Du fait de nombreuses avancées technologiques et scientifiques, l'ensemble du réseau de télécommunications a évolué vers une complexité croissante intégrant désormais des débits très importants. Grâce aux larges bandes passantes offertes par les bandes de fréquences millimétriques, les prochaines générations visent à permettre l'augmentation du nombre de services multimédias et de partage de contenus en haute définition. Cette évolution pose la problématique de concevoir des systèmes sans-fils capables de fonctionner en haute fréquence avec des rendements et coûts acceptables, ainsi qu'un encombrement minimum. Ce travail se situe dans le cadre du développement de circuits passifs, de types filtres, coupleurs et guides d'ondes qui répondent à ces défis. Nous avons développé une technique de miniaturisation pour des dispositifs en technologie imprimée, dans un premier temps dédiée aux fréquences inférieures à 20 GHz. Celle-ci repose sur la notion d'onde lente, définie comme la capacité d’une structure à ralentir la propagation des ondes la traversant. Une analyse théorique ainsi que des méthodes de conception ont été développées, puis validées par des mesures. Dans un second temps, nous avons proposé deux technologies distinctes permettant l'intégration de guides d'ondes performants en bande millimétrique en collaboration avec deux laboratoires partenaires. Une étude théorique, la conception de motifs de test et les résultats de mesure sont présentés. Ces travaux constituent une base pour la réalisation ultérieure en bande millimétrique de topologies miniaturisées grâce aux ondes lentes. / The last decades have seen the evolution of communication networks towardgreater complexity and efficiency, being now able to carry significant data rates. This evolution is the result of both scientific and technological breakthroughs. Thanks to the wide bandwidths available at millimeter-wave frequencies, the future generations will be able to supply for the the increasing demand in multimedia services, especially high-definition videos. The design of wireless systems which operate at high frequencies with acceptable efficiency, costs, and minimum size thus constitute a decisive challenge. In this context, this work focuses on the development of passive circuits such as filters, couplers and waveguides which address these issues. We developed a miniaturization technique for printed circuits technology, which in a first step is dedicated to frequencies below 20 GHz. This technique is based on a slow-wave concept, defined as the property of any structure which impose lower velocities to the electromagnetic waves. A theoretical analysis, as well as design methods were established and confirmed by measurements. Secondly, we proposed two distinct technological solutions for the integration of efficient waveguides at millimeter-wave frequencies. This work was achieved in collaboration with two other laboratories. A theoretical study, design of test features and measurementswere performed. These results intend to constitute a basis for the future realization of miniaturized slow-wave circuits at millimeter-wave frequency bands.

[pt] O termo de ondas milimétricas refere-se à porção do espectro eletromagnético com frequências entre 30 e 300 GHz, correspondente a comprimentos de onda de 10 até 1 mm, respectivamente. As características das ondas milimétricas diferem das micro-ondas e das infravermelhas, e são estas diferenças que fazem com que um sistema de ondas milimétricas seja o candidato ideal para algumas aplicações. Nos anos passados, a falta e o alto custo de fontes, dispositivos, componentes e instrumentação adequada, para esta faixa de frequências, levaram a um progresso muito devagar nesta área, no entanto, as limitações dos sistemas infravermelhos e ópticos e a superlotação da região do micro-ondas do espectro ocasionaram um maior interesse em frequências milimétricas nos últimos anos. A quinta geração dos sistemas móveis deve estar pronta nos próximos anos, e muitas pesquisas estão se desenvolvendo nas faixas de 28 GHz, 38 GHz e 60 GHz. A faixa de 60 GHz, na qual as ondas têm uma maior atenuação comparada com as outras duas, oferece um maior espectro eletromagnético. Nesta faixa de frequência, as ondas se refletem muito e pode se aproveitar estas reflexões para uma melhor recepção sendo, por tanto, uma ótima opção para comunicação móvel de curta distância com altas taxas de transferência de dados. Para poder aproveitar a maior quantidade de multipercursos, a antena receptora deve ter uma largura de feixe grande. Assim, neste trabalho, duas antenas foram projetadas, construídas e, de alguma forma, testadas para uma frequência de 60 GHz, onde as larguras de feixe simuladas obtidas foram de 112 graus e 115 graus. / [en] The millimeter wave term refers to that portion of the electromagnetic spectrum with frequencies between 30 and 300 GHz corresponding to wavelengths of 1 to 10 mm. The characteristics of the millimeter wave differ from microwave and infrared, and these differences make a millimeter wave system, an ideal candidate for some applications. In the past the lack and the high cost of supplies, devices, components and instrumentation suitable for this frequency band caused very rambling progress in this area. However, the limitations of infrared optical systems and overcrowding of the microwave spectrum region led to a greater interest in the millimeter frequency in recent years and it is expected an increase in this interest. The fifth generation of mobile systems should be ready in the coming years, and many studies are developing in the 28 GHz, 38GHz and 60GHz bands. In the 60 GHz band, waves has a higher attenuation compared to the other two, but also offers greater electromagnetic spectrum, in this band, waves has a lot of reflection, then, scattering can be taken for better reception. So, this band is a great choice for short distance mobile communication with high data rates. To get the greatest amount of multipath, the receiving antenna must have a wide beam width. In this work, two antennas were designed, built and somewhat tested for a frequency of 60 GHz for mobile environment, where the beam widths obtained are 112 degrees and 115 degrees.

As futuras redes de acesso sem-fio, como a quinta geração de telefonia celular (5G), estão introduzindo e consolidando diversas tecnologias, tais como a operação em ondas milimétricas, picocélulas e o emprego massivo de antenas para diversidade espacial e temporal. Todas essas mudanças trazem desafios para a capacidade dos enlaces presentes nessas redes, como o backhaul e fronthaul. Nas últimas gerações, o ifronthaul tem utilizado Rádio-sobre-Fibra Digital (D-RoF, Digital Radio-over Fiber). Entretanto, neste novo paradigma, o processo de digitalização pode vir a consumir uma largura de banda excessiva e a transmissão analógica dos sinais de RF sobre a fibra se torna uma solução mais atrativa. Ao mesmo tempo, WDM-PON (Wavelength-Division-Multiplexing Passive-Optical-Network) é uma proeminente alternativa para o futuro das PONs, especialmente considerando o seu emprego como fronthaul. Para reduzir a necessidade de diversos transmissores diferentes, várias técnicas de auto-alimentação para obtenção de fontes ópticas agnósticas em comprimento de onda têm sido propostas. O presente trabalho faz um estudo de topologias de auto-alimentação com dupla cavidade para operarem como fronthaul analógico nas futuras redes de acesso sem-fio. Simulações numéricas utilizando o software Optisystem demonstram a viabilidade destas topologias em diversos cenários previstos para estas redes de acesso, especialmente considerando a operação em ondas milimétricas. Transmissões bem sucedidas foram obtidas para sinais ASK, M-PSK e M-QAM em frequências de microondas (1,25, 2,5 e 5 GHz) e ondas milimétricas (38 e 60 GHz) com vazões de 155 Mbps a 10 Gbps utilizando modulação direta e modulação externa. / Future radio access networks, such as the fifth generation mobile network (5G), are introducing and consolidating disruptive technologies, such as millimeter wave operation, dense picocell coverage and massive use of antennas for spatial and temporal diversity. These new technologies present a challenge for the capacity of the links that are present on these networks, including backhaul and fronthaul. In the latest cellular network generations, the fronthaul was typically implemented by Digital Radio-over-Fiber (D-RoF) technique. However, in this future context, the digitalization process would require a prohibitive bandwidth and the analog transmission of RF signals over the fiber can be a more attractive solution when compared to D-RoF. At the same time, Wavelength-Division-Multiplexing PON (WDM-PON) is prominent alternative for the future of PONs, especially considering its use as fronthaul. In order to avoid employing numerous distinct transmitters, several self-seeding techniques have been proposed to achieve colorless optical sources. This dissertation presents a numerical study of double-cavity self-seeding topologies to serve as analog fronthaul for future radio access networks. Numerical simulations using the software Optisystem demonstrate the feasibility of these topologies in various scenarios envisioned for these access networks, especially considering operation in millimeter waves. Successful transmission was achieved for ASK, M-PSK and M-QAM signals at microwave (1.25, 2.5 and 5 GHz) and millimeter wave (38 and 60 GHz) frequencies with throughput of 155 Mbps to 10 Gbps using direct and external modulation.

Ces travaux de thèse portent sur l’étude des solutions innovantes de caractérisation destinées à l’amélioration de la précision du schéma équivalent petit signal à des fréquences d’ordre millimétrique. Après un état de l’art dans ce domaine et suite à plusieurs caractérisations au niveau composant, une nouvelle structure de test “nouvelle approche” est conçue, réalisée et caractérisée. Cette approche est basée sur une nouvelle méthode d’extraction du schéma équivalent petit signal à partir d’une structure adaptée. Cette méthode réalise une adaptation des impédances du transistor sous test aux impédances des équipements de mesure. Comme résultats, la transmission du signal entre la source et le composant sous test ainsi que la précision de la mesure des paramètres extraits sont améliorés. La méthode développée permet la validation des modèles compacts des composants fabriqués en technologie BiCMOS 0.25μm au niveau circuit. Les mesures réalisées ont montré une bonne amélioration de l’extraction entre un transistor sous test seul et un transistor sous test adapté. La méthode d’investigation proposée permet l’extraction des modèles à des très hautes fréquences avec une meilleure précision. Cette thèse ouvre donc des perspectives pour la caractérisation en bande millimétrique notamment caractérisation des structures adaptées en impédances et de méthodes de de-embedding dédiées à ces dernières. / This thesis deals with the study of innovative solutions for small signal characterization at millimeter wave frequency. After a state of the art in this field and following to several characterizations at device level, a new test structure “new approach” is designed, fabricated, and characterized. The approach of characterizing at circuit level is based on a new method to extract the small signal equivalent circuit using matched test structures. This method proposed here makes the DUT impedances carefully match the characteristic impedances of the measurement equipment. In results, the transmission of the signal from the source to the DUT is improved while the parameters extraction accuracy is improved. The developed method enables the BiCMOS 0.25μm compact models validation in circuit level in mm-Wave band and enables accurate parameter extraction in a narrow band at higher frequencies. The verification results demonstrated that the new test structure significantly outperformed the conventional method in measurement accuracy specifically in very high frequency. Some aspects of the matched test structure could be subject of further investigation. In particularly topics such as, characterization over multiple test structure geometries and deembedding test structure losses.

Récemment la bande 60 GHz a été mise en avant pour le développement des réseaux de communication sans fil centrés sur le corps humain. Cet intérêt de la bande 60 GHz pour les applications BAN (Body Area Network) s'explique par les avantages clefs qu'elle procure par rapport aux bandes de fréquence plus basses (possibilité de débits de données supérieurs à 7 Gbit/s, réduction des interférences avec les réseaux voisin, compacité des dispositifs, etc). Le nombre d'application de communication BAN est amené à croître dans les années à venir avec le déploiement de la 5ème génération de réseaux de télécommunications mobiles. Afin de protéger efficacement les utilisateurs des expositions générées par ces applications BAN à 60 GHz, il est nécessaire de se pencher sur les problématiques de réduction du couplage corps/antennes, mais également sur l'évaluation et la quantification du niveau d'exposition du corps à 60 GHz. Pour cela, les travaux de thèse ont été organisés suivant trois axes de recherche : le premier consiste à mettre en évidence et à quantifier l'impact de certains choix de conception en matière d'antennes sur le couplage avec le corps humain ; le second porte sur les outils et les méthodes utilisés pour estimer l'impact thermique d'une exposition électromagnétique 60 GHz sur le fantôme équivalent de la peau ; et le troisième propose une nouvelle approche à la fois dosimétrique et thermique pour évaluer et analyser le couplage corps/antennes en bande millimétrique. / The 60-GHz frequency band has been identified recently as attractive for body centric wireless communication development. Indeed, this band has several key advantages compared to lower frequency bands as high data rates above 7 Gbit/s, low risks of interference with neighboring wireless networks and compact devices. With the development of the future 5th generation of mobile networks in the millimeter-wave band, the number of BAN applications at 60 GHz should increase. To avoid health effects and protect user against an electromagnetic exposure of BAN devices at 60 GHz, the reduction of the coupling between human body and antennas, as well as the evaluation and quantification of exposure are main research aspect of the thesis. The main thesis contributions are divided in three parts: a quantification of antenna design effects on the interactions between human body and antennas; a study of tools and methods used to assess thermal effects due to 60 GHz exposure on a skin-equivalent phantom; and a new dosimetric and thermal approach to evaluate interaction between human body and BAN antennas at 60 GHz.

A new communication paradigm is foreseen for beyond 2020 society, due to the emergence of new broadband services and the Internet of Things era. The set of requirements imposed by these new applications is large and diverse, aiming to provide a ubiquitous broadband connectivity. Research community has been working in the last decade towards the definition of the 5G mobile wireless networks that will provide the proper mechanisms to reach these challenging requirements. In this framework, three key research directions have been identified for the improvement of capacity in 5G: the increase of the spectral efficiency by means of, for example, the use of massive MIMO technology, the use of larger amounts of spectrum by utilizing the millimeter wave band, and the network densification by deploying more base stations per unit area. This dissertation addresses densification as the main enabler for the broadband and massive connectivity required in future 5G networks. To this aim, this Thesis focuses on the study of the UDN. In particular, a set of technology enablers that can lead UDN to achieve their maximum efficiency and performance are investigated, namely, the use of higher frequency bands for the benefit of larger bandwidths, the use of massive MIMO with distributed antenna systems, and the use of distributed radio resource management techniques for the inter-cell interference coordination. Firstly, this Thesis analyzes whether there exists a fundamental performance limit related with densification in cellular networks. To this end, the UDN performance is evaluated by means of an analytical model consisting of a 1-dimensional network deployment with equally spaced BS. The inter-BS distance is decreased until reaching the limit of densification when this distance approaches 0. The achievable rates in networks with different inter-BS distances are analyzed for several levels of transmission power availability, and for various types of cooperation among cells. Moreover, UDN performance is studied in conjunction with the use of a massive number of antennas and larger amounts of spectrum. In particular, the performance of hybrid beamforming and precoding MIMO schemes are assessed in both indoor and outdoor scenarios with multiple cells and users, working in the mmW frequency band. On the one hand, beamforming schemes using the full-connected hybrid architecture are analyzed in BS with limited number of RF chains, identifying the strengths and weaknesses of these schemes in a dense-urban scenario. On the other hand, the performance of different indoor deployment strategies using HP in the mmW band is evaluated, focusing on the use of DAS. More specifically, a DHP suitable for DAS is proposed, comparing its performance with that of HP in other indoor deployment strategies. Lastly, the presence of practical limitations and hardware impairments in the use of hybrid architectures is also investigated. Finally, the investigation of UDN is completed with the study of their main limitation, which is the increasing inter-cell interference in the network. In order to tackle this problem, an eICIC scheduling algorithm based on resource partitioning techniques is proposed. Its performance is evaluated and compared to other scheduling algorithms under several degrees of network densification. After the completion of this study, the potential of UDN to reach the capacity requirements of 5G networks is confirmed. Nevertheless, without the use of larger portions of spectrum, a proper interference management and the use of a massive number of antennas, densification could turn into a serious problem for mobile operators. Performance evaluation results show large system capacity gains with the use of massive MIMO techniques in UDN, and even greater when the antennas are distributed. Furthermore, the application of ICIC techniques reveals that, besides the increase in system capacity, it brings significant energy savings to UDNs. / A partir del año 2020 se prevé que un nuevo paradigma de comunicación surja en la sociedad, debido a la aparición de nuevos servicios y la era del Internet de las cosas. El conjunto de requisitos impuesto por estas nuevas aplicaciones es muy amplio y diverso, y tiene como principal objetivo proporcionar conectividad de banda ancha y universal. En las últimas décadas, la comunidad científica ha estado trabajando en la definición de la 5G de redes móviles que brindará los mecanismos necesarios para garantizar estos requisitos. En este marco, se han identificado tres mecanismos clave para conseguir el necesario incremento de capacidad de la red: el aumento de la eficiencia espectral a través de, por ejemplo, el uso de tecnologías MIMO masivas, la utilización de mayores porciones del espectro en frecuencia y la densificación de la red mediante el despliegue de más estaciones base por área. Esta Tesis doctoral aborda la densificación como el principal mecanismo que permitirá la conectividad de banda ancha y universal requerida en la 5G, centrándose en el estudio de las Redes Ultra Densas o UDNs. En concreto, se analiza el conjunto de tecnologías habilitantes que pueden llevar a las UDNs a obtener su máxima eficiencia y prestaciones, incluyendo el uso de altas frecuencias para el aprovechamiento de mayores anchos de banda, la utilización de MIMO masivo con sistemas de antenas distribuidas y el uso de técnicas de reparto de recursos distribuidas para la coordinación de interferencias. En primer lugar, se analiza si existe un límite fundamental en la mejora de las prestaciones en relación a la densificación. Con este fin, las prestaciones de las UDNs se evalúan utilizando un modelo analítico de red unidimensional con BSs equiespaciadas, en el que la distancia entre BSs se disminuye hasta alcanzar el límite de densificación cuando ésta se aproxima a 0. Las tasas alcanzables en redes con distintas distancias entre BSs son analizadas, considerando distintos niveles de potencia disponible en la red y varios grados de cooperación entre celdas. Además, el comportamiento de las UDNs se estudia junto al uso masivo de antenas y la utilización de anchos de banda mayores. Más concretamente, las prestaciones de ciertas técnicas híbridas MIMO de precodificación y beamforming se examinan en la banda milimétrica. Por una parte, se analizan esquemas de beamforming en BSs con arquitectura híbrida en función de la disponibilidad de cadenas de radiofrecuencia en escenarios exteriores. Por otra parte, se evalúan las prestaciones de ciertos esquemas de precodificación híbrida en escenarios interiores, utilizando distintos despliegues y centrando la atención en los sistemas de antenas distribuidos o DAS. Además, se propone un algoritmo de precodificación híbrida específico para DAS, y se evalúan y comparan sus prestaciones con las de otros algoritmos de precodificación utilizados. Por último, se investiga el impacto en las prestaciones de ciertas limitaciones prácticas y deficiencias introducidas por el uso de dispositivos no ideales. Finalmente, el estudio de las UDNs se completa con el análisis de su principal limitación, el nivel creciente de interferencia en la red. Para ello, se propone un algoritmo de control de interferencias basado en la partición de recursos. Sus prestaciones son evaluadas y comparadas con las de otras técnicas de asignación de recursos. Tras este estudio, se puede afirmar que las UDNs tienen gran potencial para la consecución de los requisitos de la 5G. Sin embargo, sin el uso conjunto de mayores porciones del espectro, adecuadas técnicas de control de la interferencia y el uso masivo de antenas, las UDNs pueden convertirse en serios obstáculos para los operadores móviles. Los resultados de la evaluación de prestaciones de estas tecnologías confirman el gran aumento de la capacidad de las redes mediante el uso masivo de antenas y la introducción de mecanismos de I / A partir de l'any 2020 es preveu un nou paradigma de comunicació en la societat, degut a l'aparició de nous serveis i la era de la Internet de les coses. El conjunt de requeriments imposat per aquestes noves aplicacions és ampli i divers, i té com a principal objectiu proporcionar connectivitat universal i de banda ampla. En les últimes dècades, la comunitat científica ha estat treballant en la definició de la 5G, que proveirà els mecanismes necessaris per a garantir aquests exigents requeriments. En aquest marc, s'han identificat tres mecanismes claus per a aconseguir l'increment necessari en la capacitat: l'augment de l'eficiència espectral a través de, per exemple, l'ús de tecnologies MIMO massives, la utilització de majors porcions de l'espectre i la densificació mitjançant el desplegament de més estacions base per àrea. Aquesta Tesi aborda la densificació com a principal mecanisme que permetrà la connectivitat de banda ampla i universal requerida en la 5G, centrant-se en l' estudi de les xarxes ultra denses (UDNs). Concretament, el conjunt de tecnologies que poden dur a les UDNs a la seua màxima eficiència i prestacions és analitzat, incloent l'ús d'altes freqüències per a l'aprofitament de majors amplàries de banda, la utilització de MIMO massiu amb sistemes d'antenes distribuïdes i l'ús de tècniques distribuïdes de repartiment de recursos per a la coordinació de la interferència. En primer lloc, aquesta Tesi analitza si existeix un límit fonamental en les prestacions en relació a la densificació. Per això, les prestacions de les UDNs s'avaluen utilitzant un model analític unidimensional amb estacions base equidistants, en les quals la distància entre estacions base es redueix fins assolir el límit de densificació quan aquesta distància s'aproxima a 0. Les taxes assolibles en xarxes amb diferents distàncies entre estacions base s'analitzen considerant diferents nivells de potència i varis graus de cooperació entre cel·les. A més, el comportament de les UDNs s'estudia conjuntament amb l'ús massiu d'antenes i la utilització de majors amplàries de banda. Més concretament, les prestacions de certes tècniques híbrides MIMO de precodificació i beamforming s'examinen en la banda mil·limètrica. D'una banda, els esquemes de beamforming aplicats a estacions base amb arquitectures híbrides és analitzat amb disponibilitat limitada de cadenes de radiofreqüència a un escenari urbà dens. D'altra banda, s'avaluen les prestacions de certs esquemes de precodificació híbrida en escenaris d'interior, utilitzant diferents estratègies de desplegament i centrant l'atenció en els sistemes d' antenes distribuïdes (DAS). A més, es proposa un algoritme de precodificació híbrida distribuïda per a DAS, i s'avaluen i comparen les seues prestacions amb les de altres algoritmes. Per últim, s'investiga l'impacte de les limitacions pràctiques i altres deficiències introduïdes per l'ús de dispositius no ideals en les prestacions de tots els esquemes anteriors. Finalment, l' estudi de les UDNs es completa amb l'anàlisi de la seua principal limitació, el nivell creixent d'interferència entre cel·les. Per tractar aquest problema, es proposa un algoritme de control d'interferències basat en la partició de recursos. Les prestacions de l'algoritme proposat s'avaluen i comparen amb les d'altres tècniques d'assignació de recursos. Una vegada completat aquest estudi, es pot afirmar que les UDNs tenen un gran potencial per aconseguir els ambiciosos requeriments plantejats per a la 5G. Tanmateix, sense l'ús conjunt de majors amplàries de banda, apropiades tècniques de control de la interferència i l'ús massiu d'antenes, les UDNs poden convertir-se en seriosos obstacles per als operadors mòbils. Els resultats de l'avaluació de prestacions d' aquestes tecnologies confirmen el gran augment de la capacitat de les xarxes obtingut mitjançant l'ús massiu d'antenes i la introducci / Giménez Colás, S. (2017). Ultra Dense Networks Deployment for beyond 2020 Technologies [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86204 / TESIS

Masters thessis deals with the problematics of wireless signal propagation modeling inside buildings. The theoretical part of this thessis describes principles and methods of electromagnetic waves spreading in open areas and in indoor deployment. There are also described methods used for calculating the path of signal propagation ray-launching and ray-tracing. This part also includes description of an algorithm and equations used for simulating 5GHz WiFi signal propagation inside the Department of telecommunications corridors. Second part of this thessis includes a description of a NS-3 module mmWave, which was used for simulations of IEEE 802.11ad (WiGig) standard. There are also results of these simulations and their detailed description. At the end of this thessis comparison of these results with values gained by real environment measurements can be found.

[pt] As comunicações de ondas milimétricas (mmWave) são consideradas uma tecnologia essencial para os sistemas celulares de próxima geração, dado que a enorme largura de banda disponível pode potencialmente fornecer as taxas de vários gigabits por segundo. As técnicas convencionais de pré-codificação e combinação são impraticáveis nos cenários da mmWave devido ao custo de fabricação e ao consumo de energia. As alternativas híbridas foram consideradas uma tecnologia promissora para fornecer um compromisso entre a complexidade do hardware e o desempenho do sistema. Um grande número de projetos de pré-codificadores híbridos têm sido proposto com diferentes abordagens. Uma abordagem possível é procurar minimizar a distância euclidiana entre o pré-decodificador híbrido e o pré-decodificador totalmente digital. No entanto, essa abordagem torna o projeto do pré-codificador híbrido um problema de fatoração da matrices difícil de lidar devido às restrições de hardware dos componentes analógicos. Esta tese de doutorado propõe alguns projetos de pré-codificadores e combinadores híbridos por meio de uma estratégia hierárquica. O problema híbrido de pré-codificação / combinação é dividido em partes analógicas e digitais. Primeiro, o pré-codificador / combinador analógico é projetado. Em seguida, com o pré-codificador / combinador analógico fixo, o précodificador / combinador digital é calculado para melhorar o desempenho do sistema. Além disso, métodos de otimização linear e não linear são empregados para projetar a parte analógica do pré-codificador / combinador. A viabilidade dessas propostas é avaliada usando diferentes técnicas de detecção de dados e analisando o desempenho do sistema em termos de taxa de erros de bits (BER), sum–rate e outras métricas, em cenários internos do mmWave, considerando enlace diretos massivo do MU–MIMO. Além disso, este trabalho propõe um método para encontrar aproximações analíticas bastante restritas ao desempenho obtido no BER. A metodologia proposta exigiria o conhecimento da função densidade de probabilidade (fdp) das variáveis relacionadas que são desconhecidas para os cenários mmWave. Para resolver este problema, são utilizadas as aproximações fdp Gamma. As aproximações analíticas do BER resultaram em diferenças não superiores a 0,5 dB em relação aos resultados da simulação em alto SNR. / [en] Millimeter–wave (mmWave) communications have been regarded as a key technology for the next–generation cellular systems since the huge available bandwidth can potentially provide the rates of multiple gigabits per second. Conventional precoding and combining techniques are impractical at mmWave scenarios due to manufacturing cost and power consumption. Hybrid alternatives have been considered as a promising technology to provide a compromise between hardware complexity and system performance. A large number of hybrid precoder designs have been proposed with different approaches. One possible approach is to search for minimizing the Euclidean distance between hybrid precoder and the full-digital precoder. However, this approach makes the hybrid precoder design becomes a matrix factorization problem difficult to deal due to the hardware constraints of analog components. This doctoral thesis proposes some hybrid precoder and combiners designs through a hierarchical strategy. The hybrid precoding/combining problem is divided into analog and digital parts. First, the analog precoder/combiner is designed. Then, with the analog precoder/combiner fixed, the digital precoder/ combiner is computed to improve the system performance. Furthermore, linear and no-linear optimization methods are employed to design the analog part of the precoder/combiner. The viability of these proposals is evaluated using different data detection techniques and analyzing the system performance in terms of bit error rate (BER), sum rate, and other metrics, in indoor mmWave scenarios considering massive MU-MIMO downlink. Also, this work proposes a method to find fairly tight analytic approximations to the obtained BER performance. The methodology proposed would require the knowledge of the probability density function (pdf) of the variables involved, which are unknown for mmWave scenarios. In order to solve this problem, Gamma pdf approximations are used. The analytic BER approximations resulted in differences no larger than 0.5 dB with respect to the simulation results in high SNR.

Avec la prolifération des appareils électroniques portables et mobiles communicants, il est recommandé de pouvoir échanger des données rapidement et commodément entre les appareils. Avec la pénurie de bande passante et la congestion dans le spectre des fréquences faibles, la technologie de communication à ondes millimétriques (Mm-wave) est considérée comme l'une des technologies clés du futur pour permettre des applications sans fil à débit élevé grâce à son large spectre abondant. Les nœuds de technologie CMOS avancés sont dotés de ft et fmax plus élevés qui permettent une utilisation peu coûteuse et généralisée de ce spectre. Cependant, de nombreux défis associés à la conception de circuits et de systèmes RF millimétriques en utilisant des technologies CMOS avancées ont été identifiés. L’amplificateur de puissance (PA) a été identifié comme étant le bloc le plus difficile à concevoir dans un émetteur-récepteur intégré RF millimétrique. Le concept au niveau du système de l’architecture basse puissance est d’abord étudié et des blocs clés tels que l’antenne 60 GHz et le modulateur OOK dans la technologie CMOS 130nm ont été présentés. Cette thèse explore également les défis de conception de l’amplificateur de puissance à ondes millimétriques dans la technolgie 28nm UTBB-FDSOI. Trois conceptions différentes d’amplificateur de puissance de 60 GHz ont été démontrées dans 28nm LVT FDSOI : 1) Un PA cascode à deux étages, 2) Un PA différentiel à deux étages à base de transformateur, 3) Un PA différentiel à deux étages à puissance combinée. Les performances simulées, y compris la prise en compte des parasites principaux de disposition ont été présentées. Les travaux futurs incluront l’intégration sur puce avec le PA. / With the proliferation of portable and mobile electronic devices, there is a strong need to exchange data quickly and conveniently between devices encouraging to overcome challenges in bandwidth shortages and congestion in the lower frequencies spectrum. Millimeter-wave (Mm-wave) technology is considered as one of the future key technologies to enable high data rates wireless applications due to its large abundant spectrum. Advanced CMOS technology nodes comes with high ft and fmax, enable low cost and widespread use of this spectrum. However, many associated challenges ranging from device, circuit and system perspectives for the implementation of a highly integrated mm-wave transceiver especially the power amplifier (PA) which identified to be the most challenging RF block to be designed. The system level concept of low power architecture is firstly studied and key blocks such as 60 GHz antenna and OOK modulateur in 130nm CMOS technology were presented. This thesis also explores the design challenges of mm-wave power amplifier in 28nm UTBB-FDSOI technology. Three different designs of 60 GHz power amplifier were demonstrated in 28nm LVT FDSOI : 1) A two-stage cascode PA, 2) A two-stage differential PA with low-km TMN, 3) A power combined two-stage differential PA with low-km TMN. The simulated performance including the consideration of key layout parasitics were presented. Future work will include for on-chip integration with the PA.

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.