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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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28documents trouvés

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;

133733
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

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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);

133869
14424
14/04/2014

CMOS and BiCMOS Building blocks for a microwave efficient frequency conversion, up to millimeter-Waves

A.MAGNANI

MOST

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier en co-tutelle avec Université de Modène et Reggio Emilia, 14 Avril 2014, 112p., Président: F.FANTINI, Rapporteurs: A.BONI, S.BOURDEL, Examinateurs: C.VIALLON, Directeurs de thèse: T.PARRA, M.BORGARINO , N° 14424

Lien : http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01065982

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Résumé

Cette thèse présente la conception de différentes fonctions pouvant entrer dans la constitution d'un convertisseur de fréquence incluant la génération de l'oscillateur local. La première partie de ce travail présente un synthétiseur de fréquence fixe (PLL) centré sur 15 GHz. Le circuit exploite une technologie CMOS 130 nm proposée par STMicroelectronics. L'objectif visé est d'obtenir une faible consommation tout en préservant des performances en bruit de phase proche de l'état de l'art. Les mesures du circuit, en accord avec les simulations, ont révélé un bruit de phase de -68,9 dBc/Hz à 100 kHz de la porteuse pour une fréquence de sortie de 15 GHz, mais une amélioration de ce bruit d'environ -20 dBc/Hz a pu être démontrée par simulation en corrigeant légèrement la pompe de charge. La consommation de l'ensemble s'établit à 28 mW. La deuxième partie de ce travail démontre la faisabilité d'un mélangeur résistif doublement équilibré à très faibles pertes. Une topologie originale est développée pour transposer efficacement un signal RF en bande K ou en bande V vers une fréquence intermédiaire, fixée arbitrairement à 1 GHz. Le circuit exploite le principe de l'échantillonnage (Bande K), ou du sous-échantillonage (Bande V) en tension pour fortement réduire ces pertes de conversion par rapport à un mélangeur passif classique. Pour fonctionner correctement, celui-ci nécessite cependant une tension de commande OL à très faible rapport cyclique. Deux circuits réalisant la mise en forme du signal OL sont démontrés et fonctionnent jusqu'à 26 GHz. Le mélangeur a été réalisée à partir d'une filière technologique BiCMOS 130 nm de IBM. Les mesures révèlent des performances à l'état de l'art, avec des pertes de conversion de -2,1 dB et un facteur de bruit de 6,3 dB à 19GHz. La plage de fonctionnement RF s'étale de 4 à 27 GHz. Le même circuit testé dans une configuration de sous-échantillonnage fonctionne entre 16 et 64 GHz sur la voie RF. A 58 GHz, les pertes de conversion approchent 8 dB avec un facteur de bruit de 9,5 dB.

Abstract

This work presents the design of building blocks that may be used in a microwave frequency translation front-end including LO signal generation. The first part of this work is dedicated to the design and the characterization of a 15 GHz PLO (Phase Locked Oscillator) which may be used as the local oscillator (LO) of a mixer. It has been implemented on a 130 nm CMOS process from STMicroelectronics. The main goals was to design a low power consumption while maintaining near state-of-the-art phase noise performances. Measurements, as well as electrical simulations, have revealed a phase noise of -68.9 dBc/Hz at an offset frequency of 100 kHz and an output frequency of 15 GHz. The output range is from 14.2 GHz to 15.1 GHz. An improvement of -20 dBc/Hz has been further demonstrated by simulation thanks to a slight rework in the charge pump. The PLO power consumption is 28 mW. The second part of this work is dedicated to the design of a double-balanced resistive mixer exhibiting very low losses. The circuit is intended to down-convert an RF signal from K-band or V-band into an intermediate frequency of 1 GHz. The voltage sampling (K-band) and sub-sambling (V-band) technique is used to drastically reduce conversion losses from an RF signal. However, such mixer requires a low-duty cycle LO voltage. A pulse shaper is then designed to drive this mixer at a frequency up to 26 GHz. The down-converter has been processed in a 130 nm BiCMOS technology from IBM. Measurements demonstrate conversion losses of -2.1 dB and a noise figure of 6.3 dB at an RF frequency of 19 GHz. The RF frequency range extends from 4 to 27 GHz. The same circuit has also been tested in a sub-harmonic configuration. The available RF frequency range then extends from 16 to 64 GHz range. Conversion losses reach 8 dB with a noise figure of 9.5 dB at an RF frequency of 58 GHz.

133200
13679
17/12/2013

Contribution à la conception de synthèses de fréquence pour liaison satellite embarquée: montée en résolution et réduction de raies parasites

J.JUYON

MOST

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 17 Décembre 2013, 150p., Président: T.PARRA, Rapporteurs: H.BARTHELEMY, J.B.BEGUERET, Examinateurs: G.CIBIEL, Directeurs de thèse: E.TOURNIER, S.THURIES , N° 13679

Lien : http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00956651

Diffusable

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Abstract

Be connected to broadband WEB in flight is a trade issue which has motivated the launch of a project named FAST (Fiber-like Aircraft Satellite Communications). Under this project, Axess-Europe company with seven other partners including LAAS-CNRS, worked on the design of an active phased-array antenna with an electronically controlled beam steering. This thesis deals with the frequency synthesis of the antenna transceiver. In order to be able to connect to different satellites with their own frequency map, and also compensate for the Doppler effect to a certain extent, this focuses on the increase of the frequency resolution of a PLL (Phase-Locked Loop) using a fractional-N frequency divider. When considering a PLL, a fractional-N divider offers several advantages: increase frequency resolution without decreasing the reference frequency, and thus allows to keep the loop dynamic, as well as bandwidth and phase noise performances. However, fractional-N division generates spurious, which can yet be reduced by different well known techniques. Among these techniques, the DDS (Direct Digital Synthesizer) can be used as a fractional-N divider, but the increase of its frequency resolution would dramatically increase its size. So we designed a variant DDS-based topology, which allows to keep the advantage of the DDS in spurious reduction while increasing its frequency resolution without increasing its size. A comprehensive study of this novel structure is proposed.

Résumé

Être connecté en haut débit au WEB à bord des avions est un marché à fort potentiel commercial qui a motivé le lancement d'un projet nommé FAST (Fiber-like Aircraft SaTellite communications). Dans le cadre de ce projet, la société Axess Europe, en partenariat avec sept partenaires dont le LAAS-CNRS a développé une antenne plane à matrice d'éléments rayonnants dont l'orientation du faisceau est gérée électroniquement. Cette antenne permet la communication avion-satellite. Cette thèse traite de la partie synthèse de fréquence de l'électronique d'émission-réception de l'antenne. Afin de pouvoir s'adapter à n'importe plan de fréquence de satellite, mais aussi la volonté de pouvoir compenser l'effet Doppler dans une certaine mesure, ces travaux se sont tournés vers l'amélioration de la résolution d'une boucle à verrouillage de phase (PLL), et plus particulièrement sur l'étude et la réalisation d'un diviseur de fréquence fractionnaire capable de satisfaire ces exigences. Dans une PLL, la division fractionnaire permet d'augmenter la résolution fréquentielle sans devoir diminuer la fréquence de référence, ce qui permet de conserver la dynamique de boucle, la bande passante ainsi que les caractéristiques en bruit de phase. Cependant, elle génère des raies parasites gênantes, que l'on peut toutefois atténuer avec plusieurs techniques bien connues. Parmi ces techniques, on trouve le DDS (synthétiseur numérique direct) utilisé comme diviseur fractionnaire, mais il ne permet d'atteindre la résolution fréquentielle souhaitée que pour une taille trop importante. Nous avons donc développé une variante basée sur un DDS qui permet d'en conserver les avantages pour la réduction des raies parasites, tout en augmentant la résolution fréquentielle sans devoir en augmenter la taille. Une étude exhaustive de cette structure originale est proposée.

Mots-Clés / Keywords
Synthèse de fréquence; Oscillateurs; Boucle à verrouillage de phase; Diviseur fractionnaire; Synthèse digitale directe (DDS); Circuits intégrés; Hyperfréquence; Télécommunications satellite; Bande Ku;

131430
13738
04/10/2013

Dedicated design of experiments and experimental diagnostic tools for accurate reliability investigations on AlGaN/GaN high electron mobility transistors (HEMTs)

S.KARBOYAN

MOST

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 4 Octobre 2013, 133p., Président: J.GRAFFEUIL, Rapporteurs: J.C.DE JAEGGER, O.LATRY, Examinateurs: F.MORANCHO, A.CURUTCHET, Membres invités: C.MOREAU, B.LAMBERT, Directeurs de thèse: J.G.TARTARIN , N° 13738

Non diffusable

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Abstract

Le développement intensif et rapide des dispositifs HEMT à base de nitrure de gallium a été largement favorisé par les qualités intrinsèques du matériau pour proposer des performances élevées (haute puissance, haute fréquence…) et pour autoriser un fonctionnement en environnement extrêmement sévère (fluctuations thermiques, brouillage, tenues aux radiations ionisantes…) par rapport aux technologies concurrentes plus traditionnelles (Si, GaAs…). À ce jour, les dispositifs HEMTs AlGaN/GaN sont considérés comme une alternative prometteuse pour remplacer la technologie GaAs, et se positionnent comme d’excellents candidats pour des applications d'électronique de puissance, pour les applications TVSAT, des stations de base terrestres et des systèmes radar à large bande de fréquence (bande L à W), et pour les applications civiles et militaires. Cependant, il reste à lever certains verrous concernant des problèmes de fiabilité de ces dispositifs, qui affectent la durée de vie élevée attendue ; l'amélioration de la robustesse de ces technologies reste une phase critique à étudier malgré les progrès déjà réalisés. Plusieurs paramètres de fabrication affectent la fiabilité, tels que la passivation de la surface, le plateau de champ, le procédé de dépôt de la grille. Il est bien connu que l’étude de la fiabilité est complexe et ne pourra jamais être totalement accomplie, cependant les limites escomptées pour une exploitation raisonnable des filières GaN laissent entrevoir la possibilité de réels progrès dans ce domaine pour assoir le positionnement de ces technologies vis à vis des solutions concurrentes. Ce manuscrit de thèse présente les outils de diagnostic et les procédures de mesures associées développés pour mieux comprendre les mécanismes de dégradation sous-jacents de ces dispositifs. Les mesures électriques DC et pulsées à différentes températures sont présentées en premier lieu. Pour obtenir des informations au niveau microscopique sur la fluctuation des porteurs et des défauts dans les zones actives et passives du dispositif, des mesures de bruit basse fréquence sont effectuées sur les courant de grille et de drain sous différentes configurations : la diode seule (drain en l’air) et le transistor en régime saturé. Une technique électro-optique, l’OBIRCh (Optical Beam Induced Resistance Change technique), est aussi appliquée sur les mêmes composants : cette technique apporte d'autres informations quant à l'intégrité du composant (fluctuations de courant), et vient corroborer nos hypothèses sur l’activation de mécanismes piezoélectriques dans les zones fortement polarisées du composant. Toutes ces techniques non-destructives permettent des analyses croisées. Un modèle original de la diode Schottky a été établi pour tenir compte de certains défauts d'homogénéité à l'intérieur du contact de grille à l'interface entre la diode Schottky et la couche semi-conductrice supérieure. D'autres résultats originaux ont été trouvés à partir des mesures de bruit basse fréquence concernant la localisation des défauts actifs et leur évolution suite à l’application d’un stress électrique et thermique (HTRB, HTOL, …). Les analyses électriques (pulsées et transitoires) des phénomènes de retard à la commande (grille ou drain) sont partiellement corrélées aux analyses du bruit basse fréquences des courant de grille et de drain pour identifier les mécanismes sous-jacents de dégradations. Dernièrement, une ébauche de plan d'expérience (DOE) est proposée dans le cadre de notre travail, qui complètera celui mis en oeuvre dans le cadre du projet ANR REAGAN impliquant tous les partenaires : des règles et des procédures expérimentales sont identifiées pour s'assurer que les données expérimentales sont fiables (i.e. reflètent statistiquement le comportement réel du dispositif).

Abstract

Intensive and rapid development of GaN-based HEMT devices has been largely promoted by their extreme attraction and intrinsic capabilities for proposing high performances (high power and PAE, high frequency, moderate HF noise…) and for operating under different extreme conditions and harsh environment (thermal fluctuations, jamming, ionizing radiations…) over more traditional competitive technologies (Si, GaAs). More than ever, AlGaN/GaN HEMTs are considered as promising technology to replace the GaAs, and an excellent candidate for power electronics applications, for TVSAT applications, terrestrial base stations and radar transceivers operating over large frequency band (from L to W-band) for both civil and military applications. However, some remaining problems concerning the reliability of the devices affect the expected elevated lifetime, and the improvement of the robustness of these technologies stay a questionable phase to study despite the progress already made. Several fabrication parameters could impact the reliability such as surface passivation, field plate, gate deposition process (presence of spontaneous and piezoelectrical effects). It is well known that the reliability background is complex and will never be completely accomplished, but the margin between expected theoretical lifetime and results already obtained motivates efforts to give for an improved level of reliability. The following manuscript presents diagnostic tools and associated measurement procedures to better understand the underlying degradation mechanisms of such devices. Electrical DC and pulsed measurements at different temperatures are presented first. To get more microscopic information about the carrier flow and the defects in the active and passive areas of the device, low frequency noise measurements on the gate and drain currents are investigated under open drain (Schottky diode) and when the transistor is biased in saturated region. An electro-optical technique is also applied, called OBIRCh (Optical Beam Induced Resistance Change technique), on the same devices: this technique brings other expertise about the device integrity (current fluctuations). All these non-destructive techniques are cross-correlated. Original Schottky diode models have been established to account for some inhomogeneities within the gate contact at the interface between the Schottky diode and the upper semiconductor layer. Some other original results have been found from Low Frequency Noise measurements concerning the location of the active defects, and their evolution after the application of thermal and electrical stresses (HTRB & HTOL). The electrical (pulsed and transient) analyses of lag effects are correlated to the harmonic low frequency analysis of the current spectral densities to identify the root trapping mechanisms. Lastly, a first Design of Experiment (DOE) is proposed in conjunction with our work, and also within the ANR REAGAN project involving all the partners: experimental rules and procedures are identified to ensure that the experimental data are reliable (i.e. reflect the actual behavior of the device, with statistical assessment).

Mots-Clés / Keywords
GaN; AlGaN; Transistor à haute mobilité électronique (HEMT); Composant de puissance; Fiabilité; Mécanismes de conduction de grille Schottky; Bruit basse fréquence; Technique electro-optique OBIRCh; High electron mobility transistor (HEMT); Power devices; Reliability; Schottky gate conduction mechanisms; Low frequency noise; Electro-optical technique OBIRCh;

131969
13822
29/04/2013

Intégration en technologie BiCMOS et caractérisation d’un convertisseur de fréquence de réception pour un radar automobile en bande W assurant des communications inter-véhicules

G.MENEGHIN

MOST

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 29 Avril 2013, 166p., Président: J.G.TARTARIN, Rapporteurs: J.B.BEGUERET, S.BOURDEL, Examinateurs: V.ARMENGAUD, Directeurs de thèse: T.PARRA, C.VIALLON , N° 13822

Lien : http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01067441

Diffusable

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Abstract

Thanks to the developments realized over the last decade, the nanoscale silicon technologies have become very competitive with III-V for millimeter-wave applications exceeding 100 GHz. The exclusive high integration levels of the silicon make it particularly well suited to design complex systems. In this thesis the background example of a W-band automotive impulse radar with intervehicle wireless data link is used to evaluate the capabilities of SiGe BiCMOS technology for the design of W-band zero-IF down-conversion mixer. When a zero-IF down-converter has to be designed, the passive mixer represents the best choice thanks to its absence of flicker noise. This mixer employs NMOS transistors in any Si-based technology. Among its benefits, one has to highlight its large linearity and a low noise figure equaling its conversion losses. Whereas it is widely used in low-power RF zero-IF receivers, the frequency limitations of this topology are not well-defined. The first part of this work evaluates the feasibility of this topology up to the W-band using a 0.13 μm SiGe BiCMOS technology. The geometry of NMOS device is widely discussed regarding conversion losses and linearity. These results are then employed to design a 79 GHz down-converter including the RF and LO drivers as well as the IF amplifier. Finally, a test-bench is also developed to characterize the designed down-converter. Experimental results indicate state-of-the-art performances with a conversion gain of 14.5 dB at an optimal center frequency of 76 GHz, a double-sideband noise figure of 6.3 dB and an output compression point of -10dBm. These results, close to the electrical simulations, validate the whole design methodology.

Résumé

Les progrès réalisés par les filières silicium durant la dernière décennie ont rendu leur utilisation possible pour les bandes de fréquences millimétriques dépassant les 100 GHz, autrefois réservées aux technologies III-V. En outre, les fortes densités d'intégration qui caractérisent les filières silicium permettent d’envisager des systèmes complexes sur une seule puce, ce qui n’était pas possible auparavant avec les technologies III-V. Dans cette thèse, la faisabilité d’une conversion en fréquence directe à partir d’un signal impulsionnel en bande W est évaluée au travers de l’exemple d’un radar automobile impulsionnel doté d’une capacité de communication inter-véhicules. Actuellement, le mélangeur passif représente le meilleur choix pour entrer dans la constitution d’un récepteur à conversion directe grâce à l’absence de bruit en 1/f de cette topologie. Ce mélangeur emploie des transistors NMOS dans les filières technologiques à base de silicium. Parmi ses avantages, il faut souligner sa grande linéarité doublée d’un faible facteur de bruit, qui est par ailleurs égal aux pertes de conversion du mélangeur. Bien que largement employé dans les applications de type « low-power » aux fréquences RF ne dépassant pas quelques GHz, les limites de fréquence de cette topologie ne sont pas clairement définies. Une première partie de ce travail a consisté à évaluer la faisabilité de cette topologie en bande W en se basant sur une filière technologique 0,13 um SiGe BiCMOS. L’effet de la géométrie du transistor NMOS sur les performances obtenues est largement discuté concernant les pertes de conversion et la linéarité. Ces résultats sont ensuite exploités pour concevoir un convertisseur de fréquence centré sur une fréquence de 79 GHz en incluant les amplificateurs permettant de contrôler le mélangeur de manière optimale sur ses trois accès RF, OL et FI. Pour extraire les principales caractéristiques de ce circuit que sont le gain de conversion, le point de compression et le facteur de bruit, un banc de mesure complet décrit en dernière partie a dû être développé. Les résultats expérimentaux obtenus font état d'un fonctionnement à l'état de l'art, avec un gain de conversion de 14,5 dB à la fréquence optimale centrée sur 76 GHz , un facteur de bruit en bande double de 6,3 dB et un point de compression en sortie de -10 dBm. Ces résultats, relativement proches des simulations, valident l'ensemble de la démarche employée.

Mots-Clés / Keywords
Fréquences millimétriques; Faible bruit; Mélangeur résistif; Mélangeur passif; Bande W; Récepteur à conversion directe; Millimeter-wave; Low-noise; Resistive mixer; Passive mixer; W-band; Zero-IF receiver;

133223
12664
29/11/2012

High spectral purity microwave sources based on optical resonators

K.SALEH

MOST

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 29 Novembre 2012, 191p., Président: P.ARGUEL, Rapporteurs: P.FERON, Y.CHEMBO, Examinateurs: J.GRAFFEUIL, G.CIBIEL, G.SANTARELLI, L.MORVAN, Directeur de thèse: O.LLOPIS , N° 12664

Lien : http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00764917

Diffusable

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Résumé

L'optique constitue aujourd'hui une solution performante pour la réalisation de sources très pures en hyperfréquences, en particulier grâce à l'approche de l'oscillateur électro-optique (OEO). La pureté spectrale de ces sources est essentielle pour les applications spatiales, militaires et pour la métrologie du temps et des fréquences. Durant cette thèse, nous avons réalisé et étudié différents types d'OEO à résonateur optique en vue d'optimiser le bruit de phase de ce système. Nous avons en particulier orienté nos travaux vers une approche originale utilisant un anneau résonant fibré (ARF) passif. Ce type de résonateur présente en effet des coefficients de qualité optiques supérieurs à 109 pour des longueurs de fibre restant relativement faibles (L ~ 10 m) et facilement intégrables dans un support planaire. En parallèle, nous avons mené un travail important sur les oscillateurs à base de résonateurs optiques 3D. Concernant l'OEO à ARF, des progrès spectaculaires ont pu être obtenus grâce à une meilleure compréhension des phénomènes de bruit intrinsèques à ce système. Les deux types de bruit prépondérants étaient la conversion du bruit du laser (FM et AM) en bruit de phase RF par différentes non-linéarités (dont la photodiode) et le déclenchement d'effets non-linéaires optiques à l'intérieur du résonateur. Le contrôle de ces effets a permis en particulier d'éliminer des remontées importantes de bruit sur le spectre de l'oscillateur, et d'atteindre un niveau de bruit de phase de -128 dBc/Hz à 10 kHz de la porteuse à 10.2 GHz en utilisant un OEO à base d'un ARF passif de 100 mètres de longueur, optimisé et immunisé contre les effets non-linéaires optiques.

Abstract

Optics represents an elegant and reliable solution to generate high spectral purity microwave signals, especially the approach using the optoelectronic oscillator (OEO). The spectral purity of these sources is very important for space and military applications and also for time and frequency domain metrology. During this thesis, we have fabricated and studied many types of resonator based OEO in order to optimize the system phase noise. We have especially investigated an original approach using a passive fiber ring resonator (FRR). This resonator type can feature optical quality factors higher than 109 when only few meters of optical fibers are used (L ~ 10 m) and it can be easily integrated in a planar setup. Moreover, we have performed an important work on 3D WGM resonators based oscillators. In the FRR based OEO, spectacular progresses have been achieved thanks to a good understanding of the system intrinsic noise phenomena. Actually, we have found that the most important noise parameters were the laser FM and AM noise conversion into RF phase noise by means of different nonlinearities in the system (like the photodiode nonlinearity), but also by the generation of nonlinear optical effects inside the resonator. By controlling these effects, we have been able to reduce the OEO phase noise level and to reach a -128 dBc/Hz noise level at 10 kHz offset frequency from a 10.2 GHz carrier. This has been achieved using an OEO based on a 100m-long passive FRR, which has been optimized and immunized against different nonlinear optical effects.

Mots-Clés / Keywords
High-Q optical resonator; Microwave photonics; Opto-Electronic Oscillator (OEO); Phase noise; Nonlinear optics; Résonateur optique à fort Q; Opto-microonde; Oscillateur Electro-Optique (OEO); Bruit de phase; Optique non-linéaire;

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