UPThèses

Pour différentes raisons, la 5G domine actuellement l'actualité technologique. Les capacités de la 5G en termes de largeur de bande et de temps réel constitues un énorme potentiel sociétal en permettant pléthore d'applications nouvelles et inattendues. En effet, la bande de fréquence des ondes millimétriques se caractérise par une largeur de bande disponible qui peut prendre en charge des systèmes sans fil à haut débit pour les futurs systèmes de radiocommunication, y compris les systèmes cellulaires de cinquième génération et au-delà. Les fréquences d'exploitation des ondes millimétriques nécessitent généralement une plus grande ouverture d'antenne pour améliorer le bilan de liaison. Ces antennes se présentent généralement sous la forme de réseaux phasés, permettant la formation de faisceaux. Dans ce contexte, ce travail présente la conception et la mise en œuvre d'un déphaseur actif à 19,5 GHz pour la formation de faisceaux. Le circuit proposé est basé sur une architecture originale utilisant un oscillateur commandé en tension verrouillé par injection (ILVCO en Anglais) associé à un filtre polyphase suivi d'un circuit de sélection de phase et de son signe. La phase souhaitée dans la plage de ± 45° est synthétisée avec le circuit proposé en modifiant la tension de commande Vcntr de l’ILVCO pour un réglage fin et en modifiant les deux signaux de commandes du sélecteur de phase et de signe (S0, S2) pour un réglage grossier, ce qui engendre une variation de phase linéaire de 360°. D'après les résultats de la simulation post-layout, la plage de réglage de la fréquence d’oscillation libre du VCO varie de 17,89 GHz à 20,16 GHz. En outre, avec une puissance injectée de -8,5 dBm et une fréquence de 19,5 GHz, le déphaseur proposé consomme 20,47 mA sous une tension d'alimentation de 1,3 V. De plus, la puissance de sortie moyenne sur 50 Ω est de -15,58 dBm. Le circuit complet a une taille de 1,58 mm2, y compris les pads, et il est intégré sur un process BiCMOS SiGe:C 0,13 μm. Enfin, les résultats obtenus montrent que le déphaseur actif proposé s’avère un candidat potentiel pour les systèmes à réseau phasé utilisés pour la formation de faisceaux dans les applications 5G.

Les radars à ondes millimétriques sont indispensables dans la réalisation de fonctions de sécurité des véhicules et pour la conduite autonome, ce qui en fait l’un des domaines de recherche les plus en vogue actuellement. L’objectif principal de cette thèse est de mettre en œuvre un oscillateur à commande numérique (OCN) en bande K à faible bruit de phase avec une large bande d’accord en fréquence de plus de 20 % pour une boucle à verrouillage de phase entièrement numérique (ADPLL en anglais), qui sera ensuite appliquée aux radars automobiles à ondes continues modulées en fréquence (FMCW en anglais) de 76 à 81 GHz. Deux solutions différentes sont proposées : La première est un OCN à triple banques de capacités commutées (T-OCN), dont la banque de réglage grossier est principalement utilisée pour compenser les variations de PVT, tandis que les banques de réglage moyen et fin permettent de couvrir la largeur de bande de fréquence désirée, nécessitant ainsi un chevauchement des fréquences de plus de 15 % comme dans les OCN conventionnels. En outre, grâce à la nouvelle architecture de réglage fin proposée et basée sur la polarisation de la grille arrière, le T-OCN permet d’obtenir une résolution de fréquence fine de 1.38 MHz à une fréquence porteuse d’environ 20 GHz. La seconde est un OCN à double banque (D-OCN), qui s’appuie uniquement sur une banque de réglage fin à grand nombre d’éléments contrôlée sur 10-bit afin de générer des signaux modulés en fréquence. Cette approche originale nous permet de nous affranchir du problème de chevauchement et de calibration de la fréquence indispensable dans le cas des OCNs à plusieurs banques (plus de trois banques de réglage de fréquence, similaire au T-OCN), le rendant ainsi plus adapté à une utilisation dans le domaine des radars automobiles FMCW. Parallèlement, le D-OCN permet d’obtenir une résolution de fréquence fine de 2.1 MHz et une plage de réglage fin de 2 GHz en utilisant une nouvelle capacité MOM personnalisée de 973 aF. De plus, le T-OCN et le D-OCN sont tous les deux implémentés en technologie 22 nm FD-SOI, ce qui permet d’atteindre des performances en bruit de phase à l’état de l’art et inférieures à -110 dBc/Hz à 1 MHz de la porteuse sur l'ensemble de la plage de fréquences.

Le travail présenté dans cette thèse consiste à développer un circuit intégré original dans le domaine des ondes millimétriques. Associé à un réseau d'antennes, ce dispositif permettra de réaliser de la formation de faisceaux (« beamforming »), c’est-à-dire qu’il permettra d’orienter et de contrôler le diagramme de rayonnement dans la direction désirée. Pour les ondes millimétriques, cette capacité à orienter le faisceau compense par son gain, les pertes dues à la montée en fréquence. Ce nouveau circuit assure un déphasage RF contrôlable entre l’entrée et la sortie. Il est réalisé à base d'un Oscillateur Contrôlé en Tension (OCT) «triple-push» verrouillé par l’injection d’un signal à 8 GHz. Dans ces conditions, la fréquence du signal de sortie est de 24 GHz. L'objectif de cette thèse a été de concevoir ce déphaseur RF actif, totalement intégré et implémenté avec la technologie BiCMOS SiGe:C 0,25 µm de NXP Semiconductors. Dans la première partie de ce travail, la conception de cette nouvelle architecture d’OCT différentiel «triple-push» à la fréquence de 24 GHz est présentée. Nous verrons que l’OCT «triple-push» est constitué de trois OCT différentiels couplés via des diodes varactors. Les résultats de simulations post-layout valident la méthodologie de conception avec un excellent niveau de réjection de la fréquence fondamentale et de la deuxième harmonique. Par la suite, une nouvelle architecture d'un déphaseur différentiel 120° accordable à la fréquence de 8 GHz est présentée. Ce déphaseur permet d'obtenir à partir d'un seul signal d'entrée, trois signaux de même amplitude et déphasés de 120° entre eux. Le circuit a été implémenté et les différents résultats de simulations post-layout obtenus ont été exposés. Enfin, le circuit global a été conçu et implémenté, en combinant le circuit déphaseur 120° et le circuit OCT «triple-push». Ce dernier est verrouillé par injection par le déphaseur 120°. Les résultats de simulations post-layout valident l’approche originale du système conçu et montrent une variation linéaire du déphasage dans tout le plan de phase. Ce déphaseur actif est destiné à être associé à une antenne élémentaire pour ensuite constituer un réseau antennaire complet qui pourra être utilisé pour la transmission de données, par exemple en technologie 5G.

L'objectif de cette thèse est de démontrer la faisabilité d'oscillateurs contrôlés en tension (O.C.T.) rivalisant en termes de bruit de phase avec les O.C.T. fabriqués en technologies III V. Cet O.C.T. doit être complètement intégré, adresser la bande Ku et utiliser la technologie QUBiC4X de NXP Semiconductors. Les travaux de cette thèse sont articulés autour de trois chapitres principaux, le premier revient sur les bases fondamentales à la compréhension des phénomènes inhérents aux composants électroniques et présents dans les oscillateurs plus particulièrement. Le second explique, en s'appuyant sur l'analyse des formes d'ondes et sur des calculs analytiques, les choix retenus en termes d'architecture pour la partie active ainsi que pour le résonateur afin de minimiser la conversion du bruit AM/PM et atteindre les meilleures performances possibles en bruit de phase. Il décrit les quatre versions d'O.C.T. réalisés et analyse les résultats de simulations post-layout obtenus pour justifier leur fabrication. Il présente notamment une architecture innovante utilisant les avantages d'un montage cascode ainsi qu'un résonateur à trois inductances différentielles imbriquées les unes dans les autres. Le troisième chapitre détaille les choix de design faits lors du dessin des masques ainsi que les résultats de mesures obtenus pour les quatre versions fabriquées. Enfin, il se termine par une énumération des recherches menées dans le but d'expliquer les différences observées entre les résultats de mesure et de simulation.

Le travail présenté dans ce mémoire traite de l’étude comportementale, de la conception et de la validation d’une nouvelle architecture, basée sur le couplage d’O.C.T différentiels, appliquée à la commande électronique de l’orientation du diagramme de rayonnement d’un réseau d’antennes linéaire. Après avoir optimisé la structure de l’O.C.T différentiel, qui constitue le corps du circuit de commande, selon une méthode graphique qui visualise les différentes contraintes imposées par le système afin de minimiser son bruit de phase et sa consommation, l’O.C.T à sorties différentielles a été réalisé en technologie NXP BiCMOS SiGe 0,25 μm puis mesuré en boîtier. Etant donné que la direction de rayonnement d’une antenne réseau dépend de la valeur du déphasage imposé entre les signaux envoyés sur deux antennes adjacentes, les équations théoriques modélisant deux O.C.T couplés et permettant d’extraire les amplitudes et le déphasage entre les différents signaux ont été décrites. La dernière étape a alors consisté en la réalisation de deux réseaux constitués respectivement de deux et de quatre O.C.T couplés au moyen d’une résistance puis d’un transistor MOS fonctionnant en zone ohmique. L’approche de couplage proposée a été validée en se basant sur les résultats de mesures effectués. De plus, l’impact de l’utilisation de structures différentielles sur la plage de déphasage obtenue et donc sur le dépointage réalisé a également été présenté ce qui nous a permis de conclure sur l’efficacité du circuit de commande proposé.

Le travail présenté dans ce mémoire traite de l’étude d’oscillateurs et d’Oscillateurs Contrôlés en Tension (OCT) différentiels couplés appliqués à la commande d’un réseau d’antennes linéaire. Après avoir rappelé les concepts d’antennes réseaux et d’oscillateurs, une synthèse de la théorie élaborée par R. York et donnant les équations dynamiques modélisant deux oscillateurs de Van der Pol couplés par un circuit résonnant a été présentée. Après avoir montré la limitation de cette approche concernant la prédiction de l’amplitude des oscillateurs, une nouvelle formulation des équations non linéaires décrivant les états de synchronisation a été proposée. Néanmoins, compte tenu du caractère trigonométrique et fortement non linéaire de ces équations, une nouvelle écriture facilitant la résolution numérique a été proposée. Ceci a permis l’élaboration d’un outil de Conception Assistée par Ordinateur (CAO) fournissant une cartographie de la zone de synchronisation de deux oscillateurs de Van der Pol couplés. Celle-ci permet de déterminer rapidement les fréquences d’oscillation libres nécessaires à l’obtention du déphasage souhaité. Pour ce faire, une procédure de modélisation de deux oscillateurs et OCTs différentiels couplés, par deux oscillateurs de Van der Pol couplés par une résistance a été élaborée. Les résultats fournis par l’outil de CAO proposé ont ensuite été comparés avec les résultats de simulations de deux oscillateurs et OCTs différentiels couplés obtenus avec le logiciel ADS d’Agilent. Une très bonne concordance des résultats a alors été obtenue montrant ainsi l’utilité et la précision de l’outil présenté.