à la métrologie des antennes avec la mise en place du système de mesure en bande millimétrique et l'étude d'une base compacte, - le quatrième et dernier chapitre est la synthèse des travaux menés entre 1996 et 2001 sur les structures planaires pour l'insertion de fonctions actives.

Les communications numériques à haut débit exigent toujours plus de fiabilité et de performance et ce dans un environnement souvent hostile. Le développement de technologies toujours de plus en plus performantes pour les communications sans fil est donc de mise et nos intérêts sont particulièrement orientés vers la transmission par voie hertzienne de l'information à haut débit. Il existe plusieurs solutions qui peuvent être envisagées pour parer aux multiples problèmes rencontrés au niveau du lien radio, particulièrement la propagation par trajets multiples, l'interférence entre usagers et autres. L'antenne intelligente ou adaptative s'avère d'une utilité évidente lorsque vient le temps de faire une discrimination spatiale des signaux reçus. L'antenne intelligente est essentiellement une antenne réseau qui, par le biais d'une boucle de rétroaction, asservit son diagramme de rayonnement en temps réel et ce en optimisant un ou des critères tels que le rapport signal à bruit, le rapport signal à interférence, etc. Plusieurs facteurs affectent la performance de cette antenne adaptative et plus particulièrement l'espacement des antennes formant le réseau, la technique de traitement de signal utilisée, la corrélation des données ainsi que les interférences toujours présentes dans un environnement à large bande. La bande EHF (Extremely High Frequency) est particulièrement convoitée pour ce type d'application et réfère dans ce cas-ci aux fréquences au-dessus de 30 GHz. Pour cette partie du spectre électromagnétique où les caractéristiques de propagation sont particulièrement difficiles, des largeurs de bande considérables sont toutefois disponibles. Les travaux dont il est question ici font partie intégrante d'un projet qui consiste en la conception et la réalisation d'une antenne intelligente à bande de fréquences étendue fonctionnant en ondes millimétriques. Celle-ci sera très certainement un élément fondamental d'un système de communications robuste aux perturbations, interférences et autres. Ainsi, le système dans son ensemble pourra assurer un service de qualité à de multiples usagers tout en maintenant un rapport coût vs rendement optimal. L'ensemble des développements et technologies de pointe est considéré lors de la conception afin de développer un produit pouvant servir à des applications telles que les réseaux locaux sans fil, la distribution vidéo et les radars. Notre projet a consisté à concevoir et à mettre au point la partie radiofréquence de l'antenne comprenant les éléments rayonnants formant le réseau ainsi que le répartiteur de faisceaux. Une revue de la littérature scientifique nous a permis de constater que très peu de réalisations de ce genre à l'aide de lignes microruban en ondes millimétriques existent à ce jour. Une méthode de modélisation analytique de la matrice de Butler est d'abord proposée et une étude de sensibilité de cette matrice a été menée afin de mieux comprendre l'effet des imperfections des coupleurs hybrides formant le réseau sur la performance finale de l'antenne. Plusieurs composants microruban (coupleurs hybrides, coupleurs 0 dB, éléments rayonnants et autres) ont aussi été réalisés et testés individuellement pour parvenir à la réalisation du répartiteur de faisceaux ainsi que l'antenne à faisceaux multiples. Le répartiteur de faisceaux est une matrice de Butler et c'est sous ses formes 4 x 4 et 8 x 8 qu'elle a été réalisée et testée. En terminant, un survol des technologies alternatives est fait en vue d'améliorer les prototypes obtenus. / There is a growing need for broadband wireless communications and the requirements in terms of reliability as well as performance are high. These Systems have to deal with a hostile propagation environment and this context makes the development of the latest technologies of wireless communications on the highest priorities of the designers. Multipath propagation, inter-user interference, and imperfections of the communication equipment are among the most severe perturbations encountered throughout the signal path. A smart antenna is certainly a key component of such a system and its ability to adapt its spatial response is definitively a good solution, which can be used to mitigate ail these impairments. The smart antenna (also known as intelligent or adaptive array) is an antenna array which, by way of a feedback loop, adapts its radiation pattern in real time in order to optimize a criteria such as the signal to noise ratio, the signal to interference ratio or the minimum mean squared error of the received signal. The performance of this antenna is affected by the correlation between the signals at the antenna elements, the algorithm used for the adaptation, and the unavoidable interference usually present in such a broadband environment. The EHF (Extremely High Frequency) band is under the current scope of possible frequencies that may be used for the 4th generation of wireless communication Systems. The EHF band frequencies exceed 30 GHz and this means wavelengths in the order of a few millimeters. Large frequency bandwidths are available for this band at the expense of a significantly more difficult propagation. An ambitious project which consists in the design and realization of a wideband millimeter-wave smart antenna is currently underway and the work presented here is a part of it. This antenna will definitely be a fondamental element of a communication system achieving a good performance even though the wireless link is affected by ail kinds of channel induced perturbations. The achieved system will be able to provide an improved link quality to its multiple users by using the latest technological enhancements. Possible applications of this concept include wireless local area networks and video distribution. The RF section of this smart antenna comprising the antenna elements used to make the array, the array itself as well as the beamforming network has been designed and physically realized. As concluded after an intensive literature survey, realizations of this kind at millimeter waves are scarce and a lot a work has to be done to build components for this application. An analytical modeling method applicable to the Butler matrix as well as other beamforming networks has been derived and described. This tool was then used to conduct a sensitivity analysis of the Butler matrix and see how the performance of its constituting components is modifying the properties of the generated beams. Many microstrip components such as hybrid couplers, 0 dB couplers, and antennas operating at 36 GHz were designed and realized. Finally, two variations of the 4x 4 Butler matrix and one 8x 8 Butler matrix were designed and realized. An overview of possible alternatives which should be considered in order to improve the performance of the obtained networks is also made.

Les systèmes de communication sans fil en fréquences millimétriques ont gagné considérablement en importance au cours des dernières années. Des applications comme les réseaux WLAN et WPAN à 60 GHz, le radar automobile autour de 80 GHz ou l'imagerie à 94 GHz sont apparues, demandant un effort conséquent pour la conception des circuits intégrés émetteurs et récepteurs sur silicium. Dans ce contexte, les transformateurs intégrés sont particulièrement intéressants. Ils peuvent réaliser des fonctions comme l'adaptation d'impédance, la conversion du mode asymétrique au différentiel et la combinaison de puissance. La conception et la modélisation de ce type de transformateur font le sujet de cette thèse. Une étude détaillée des topologies de transformateurs est présentée, concernant le dessin des inductances, leur position relative, leurs dimensions géométriques, le blindage du substrat et l'obtention de rapports importants de transformation. Leur modélisation par des simulations électromagnétiques et par un circuit électrique à éléments discrets est également discutée. Le modèle présente une topologie 2-π et une série d'équations analytiques dépendant de ses caractéristiques technologiques et géométriques pour évaluer tous ses composants. Un très bon accord entre les simulations et les mesures est observé pour des transformateurs en technologies CMOS 65 nm et BiCMOS 130 nm jusqu'à 110 GHz. Finalement, les transformateurs sont appliqués à la conception d'un mélangeur BiCMOS à 77 GHz et un amplificateur de puissance CMOS à 60 GHz.

Ce travail se concentre sur la conception de VCO mm-wave pour les applications de Backhaul en BiCMOS 55 nm technologie. Toutes les conceptions de VCO proposées sont par rapport à conventionnel LC-tank oscillateur. La première conception de l'oscillateur proposé fonctionne entre 81-86 GHz. L'innovation est liée à l'utilisation d'une bande coplanaires ondes lentes (S-CPS) comme inducteur différentiel. Grace à facteur de qualité élevé (≈ 33) de S-CPS, le bruit de phase a été amélioré de 20 dBc/Hz à l'offset 10MHz et la consommation d'énergie a été réduite de 14% aussi. La plage de réglage de fréquence (FTR) était de 5,3 GHz seulement. La seconde conception du VCO est sur la base de ligne déphaseur chargé comme un résonateur. Le déphaseur a été conçu en utilisant une topologie dissymétrique de S-CPS, afin de parvenir à une meilleure FTR. Mais la performance réalisée de VCO n'a pas été beaucoup améliorée en raison de la capacité parasite en charge. Ainsi, avec le même dissymétrique résonateur déphaseur sur la base d'un oscillateur d'onde permanente distribuée a été conçu, ce qui a réduit l'effet de charge et de conduire à une FTR de 8 GHz. Enfin, un buffer moins mm-wave oscillateur stationnaire a été conçu. Dans ce proposé moins oscillateur buffer, il a montré que l’impédance caractéristique de sortie peut être envisagé grâce à un choix judicieux de la position de sortie. Par conséquent, aucun buffer de sortie n’est nécessaire dans la conception proposée, en raison de la flexibilité dans le choix de la position long de sortie de SWO. Cette innovation conduit à deux mérites. Tout d'abord une sortie 50 ohms peut-être synthétisé sans consommation d'énergie supplémentaire et d'autre part la taille est réduite si un réseau d'adaptation est nécessaire pour connecter le VCO à un mélangeur ou un autre bloc de construction du système d'émetteur-récepteur. / This work focuses on the design of mm-wave VCO for Backhaul applications in BiCMOS 55 nm technology. All the proposed VCO designs are compared to the conventional LC-tank oscillator. The first proposed oscillator design operates between 81-86 GHz. The innovation is linked to the use of a slow-wave coplanar strip (S-CPS) as a differential inductor. Thanks to high quality factor (≈ 33) of S-CPS, the phase noise was improved by 20 dBc/Hz at 10 MHz offset and the power consumption was reduced by 14 % as well. The achieved frequency tuning range (FTR) was 5.3 GHz only. The second VCO design is based on loaded line phase shifter as a resonator. The phase shifter has been designed using an unsymmetric topology of S-CPS in order to achieve better FTR. But the achieved VCO performance was not improved a lot due to the loading parasitic capacitance. So, with the same unsymmetric phase shifter based resonator a distributed standing wave oscillator was designed, which reduced the loading effect and lead to a FTR of 8 GHz. Finally, a buffer less mm-wave standing wave oscillator was designed. In this proposed buffer less oscillator it is shown that any output characteristic impedance can be envisaged thanks to a careful choice of the output position. Hence, no output buffer is needed in the proposed design, due to the flexibility in choosing the output position along the SWO. This innovation leads to two merits. Firstly a 50 ohms output can be synthesized without any additional power consumption and secondly the size is reduced if a matching network is needed to connect the VCO to a mixer or another building block of the transceiver system.

Les systèmes de communication sans fil en fréquences millimétriques ont gagné considérablement en importance au cours des dernières années. Des applications comme les réseaux WLAN et WPAN à 60 GHz, le radar automobile autour de 80 GHz ou l’imagerie à 94 GHz sont apparues, demandant un effort conséquent pour la conception des circuits intégrés émetteurs et récepteurs sur silicium. Dans ce contexte, les transformateurs intégrés sont particulièrement intéressants. Ils peuvent réaliser des fonctions comme l’adaptation d’impédance, la conversion du mode asymétrique au différentiel et la combinaison de puissance. La conception et la modélisation de ce type de transformateur font le sujet de cette thèse. Une étude détaillée des topologies de transformateurs est présentée, concernant le dessin des inductances, leur position relative, leurs dimensions géométriques, le blindage du substrat et l’obtention de rapports importants de transformation. Leur modélisation par des simulations électromagnétiques et par un circuit électrique à éléments discrets est également discutée. Le modèle présente une topologie 2-π et une série d’équations analytiques dépendant de ses caractéristiques technologiques et géométriques pour évaluer tous ses composants. Un très bon accord entre les simulations et les mesures est observé pour des transformateurs en technologies CMOS 65 nm et BiCMOS 130 nm jusqu’à 110 GHz. Finalement, les transformateurs sont appliqués à la conception d’un mélangeur BiCMOS à 77 GHz et un amplificateur de puissance CMOS à 60 GHz. / Millimeter-wave wireless communication systems have considerably gained in importance in recent years. Important applications as 60-GHz WLANs and WPANs, 80- GHz automotive radar, and 94 GHz imaging have emerged, requiring significant effort on the design of transceiver’s silicon-based integrated circuits. In this context, integrated transformers are of a particular interest. They may perform, among other functions, impedance matching, single to differential conversion, and power combination. The design and modeling of this type of transformers is the subject of this thesis. A comprehensive study on the topology of transformers is presented, regarding the layout of individual coils, their relative position, geometric dimensions, substrate shields, and the achievement of high transformation ratios. Their modeling through electromagnetic simulations and a lumped-element electric circuit is discussed as well. The model presents a 2-π topology and analytical equations depending on both technological and geometric characteristics to evaluate the totality of its components. A close agreement between model and measurement is shown for 65-nm CMOS and 130-nm BiCMOS transformers up to 110 GHz. Those transformers are then applied to the design of a 77-GHz BiCMOS mixer and a 60-GHz CMOS power amplifier.

L’émergence des applications mobiles accessibles depuis un smartphone provoque une très forte augmentation du trafic de données transitant sur les réseaux mobiles. L’augmentation de la capacité du réseau et de la rapidité des connexions sont autant de points cruciaux que les nouvelles générations de réseau mobile devront adresser afin de répondre à la demande des utilisateurs. L’une des solutions viables pour augmenter la capacité du réseau mobile consiste à le densifier afin de permettre la réutilisation des fréquences en déployant des stations de base consommant une faible puissance et couvrant de petites surfaces (les "small cells"). Ce mode de déploiement massif en "small cells" constitue un défi majeur pour le réseau de backhaul afin de reconnecter chacune de ces "small cell" au cœur de réseau. De plus, avec l’évolution du réseau de backhaul vers une architecture de type Centralized Radio Access Network (CRAN), des technologies sans fil pouvant supporter des débits supérieurs à 10Gbit/s seront requises. Étant donné la maturité des technologies silicium au-delà de 100GHz, la bande 116-142GHz semble être un candidat idéal pour établir des communications point à point supérieures à 10Gbit/s et très faible consommation DC. Dans cette thèse, plusieurs solutions d’antennes-lentilles et réflecteurs fonctionnant à 60, 80 et 120GHz sont explorées pour des systèmes WLAN/WPAN et backhaul. Afin de minimiser le coût de la solution antennaire, nous évaluons des technologies d’impression 3D pour la fabrication des lentilles et des réflecteurs, ainsi que des technologies utilisant des matériaux organiques à faibles pertes pour la fabrication des antennes-sources planaires. / The improvement of the capabilities of wireless communication devices (smartphone, tablets …) which require higher and higher data rate, leads to a significant increase of the data traffic needed by each end user. This strong consumer demand for higher data-rate and coverage is stressing a lot the capacity of existing cellular networks. In order to cope with this challenge, one of the most promising solution consists in a network densification based on the deployment of low-power and short-range-radio-coverage base stations (small cells). The development of high data-rate and low power wireless fronthaul and backhaul technologies is a key requirement to enable the deployment of those future small cells (since associated civil works costs generally prevent the use of optical fiber solutions). So far, the wireless industry has been investigating the use of 60 and 80 GHz frequency bands in order to develop low-cost higher than 1Gbit/s backhaul solutions. It is expected that higher data-rate > 10 Gbit/s will be required for fronthaul communications. The broad bandwidth available around 120GHz (116-142GHz) would enable to reach such data rates while lowering the DC power consumption. In this thesis, we develop several lens and reflector antennas operating at 60, 80 and 120GHz for WLAN/WPAN and fronthaul/backhaul networks. In order to minimize the cost of those solutions, we evaluate 3D-printing technologies for the fabrication of the lenses and the reflectors as well as industrial low loss organic packaging technologies for the fabrication of planar antenna-source.

Les ondes millimétriques (OMM), et en particulier la bande autour de 60 GHz, sont de plus en plus utilisées pour les télécommunications sans fil. Une précédentes études in vitro menée au laboratoire avait montré, par analyse de micro-puces, une diminution d’expression de l'ARN TRPV2 dans des cultures primaires de cellules de peau humaines exposés pendant 1, 6 ou 24 heures à 60,4 GHz avec une densité de puissance incidente moyenne de 1,8 mW / cm². Afin de déterminer si l'exposition aux OMM peut aussi affecter l'expression de TRPV2 au niveau protéique, nous avons effectué des immunocytochimies sur une lignée cellulaire pseudo-neuronale en cours de différenciation (PC12), exposée à 60,4 GHz pendant 24h avec une densité de puissance incidente moyenne de 10 mW/cm². De plus, l’impact des OMM sur l’expression de plusieurs autres marqueurs impliqués dans la nociception, la différenciation neuronale et le stress protéotoxique a aussi été étudié. En utilisant un système d'imagerie semi-haut débit, permettant l'étude de multiples paramètres, nous n’avons pas trouvé de différence dans l'expression protéique des récepteurs membranaires impliqués dans la nociception TRPV1, TRPV2 et P2X3, la protéine de choc thermique Hsp70, et le marqueur neuronal β3-tubuline. Cependant, une augmentation de la poussée neuritique, bien que non significative, a été observée dans les cellules exposées. Les contrôles ont montré que cette augmentation était liée à un effet thermique des OMM. En outre, l'analyse cellule par cellule a montré qu'il n'y avait aucune sous-population distincte de cellules présentant une sensibilité particulière. Enfin, des expositions à 5 mW / cm², suivies par une analyse par HPLC, ont également été effectuées afin d’étudier l'impact des OMM sur le métabolisme dopaminergique. Aucun effet de l'exposition n’a été observé sur la recapture de la dopamine. Seul un effet thermique non significatif a été trouvé sur l'accumulation du DOPAC extracellulaire. Globalement, ces résultats négatifs sont en accord avec les précédentes études in vitro qui ont évalué l'impact des ondes millimétriques sur l'expression génétique, et sont rassurantes sur le fait que l'exposition aiguë aux OMM ne peut pas perturber significativement la physiologie cellulaire. / Millimeter waves (MWW), in particular the 60-GHz band, are increasingly used for wireless communications. A previous in vitro study conducted by our group showed, using microarray analysis, a decrease in TRPV2 RNA expression in primary human skin cells exposed for 1, 6, or 24 h at 60.4 GHz with an average incident power density of 1.8 mW/cm². To investigate if MMW exposure can also affect TRPV2 expression at the protein level, we performed immunocytochemistry on a neuron-like differentiating cell line (PC12), exposed at 60.4 GHz during 24h with an average incident power density of 10 mW/cm². Moreover, the impact of MMW on several markers involved in nociception, neuronal differentiation and proteotoxic stress was also investigated. Using a semi-high throughput imaging system, allowing the study of multiple parameters, we did not find any difference in the protein expression of pain-related membrane receptors TRPV1, TRPV2, and P2X3, heat shock protein Hsp70, and neuronal marker β3-tubulin. However, an upward trend in neurite outgrowth, although not significant, was found in exposed cells. Controls showed that this increase was related to a thermal effect of MMW. Besides, cell-by-cell analysis showed that there is no distinct subpopulation of cells with particular sensitivity. Moreover, exposures at 5 mW/cm², followed by HPLC analysis, were also done to investigate the impact of MMW on dopaminergic metabolism. No impact of exposure on dopaminergic turnover was observed. Only an insignificant thermal effect was found on extracellular DOPAC accumulation. Altogether, those negative results are in line with previous in vitro studies which assessed the impact of MMW on genetic expression, and are reassuring in the fact that acute MMW exposure cannot dramatically disrupt cell physiology.

L'activité de recherche scientifique effectuée dans le cadre de mon doctorat de sciences s'est déroulée dans le secteur de la conception de circuits intégrés radiofréquences pour des systèmes ultra-wideband (UWB) et aux ondes millimétriques, et s'est articulée comme suit: (i) circuits intégrés radiofréquences pour émetteur-récepteurbasse puissance pour réseaux locaux wireless; (ii) radar UWB complètement intégré pour la surveillance cardio-pulmonaire en technologie 90nm CMOS; (iii) amplificateurs faible bruit (LNA) à 60 GHz en technologie standard 65nm CMOS. / The research activity carried out during this PhD consists on the design of radio- frequency integrated circuits, for ultra-wideband (UWB) and millimeter-wave sys- tems, and covers the following topics: (i) radio-frequency integrated circuits for low-power transceivers for wireless local networks; (ii) fully integrated UWB radar for cardio-pulmonary monitoring in 90nm CMOS technology; (iii) 60-GHz low noise amplifer (LNA) in 65nm CMOS technology.

Les télécommunications sans fil connaissent un intérêt toujours soutenu depuis plus d'une décennie car elles permettent une simplification des infrastructures par rapport aux télécommunications filaires, une mobilité accrue des terminaux, et finalement un usage plus souple pour l'utilisateur.<br /><br />Le défi actuel de ce champ des télécommunications est d'assurer une augmentation des débits de transmission. Pour cela plusieurs techniques sont envisagées, parmi lesquelles la montée en fréquence vers le spectre des ondes millimétriques. Cette approche est à la base de cette thèse qui présente les résultats de la caractérisation et de la modélisation statistique du canal de propagation intra-bâtiment à 60 GHz. Ces travaux sont basés sur plusieurs campagnes de mesure menées principalement en milieu résidentiel.<br /><br />Les principaux résultats soulignent l'importance du problème d'obstruction provoqué par l'activité humaine, ainsi que la difficulté de la propagation entre les pièces d'un bâtiment. Enfin, ces mesures révèlent que la mise en œuvre d'une diversité angulaire au sein du réseau devrait permettre de contrer ces deux difficultés. Par ailleurs, sont proposés des modèles de la propagation spatio-temporel et variant dans le temps, basés sur les propriétés statistiques des différentes caractéristiques du canal.