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.

Les travaux présentés dans cette thèse sont une contribution à l’étude des systèmes d’imagerie active en bande millimétrique et plus spécifiquement sur les parties antennaires et le traitement de signal. Ces travaux ont été menés dans le cadre d’une collaboration entre Canon Research Center France et l’ETR. Une première étude a porté sur les antennes focalisantes et plus spécifiquement sur la lentille de Fresnel avec un procédé de fabrication de matériau à gradient d’indice qui a permis d’améliorer l’efficacité (59%) et la largeur bande de fréquence (75-110 GHz). Cette antenne a été utilisée sur un système rotatif pour imager une scène réelle extérieure. L’étude s’est ensuite focalisée sur la conception d’une configuration Multiple-Input Multiple-Output ou MIMO (entrées multiples, sorties multiples) grâce notamment à l’utilisation d’un dispositif compressif passif 4×1 permettant de réduire, par compression, le nombre de chaînes RF. Ces chaînes sont décompressées par post-traitement. Le dispositif, placé à l’émission, a été associé avec un scanner qui permet de synthétiser un réseau d’antennes à la réception. Cette configuration a permis de générer virtuellement un réseau de plus grande taille, permettant d’améliorer la résolution azimutale du système tout en limitant le nombre de chaînes RF. Cette configuration est utilisée pour imager une scène en chambre anéchoique afin de valider le concept. Pour améliorer encore plus la résolution du système avec un nombre limité de chaînes RF, l’étude d’algorithmes de haute-résolution, ou méthodes d’estimation spectrales, sont utilisés dans des configurations à large bande de fréquences pour imager des cibles en champs proche. L’association de la configuration MIMO, du dispositif compressif passif et des méthodes d’estimation spectrales permet d’améliorer la résolution du système tout en limitant le nombre de chaînes RF nécessaire. / The broad topic of the presented Ph.D. thesis consists in the contribution to the study of Radar imaging systems at millimeter-wave and more specifically to the antennas and signal processing. These works have been carried out during a partnership between Canon Research Center France and IETR. A first study on focusing antennas, particularly on Fresnel lens antennas, thanks to a technological process to manufacture inhomogeneous materials, has allowed to improve the efficiency and the frequency bandwidth. The antenna has been mounted on a rotary system to image a real outdoor scene. Then, the study has been focused on the realization of a Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) configuration notably using a 4 × 1 passive compressive device allowing to reduce, by compression, the number of radiofrequency (RF) chains. The chains are decompressed by post-processing. The device, used at the transmitting part, is associated with a scanner that synthetizes a receiving array of antennas. This configuration allows to generate a large virtual array, to improve the azimutal resolution of the system while maintaining acceptable the number of RF chains. This configuration has been used to image a scene in an anechoid chamber to validate the concept. To further improve the spatial resolution of the system for a given number of RF chains, the study of high resolution algorithms, or spectral estimation methods, are used to image scenes in near field and wide-band configurations. The combination of MIMO configurations, the passive compressive device and the spectral estimation methods have allowed to drastically improve the spatial resolution of the radar imaging system while limiting the number of RF chains.

La réalisation d'objets intelligents de la taille du millimètre capables d'être sensibles à leur environnement, de réaliser des calculs pour traiter les données et de communiquer de façon autonome constitue une opportunité unique pour repenser l'interaction entre l'homme et son milieu environnant. Les systèmes émergeants de « Smart Dust» sont réalisés en associant massivement en réseaux distribués des centaines d'objets miniatures intelligents intégrant un système d'alimentation autonome, un ou plusieurs capteurs (lumière, température, vibration, acoustique, pression, champ magnétique, ...), des circuits analogiques et numériques pour réaliser des traitements de données et un système pour recevoir et transmettre des données. Pour faciliter la conception des systèmes radiofréquence RF ou millimétriques, l'intégration des dispositifs de système sur une même puce reste la solution souhaitée. <br /> Dans ce contexte, la première partie de ce manuscrit propose un état de l'art des différents composants d'un émetteur récepteur RF opérant à des fréquences millimétriques et intégré sur différentes technologies, ainsi l'étude de la faisabilité de la technologie CMOS SOI en réalisant un bilan de liaison à 60 GHz. Une étude sur les actifs et passifs de la technologie CMOS SOI montre les avantages du SOI et aussi les phénomènes spécifiques qu'il faut prendre en compte dans la phase de conception. La deuxième partie est consacrée à l'étude des structures d'interconnexion de la technologie SOI, notamment les lignes et les rubans coplanaires. Ainsi nous présentons les méthodes utilisées pour déterminer la permittivité effective et l'impédance caractéristique de ces lignes et un modèle analytique de la permittivité effective de l'antenne. <br /> La troisième partie traite le cas d'une antenne canonique de type dipôle intégré sur SOI et fonctionnant dans la bande millimétrique. Cette étude est basée sur les différents paramètres de la technologie SOI comme la permittivité, la résistivité et l'épaisseur de silicium. Ensuite, une étude de problématique de rayonnement des antennes intégrées en technologie SOI est présentée. Finalement un modèle des îlots métalliques « dummies » de la technologie SOI, basé sur le modèle dynamique de Tretyakov, est proposé. <br /> La dernière partie est consacrée à la conception, la réalisation, le test et la mesure de antennes intégrées sur SOI et fonctionnant dans la bande de 60 GHz. Quatre types d'antennes sont présentés notamment une antenne dipôle interdigitée, une antenne IFA, une antenne double fente et finalement une antenne spirale. Les paramètres électriques des antennes dipôles, IFA, et fente sont mesurés et sont conformes aux paramètres simulés. En plus, Nous avons présenté un dispositif de test pour mesurer le digramme de gain de ses antennes. La procédure de caractérisation a permis la validation expérimentale de ce dispositif et la récupération des diagrammes de gain des antennes au niveau de substrat SOI. Dans une optique de démonstrateur intégré, une conception conjointe d'un amplificateur faible bruit intégrée sur SOI avec une antenne intégrée, les deux fonctionnant à 60 GHz, permettant de s'affranchir de la contrainte 50 Ohms est conduite.

Le sujet de ce travail est la conception d'une caméra bolométrique à bas niveau de bruit pouvant contenir jusqu'à un millier de pixels. Ce type d'architecture est proposé pour la réalisation d'une nouvelle génération d'instruments dédiés à l'astronomie millimétrique. La caméra offrira d'intéressantes perspectives pour la cosmologie et la physique galactique. Nous avons défini les spécifications de la chaîne optique et des détecteurs, pour une utilisation optimale du radiotélescope de 30m de l'IRAM. Nous avons ouvert la voie à la réalisation de matrices de bolomètres par des procédés de microfabrication. Une partie importante du travail est consacrée à la caractérisation électrique de couches minces thermométriques de NbSi à très basse température (0,1 K). Nous avons étudié le problème du multiplexage des signaux, afin de mesurer un grand nombre de détecteurs en évitant les inconvénients liés au câblage. Nous proposons une électronique de proximité fonctionnant à très basse température.

La miniaturisation des circuits et la montée en fréquence constituent deux importants leitmotives des systèmes de communication modernes. En effet, avec l'augmentation permanente du nombre d'utilisateurs du spectre fréquentiel et la multiplication des services de télécommunications offerts, les bandes de fréquences radiofréquences sont saturées et des bandes de fréquences micro-ondes et millimétriques sont à présent allouées à des applications grand public. Ceci exige le développement de technologies innovantes assurant aux circuits intégrés micro-ondes et millimétriques d'excellentes performances en terme de pertes, de facteur de qualité, d'intégration avec un encombrement et coût réduits. Dans cette optique, la technologie silicium constitue le candidat idéal pour satisfaire à ces exigences grâce à sa maturité, son faible coût, sa grande capacité d'intégration et la possibilité de réaliser des circuits intégrés à base de technologies SiGe ou CMOS. Cependant, la forte tangente de pertes et la faible résistivité du silicium dégradent considérablement les performances des circuits passifs aux fréquences micro-ondes et millimétriques. Nos travaux ont donc consisté à développer de nouvelles filières technologiques à faibles pertes pour lever ce verrou technologique et permettre une intégration monolithique de composants passifs avec des circuits intégrés pour un coût très réduit. Le premier chapitre de ce mémoire est dédié à l'état de l'art des différentes solutions technologiques proposées pour contourner les mécanismes à l'origine des pertes dans les interconnexions coplanaires sur substrat silicium. Dans le second chapitre, nous présentons les différentes filières technologiques développées pour optimiser les performances des circuits passifs sur substrat silicium basse résistivité. La première consiste à utiliser une couche organique épaisse faibles pertes pour éloigner les circuits passifs du substrat silicium dispersif. La deuxième solution est basée sur la combi naison de micro-usinage de surface et de dépôt de couche épaisse de polymère toujours à faibles pertes. Enfin, la dernière approche consiste à suspendre nos circuits planaires sur une membrane en polymère afin de supprimer complètement le substrat silicium. Ces technologies ont permis une réduction d'au moins 75 % des pertes d'une ligne de transmission coplanaire 50 W, de même qu'une forte amélioration du facteur de qualité par rapport à une ligne coplanaire sur silicium massif. Le troisième chapitre est consacré à la mise en application de ces filières technologiques faibles pertes à un filtre coplanaire passe-bande centré à 60 GHz ainsi qu'à des antennes planaires fonctionnant dans la bande 24 GHz ISM. Enfin, le dernier chapitre est consacré au développement des briques technologiques nécessaires à l'intégration monolithique faible coût de composants passifs sur membrane polymère (tels que des antennes, inductances, filtres,&) avec les circuits actifs à hétérostructure en SiGe. La compatibilité des principales étapes nécessaires à une telle intégration avec les circuits monolithiques intégrés MMIC a également été étudiée. Une règle de dessin a notamment été définie pour localiser le micro-usinage du silicium sans dégrader les performances des circuits intégrés.

Cette thèse apporte une contribution à l'évaluation des potentialités de filières SiGe de type BiCMOS pour les futures applications de télécommunications en bande millimétrique. Dans ce cadre, les topologies équilibrées ou différentielles sont très attrayantes, en raison de leur bonne immunité aux perturbations électriques et électromagnétiques. La montée en fréquence des applications hyperfréquences sur silicium s'accompagne de nouvelles difficultés. Les pertes introduites par les éléments passifs augmentent et les performances des structures différentielles classiques chutent très rapidement. Il est alors nécessaire d'exploiter d'autres techniques et de rechercher des topologies innovantes permettant la réalisation de fonctions équilibrées performantes. Une première partie est consacrée à l'évaluation des potentialités des différentes technologies d'interconnexions (microruban, guides coplanaires et lignes à rubans coplanaires) exploitables pour la conception de circuits monolithiques sur silicium. Dans un second temps, une bibliothèque d'inductances optimisées pour une utilisation en bande K et Ka est constituée. Les mécanismes physiques à l'origine des pertes dans ce type d'élément sont détaillés afin de dégager les solutions permettant d'améliorer leurs performances. Une deuxième partie traite de l'optimisation des performances des circuits différentiels pour les futures applications dans la gamme 20-40 GHz. Dans un premier temps, nous détaillons les caractéristiques hautes fréquences du transistor qui pénalisent le fonctionnement d'une structure différentielle classique. Des topologies de structures différentielles originales permettant de résoudre ce problème sont ensuite proposées. Ces structures sont appliquées à la conception d'un diviseur de puissance actif 180° original, optimisé pour une fréquence centrale de fonctionnement de 20 GHz. Enfin, un convertisseur de fréquences 20 GHz vers 1 GHz a été conçu et réalisé. Celui-ci intègre, outre le mélangeur, le s trois coupleurs actifs 180° nécessaires à la génération / recombinaison des signaux différentiels utiles au mélangeur. La caractérisation de ce convertisseur de fréquences démontre la pertinence des configurations choisies pour les interconnexions ainsi que le grand intérêt des structures différentielles originales mises en Suvre.

Le travail de cette thèse a consisté à concevoir, réaliser et optimiser un montage expérimental de Polarisation Dynamique Nucléaire multi-échantillons pour des applications biomédicales en Imagerie Spectroscopique par Résonance Magnétique. Ce montage est constitué d'un aimant à fort champ magnétique (3,35T), dans lequel se place un système cryogénique à bain d'hélium (He$^4$) liquide pompé pouvant atteindre des températures inférieures à 1,2K. Un ensemble d'inserts permet d'effectuer les différentes étapes du processus PDN dont l'irradiation des échantillons par un champ micro-onde (f=94GHz et P=50mW) et le suivi de leur polarisation par Résonance Magnétique Nucléaire. Ce système permet de polariser jusqu'à trois échantillons, de volume proche de 1mL, à des taux de polarisation de quelques pourcents. Il présente une forte autonomie supérieure à quatre heures, autorisant ainsi la polarisation de molécules à longues constantes de temps de polarisation. La possibilité de disposer quasi-simultanément, après dissolution, de plusieurs échantillons fortement polarisés ouvre la voie à de nouvelles applications dans le domaine de l'imagerie biomédicale.

La génération de signaux microondes, millimétriques, voire THz par voie optique est actuellement une solution technique privilégiée pour la réalisation de systèmes de (télé)communications mobiles haut débit mais encore, les réseaux de distribution d'oscillateurs locaux et de signaux d'observation ou de radar intra- satellitaires, la distribution de signaux vidéo, la communication automobile, les systèmes de visualisation THz pour la sécurité, etc..... Nous reportons ici la réalisation et la caractérisation d'une source optique ultra-compacte en matériau semiconducteur permettant de générer deux modes optiques séparés de la fréquence que l'on désire créer au niveau de la photodétection. Cette source prend la forme d'un laser DFB bi-longueur d'onde émettant dans la gamme de longueurs d'onde autour de 1,55μm. Le composant a été fabriqué chez Alcatel- Thales III-VLab à partir d'une technologie propriétaire de laser DFB et dans le cade du projet Européen IPHOBAC. Différents objectifs avaient été fixés pour ce composant: accordabilité de l'écartement intermodal jusque 300 GHz, largeur de raie de l'ordre du MHz et divergence dans le plan horizontal et vertical de 10°. Le premier objectif a été atteint par la réalisation de deux lasers DFB dont l'écart de pas de réseau est différent de 0,3nm et par la variation des courants d'injection de chaque section. Le second a été globalement atteint par l'utilisation d'une structure active à puits quantiques, une nouvelle version du composant utilisant des boites quantiques devrait remplir complètement cet objectif. Le dernier objectif a été partiellement atteint par la conception et l'adjonction d'un adaptateur de mode en sortie de composant, la divergence obtenue est de 10°x17° (HxV). Dans le plan vertical, les 10° de divergence n'ont pas pu être obtenus principalement à cause de la structure du composant et des limitations que l'on s'était imposées sur la longueur totale de celui-ci.

Les travaux menés dans le cadre de cette thèse proposent de tirer profit des nouvelles technologies disponibles pour répondre aux besoins de la montée en fréquence et de la miniaturisation des systèmes de communication tout en améliorant le niveau des performances. Les études se sont axées vers la conception d'une structure à mélangeur de réjection de fréquence image permettant de relâcher les contraintes sur les structures critiques de filtrage amont. L'intégration des parties actives et passives de ce système, a ainsi été menée avec comme objectifs de tirer au maximum partie des potentialités de chaque technologie, de proposer des solutions techniques pour palier aux inconvénients de chaque technologie, et d'optimiser l'architecture globale en partitionnant le système suivant les contraintes technologiques et/ou techniques. La première partie des travaux a ainsi porté sur le développement en bande K d'une nouvelle topologie de mélangeur à base de transistors à hétérojonction Si-SiGe à linéarité améliorée. Se basant sur une compréhension des phénomènes intrinsèques du circuit, des topologies modifiées ont de plus été proposés afin de repousser l'ensemble des performances atteignables sur cette technologie. La seconde partie des travaux concerne la conception de coupleurs passifs, toujours en bande K, avec pour objectif la miniaturisation maximale de ces fonctions. Une méthodologie de conception a, dans ce cadre, été développée et validée par une intégration sur une technologie spécifiquement développée au LAAS-CNRS et compatible avec une future intégration avec les circuits actifs. Nous avons ainsi obtenu des performances optimales (à l'état de l'art) avec un gain d'intégration d'un facteur 2. Enfin, en amont et en aval de ces travaux, une étude sur l'architecture globale du système de mélangeur à réjection de fréquence image a été conduite, et sans cesse raffinée, afin de partitionner les contraintes de performances entre les différents blocs et de vérifier l'obte ntion des performances.

Certaines lentilles inhomogènes à gradient d'indice présentent de nombreuses propriétés intéressantes (focalisation, dépointage, comportement large bande, etc.). <br />Parmi celles-ci, la lentille hémisphérique "Half Maxwell Fish-Eye" (HMFE) a rarement été étudiée auparavant. Cette thèse a pour but d'approfondir les connaissances sur cette lentille. Des outils de conception et d'analyse ont ainsi été développés.<br />Une méthode d'optimisation de la discrétisation du gradient d'indice a été proposée et appliquée aux lentilles HMFE et de Luneburg. Elle permet de choisir les paramètres des lentilles stratifiées et est généralisable à tout type de loi à dépendance radiale tant diélectrique que magnétique.<br />La majeure partie de ce travail de thèse est consacrée au développement de deux codes de calcul utilisant la technique de raccordement des modes basée sur les fonctions d'ondes sphériques.<br />Le premier code permet l'analyse rapide des lentilles stratifiées de forme sphérique et hémisphérique de toute taille associées à une source réelle. Le second est formulé pour prendre en compte des structures stratifiées de forme arbitraire avec la possibilité d'introduire du métal. Cette méthode est appliquée à l'étude d'objets diffractants de révolution.<br />D'un point de vue applicatif, les performances en focalisation des antennes lentilles HMFE sont analysées et comparées à celles des lentilles de Luneburg. Les capacités de dépointage de cette lentille sont aussi quantifiées et une antenne lentille HMFE reconfigurable est présentée.<br />Ces performances sont validées par des mesures d'antennes lentilles HMFE en ondes millimétriques.