Technologie émergente pour le développement de circuit RF et millimétriques à base de nanotubes de carbone

Emerging Technology for RF and Millimeter-wave Circuits based on Carbone Nanotubes

• Auteur / Autrice : Phi Long Doan
• Direction : Florence Podevin, Emmanuel Pistono
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofréquence
• Date : Soutenance le 17/12/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de radio-fréquence et d'intégration de circuits (Grenoble) (2018-....)
• Jury : Président / Présidente : Didier Vincent
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marjorie Grzeskowiak, Dominique Baillargeat, Philippe Coquet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Aniel, Anthony Ghiotto

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de communication sans fil

Radiofréquences

Ondes millimétriques

Nanotubes

Mots clés libres

Technologie émergente

Nanotubes de carbonne

Circuit RF et millimétriques

Guide d'onde au substrat intégré

Guide d'onde au substrat intégré à d'onde lente

Carbone Nanotubes

Mm-Wave and RF circuits

Embedded technology

Substrate integrated waveguide

Slow-Wave substrate integrated waveguide

Résumé

La technologie de cinquième génération (5G) est connue comme la nouvelle génération de connectivité de données mobiles et de systèmes de communication sans fil. Il fournira des vitesses vertigineuses à large bande et aura une capacité suffisante pour exécuter toutes les fonctions sans diminution de la vitesse de connexion, quel que soit le nombre de personnes qui se connectent au réseau en même temps. L'un des principaux avantages de la technologie 5G par rapport à la technologie de quatrième génération (4G) n'est pas seulement sa vitesse de livraison, entre 10 Gbps et 100 Gbps, mais aussi la latence. Plus précisément, le spectre sous-utilisé dans la bande de fréquences des ondes millimétriques (30-300 GHz) pourrait être considéré comme une solution potentiellement valuable pour atteindre les objectifs susmentionnés. Cependant, le développement de la prochaine génération de circuits et de systèmes en haute performance à ondes millimétriques nécessite un processus de fabrication à faible coût, une petite surface, une faible consommation et une intégration 3D. Dans ce contexte, la technologie à base de CNT a attiré beaucoup d'attention et pourrait être considérée comme un excellent candidat pour la conception de circuits à ondes millimétriques en raison de ses caractéristiques exceptionnelles par rapport aux autres matériaux. Ainsi, dans cette thèse, dans le cadre du projet ANR TRICOT, le CNT sera considéré comme un matériel particulier pour concevoir et développer une nouvelle technologie et un concept d'intégration 3D dédiés aux applications futures dans les interconnexions et circuits à ondes millimétriques.Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse de doctorat ont été principalement concentrés dans deux directions. Le premier concerne l'utilisation de la technologie CNT pour concevoir les circuits AF-SIW pour les applications à ondes millimétriques en bande E. La seconde direction concerne l'utilisation du concept d'onde lente pour la miniaturisation des circuits AF-SIW conçus pour les applications RF basées aux technologies PCB et CNT. Dans les deux cas, les structures proposées ont été détaillées, puis des analyses théoriques ont été développées et des résultats de simulation et de mesure ont été présentés. Les rétro-simulations ont également été réalisées en cas de besoin, ce qui a permis de valider les concepts proposés par des preuves de concept.Dans le premier chapitre de cette thèse, un aperçu des techniques utilisées pour concevoir et fabriquer BM a été introduit dans les bandes de fréquences RF et millimétriques. Les techniques de miniaturisation et la technologie remplie d'air à faibles pertes ont également été présentées dans ce chapitre. Le deuxième chapitre a présenté en détail les propriétés physiques des nanotubes de carbone. En raison de ses propriétés exceptionnelles par rapport à d'autres matériaux, les CNT pourraient être considérés comme un matériel potentiel pour les applications électroniques de nouvelle génération afin de remplacer les structures classiques à base de métal. La modélisation analytique et électromagnétique des NTC a également été introduite dans ce chapitre, sur la base des travaux réalisés au laboratoire XLIM, Limoges, France. Grâce à ce modèle, les appareils basés sur CNT sont conçus plus facilement et avec précision. Dans le troisième chapitre, une description détaillée du guide d'ondes AFSIW basé sur la technologie CNT a été présentée. En outre, la technologie CNT utilisée pour concevoir le guide d'ondes AFSIW a également été appliquée à la conception de coupleurs 0 dB et 3 dB basés sur la topologie short-slot avec le même concept. Dans le quatrième chapitre, les blocs de conception AF-SW-SIW basés sur la technologie CNT conçue à 28 GHz pour les applications RF ont été étudiés et présentés. Enfin, le dernier chapitre était consacré à la description détaillée du guide d'ondes PAF-SW-SIW basé sur la technologie PCB conventionnelle conçue à 28 GHz pour les applications RF.

The fifth-generation (5G) technology is known as the new generation of mobile data connectivity and wireless communication systems. It will provide breakneck broadband speeds and will have enough capacity to perform every function without a decrease in connection speed, no matter how many peoples are connecting into the network at the same time. One of the main benefits of 5G technology over the fourth-generation (4G) technology is not only its speed of delivery, between 10Gbps and 100Gbps, but also the latency. Specifically, the underemployed spectrum in the millimeter-wave frequency band (30-300 GHz) might be seen as a potentially profitable solution for achieving the aforementioned purposes. However, the development of next generation of mm-wave high performance circuits and systems is requiring low-cost fabrication process, small area, low consumption and 3D integration. In this context, CNT-based technology has attracted a lot of attention and could be considered as an excellent candidate for designing the mm-wave circuits due to its outstanding characteristics as compared to the other materials. Therefore, in this thesis, in the framework of the ANR project TRICOT, CNT will be considered as particular materials to design and develop a new 3D integration technology and concept dedicated to future applications in mm-wave interconnects and circuits.The work achieved in this PhD thesis was principally concentrated in two directions. The first one involves in the utilization of CNT technology to design the AF-SIW circuits for mm-wave applications in E-band. The second direction concerns the utilization of the slow-wave concept for the miniaturization of AF-SIW circuits designed for the RF applications based on both conventional PCB and CNT technologies. In both subjects, the proposed structures were detailed, then theoretical analyses were developed, and simulation and measurement results were presented. The retro-simulations were also realized when needed, which permitted to validate the proposed concepts by proofs of concept.In the first chapter of this thesis, an overview concerning the techniques utilized to design and fabricate BM was introduced in both RF and mm-wave frequency bands. Miniaturization techniques and low-loss air-filled technology were also presented in this chapter. The second chapter introduced in detail the physical properties of carbon nanotubes. Due to its outstanding properties as compared to other materials, CNTs could be considered as a potential material for next-generation electronics applications in order to replace classical metal-based structures. The analytical and electromagnetic modeling of CNTs were also introduced in this chapter, based on the work performed at XLIM laboratory, Limoges, France. Thanks to the bulk model, the CNT-based devices are designed more easily, and with accuracy. In the third chapter, a detailed description of AFSIW waveguide based on CNT technology was presented. Furthermore, the CNT technology used to design the AFSIW waveguide was also applied to the design of 0-dB and 3-dB couplers based on the short-slot topology with the same concept. In the fourth chapter, AF-SW-SIW design blocks based on CNT technology designed at 28 GHz for RF applications was investigated and presented. Finally, the last chapter was dedicated to the detailed description of PAF-SW-SIW waveguide based on conventional PCB technology designed at 28 GHz for RF applications.