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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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18337
18/10/2018

Contribution aux analyses de fiabilité des transistors HEMTs GaN ; exploitation conjointe du modèle physique TCAD et des stress dynamiques HF pour l'analyse des mécanismes de dégradation.

D.SAUGNON

MOST

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 18 Octobre 2018, 194p., Président: , Rapporteurs: O.LATRY, D.PLANSON, Examinateurs: C.AUPETIT-BERTHELEMOT, Y.CORDIER, A.SOLTANI, Directeurs de thèse: J.G.TARTARIN, F.BOONE, H.MAHER , N° 18337

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01922315

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Résumé

Dans la course aux développements des technologies, une révolution a été induite par l’apparition des technologies Nitrures depuis deux décennies. Ces technologies à grande bande interdite proposent en effet une combinaison unique tendant à améliorer les performances en puissance, en intégration et en bilan énergétique pour des applications hautes fréquences (bande L à bande Ka en production industrielle). Ces technologies mobilisent fortement les milieux académiques et industriels afin de proposer des améliorations notamment sur les aspects de fiabilité. Les larges efforts consentis par des consortiums industriels et académiques ont permis de mieux identifier, comprendre et maîtriser certains aspects majeurs limitant la fiabilité des composants, et ainsi favoriser la qualification de certaines filières. Cependant, la corrélation et l’analyse physique fine des mécanismes de dégradation suscite encore de nombreux questionnements, et il est indispensable de renforcer ces études par une approche d’analyse multi-outils. Nous proposons dans ce travail de thèse une stratégie d’analyse selon deux aspects majeurs. Le premier concerne la mise en oeuvre d’un banc de stress qui autorise le suivi de nombreux marqueurs électriques statiques et dynamiques, sans modifier les conditions de connectiques des dispositifs sous test. Le second consiste à mettre en oeuvre un modèle physique TCAD le plus représentatif de la technologie étudiée afin de calibrer le composant à différentes périodes du stress. Le premier chapitre est consacré à la présentation des principaux tests de fiabilité des HEMTs GaN, et des défauts électriques et/ou structuraux recensés dans la littérature ; il y est ainsi fait état de techniques dites non-invasives (c.-à-d. respectant l’intégrité fonctionnelle du composant sous test), et de techniques destructives (c.-à-d. n’autorisant pas de reprise de mesure). Le second chapitre présente le banc de stress à haute fréquence et thermique développé pour les besoins de cette étude ; l’adjonction d’un analyseur de réseau vectoriel commutant sur les quatre voies de tests permet de disposer de données dynamiques fréquentielles, afin d’interpréter les variations du modèle électrique petit-signal des modules sous test à différentes périodes du stress. Des résultats de vieillissement de composants HEMTs GaN à 4,2GHz, réalisés à température ambiante et pour différents points de compression de la puissance de sortie, sont interprétés, conduisant à des observations originales quant au mécanisme de dégradation identifié. Le troisième chapitre porte sur la simulation physique TCAD de transistor HEMT GaN ; ce modèle est calibré sur une filière industrielle (sur laquelle nous disposons de nombreuses données), mais peut-être adapté selon les aménagements technologiques d’autres filières. Notre modèle a été aménagé afin de rendre compte au premier ordre de l’impact des charges fixes (selon leur localisation) sur les instabilités des tensions de seuil et de la densité de porteurs dans le canal, observées après contraintes HTOL. Ce modèle permet de distinguer des effets propres au canal de ceux induits par la commande de grille. Dans le dernier chapitre, nous exploitons la technologie GaN développée à l’Université de Sherbrooke pour concevoir un prototype d’amplificateur mono-étage MMIC et hybride à 4,2GHz.

Mots-Clés / Keywords
Nitrure de Gallium; HEMTs; Amplificateurs hybride; Amplificateurs MMIC; Fiabilité; Stress à haute fréquence;

144972
17675
20/11/2017

Contribution au développement d’architectures SoC radio fréquences massivement parallèles en technologies CMOS avancées

R.KASRI

MOST

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 20 Novembre 2017, 108p., Président: J.G.TARTARIN, Rapporteurs: N.DELTIMPLE, B.JARRY, Examinateurs: A.KAISER, Directeurs de thèse: E.TOURNIER, P.CATHELIN , N° 17675

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Résumé

L'accroissement du nombre de récepteurs que chaque personne utilise chaque jour, ainsi que l'avènement de l'agrégation des canaux dans les nouveaux standards de téléphonie mobile, appellent à la mise en place de nouvelles architectures de récepteurs massivement parallèles. Celles-ci doivent satisfaire plusieurs critères, comme notamment la robustesse aux interférences entre récepteur et une consommation de puissance maîtrisée au regard du débit reçu. Dans la littérature, deux grandes tendances se dégagent pour répondre à ce besoin. La première appelée '« Full Spectrum Capture '» est de numériser tout le spectre pour le traiter entièrement en numérique. La deuxième consiste à mettre en parallèle plusieurs récepteurs classiques recevant à des fréquences distinctes. Ces deux solutions présentent des limitations liées notamment à la consommation de puissance pour la première et aux interférences entre les récepteurs pour la seconde. Cette thèse propose une solution originale qui consiste en la mise en place d'une architecture '« N-path '» centrée autour d'un circuit '« Mixer-DAC '» constitué d'un ensemble de transconductances avec des pondérations en puissance de 2, que l'on peut éteindre et allumer à volonté. Cet ensemble d'interrupteurs est piloté par une mémoire contenant les échantillons sur n bits d'un signal sinusoïdal unique que l'on distribue différemment sur les différentes voies de réception afin de se caler autour de chacune de leur fréquence porteuse (Synthèse de Fréquence Digitale Directe DDFS). Cette technique basée sur une horloge unique permet de s'affranchir des interférences qui seraient causées par la mise en parallèle d'oscillateurs multiples. Le courant en sortie des transconductances est sommé vers un même circuit N-path qui sert de filtre de réception, avec de bonnes performances en termes de consommation de puissance, de faible surface d'intégration et de faibles valeurs de tension d'alimentation imposées par la technologie utilisée : 28nm FDSOI de STMicroelectronics. Un démonstrateur a été implémenté sur cette technologie afin de démontrer la faisabilité de cette technique de réception multiple sur deux récepteurs en parallèle. Chaque récepteur consomme 9.5 mW avec un gain entre 20 et 30 dB, un facteur de bruit entre 7 et 13 dB, 42 dB de réjection d'image, et plus de 43 dB de réjection d'harmonique. Finalement, l'isolation entre les horloges des deux récepteurs a été mesurée et est supérieure à 75 dB, ce qui montre une bonne isolation et confirme la pertinence de notre architecture pour le développement futur de récepteurs massivement parallèles.

Abstract

During the last decade, a trend in receiver design has been to integrate more and more tuners on the same chip. When implemented using analog tuners, each tuner requires its own PLL and inductor VCO, increasing chip area and power, while introducing interference issues between uncorrelated frequencies. Digitizing the whole spectrum, also known as Full Spectrum Capture (FSC), moves the channel selection and processing to digital. It allows a high number of received channels on the same chip, while only one clock is required. However, FSC puts a heavy burden on the ADC and digital processing, leading to a high and fixed power consumption as the FSC system samples the entire band, even when only a few channels are needed. To reduce the FSC-power burden, this thesis proposes a power efficient and power scalable architecture. It exploits a mixer-DAC driven by Direct Digital Frequency Synthesis (DDFS) for each channel, using all a single clock. We target 40dB dynamic range (8-bit DDFS-mixer-DAC), which is sufficient for many upcoming applications. We exploit 28nm UTBB FD-SOI CMOS technology, as it has low power digital signal processing capabilities and good MOSFET characteristics even at short channel lengths. Our circuit is based on a mixer-DAC that exploits 8 binary scaled transconductances driven by the same RF-voltage, while summing their currents at the output. The output current is thus the product of the analog input voltage and the digital code (DDFS output) that varies over time as a sampled walking sinewave. This realizes a multiplying-DAC or mixer-DAC. Using a sinewave-like mixing signal enhances conversion gain by π/2, and improves NF. The binary weighting is implemented putting identical switched-Gm mixer slices in parallel. If enabled, it operates as a linear and low noise CMOS inverter, which has favorable properties like high linearity, class-AB behavior and current re-use. A differential load made of two capacitors is implemented. The two switched capacitors act like an N-path band pass filter and improve the robustness of the receiver for interfering channels non-linearities. A demonstrator with two parallel tuners receiving two uncorrelated frequencies were implemented. Each tuner consumes 9.5mW with a gain of 20 to 30dB, an NF from 7 to 13dB, an image rejection of 42 dB and more than 43 dB of harmonic rejection. Finally, cross-talk rejection between the two tuners'clocks was measured and is superior to 75 dB, which is a high enough value to confirm the adequacy of our architecture for a future development with a lot of tuners in parallel.

145773
17151
03/05/2017

Conception de circuits RF en CMOS SOI pour modules d’antenne reconfigurables

D.NICOLAS

MOST

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier en co-tutelle avec CEA Grenoble, Mai 2017, 231p., Président: J.GAUBERT, Rapporteurs: T.TARIS, Examinateurs: E.LAUGA, J.VERDIER, Directeurs de thèse: T.PARRA, A.GIRY , N° 17151

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01591595

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Résumé

dans le contexte des applications mobiles, les contraintes de conception des chaînes d’émission toujours plus performantes et de taille réduite demandent de compenser la forte sensibilité des caractéristiques des antennes à leur environnement. En particulier, il est nécessaire de maîtriser l’impédance de l’antenne pour optimiser l’efficacité énergétique de la chaîne de transmission. Or, les solutions actuelles se montrent encombrantes. Dans cette thèse, plusieurs pistes basées sur l’implémentation de condensateurs variables ont été étudiées et ont conduit à la réalisation et la caractérisation de nouveaux dispositifs RF intégrés à même de participer à cet effort. Après une présentation du contexte et de l’état de l’art, nous proposons une étude de condensateurs variables basés sur la technique des capacités commutées. L’étude a permis la réalisation de deux condensateurs variables en technologie CMOS SOI 130 nm pour des applications d’adaptation d’impédance et d’antenne agile en fréquence. Un premier démonstrateur d’antenne fente agile en fréquence visant les bandes LTE situées entre 500 MHz et 1 GHz et utilisant ce type de condensateur a ensuite été réalisé puis validé. Un système d’accord permettant de corriger les désadaptations d’antenne a ensuite été étudié et a donné lieu à la réalisation de deux circuits intégrés en technologie CMOS SOI 130 nm. Le premier circuit est un détecteur d’impédance capable de fonctionner sur une gamme de puissance étendue de 0-40 dBm pour une plage de fréquences de 600 MHz-2,5 GHz. Le deuxième circuit intègre une version améliorée du détecteur avec un circuit d’adaptation variable autorisant la réalisation d’un système d’accord d’antenne autonome et compact représentant une avancée importante par rapport à l’état de l’art.

140153
17132
30/03/2017

Application des lasers fibrés à verrouillage de modes à la génération très haute fréquence à haute pureté spectrale

V.AUROUX

MOST

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 30 Mars 2017, 119p., Président: P.ARGUEL, Rapporteurs: P.FERON, F.BRETENAKER, Examinateurs: A.LE KERNEC, G.SANTARELLI, T.M.PRIGENT VU, Directeurs de thèse: O.LLOPIS, A.FERNANDEZ , N° 17132

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01560899

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Résumé

Le développement technologique dans le domaine des télécommunications, ainsi que des systèmes de détection, a accru ces dernières années la nécessité de signaux de référence présentant une très haute pureté spectrale. L’augmentation des débits, la saturation des bandes de fréquence ainsi que les performances imposées pour la détection radar ont ouvert la voie à la génération micro-onde par l’optique. Ces références de fréquence sont souvent issues d’oscillateurs optoélectroniques (OEO). Ces oscillateurs intègrent un élément de stockage de l’énergie au travers de résonateurs ou de longues lignes à retard fibrées afin d’augmenter leur facteur qualité et permettant ainsi d’atteindre des performances supérieures aux signaux multipliés à partir de sources basses fréquences ou directement à partir d’oscillateurs micro-ondes à résonateur diélectrique (DRO). Une topologie originale d’oscillateurs optoélectroniques a été proposée à la fin des années 1990 par une équipe américaine : il s’agit de remplacer le résonateur passif nécessitant un verrouillage du laser sur ce dernier par un résonateur actif, intégrant un amplificateur optique. Ce résonateur actif, un laser à blocage de modes, permet un couplage entre l’oscillation optique du laser et l’oscillation optoélectronique. On parle alors d’oscillateur optoélectronique couplé (COEO). Les performances du COEO sont étroitement liées à la pureté spectrale du signal issu du laser à blocage de modes. Ce travail de thèse traite de l’étude et de l’optimisation de ces systèmes. Une étude approfondie sur le bruit dans les amplificateurs optiques a tout d’abord été menée afin de déterminer quel type d’amplificateur choisir pour le COEO et sous quelles conditions l’amplification optique apporte un bruit de phase minimal. Ensuite, un COEO à 10 GHz a été réalisé, présentant un très faible bruit de phase atteignant – 132 dBc/Hz à 10 kHz de la porteuse. Un modèle a par ailleurs été implémenté, permettant de déterminer a posteriori l’efficacité du couplage et ainsi la bande de verrouillage entre l’oscillation optoélectronique et le laser à blocage de modes. Ce couplage interne dépend fortement de la dynamique du système. Cependant, les différents effets non linéaires qui ont lieu dans l’amplificateur à semiconducteur et les fibres ne permettent pas d’obtenir un modèle analytique. Un modèle itératif a alors été proposé afin d’obtenir les propriétés de l’enveloppe complexe lentement variable du peigne de fréquence généré en sortie du laser dont la photodétection conduit à la puissance RF générée par le COEO. Le COEO génère un peigne de fréquence suffisamment large pour produire des harmoniques RF supérieurs à la fréquence de répétition du laser à blocage de modes, si les modes longitudinaux espacés de plusieurs intervalles spectraux libres (ISL) sont en phase. Le modèle itératif développé permet, à partir des paramètres expérimentaux de déterminer le spectre optique ainsi que la distribution de phase à l’intérieur de celui-ci. Il est possible alors d’augmenter la puissance d’une harmonique en sortie de la photodiode par un ajout d’éléments dispersifs. Cette multiplication de fréquence permet la génération de signaux à haute pureté spectrale en bande millimétrique. Une démonstration expérimentale à 90 GHz a été proposée, basée sur un COEO fonctionnant à 30 GHz. Ces résultats sont prometteurs et une intégration du COEO dans un boîtier thermalisé ainsi qu’une gestion plus fine de la dispersion des fibres peut permettre des améliorations significatives sur le bruit de phase du système.

Mots-Clés / Keywords
Lasers à modes verrouillés; Optique non-linéaire; Optique hyperfréquence;

139913
17443
22/02/2017

Conception d'interfaces boitiers innovantes pour le radar automobile 77-GHz : Application à la conception optimisée d'une chaine de réception radar en boitier

C.SOURIA

MOST

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 22 Février 2017, 159p., Président:, Rapporteurs: A.PEDEN, M.VILLEGAS, Examinateurs: J.B.BEGUERET, A.GHANNAM, Directeurs de thèse: T.PARRA, G.MONTORIOL, Membre invité: C.LANDEZ , N° 17443

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01653231

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Résumé

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.

141714
16477
15/12/2016

Microwave sources based on high quality factor optical resonators; Modeling, optimization and metrology

Z.ABDALLAH

MOST

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 15 Décembre 2016, 150p., Président: V.GIORDANO, Rapporteurs: M.VALLET, A.L.BILLABERT, Examinateurs: G.CIBIEL, Directeurs de thèse: O.LLOPIS, A.FERNANDEZ , N° 16477

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01445614

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Résumé

La technologie photonique-RF offre une alternative intéressante à l’approche purement électronique dans différents systèmes micro-ondes pour des applications militaires, spatiales et civiles. Un composant original, l’oscillateur optoélectronique (OEO), permet la génération de signaux RF stables et à haute pureté spectrale. Il est basé sur une liaison photonique micro-onde utilisée comme boucle de rétroaction et comportant soit une fibre longue, soit un résonateur à fort coefficient de qualité. Différentes études ont été menées au cours de cette thèse afin d’optimiser et d’améliorer la performance en termes de stabilité et de bruit de phase pour le cas de l’OEO à résonateur. La caractérisation fine et la modélisation des résonateurs est une première étape de la conception globale du système. La métrologie du résonateur optique est réalisée par une technique originale, dite de spectroscopie RF. Les résultats expérimentaux ont révélé que cette technique permet d’une part d’identifier le régime de couplage du résonateur et d’autre part de déterminer avec une grande précision tous les paramètres d’un dispositif résonant, comme les facteurs de qualité interne et externe ou les facteurs de couplage. Une deuxième étude a été orientée vers l’implémentation d’un modèle non-linéaire fiable du dispositif. Dans un tel modèle, la photodiode rapide nécessitait une description plus précise, dans le but de contrôler la conversion du bruit d’amplitude optique en bruit de phase de l’OEO. Un nouveau modèle non-linéaire d’une photodiode hyperfréquence a été développé sous un logiciel commercial: Agilent ADS. Ce nouveau modèle rend effectivement compte de cette conversion de bruit. Une puissance optique optimale à l’entrée de la photodiode a été déterminée, pour laquelle la contribution de 𝑅𝐼𝑁 du laser au bruit de phase RF pourrait être négligeable. La performance de l’OEO est affectée par diverses perturbations entrainant un décalage en fréquence entre la fréquence du laser et la fréquence de résonance du résonateur. Il est donc important d’utiliser un système de stabilisation pour contrôler cette différence de fréquence. Des séries d’expériences et de tests ont été menées pour étudier la possibilité, d’une part, de remplacer l’électronique commerciale utilisée auparavant pour le système de verrouillage en fréquence (boucle de Pound-Drever-Hall) par une électronique faible bruit et, d’autre part, d’utiliser un laser à semi-conducteur. Un bilan de ces approches est présenté.

Abstract

RF photonics technology offers an attractive alternative to classical electronic approaches in several microwave systems for military, space and civil applications. One specific original architecture dubbed as optoelectronic oscillator (OEO) allows the generation of spectrally pure microwave reference frequencies, when the microwave photonic link is used as a feedback loop. Various studies have been conducted during this thesis on the OEO, especially the one that is based on fiber ring resonators, in order to optimize and improve its phase noise performance and its long-term stability. Precise characterization and modeling of the optical resonator are the first step towards overall system design. The resonator metrology is performed using an original approach, known as RF spectral characterization. The experimental results have demonstrated that this technique is helpful for the identification of the resonator’s coupling regime and the accurate determination of the main resonator parameters such as the intrinsic and extrinsic quality factors or the coupling coefficients. A second study was directed toward implementing a reliable nonlinear model of the system. In such a model, the fast photodiode require an accurate description, in order to reduce the conversion of the optical amplitude noise into RF noise. A new nonlinear equivalent circuit model of a fast photodiode has been implemented in a microwave circuit simulator: Agilent ADS. This new model is able to describe the conversion of the laser relative intensity noise (𝑅𝐼𝑁) into microwave phase noise at the photodiode output. An optimal optical power at the photodiode’s input has been identified, at which the contribution of the laser 𝑅𝐼𝑁 in RF phase noise is negligible. When it comes to practical applications, the desired performance of an OEO is threatened by various disturbances that may result in a frequency shift of both the laser frequency and the transmission peak of the resonator, which causes a malfunction of the OEO. Therefore it is desirable to use a stabilization system to control the difference between the laser frequency and the resonator frequency. A series of tests and experiments have been carried out to investigate the possibility, on one hand, to replace the commercial servo controller that was used up until now in the Pound-Drever-Hall loop, with a low noise homemade one and, on the other hand, to use a semiconductor laser to reduce the system size. A detailed review of these approaches is presented.

Mots-Clés / Keywords
RF photonics; Optical resonator; Microwave sources; Phase noise; Modeling; Optique hyperfréquence; Résonateurs optiques; Sources micro-ondes; Bruit de phase; Modélisation;

138575
16370
07/10/2016

Conception, réalisation et caractérisation d’inductances et de transformateurs tridimensionnels pour applications RF et microondes

O.BUSHUEVA

MOST

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 7 Octobre 2016, 135p., Président: J.B.BEGUERET, Rapporteurs: E.RIUS, J.M.LAHEURTE, Examinateurs: A.GHANNAM, Directeurs de thèse: T.PARRA, C.VIALLON , N° 16370

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01492916

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Abstract

The miniaturization, fabrication and integration of RF passive components are current major challenges, also taking into account the fabrication cost which is very important especially for consumer applications. Passive components such as inductors and transformers are subject to an ongoing development to improve their performance and reduce the area occupied. The work described in this manuscript is part of that context and target the development of a new technological process allowing the production of low-cost threedimensional high-performance inductive components. The work presented in this paper is divided into four chapters. The first chapter describes the state of the art of integrated inductors and transformers by addressing the main topologies used fabrication technologies and applications. In the second chapter, the study and optimization of solenoid inductors and transformers is discussed after describing the origins of performance limiting losses. For this, we use the 3D electromagnetic simulation. In the third chapter, the problem concerning the characterization of inductive components with high Q factor is raised. After finding that the measurement environment artificially reduces performance, some solutions are proposed and experimentally verified. Finally, the last chapter discusses the fabrication and characterization of developed components. The best measured performance corresponds to a quality factor of 61 to 5.4 GHz for an inductance value of 2.5 nH and a maximum available gain from -0.5 dB to 0.39 dB over the range from 3.8 to 6.5 GHz for a 2:2 transformer. These results place these components among the best current achievements.

Résumé

La miniaturisation, la fabrication et l’intégration des composants passifs RF constituent des enjeux majeurs actuels, sans oublier le critère du coût de fabrication, très important notamment pour les applications grand public. Les composants passifs tels que les inductances et les transformateurs font l’objet d’un effort de développement permanent pour accroitre leurs performances et réduire la surface occupée. Les travaux décrits dans ce manuscrit s’inscrivent dans ce contexte et visent le développement d’une nouvelle filière technologique permettant la réalisation à faible coût de composants inductifs tridimensionnels à hautes performances. Le travail présenté dans ce mémoire s’articule en quatre chapitres. Le premier chapitre dresse un état de l’art des inductances et des transformateurs intégrés en abordant les principales topologies utilisées, les technologies de fabrication et les applications. Dans le deuxième chapitre, l’étude et l’optimisation des inductances et des transformateurs solénoïdaux est abordée après avoir décrit les origines des pertes limitant les performances. Pour cela, nous avons recours à la simulation électromagnétiques 3D. Dans le troisième chapitre, un problème de caractérisation des composants inductifs à forts coefficients de surtension est soulevé. Après avoir constaté que l’environnement de mesure réduisait artificiellement les performances, quelques solutions sont proposées et vérifiées expérimentalement. Enfin, le dernier chapitre traite de la fabrication et de la caractérisation des composants mis au point. Les meilleures performances mesurées correspondent à un facteur de qualité de 61 à 5,4 GHz pour une inductance de 2,5 nH et un gain maximum disponible de -0,5 dB à -0,39 dB sur la plage 3,8 - 6,5 GHz pour un transformateur 2:2. Ces résultats placent ces composants parmi les meilleures réalisations actuelles.

Mots-Clés / Keywords
Solénoïde; Inductance à fort coefficient de qualité Q; Transformateur; Substrat à haute résistivité; SU8; Pointe RF; Couplage électromagnétique; Radiation; Solenoid; High-Q-Inductor; Transformer; High-resistivity substrate; RF probe; Electromagnetic coupling;

137999
16301
03/06/2016

Contribution à l’intégration des circuits micro-ondes et millimétriques pour les télécommunications

C.VIALLON

MOST

Habilitation à diriger des recherches : 6 Juin 2016, 98p., Président: N.NOLHIER, Rapporteurs: P.FERRARI, C.GAQUIERE, J.GAUBERT, Garant: T.PARRA , N° 16301

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01393201

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Résumé

Les travaux présentés dans cette habilitation traitent de l'intégration des circuits micro-ondes et millimétriques en visant principalement le domaine des télécommunications. Durant plus d'une décennie, notre activité de recherche s'est structurée autour de deux thèmes principaux menés en parallèle et qui sont la conversion de fréquence et le développement d'une nouvelle filière tridimensionnelle de composants passifs inductifs RF. La tendance actuelle vers des architectures radio flexibles et reconfigurables nous a amené à étudier le mélangeur passif à transistors MOS comme possible solution. Malgré ses avantages (linéarité, bruit), ce circuit présente quelques inconvénients que nous avons cherché à corriger qui sont, une difficile montée vers les fréquences millimétriques et des pertes de conversions. Les solutions que nous avons envisagées sont présentées. Les efforts ont été porté à la fois sur des optimisations au niveau du composant (géométrie du transistor MOS) et sur un travail de fond au niveau des topologies des circuits (mélangeur à échantillonnage). Les derniers résultats obtenus sur un mélangeur passif à sous-échantillonnage laissent entrevoir quelques perspectives intéressantes pour les futures architectures de récepteurs millimétriques. Depuis son apparition, la microélectronique fonctionne essentiellement à deux dimensions en procédant à un empilement de couches métalliques. Depuis quelque années, nous étudions une approche originale qui vise à dégager un degré de liberté supplémentaire en permettant la métallisation des flancs d’un pilier de résine. Cette innovation, qui a été breveté, autorise la fabrication de composants passifs en trois dimensions (3D) tels que des solénoïdes et des transformateurs RF. Les améliorations successives du procédé ont permis d'aboutir à des composants extrêmement compacts avec des performances qui se situent actuellement au niveau de l'état de l'art.

137556
14569
24/11/2014

Analyse électrique et en bruit basse fréquence et haute-fréquence des technologies InAlN/GaN HEMTs en vue de la conception d'amplificateurs robustes faible bruit en bande Ka

S.NSELE

MOST

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 24 Novembre 2014, 185p., Président: J.GRAFFEUIL, Rapporteurs: F.DANNEVILLE, J.C.NALLATAMBY, Examinateurs: S.PIOTROWICZ, J.L.MURARO, Directeurs de thèse: L.ESCOTTE, J.G.TARTARIN , N° 14569

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01110374

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Abstract

The high bandgap technologies are being increasingly popular for over a decade because of their natural ability to perform electronic functions operating at high power, high temperature and high frequency. Among these technologies, one based on the heterostructure AlGaN / GaN is most mature currently at microwave frequencies. The use of a heterojunction InAlN / GaN is an attractive solution to increase the operation frequency of these devices and thus to realize circuits operating at millimeter waves. The first part of our work is devoted to the study of various InAlN/GaN technology developed by III-V Lab. It helped to highlight the different gate current conduction mechanisms through an analysis of the leakage current and the C-V measurements of the Schottky junction. Measures in small-signal showed the frequency dispersion of the output conductance and the extrinsic transconductance until 1 GHz. We have proposed broadband analytical models to take into account the dispersion phenomena during the circuit design. A second part consisted of the study of the background noise in the InAlN / GaN transistors. The low-frequency noise characterizations and modeling revealed and confirmed trapping / detrapping mechanisms observed in the electrical study. The study of highfrequency noise has assessed the technological developments of this sector and to know the optimal conditions for the design of LNAs. In the last part, hybrid low noise amplifiers have been made from these devices deferred flip-chip on alumina to demonstrate the potential of this technology in Ka-band. Single stage amplifiers have been designed especially for stress testing, and have a gain of 5.6 dB and a noise figure of 3.1 dB at 29.5 GHz. The simulations carried out on 3 stages amplifiers indicate interesting performances in terms of gain (20 dB) and noise figure (3 dB) compared to those obtained in the literature on the GaN based devices.

Résumé

Les technologies à grande bande interdite font l'objet d'un engouement croissant depuis plus d'une décennie, en raison de leurs aptitudes naturelles pour réaliser des fonctions électroniques opérant à forte puissance, à forte température et à haute fréquence. Parmi ces technologies, celle basée sur l’hétérostructure AlGaN/GaN est la plus mature à l'heure actuelle en hyperfréquence. L'utilisation d'une hétérojonction InAlN/GaN est une solution attractive pour augmenter les fréquences de fonctionnement de ces dispositifs et réaliser ainsi des circuits fonctionnant aux ondes millimétriques. La première partie de notre travail est consacrée à l’étude électrique des différentes déclinaisons technologiques InAlN/GaN développées à III‒V Lab. Celle-ci a permis de mettre en évidence les différents mécanismes de conduction du courant de grille grâce à une analyse du courant de fuite et à des mesures C(V) de la jonction Schottky. Des mesures en petit-signal ont mis en évidence la dispersion fréquentielle de la conductance de sortie et de la transconductance extrinsèques jusqu'aux fréquences de 1 GHz. Nous avons ainsi proposé des modèles analytiques large-bande afin de prendre en compte ces phénomènes de dispersion lors de la conception des circuits. Une deuxième partie a consisté en l'étude du bruit de fond dans les transistors InAlN/GaN. Les caractérisations et modélisations du bruit basse-fréquence ont mis en évidence et confirmé les mécanismes de piégeage/dépiégeage observés lors de l'étude électrique. L’étude du bruit en haute fréquence a permis d’évaluer les évolutions technologiques de cette filière et de connaitre les conditions optimales en bruit pour la conception des LNAs. Dans la dernière partie, des amplificateurs faible bruit hybrides ont été réalisés à partir de ces dispositifs reportés en flip-chip sur des alumines afin de démontrer les potentialités de cette technologie en bande Ka. Des amplificateurs à un étage ont été conçus, notamment pour des tests de robustesse, et présentent un gain de 5.6 dB et un facteur de bruit de 3.1 dB à 29.5 GHz. Les simulations effectuées sur des amplificateurs 3 étages indiquent des performances intéressantes en termes de gain (20 dB) et de facteur de bruit (3 dB) comparées à celles obtenues dans la littérature sur des composants à base de GaN.

Mots-Clés / Keywords
Amplificateurs robustes faible bruit en bande Ka; Bruit basse fréquence et haute fréquence; HEMTs à base de GaN;

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14599
26/09/2014

Oscillateurs optoélectroniques largement accordables et faible bruit pour les applications radar

J.MAXIN

MOST

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 26 Septembre 2014, 196p., Président: P.ARGUEL, Rapporteurs: V.GIORDANO, F.BONDU, Examinateur: G.PILLET, Directeurs de thèse: O.LLOPIS, L.MORVAN , N° 14599

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-01136576

Diffusable

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Résumé

L'objectif de cette thèse est le développement de deux architectures d'oscillateurs optoélectroniques (OEO) afin de générer des signaux microondes très stables pour des applica- tions radar. La première architecture réalisée consiste à stabiliser le signal d'un laser bifréquence avec une boucle à verrouillage de fréquence optique. L'étude théorique et expérimentale du système a permis d'améliorer significativement la pureté spectrale du signal délivré par le laser. Implémenté avec une fibre optique de 100 m de long, l'oscillateur présente un bruit de phase de -105 dBc/Hz à 10 Hz de la porteuse avec une accordabilité de 2,5 à 5,5 GHz par pas de 2 MHz. Ces résultats correspondent aux limites techniques fixées par les composants hyperfréquences utilisés pour la boucle de stabilisation. L'implémentation de la boucle avec deux retards optiques en parallèles ou avec un anneau de fibre résonant comme retard optique est également étudiée. La seconde architecture développée est un oscillateur optoélectroniques couplé (COEO). Celle-ci, similaire à celle d'un laser à verrouillage de modes régénératif, résulte de l'imbrication d'un cavité laser à modes bloqués et d'une cavité optoélectronique résonante. Le développement du laser autour d'un amplificateur optique à semiconducteur (SOA) « à semelle » permet de tirer parti d'une puissance de saturation élevée et du faible bruit inhérent à ces composants. Nous mesurons avec ce dispositif une densité spectrale de puissance de bruit de phase de -135 dBc/Hz à 10 Hz de la porteuse à 10 GHz

Abstract

The objectives of this thesis is the developement of two optoelectronic oscillator architectures dedicated to the generation of low noise microwave signals for radar applications. The first oscillator is based on the stabilization of the beatnote of a widely tunable dual- frequency laser with an optical fiber delay line. A fine analysis of the stabilization loop im- plemented with a 100 m long optical fiber allowed us to reach the technical limit fixed by the loop microwave amplifiers. The oscillator is tunable from 2.5 to 5.5 GHz by 2 MHz steps and present a phase noise power spectral density of -105 dBc/Hz at 10 kHz o ff set from the carrier (performance independent of the carrier frequency). The use of two optical fibers in a double delay lines architecture and of a fiber ring resonator as a delay line are also investigated. The second architecture developed is a coupled optoelectronic oscillator (COEO). The ar- chitecture, similar to a regenerative mode-locked laser, is realized by coupling a resonant laser cavity to a resonant optoelectronic loop. The developpement of this oscillator is based on a new architecture of SOA : an asymmetrical cladding semiconductor optical amplifier. This com- ponent o ff ers better saturation power and lower intrinsic noise than the « classical » design. The COEO operates around 10 GHz. A phase noise power spectral density of -135 dBc/Hz is measured at 10 kHz o ff set from the carrier.

Mots-Clés / Keywords
Oscillateur optoélectronique couplé (COEO); Optique micro-onde; Radar; Bruit de phase; Laser bifréquence; Boucle à verrouillage de fréquence; Fibre optique; Résonateur à fibre; Laser à verrouillage de modes; Amplificateurs optiques à semi-conducteur "à semelle"; Optoelectronic oscillator (OEO); Coupled optoelectronic oscillator (COEO); Microwave photonics; Phase noise; Dual-frequency laser; Optical frequency locked loop; Optical fibers; Optical fiber resonator; Mode-locked laser; Semiconductor optical amplifier (SOA); Asymmetrical cladding SOA; Oscillateur optoélectronique (OEO);

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