Contribution à la conception et à la réalisation d’émetteurs/récepteurs monolithiques 140 GHz pour réseaux de capteurs sans fil

Contribution to the design and realization of transmitters / receivers 140 GHz monolithic for wireless sensor networks

• Auteur / Autrice : Benoît Bensahla-Tani
• Direction : Nathalie Haese-Rolland
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanotechnologies, acoustique et télécommunications
• Date : Soutenance le 12/09/2013
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés monolithiques hyperfréquence

Réseaux de capteurs (technologie)

Antennes hyperfréquences

Amplificateurs faible bruit

Communication ultra large bande

Mots clés libres

Antennes directives planaires

Résumé

Cette thèse est une contribution au développement d’émetteurs-récepteurs monolithiques en bande millimétrique pour réseau de capteurs sans fils. Le déploiement des réseaux de capteurs sans fils autonomes de courte portée s’oriente vers l’intelligence ambiante, modifiant la façon dont nous interagissant avec notre environnement. L’internet des objets se démocratise rapidement, avec une augmentation sans précédent des objets connectés. Ces noeuds, de plus en plus nombreux, doivent être le plus discrets et autonomes, tout en ayant des caractéristiques et performances toujours meilleures. La densification des réseaux de nœuds autonomes amplifie de surcroit les problématiques d’interférences et de multi-trajets. Le développement de capteurs en bandes millimétriques doit permettre de réduire la taille des noeuds. Notamment en réduisant les dimensions de la partie antennaire qui constitue généralement le facteur limitant l’intégration d’un système. Cette intégration sera accompagnée de solutions permettant la réduction de la consommation des capteurs. Ainsi, nous avons conçu des antennes, basées sur le principe de rayonnement des lignes à fentes progressives permettant de réduire les contraintes habituelles de conception des antennes. Les antennes sont réalisables sur des substrats de permittivité élevée et de taille réduite, et directement intégrables en technologie MMIC. Nous avons également effectuée une caractérisation expérimentale d’amplificateurs et une étude poussée de la stabilité des circuits amplificateurs en bande G. Notamment en utilisation la méthode NDF. Ceci nous a permis de concevoir un amplificateur faible bruit dont les grilles peuvent être commandées par des impulsions courte permettant la conception d’un système émetteur/récepteur très faible consommation adapté à une utilisation au sein de réseaux de capteurs autonomes sans-fils.

This thesis is a contribution to the development of transceivers for monolithic millimeter-wave wireless sensors networks. The deployment of short-range and autonomous wireless sensors networks tends towards ambient intelligence, changing the way we interact with our environment. The Internet of Things is democratizing rapidly with an unprecedented increase of connected objects. These nodes must and should become more discrete and independent, while still improving their features and performance. Moreover, the increase in nodes number constituting those networks amplifies well-known issues as interferences and indoor multipath problems. The development of sensors using millimeter-wave communications (D-band and G-band) should allow smaller nodes by reducing the antennas dimensions since the antenna is usually the technological lock in system integration. This integration will be accompanied by solutions for reducing node’s consumption. Thus, we have designed antennas, based on slot-line to reduce the usual constraints of antenna design. The antennas are well on substrates of high permittivity and small dimensions, with MMIC compatible technology. The experimental results are well consistent with the 3D electromagnetic simulation. We have also performed an experimental characterization of amplifiers and extensive study of amplifier’s stability in G-band. This study was performed using NDF method. This has allowed us to design a low noise amplifier that can be controlled by short pulses in order to realize a very low power tranceiver suitable for autonomous wireless networks-sensors.