Études des potentialités des composants à base de nitrure de gallium pour des applications mélangeurs à large bande de fréquence

par Nicolas Thouvenin

Thèse de doctorat en Électronique

Sous la direction de Christophe Gaquière et de Stéphane Piotrowicz.

Soutenue le 14-12-2010

à Lille 1 .

mots clés

• ...
• Mélangeurs hyperfréquences
• Nitrure de gallium
• Transistors à effet de champ
• Mesures microondes

Résumé

Les nouveaux systèmes de télécommunication nécessitent des bandes de fréquence de plus en plus larges et de plus en plus élevées. La fonction de base de ces systèmes étant la transposition de fréquence, l'amélioration des performances des mélangeurs est un critère sans cesse recherché. Pour cela, l’utilisation de nouvelles technologies émergentes et prometteuses est envisagée. Liés à leurs performances en termes de fréquence et de puissance, les transistors GaN suscitent un intérêt pour des applications de mélange. La première partie de ce travail énonce le potentiel de la filière GaN pour des applications hyperfréquences. Les différentes caractéristiques et architectures sont décrites en se focalisant sur des topologies optimales concernant les mélangeurs à base de transistors FET utilisés par la suite. La suite de ce travail présente l’étude de la modélisation électrique des transistors HEMT. La technique de modélisation est tout d’abord présentée puis illustrée à l’aide de deux composants GaN et d’un composant GaAs. Après comparaison mesures/simulations, la modélisation est validée à l’aide de mesures grands signaux.La dernière partie présente les éléments externes aux transistors nécessaires pour la conception de circuits de mélange. A l’aide des techniques de caractérisation développées de mélangeur, l’ensemble des prototypes de mélangeurs « froid » et « chaud » à base de transistors GaN et GaAs ont été mesurés afin de mettre en évidence les potentialités des mélangeurs GaN pour différentes architectures et d’en déterminer les performances face à des circuits de topologie identique à base de transistor GaAs.

Titre traduit

Study of gallium nitride devices characteristics for ultra wide band mixer applications

Résumé

Telecommunication systems require wider and higher frequency bands. The basic function of these systems is the frequency transposition and so improved mixer performance is a criterion constantly sought. For this, the use of new emerging and promising technologies is considered. Related to their performance in terms of frequency and power GaN transistors generate interest for mixing applications. The first part of this work establishes the potential of the GaN sector for microwave applications. The various features and architectures are described focusing on optimal topologies for mixers based FETs transistors used thereafter. Then, this work presents the study of non linear electrical modeling of HEMT transistor. The modeling technique is first presented and then illustrated using GaN and GaAs components. After comparing measurements/simulations, modeling is validated using large-signal measurements. The final section presents the externals elements to the transistors required for circuit design of mixer. Using the mixer characterization techniques developed during this Phd, all prototypes mixers "cold" and "hot" based on GaN and GaAs transistors have been measured in order to highlight the potential of GaN mixers for different architectures compare to the same topologies based on GaAs transistor.