L’amélioration de la sécurité routière ainsi que le développement des systèmes de transports intelligents sont des enjeux d’avenir dans le secteur automobile avec un essor considérable du véhicule semi autonome et autonome. Les systèmes de sécurité active qui équipent de plus en plus les véhicules commercialisés utilisent des capteurs radar (longue et courte portée) fonctionnant dans les bandes 24 GHz ou 77 GHz. L’étude et la mise au point de tels capteurs peuvent être facilitées via l’utilisation d’une plate-forme de simulation générique permettant de simuler un système radar couplé à son environnement selon des scénarios types prédéfinis. Il est alors nécessaire de disposer d’une représentation fiable et réaliste de l’environnement et des objets présents.Cette thèse aborde la caractérisation et la modélisation du canal de propagation et plus largement de l’environnement radioélectrique en ondes millimétriques pour des applications radar, en termes de phénomènes de propagation (trajets multiples, réflexion, diffraction …) et de cibles électriquement larges. Une combinaison de méthodes asymptotiques a été mise en œuvre afin de permettre l'analyse de problèmes électriquement larges en bande W, tout en réduisant les exigences en temps de calcul et en capacité de mémoire. La précision du simulateur a été évaluée à l’aide d’une campagne de mesures de SER de cibles canoniques et complexes de petite taille (inférieure 6cm) dans une chambre anéchoïque. Le banc de mesure mis en œuvre a permis également de valider une procédure expérimentale de détermination de la signature radar. En effet, la procédure expérimentale a été généralisée à la mesure de la signature radar d’objets de taille réelle, dans un milieu « indoor ». Les mesures effectuées ont montré une bonne adéquation avec les résultats présentés dans la littérature. En outre, ces données expérimentales permettent d’extraire une description de la cible par des points brillants qui modélisent les phénomènes de diffusion et de réflexion spéculaire. La réponse à haute fréquence d’une cible peut être approchée par la somme de réponses de ses points brillants. On propose ainsi de simplifier les signatures mesurées pour maximiser l'efficacité de calcul. Comparé aux modèles géométriques détaillés d’une cible complexe, le modèle de points brillants conduit à une meilleure efficacité des simulations de propagation basées sur des rayons dans des scénarios routiers. Le modèle tient également compte de l’anisotropie des diffuseurs (dans le plan azimutal) en modélisant leurs amplitudes par des gaussiennes. / Improving road safety as well as the development of intelligent transport systems are issues of the future in the automotive sector with a considerable rise of the semi-autonomous and autonomous vehicle. The active safety systems that increasingly equip commercial vehicles use radar sensors (long and short range) operating in the 24 GHz or 77GHz bands. The study and development of such sensors can be facilitated through the use of a generic simulation platform to simulate a radar system coupled to its environment according to predefined standard scenarios. It is then necessary to have a reliable and realistic representation of the environment as well as targets. This thesis deals with the characterization and modelling of the propagation channel for radar applications, in terms of propagation phenomena (multipath, reflection, diffraction …) and electrically large targets. A combination of asymptotic methods was developed for the analysis of electrically large problems in W band, while reducing the requirements in CPU time and memory. The accuracy of the simulator was evaluated with radar cross section measurement of canonical and complex small targets (not exceeding 6 cm) in an anechoic chamber. The developed bench measurement also made it possible to validate an experimental procedure for determining the radar signature. Indeed, the experimental characterization was generalized to characterize various automotive related targets in an “indoor” environment. Measurement results matched well with the results presented in the literature. Moreover, the experimental data allows the extraction of a simple target description in terms of scattering points which model the diffusion and specular reflection phenomena. The high frequency response of a target can be approached by the sum of the responses of its scattering centres. It is thus proposed to simplify the measured signatures in order to increase the computation efficiency. Compared to detailed geometrical representation of a complex target, scattering centre model leads to better efficiency of ray-based propagation simulations of road scenarios. The model also takes into account the scattering centre anisotropy (in the azimuth plan) by modelling their amplitudes by Gaussian ones.

Le travail présenté dans ce manuscrit porte sur le développement d’un simulateur de cible (RTS) pour radars automobiles 77 GHz. Afin de proposer des véhicules toujours plus sûrs, les constructeurs automobiles développent des systèmes ADAS de plus en plus performants. On assiste aujourd’hui à la démocratisation des radars automobiles d’alerte à la collision et de régulation de distance. La généralisation de tels systèmes sur des véhicules de série va nécessiter le recours accru à des moyens de tests, chez les constructeurs et dans les centres de contrôle technique. Pour pouvoir tester et calibrer les radars, il est nécessaire d’utiliser des RTS. Ces appareils permettent de simuler les scénarios rencontrés par le radar, ceux-ci devenant plus complexes avec le développement des voitures autonomes. Une cible est définie par trois paramètres : une vitesse, une distance et une SER. Afin de répondre à des exigences drastiques, Autocruise développe ses propres RTS pour des bancs de test de production et de R&D. Ils doivent s’adapter à tout radar fonctionnant sur la bande 76 – 81 GHz, avec différentes modulations et une bande de fréquence supérieure à 800 MHz. Le système doit être à bas coût, de faibles dimensions et flexible pour être intégré dans différentes applications. Le principal verrou technologique est la réalisation d’une ligne à retard variable, capable de simuler des distances comprises entre 1 m et 250 m, avec une résolution de 0,2 m et permettre le contrôle de la SER. Un compromis devra être trouvé afin de répondre aux spécifications. L’étude a montré l’impossibilité de couvrir l’ensemble de la plage de distances avec une seule technologie. Une architecture hybride est indispensable. Une ligne à retard hybride reconfigurable large bande est présentée. / The work presented in this thesis concerns the development of an automotive radar target simulator for 77 GHz radar sensors. In order to continue offering safer vehicles, manufacturers develop more and more performant ADAS systems. We are witnessing a democratization of automotive radar sensors for adaptive cruise control and collision warning. The generalization of such systems on standard cars will require an increased use of test devices both at the manufacturers and in technical control centers. To test and calibrate radars, it is necessary to use Radar Target Simulators (RTS). These devices enable to simulate situations encountered by the radar. Furthermore, these scenarios are becoming increasingly complex with the arrival of autonomous vehicles. A target is defined by three parameters: distance, velocity and radar cross-section (RCS). In order to meet drastic requirements, ZF TRW Autocruise develops its own RTS for production test benches and R&D. RTS must adapt to all radars within a 76 – 81 GHz frequency band, with different modulations and a frequency bandwidth higher than 800 MHz. The system must present the advantages of being a low-cost system, with small dimensions and flexible to be integrated in different applications. The major blocking point is the design of a reconfigurable delay line, able to simulate distances between 1 m and 250 m with a resolution of 0.2 m on a large frequency band and also allowing control of RCS. A compromise will have to be found in order to meet the different specifications. The study showed the impossibility to cover the entire range of distances with one single technology. A hybrid architecture is necessary. A hybrid, tunable, wideband delay line is at study.

Le développement des radars automobiles, à la bande de fréquences 76-77 GHz, a connu une croissance importante au cours de la dernière décennie. Les développements en cours doivent faire face à deux grands défis. Le premier défi est la réduction du coût pour équiper plus de catégories de voitures avec ces radars. Le deuxième défi est l'amélioration des performances du radar afin de satisfaire les demandes croissantes des autorités de sécurité routière et d'équiper la voiture autonome. L'émetteur-récepteur radar automobile constitue le cœur du système. Par conséquent, une pression importante est exercée sur les fournisseurs de semi-conducteurs pour développer des radars de nouvelle génération avec des performances supérieures et à un coût inférieur par rapport aux générations précédentes. Améliorer les performances de l'émetteur-récepteur passe par par l'amélioration de ces quatre paramètres : le facteur de bruit, le niveau de puissance de l'émetteur, le bruit de phase et la dissipation thermique. La réduction de coût peut être obtenue en réduisant le temps de test, les tailles de la puce et du PCB et le coût du boitier. Dans ce travail, nous proposons une réduction du coût du boitier et de la taille du PCB, en plus de l'amélioration de la dissipation thermique grâce à une encapsulation intégré au niveau plaquette (FI-WLP pour Fan-In Wafer Level Package). Le boitier WLCSP (Wafer Level Chip Scale Package), le plus connu FI-WLP, a été choisi pour cette application. C'est la première fois dans l'histoire des semi-conducteurs que le FI-WLP est utilisé pour du Silicium à des fréquences aussi élevées. Le premier chapitre décrit le système radar et ses principaux composants. Il met l'accent sur la contribution de l'émetteur-récepteur, puis le boitier, sur les performances du radar. Le deuxième chapitre fournit une méthodologie pour la modélisation électromagnétiques et la validation expérimentale de ces modèles, appliquée à des structures passives sur puce. Des innovations, améliorant significativement les performances électriques du boitier WLCSP, sont révélées dans le troisième chapitre. La caractérisation du WLCSP est en soi un défi. De nouvelles méthodologies de caractérisation de ce boitier sont alors proposées dans le même chapitre. Par la suite, un nouveau mélangeur encapsulé en WLCSP est conçu et présenté dans le quatrième chapitre. Le facteur de bruit obtenu est à l'état de l'art, malgré l'utilisation du très contraignant boitier FI-WLP. Tous les résultats de simulation de la transition WLCSP et du mélangeur sont validés par des mesures. Cette caractérisation confirme les excellentes performances attendues du boitier et du circuit conçus. / The development of automotive radars, at the frequency band 76-77 GHz, has experienced a significant growth over the last decade. Ongoing developments have to cope with two main challenges. The first challenge is reducing the cost to equip more car categories with these radars. The second challenge is to improve radar performance in order to satisfy the increasing demands of the road safety authorities and to equip the autonomous car. The automotive radar transceiver is the masterpiece of the system. Therefore, significant pressure is exerted on the semiconductor suppliers to develop next generation radars with superior performances and at lower cost than previous generations. Improving the radar transceiver performances requires improving these four main parameters: Noise Figure (NF), Power Amplifier (PA) power, Phase Noise (PN) and heat dissipation. Lowering the cost can be achieved by reducing test time, chip and PCB sizes, and wafers and package costs. We propose, in this work, a reduction of package cost and PCB size and improvement of heat dissipation by using a FI-WLP. The Wafer Level Chip Scale Package (WLCSP), the best known FI-WLP, was chosen for this application. It is the first time, in Silicon semiconductors history, that a FI-WLP is used at such high frequencies. The first chapter describes the radar system in general and its main components. It focuses on the contribution of the transceiver then the package to the radar performances. The second chapter provides a methodology for EM models validation based on the modeling and experimental validation of passive structures on-chip. Innovations, significantly improving the WLCSP electrical performances, are revealed in the third chapter. The characterization of WLP is, itself, a challenge and novel methodologies to perform it are proposed in the same chapter. Thereafter, a new WLCSP packaged mixer, where block core and RF input matching are co-optimized, is designed and presented in the fourth chapter. The obtained NF is at the state-of-the-art, whereas the very constraining FI-WLP is used. All WLCSP transition and mixer simulation results are validated through measurement. This characterization confirms the excellent performances expected from this novel package and circuit designs.

En réponse au nombre toujours élevé de décès provoqués par les accidents routiers, l'industrie automobile a fait de la sécurité un sujet majeur de son activité global. Les radars automobiles qui étaient de simples capteurs pour véhicule de confort, sont devenus des éléments essentiels de la norme de sécurité routière. Le domaine de l’automobile est un domaine très exigent en terme de sécurité et les radars automobiles doivent avoir des performances de détection très élevées et doivent répondre à des nombreuses contraintes telles que la facilité de production et/ou le faible coût. Cette thèse concerne le développement d’algorithmes pour la détection et la localisation de piétons et de cyclistes pour des radars automobiles de nouvelle génération. Nous avons proposé une architecture de réseau d'antennes non uniforme optimale et des méthodes d'estimation spectrale à haute résolution permettant d’estimer avec précision la position angulaire des objets à partir de la direction d'arrivée (DoA) de leur réponse. Ces techniques sont adaptées à l'architecture du réseau d'antennes proposé et les performances sont évaluées à l'aide de données radar automobiles simulées et réelles acquises dans le cadre de scénarios spécifiques. Nous avons également proposé un détecteur de cible de collision, basé sur la décomposition en sous-espaces Doppler, dont l'objectif principal est d'identifier des cibles latérales dont les caractéristiques de trajectoire représentent potentiellement un danger de collision. Une méthode de calcul d'attribut de cible est également développée et un algorithme de classification est proposé pour discriminer les piétons, cyclistes et véhicules. Les différents algorithmes sont évalués et validés à l'aide de données radar automobiles réelles sur plusieurs scenarios. / In response to the persistently high number of deaths provoked by road crashes, the automotive industry has promoted safety as a major topic in their global activity. Automotive radars have been transformed from being simple sensors for comfort vehicle, to becoming essential elements of safety standard. The design of new generations automotive radars has to face various constraints and generally proposes a compromise between reliability, robustness, manufacturability, high-performance and low cost. The main objective of this PhD thesis is to design algorithms for the detection and localization of pedestrians and cyclists using new generation automotive radars. We propose an optimal non-uniform antenna array architecture and some high resolution spectral estimation methods to accurately estimate the position of objects from the direction of arrival (DOA) of their responses to the radar. These techniques are adapted to the proposed antenna array architecture and the performance is evaluated using both simulated and real automotive radar data, acquired in the frame of specific scenarios. We propose a collision target detector, based on the orthogonality of angle-Doppler subspaces, whose main goal is to identify lateral targets, whose trajectory features represent potentially a danger of collision. A target attribute calculation method is also developed and classification algorithm is proposed to classify pedestrian, cyclists and vehicles. This classification algorithm is evaluated and validated using real automotive radar data with several scenarios.