Les techniques de microscopies hyperfréquences à balayage en champ proche connaissent un intérêt grandissant. Ces méthodes offrent des possibilités de caractérisations surfaciques et sub-surfaciques de matériaux par une mesure sans contact, non invasive et non destructive. Elles permettent également de lever les restrictions concernant la résolution spatiale limitée des méthodes classiques de caractérisation hyperfréquence. Néanmoins, l’instrumentation qui est associée usuellement à ce type de caractérisation, généralement un analyseur de réseaux conventionnel, s’avère surdimensionné pour des applications hors laboratoire. Dans ce travail de thèse, nous proposons une instrumentation complète combinant les techniques multi-port et les techniques de microscopie champ proche. Les étapes de conception et de réalisation de systèmes multi-port opérant en gammes de fréquences micro-ondes et millimétriques sont décrites. Les travaux menés s’inscrivent dans la volonté de proposer des instruments intégrant les ressources matérielles et logicielles. Les potentialités de ces systèmes sont illustrées au travers de la mise en œuvre de bancs automatisés permettant d’effectuer des mesures du coefficient de réflexion en une ou deux dimensions. La démonstration de l’apport de la technique multi-port est faite au travers d’exemples traitant du cas de défauts de nature métallique ou diélectrique, débouchant ou non débouchant en surface d’un échantillon. Ces dispositifs ont pour ambition de sortir des laboratoires de recherche afin d’adresser des applications dans le domaine de l’Evaluation Non Destructive (END). / Scanning near-field microwave microscopy (SNMM) techniques have become important tools in the imaging of materials. These methods offer the possibility of characterizing surface and subsurface materials in a non-contact, non-invasive, and non-destructive way. In comparison with conventional microwave characterization techniques, the spatial resolution has been improved in a large extent with the development of the SNMM. Nevertheless, these techniques generally require the use of an automatic network analyzer that is oversized for applications outside the laboratory. In this work, we propose a new instrumentation that combines the multi-port technique and microscopy techniques. The design and realization of multi-port systems in the microwave and millimeter-wave frequency bands are described. The investigations are driven by the will to propose instruments integrating the hardware and software resources. The potentialities of the systems proposed are illustrated trough applications in the Non Destructive Testing field in both microwave and millimeter-wave frequency bands. The validity of the approach proposed is applied for 1-D and 2-D crack detection. It is demonstrated that these systems present a viable and promising alternative to the costly heterodyne principles.

Le Contrôle Non Destructif (CND) hyperfréquence consiste à examiner un matériau de telle manière qu’à l’issue de ce contrôle, son utilisation future n’en soit pas affectée. Ce type de caractérisation est généralement réalisé au travers de la mesure des propriétés de réflexion ou/et de transmission du matériau sous test par un analyseur de réseaux vectoriel conventionnel. Cependant, ce type d’appareillage s’avère surdimensionné en termes d’éventail de mesure et donc de coût pour un usage hors laboratoire. Aussi, nous avons développé, dans une optique de faible coût, des systèmes basés sur la technique six-port. En particulier, dans ce travail, un double réflectomètre quatre-port est développé pour la mesure des paramètres de réflexion et de transmission d’un quadripôle passif dans la bande de 55 - 65 GHz. La proposition d’une instrumentation plus complète, intégrant les ressources matérielles et logicielles, permet d’entrevoir des développements de systèmes spécialisés dans le domaine de la caractérisation hyperfréquence. Ainsi, nous avons adjoint des solutions logicielles, basée sur les réseaux de neurones artificiels, pour le traitement des grandeurs mesurées, afin de satisfaire aux besoins d’une Évaluation Non Destructive plus quantitative. Enfin, dans le but d’effectuer des caractérisations de défauts dont les dimensions sont inférieures à la longueur d’onde, un microscope micro-ondes constitué du système millimétrique associé à une sonde à ondes évanescentes a été proposé. Cet ensemble permet de relever les variations en module et en phase du coefficient de réflexion du matériau sous test, de manière sans contact. / Non Destructive microwave Testing (NDT) consists in examining a material so that after testing, its future use is not affected. Such characterization is usually achieved through the measurement of reflection and/or transmission properties of the material under test by a vector network analyzer. However, this type of equipment is oversized in terms of measurements abilities and cost for a use outside the laboratory. In order to overcome this limitation, we have developed, with a view to low cost, systems based on the six-port technique. In particular, a dual four-port reflectometer is developed for the measurement of reflection and transmission parameters of passive devices in the frequency range of 55 - 65 GHz. In addition, we have proposed complete solution which integrates hardware and software resources allowing the development of specialized systems in the field of microwave characterization. The added software solutions, based on artificial neural networks contribute to satisfy the needs of a non-destructive, quantitative evaluation. Finally, in order to perform characterization of defects whose dimensions are smaller than the wavelength, a mm-wave microscope formed by the mm-wave system and associated with an evanescent wave probe has been proposed. This ensemble reveals changes in magnitude and phase reflection coefficients of the material under test, allowing non-contact measurements. ___________________________________________________________________________

La microscopie champ proche micro-onde, qui fait partie de la famille des microscopies à sonde locale, est envisagée aujourd’hui dans de nombreux domaines d’applications de la physique, de la biologie et des micro et nanotechnologies. Dans ce manuscrit, le microscope micro-onde à champ proche qui est exploité est un instrument développé au laboratoire IEMN bénéficiant d’une grande sensibilité dans une large bande de fréquences de travail [2-18 GHz]. Le potentiel d’applications du microscope est démontré au travers de la caractérisation de liquides avec différentes modalités de caractérisation (sonde en contact, sans contact et en immersion). En particulier, cet outil est mis en œuvre pour la spectroscopie diélectrique de solutions aqueuses de glucose.Cet instrument qui offre une capacité d'imagerie sub-longueur d'onde est également testé pour différentes situations (imagerie de surface et de sub-surface). La résolution d'imagerie ainsi que la précision de mesure sont évaluées puis des méthodes de traitement d'images simples sont proposées pour améliorer la qualité de l'imagerie. Enfin, une piste pour une intégration plus grande de l’instrument, qui consisterait à remplacer l’analyseur de réseau par un dispositif plus compact (type réflectomètre six-ports) est explorée. / Near-field microwave microscopes, which belong to the local scanning probe microscopes family, are considered today as advanced characterization tools in many applications areas including physics, biology and micro and nanotechnologies. The near-field microwave microscope that is used in the work and described in this manuscript is an instrument developed at IEMN owning a great sensitivity in a wide operating frequency band [2-18 GHz]. The potential of the microscope in terms of applications is demonstrated through the characterization of liquids with different modalities of characterization (probe in contact, non-contact and immersed in a liquid). In particular, this instrument is investigated for dielectric spectroscopy of aqueous glucose solutions.This characterization tool that offers sub-wavelength imaging capability is also tested in different situations (surface and subsurface imaging). Imaging resolution and measurement accuracy are evaluated and easily implementable processing methods are proposed to improve the quality of imaging. Finally, a solution towards a larger compactness of the instrument is investigated through the replacement of the network analyzer by a more compact device (six-port reflectometer type).

Ce mémoire de maîtrise décrit la première phase de la réalisation d'un prototype de polarimètre portable à 37GHz. Les polarimètres portables actuellement disponibles sur le marché coûtent au dessus de 200 000$ et sont plus adaptés à l'utilisation au laboratoire que sur le terrain. Ils nécessitent le transport de gaz à l'état liquide pour leur calibration et ont de grands besoins énergétiques. Tous ces facteurs contribuent à leur haut coût et à leur grande complexité d'utilisation. Cette première phase du projet vise à développer la partie analogique du récepteur micro-onde qui sera au coeur du prototype. D'autres travaux, à la suite de cette maîtrise, seront nécessaires afin de rendre le récepteur utilisable et compléter le prototype. Les spécifications du polarimètre ont d'abord été définies. Par la suite, la décision d'acheter ou de fabriquer chaque sous-système/circuit a été prise. Ensuite, les activités d'achat et de conception ont eu lieu. Il a été constaté que les techniques standards utilisées pour fabriquer des circuits microruban n'étaient pas assez précis. Un procédé de fabrication a alors été développé et les circuits ont été fabriqués. Le tout a finalement été intégré. La finalité de ce projet a été un système analogique qui permet d'amplifier et de traiter une onde incidente à haute fréquence et à faible intensité pour la rendre mesurable par un système d'échantillonnage et de traitement numérique. Ce système numérique sera conçu et fabriqué à une date ultérieure.

La miniaturisation des composants telle qu’elle est décrite par la loi de Moore se heurte à de nouvelles problématiques liées notamment aux échelles visées, dans le domaine nanométrique. En effet, cette miniaturisation nécessite des investissements en recherche considérables indispensables à la mise en place de nouveaux procédés de fabrication en adéquation avec les dimensions mises en jeu. Associés à ces nouveaux besoins, il convient aussi de développer des moyens d’observation et de caractérisation des dispositifs réalisés à ces échelles. Le travail proposé dans ce mémoire concerne principalement le domaine de la caractérisation. En effet, les travaux menés sont destinés à apporter des solutions pour la caractérisation de nano-dispositifs aux fréquences microondes pour lesquelles il n’existe pas encore un outil permettant la mesure directe et précise. L’une des raisons réside dans le fait que les nano-objets possèdent en régime dynamique une impédance de référence élevée (supérieure au kilo-ohms) comparativement à l’appareillage de mesure usuel que représente l’analyseur de réseaux (50 ohms). Plusieurs dispositifs reposant sur une nouvelle architecture et offrant une impédance de référence élevée sont conçus, réalisés et validés. Les potentialités de cette nouvelle instrumentation sont illustrées au travers de la mesure de charges passives hautes impédances. / As described by Moore’s law, the miniaturization of devices is facing important issues related to nanometric domain. Indeed, this miniaturization involves considerable investments in scientific research which is essential in developing new manufacturing processes adapted to nanometric scale. Also, it is necessary to develop new instruments to observe and characterize at such a scale.The work proposed in this thesis mainly concerns the field of device characterization. Indeed, this work is carried out to provide solutions for the characterization of nano-devices at microwave frequencies at which nowadays no tool is available for the direct and accurate measurement. Actually, the issue lies in the fact that nano-devices present high reference impedances (higher than the kilo-ohms) compared to that of typical measurement instruments such as the network analyzer (50 ohms). Several devices using a new architecture and offering a high impedance of reference are conceived, realized and validated. The potentialities of this new instrumentation are illustrated through the measurement of high impedance passive loads.

This thesis presents the design and implementation of a multifunctional radar sensor. Utilising microstrip transmission line technology, a front-end receiver has been designed based upon a six-port architecture. Additionally, digital signal processing has been implemented on a microcontroller, enabling processing and extraction of information from the down converted quadrature signals. Results have show that the sensor is capable of operating as both a continuous wave radar and frequency modulated continuous wave radar. Through measurements, it has been established that the sensor is capable of wireless measurements, such as vital signs and vibrations. Furthermore, a graphical user interface has been design, allowing a way of switching between different radar configurations and the presentation of measured data to the user.

Nowadays high speed and high data rate communication are highly demanded. Consequently, wideband and high frequency transmitter and receivers should be designed. New transmitters and receivers should also have low power consumption, simple design and low manufacturing price in order to fulfill manufacturers’ requests for mass production. Having all above specifications, six-port correlator is a proper choice to be used as modulator and demodulator in transmitters and receivers. In this thesis the six-port correlator is introduced, modeled and simulated using Advanced Design System (ADS) software. A simple six-port transmitter/receiver system with a line of sight link is modeled and analyzed in BER, path length and noise terms. The modulation in this system is QAM, frequency is 7.5 GHz and symbol rate is 500 Msymbol/s. Furthermore two methods are proposed for high frequency and high symbol rate M-PSK and M-QAM modulation using six-port correlator. The 7.5 GHz modulators are modeled and simulated in ADS. Data streams generated by pseudo random bit generator with 1 GHz bandwidth are applied to modulators. Common source field effect transistors (FETs) with zero bias are used as controllable impedance termination to apply baseband data to modulator. Both modulators show good performance in M-PSK and M-QAM modulation.

In modern telecommunication there is the demand of high data rates using wideband component design. FCC has introduced the UWB spectrum for high speed data communication. UWB systems have attracted the attention of researchers.  Six-port transmitters and receivers are strong candidates for UWB systems and research is being done on six-port modulators and demodulators. In this work an effort is made to compare the performance of conventional single-ended six-port transmitter and receiver with differential six-port transmitters and receivers.    In this thesis, single ended and differential six-port correlators are designed on 7.5 GHz using Agilent Inc. EDA tool ADS and their performance is evaluated. A new wide-band differential six-port correlator is implemented using rat-race couplers and double-sided parallel strip-line phase inverter. The designed six-port correlators are used for 8-PSK modulation and demodulation. For transmitter-receiver system, mixed analog-DSP designing is used. The integral components of the system are evaluated individually and behavioral modeling is used to evaluate the complete transmitter-receiver system. The single-ended and differential systems are evaluated for noise-figure, dynamic range, bit error rate and data rate.

Diese Arbeit beschreibt den Entwurf, die Analyse und die Verifikation von integrierten Schaltungen zur Frequenzumsetzung für drahtlose Übertragungssysteme im Millimeterwellenbereich. Bei der Beschreibung der zur Verfügung stehenden Halbleitertechnologien und der Aufbau- und Verbindungstechniken wird deutlich, dass parasitäre Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten sämtlicher Verbindungen Verluste und Reflexionen verursachen, die mit der Signalfrequenz ansteigen. Dies motiviert die Reduktion der Signalfrequenz zur Verringerung dieser Verluste, soweit wie dies in einem Millimeterwellensystem möglich ist. Neben den in drahtlosen Übertragungssystemen ohnehin erforderlichen Mischern zur Modulation und Demodulation werden in dieser Arbeit auch Frequenzmultiplizierer vorgestellt. Mit diesen Schaltungen ist es möglich, das hochfrequente Trägersignal direkt neben den Mischern zu erzeugen und mit möglichst kurzen Leitungen anzuschließen, sodass die parasitären Verluste dieser Verbindung sowie die Reflexionen minimal werden. Mit Ausnahme der Verbindungen zu den Antennen kann dadurch die Frequenz der restlichen extern anzuschließenden Signale, nämlich des zu übertragenden Basisbandsignals und des subharmonischen LO-Signals, wesentlich verringert werden, wodurch die Verluste insgesamt reduziert werden. In dieser Arbeit werden dafür zwei Frequenzverdoppler und ein Frequenzversechsfacher vorgestellt, die jeweils mit einer Eingangsfrequenz im Bereich um 30 GHz Ausgangssignale bei 60 GHz bzw. bei 180 GHz erzeugen. Diese drei Schaltungen wurden mit einem Schwerpunkt auf der Unterdrückung unerwünschter Harmonischer und einer gleichzeitig effizienten Erzeugung der gewünschten Harmonischen entworfen. Damit konnte der Stand der Technik für BiCMOS-Frequenzmultiplizierer mit einer Ausgangsfrequenz von bis zu 210 GHz verbessert werden. Sowohl hinsichtlich der absoluten DC-Leistung des Frequenzversechsfachers von lediglich 63 mW, als auch bezüglich der Effizienz (PAE) von 0,28 %, der Verstärkung von 10 dB und der Unterdrückung unerwünschter Harmonischer von bis zu 35 dB sind die erzielten Ergebnisse außerdem besser als von einigen Schaltungen aus leistungsfähigeren III-V-Halbleiterprozessen. Passend zur Mittenfrequenz von 180 GHz am Ausgang des Frequenzversechsfachers, die auch die Mittenfrequenz des IEEE G-Bands ist, werden außerdem integrierte Aufwärts- und Abwärtsmischer entwickelt, die auf der für Kommunikationssysteme vergleichsweise wenig beachteten Sechstor-Architektur basieren. Die Vorteile der Sechstor-Architektur wurden zuvor bereits bei niedrigeren Frequenzen sowohl mit integrierten als auch mit diskret aufgebauten Schaltungen demonstriert. Ein Ziel dieser Arbeit ist die darauf aufbauende Entwicklung und Untersuchung von integrierten I-Q-Mischern mit dieser Architektur für drahtlose Kommunikationssysteme bei 180 GHz in einem 130 nm-BiCMOS-Prozess. Dafür werden geeignete Detektoren und Reflektoren präsentiert, mit denen die Implementierung in diesem Frequenzbereich möglich ist. Mit den erzielten Ergebnissen konnte jeweils der Stand der Technik für integrierte Sechstor-Aufwärts- und -Abwärtsmischer verbessert werden: Im Fall der Sechstor-Aufwärtsmischer stellen die durchgeführten Messungen die erste Verifikation dieser Architektur im Millimeterwellenbereich dar. Auch im Fall der Abwärtsmischer ist die entworfene Schaltung die erste Realisierung bei einer Mittenfrequenz von über 120 GHz. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass die Sechstor-Architektur im Millimeterwellenbereich für die Anwendung in drahtlosen Übertragungssystemen geeignet ist. Hinsichtlich der HF-Eigenschaften sind die erzielten Ergebnisse vergleichbar mit oder besser als solche, die mit technologisch aufwendigeren und oftmals energieintensiveren Schalter-Mischern, wie z.B. den Gilbert-Mischern, erreicht werden. Darüber hinaus wird anhand von mathematischen Schaltungsanalysen gezeigt, dass sich diese Mischerarchitektur ebenfalls durch ihre gute analytische Modellierbarkeit auszeichnet. Selbst mit stark idealisierten und vereinfachten Modellen kann der Mischgewinn bei 180 GHz mit einer Abweichung zur Messung und zur Simulation von lediglich rund 5 dB berechnet werden.:Kurzfassung Abstract Symbolverzeichnis Vorveröffentlichungen 1. Einleitung 2. Fertigungsprozesse für Schaltungen im Millimeterwellenbereich 2.1. Halbleitertechnologien 2.2. Aufbau- und Verbindungstechnik 2.3. Reduktion von Verlusten mittels Frequenzumsetzung 3. Frequenzmultiplizierer 3.1. Frequenzverdoppler mit Polyphasenfilter 3.2. Frequenzverdoppler mit aktivem und passivem Balun 3.3. Frequenzversechsfacher 3.4. Anwendung in einem Millimeterwellensystem 4. Mischer 4.1. Sechstor-Interferometer 4.2. Sechstor-Abwärtsmischer 4.3. Sechstor-Aufwärtsmischer 5. Zusammenfassung und Ausblick A. Betragsberechnungen der auslaufenden Wellen des Sechstors B. Lösung der nichtlinearen Differenzialgleichung C. Differenzen der Quadrate und Kuben harmonischer Summen Literaturverzeichnis Danksagung / In this thesis the design, analysis and verification of integrated circuits for wireless communication systems operating at millimeter waves is presented. During a review of the available manufacturing processes for integrated circuits, printed circuit boards, and interconnects, problems associated with these techniques are identified. Parasitic elements, such as resistors, capacitors, and inductors introduce losses that increase with the signal frequency. This motivates the reduction of the signal frequency wherever possible, so as to reduce these frequency-dependent losses. To achieve this, millimeterwave up- and downconverting mixers, which are anyway required in wireless systems for the modulation and demodulation of an rf carrier signal, and frequency multipliers for generation of those carrier signals are presented in this thesis. With the frequency multipliers it is possible to generate the carrier signals as spatially close to the mixers as possible, reducing the required length of the connection and the losses and reflecions associated with it. Two frequency doublers and a frequency sixtupler were designed for the conversion of input signals at 30 GHz to output signals at 60 GHz and at 180 GHz, respectively. The designs are focused on an energy-efficient generation of the desired harmonic and a large suppression of other undesired harmonics. In this way, the demonstrated results for the frequency sixtupler at 180 GHz improve the state-of-the-art for both BiCMOS and III-V circuits in terms of power consumption, power added efficiency (PAE), conversion gain and harmonic suppression. With the output frequency at up to 210 GHz and with a dc power consumption of 63 mW, a conversion gain of 10 dB, a PAE of 0.28 %, and a harmonic suppression of 35 dB is reached. Matching the output frequency of the sixtupler, two quadrature mixers operating at 180 GHz are presented. They are based on the six-port technique, which offers some promising features at millimeter wave frequencies, but is still not very popular for the application in integrated communication systems. Some research has already been conducted on six-port receivers for radar and communication systems operating at lower frequencies, both as integrated circuits and on printed circuit boards. In the case of six-port downconversion mixers, competetive results with discrete III-V diodes and transistors on printed circuit boards were demonstrated, but very little research on integrated realizations has been published to date. One goal of this thesis is therefore to design integrated six-port mixers at 180 GHz and investigate this architecture for the quadrature up- and downconversion in communication systems. Suitable active detectors and reflectors are proposed to enable the implementation of the six-port technique at these frequencies. In this way, the first implementation of the six-port technique for the upconversion at millimeterwave frequencies is demonstrated. For the downconversion, the rf center frequency at 180 GHz is the highest among six-port implementations to date. The results in terms of rf performance compare well against state-of-the-art switching mixers, such as Gilbert cells. Moreover, the six-port architecture is found to be much simpler in terms of the circuit complexity and it enables the circuit analysis using only simple and idealistic models. With such models, the conversion gain at 180 GHz can be calculated with an error of only about 5 dB. In its minimal realization, a quadrature mixer with a very low dc power consumption can be designed. This makes the six-port technique increasingly attractive as the rf frequency is increased and switching mixers consume a higher dc and rf power.:Kurzfassung Abstract Symbolverzeichnis Vorveröffentlichungen 1. Einleitung 2. Fertigungsprozesse für Schaltungen im Millimeterwellenbereich 2.1. Halbleitertechnologien 2.2. Aufbau- und Verbindungstechnik 2.3. Reduktion von Verlusten mittels Frequenzumsetzung 3. Frequenzmultiplizierer 3.1. Frequenzverdoppler mit Polyphasenfilter 3.2. Frequenzverdoppler mit aktivem und passivem Balun 3.3. Frequenzversechsfacher 3.4. Anwendung in einem Millimeterwellensystem 4. Mischer 4.1. Sechstor-Interferometer 4.2. Sechstor-Abwärtsmischer 4.3. Sechstor-Aufwärtsmischer 5. Zusammenfassung und Ausblick A. Betragsberechnungen der auslaufenden Wellen des Sechstors B. Lösung der nichtlinearen Differenzialgleichung C. Differenzen der Quadrate und Kuben harmonischer Summen Literaturverzeichnis Danksagung

Due to the increasing demand of broadband capability and reconfigurability for mobile applications, there is an enormous interest to develop appropriate analog receiver front-ends. In this respect, one promising candidate group is the Six-Port-based direct conversion receiver. The presented work focuses on the investigation of Six-Port-based mobile receiver front-ends with their specific systematical signal processing. Thereby, issues of spurious interfering signals which are generated within the down conversion process of such receivers are of special interest. Based on a comprehensive description of the analog signal processing within additive frequency conversion, a reason could be identified why existing Six-Port receivers have not found any practical application in mobile communication yet – the dynamic DC-offset. With this insight compensation techniques were developed to overcome the negative influences of the dynamic DC-offset. Furthermore, this work presents novel Six-Port-based receiver architectures which, on the one hand, keep the advantages of additive mixing systems like: low power consumption, broadband capability and simplicity of implementation especially for mm-wave transmissions. On the other hand, these novel architectures comprise compensation techniques such that systematically generated spurious signals are inherently compensated in the analog part of the receiver. Moreover, the influence of impairments of phase and amplitude within the IQ-branches of a receiver was investigated. The resulting, unwanted IQ-imbalance was shown to be a mixing method (multiplicative or additive) independent spurious effect. It is suggested to compensate for IQ-imbalance in the digital part of the receiver system. This can be realized with the use of adaptive algorithms. The comparison with conventional analog receiver architectures (especially homodyne receivers) with respect to the reception of today’s and future digitally modulated transmission signals indicate the proposed Six-Port-based receiver architectures to be suitable candidates to fulfill the difficult tasks of modern mobile communication.