Circuits Non Foster appliqués à un système Full-Duplex compact

Non-Foster circuits applied to Full-Duplex systems

• Auteur / Autrice : Saadou Almokdad
• Direction : André Pérennec, Sawsan Sadek-Hage Chehade
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 28/01/2020
• Etablissement(s) : Brest en cotutelle avec Université Libanaise
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire en sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance
• Jury : Président / Présidente : Sobhi Abou Chahine
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : André Pérennec, Sawsan Sadek-Hage Chehade, Sobhi Abou Chahine, Mohammed Ismail, Elias Rachid, Marc Le Roy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohammed Ismail, Elias Rachid

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement du signal

Mots clés libres

Full-Duplex (FD)

Non-Foster (NF)

Auto-interférence (SI)

Déphaseur

Antenne électriquement petite (ESA)

Capacité négative

Adaptation et découplage d’antennes

Full-Duplex

Non-Foster

Phase Shifter

Electrically small antenna (ESA)

Antenna Quality factor

Résumé

Ce travail porte sur la réalisation d’un système FD compact (e.g. applications de type IoT) à partir de composants NF. Pour réaliser un Front-end FD, il est impératif de lutter contre l’auto-interférence (SI) élevée entre émission et réception. Le 1er niveau de réduction de la SI intervient au plus près des antennes (1 TX et 1 RX) pour les miniaturiser puis pour les découpler/isoler l’une de l’autre. Le 2nd a pour fonction de supprimer la SI résiduelle en ajoutant à la réception un signal identique en amplitude à celle de cette interférence mais en opposition de phase. Cet étage requiert un déphaseur variable autour de 180° à environ 1.6GHz et un atténuateur. Comme la topologie retenue pour le déphaseur nécessite des capacités négatives, nos efforts ont d’abord ciblé la réalisation d’un circuit NF basé sur une paire croisée de transistors (XCP) qui constitue le bloc élémentaire de nos dispositifs. Plusieurs idées sont testées pour tendre vers une capacité négative large-bande idéale, mais un circuit stable n’a pu être obtenu qu’en conservant une résistance parasite résiduelle. Ainsi le déphaseur 180° réalisé à base de composants NF voit ses performances être dégradées par rapport au cas idéal. La partie antennaire du front-end FD compact est constituée de 2 antennes planaires très rapprochées. La miniaturisation des antennes est faite en adaptant celles-ci à une fréquence plus basse (1.6 GHz) que leur bande initiale (2.3-2.4 GHz) ou elles sont alors considérées ESA. Une comparaison entre l’adaptation par des réseaux passifs et actifs NF montre que cette dernière permet un élargissement de la bande mais que l’efficacité du système n’est cependant pas améliorée en pratique. Cette limitation provient de la résistance parasite du circuit XCP NF. Le découplage entre antennes à l’aide de circuits NF montre à nouveau un meilleur niveau d’isolation et sur une bande élargie mais sans pénaliser l’efficacité dans ce cas. Au final, les 2 étapes découplage/annulation de la SI sont associés pour obtenir un système FD compact présentant un comportement large-bande de l’adaptation des antennes et de l’isolation (e.g. 45 dB d’isolation à 1,6 GHz). Des perspectives pour réduire la résistance parasite des circuits NF sont proposées pour améliorer l’efficacité du système.

This work focuses on achieving a compact FD system (e.g. for wireless IoT) based on NF circuit. The main issue when dealing with FD system is the high self-interference (SI) between transmitter and receiver chains. Thus a two stage decoupling network is studied based on using NF circuits. In this two-level SI canceller, the 1st stage is placed close to the antennas in order to reduce their size, and also to decouple one from each other. The 2nd stage consists of a variable phase shifter and an attenuator. Our goal is to use NF circuit (based on cross-coupled pair of transistors: XCP) to build up a PS tunable around 180° at 1.6 GHz. We identified the origin and solved the stability issue while building a negative capacitance, but a spurious residual resistance remained whatever the improvements made. Our PS performance was thus degraded compared to ideal case.SI cancellation at the antenna level was made by considering two planar monopole antennas (TX and RX). The antennas were miniaturized by making them operate at lower frequency than initially, and then they can be considered as ESA. A comparison between passive matching and NF matching networks showed a wider bandwidth for NF circuits but again the spurious resistor of NF circuit affects the system efficiency. NF circuits also allow improving the decoupling performance (bandwidth and level) compared to passive one but without degrading the efficiency in that case. Finally, we combined the two stages together to get a wideband matching and decoupling response (e.g. 45 dB of SIC at 1.6 GHz for our compact FD system). Some prospects are then put forward in order to face out the residual resistance issue.