L'objectif de ce travail est de concevoir et de caractériser un front-end millimétriqueutilisant des lignes de propagation à ondes lentes S-CPW optimisées en technologies CMOS avancées.Ces lignes présentant des facteurs de qualité 2 à 3 fois supérieurs à ceux des lignes classiques de typemicroruban ou CPW.Dans le premier chapitre, l'impact de l'évolution des noeuds technologiques CMOS sur lesperformances des transistors MOS aux fréquences millimétriques et sur les lignes de propagation ainsiqu'un état de l'art concernant les performances des front-end sont présentés. Le deuxième chapitreconcerne la réalisation des lignes S-CPW dans différentes technologies CMOS et la validation d'unmodèle phénoménologique électrique équivalent. Le troisième chapitre est dédié à la conceptiond'amplificateurs de puissance à 60 GHz utilisant ces lignes S-CPW en technologies CMOS 45 et65 nm. Cette étude a permis de mettre en évidence l'apport des lignes à ondes lentes aux performancesdes amplificateurs de puissance fonctionnant dans la gamme des fréquences millimétriques. Uneméthode de conception basée sur les règles d'électro-migration et permettant une optimisation desperformances a été développée. Finalement, un amplificateur faible bruit et un commutateur d'antennetravaillant à 60 GHz et à base de lignes S-CPW ont été conçus en technologie CMOS 65 nm afin degénéraliser l'impact de ce type de lignes sur les performances des front-end millimétriques.

Ce document propose de synthétiser mes activités de recherche selon l'organisation suivante. Le chapitre 1 est consacré à l'intégration d'amplificateurs de puissance silicium sur des technologies CMOS et BiCMOS en présentant les solutions " circuit " que nous avons développé. Cette activité a débuté lors de mes travaux de thèse en octobre 2002 à travers la conception d'amplificateurs de puissance en technologie BiCMOS SiGe reconfigurables multi-standard pour les applications mobiles. Puis, une structure d'amplificateurs de puissance innovante est proposée afin d'intégrer totalement les parties émission et réception sur une seule et même puce CMOS. La notion de signature thermique du PA est introduite. Afin de surmonter le compromis linéarité/rendement inhérent aux amplificateurs de puissance traditionnels, nous retrouvons dans le chapitre 2 différentes architectures qui répondent à l'augmentation du rendement des PAs linéaires et l'augmentation de la linéarité des PAs à haut rendement. L'option choisie est alors de travailler " autour " du PA sur des techniques prometteuses en termes de perspectives d'intégration et de performances. Ainsi, les études de la mise en parallèle de cellules amplificatrices et des amplificateurs Doherty sont décrites. De plus, la technique de linéarisation par boucle cartésienne est développée en y associant de l'intelligence numérique. Le chapitre 3 se distingue des deux premiers dans le sens où il est consacré aux travaux effectués sur les architectures d'émetteur dans lequel nous avons développé un émetteur original aux fréquences RF et millimétriques. Cette architecture, innovante dans sa forme, permet d'émettre directement le signal modulé par un bloc que nous appelons Power VCO. Il s'agit d'un oscillateur contenant un amplificateur de puissance dans la chaine directe et un filtre dans la chaine de retour. Nous proposons pour la chaine directe l'utilisation de PA à haut rendement et pour la chaine de retour de réseaux LC, de résonateurs BAW, de filtres BAW, et de vecteur-modulateur. Le chapitre 4 quant à lui expose mon projet de recherche. Il se nourrit des éléments présentés dans les trois premiers chapitres. Le travail au niveau " circuit " est toujours présent en proposant des études sur de nouvelles classes de fonctionnement, sur des technologies GaN, graphene et FinFET. Le travail " autour du PA " se poursuit avec de nouvelles applications pour la boucle cartésienne et la recherche de solution originale de réduction de la consommation en mêlant des méthodes de traitement du signal. Enfin, la réflexion au niveau système sur la façon de penser les émetteurs est également relancée. En parallèle de ces activités, la dernière partie du document est consacrée aux activités d'enseignement et d'intérêt généraux au niveau de l'établissement d'enseignement (IPB), du laboratoire, des activités nationales et internationales.

L’objectif de ce travail est de concevoir et de caractériser un front-end millimétriqueutilisant des lignes de propagation à ondes lentes S-CPW optimisées en technologies CMOS avancées.Ces lignes présentant des facteurs de qualité 2 à 3 fois supérieurs à ceux des lignes classiques de typemicroruban ou CPW.Dans le premier chapitre, l’impact de l’évolution des noeuds technologiques CMOS sur lesperformances des transistors MOS aux fréquences millimétriques et sur les lignes de propagation ainsiqu’un état de l’art concernant les performances des front-end sont présentés. Le deuxième chapitreconcerne la réalisation des lignes S-CPW dans différentes technologies CMOS et la validation d’unmodèle phénoménologique électrique équivalent. Le troisième chapitre est dédié à la conceptiond’amplificateurs de puissance à 60 GHz utilisant ces lignes S-CPW en technologies CMOS 45 et65 nm. Cette étude a permis de mettre en évidence l’apport des lignes à ondes lentes aux performancesdes amplificateurs de puissance fonctionnant dans la gamme des fréquences millimétriques. Uneméthode de conception basée sur les règles d’électro-migration et permettant une optimisation desperformances a été développée. Finalement, un amplificateur faible bruit et un commutateur d’antennetravaillant à 60 GHz et à base de lignes S-CPW ont été conçus en technologie CMOS 65 nm afin degénéraliser l’impact de ce type de lignes sur les performances des front-end millimétriques. / The objective of this work is to design and characterize a millimeter-wave front-end usingthe optimized slow-wave transmission lines S-CPW in advanced CMOS technologies. The qualityfactor of these transmission lines is twice to three times higher than that of the conventionaltransmission lines such as microstrip lines and coplanar waveguides.In the first chapter, the influence of CMOS scaling-down on the performance of transistors atmillimeter-wave frequencies and on the transmission lines was studied. In addition, a state of the artwith regard to the performance of the front-end was presented. The second chapter concerns about therealization of the S-CPW lines in different CMOS technologies and the validation of an electricalequivalent model. The third chapter is dedicated to the design of 60-GHz power amplifiers using theseS-CPW lines in CMOS 45 and 65 nm technologies. This study highlighted the performanceenhancement of power amplifiers operating at millimeter-wave frequencies by using the slow-wavetransmission lines. A design method based on the electro-migration rules was also developed. Finally,a low noise amplifier and an antenna switch operating at 60 GHz were designed in CMOS 65 nm inorder to generalize the impact of such transmission lines on the performance of the millimeter-wavefront-end.