Transitions à 60 GHz pour liaisons haut débit filaires par guide d'ondes plastique et sans fil avec conception d'un amplificateur front-end dédié en technologie CMOS 65nm robuste aux variations de charge

60 GHz Transitions for High Data Rate Wireless and Wireline Links Using a Plastic Waveguide and Design of a Dedicated 65nm CMOS Front-End Amplifier Robust to Load Variations

• Auteur / Autrice : Alexandre Berthier
• Direction : Eric Kerhervé, Anthony Ghiotto
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 13/06/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Serge Verdeyme
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Vogt
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Rius, Emmanuel Pistono

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs -- Recombinaison

Ondes millimétriques

Systèmes de communication sans fil

Systèmes de télécommunications à large bande

Guides d'ondes

Filtres électriques

Connecteurs électriques

MOS complémentaires

Antennes (électronique)

Amplificateurs

Mots clés libres

Amplificateur front-end

Antenne

CMOS

Connecteur

Filtre

Guide d’ondes plastique

Haut débit

Liaison filaire

Millimétrique

Recombinaison de puissance

Sans fil

SIW

Transition

Variations de charge

Antenna

CMOS

Connector

Filter

Front-end amplifier

High data rate

Load variations

Millimeter wave

Plastic waveguide

Power combining

SIW

Transition

Wireless

Wireline

Résumé

De nos jours, le nombre d'appareils électroniques communicants ne cesse d'augmenter avec le développement des technologies, les nouvelles applications et le mode de vie connecté de notre société, que ce soit dans l'industrie, les transports ou encore les appareils portables des consommateurs. Cela nous pousse à trouver de nouvelles solutions de transmissions de données haut débit car les solutions existantes sans fil et filaires deviennent limitées en bande passante, trop couteuses, ou complexes dans la mise en oeuvre. La montée en fréquence constitue une solution intéressante en offrant une bande passante plus large.Ce travail de thèse a donc pour vocation d'apporter des solutions innovantes ou d'améliorer des solutions existantes pour de la transmission de données haut débit aux fréquences millimétriques allant de 57 à 64 GHz, tant pour les modes d'utilisation sans fil que pour les modes d'utilisation câblés, avec des objectifs de faible coût et de simplicité de mise en oeuvre. Pour le cas filaire, le guide d'ondes plastique sera utilisé. Cette technologie se situe a mi-chemin entre le guide d'ondes métallique et la fibre optique, tout en étant flexible et peu couteuse. Le verrou technologique majeur identifié est la transition entre ce type de guide et les transmetteurs se trouvant sur silicium pour pouvoir utiliser ces guides d'ondes plastiques. Ainsi ces travaux de thèse présentent deux transitions innovantes à double mode d'utilisation dédiées à la fois à l'utilisation filaire et sans fil à 60 GHz, et comprenant la conception d'un connecteur dédié. La première transition half-duplex réalisée a été validée par des mesures avec des signaux modulés, implémentant des liaisons filaires et sans fil à 5 Gb/s et comprend aussi un filtre SIW intégré pour respecter les normes, lié au mode sans fil. La simulation complète de la deuxième transition full-duplex est aussi présentée avec l'implémentation d'un transducteur à mode orthogonal.Toujours dans l'optique de proposer une liaison complète, des amplificateurs front-end dédiés à ces modes d'utilisation ont été réalisés en technologie CMOS 65nm PD-SOI. Ces amplificateurs équilibrés présentent une bonne robustesse face aux variations de charge, qui sont présentes pour des applications sans fil très courte distance avec une utilisation des antennes en champ proche. Ces amplificateurs ont été comparés à une structure non équilibrée pour démontrer cette robustesse, c'est-à-dire qu'ils présentent une variation plus faible de leurs performances telles que la puissance de sortie ou l'efficacité (PAE). Une étude sur les topologies à recombinaison de puissance pouvant améliorer cette robustesse a été mené et montre l'importance de la différence de phase entre les voies parallèles. Un filtre à lignes couplées a été réalisé avec la même technologie silicium, toujours dans une optique de filtrage hors bande pour respecter les normes, pour le comparer au filtre sur PCB de la première transition et caractériser le compromis entre pertes d'insertion du filtre et surface occupée.

Nowadays, the number of communicating electronic devices is increasing with the development of technologies, new applications, and the connected lifestyle of our society, whether in industry, transport, or consumers' portable devices. This pushes us to find new solutions for high data rate transmission as existing wireless and wired solutions become limited in bandwidth, in terms of cost, or complex in implementation. Working at higher frequencies is an interesting solution as it offers a wider operational bandwidth.The purpose of this thesis is to provide innovative solutions or to improve existing solutions for high data rate transmission at millimeter wave frequencies ranging from 57 to 64 GHz, for both wireless and wired use modes, with the objectives of low cost and simplicity of implementation. For the wired case, the plastic waveguide will be used. This technology is halfway between metallic waveguide and optical fiber, while being flexible and low cost. The major technological challenge identified is the transition between this type of waveguide and transmitters on silicon to use these plastic waveguides. Thus, this thesis presents two innovative dual-mode transitions dedicated to both wired and wireless use at 60 GHz, including the design of a dedicated connector. The first realized half-duplex transition has been validated by measurements with modulated signals, implementing both wired and wireless links at 5 Gb/s and includes an integrated SIW filter to comply with the standards linked to the wireless mode. The complete simulation of the second full-duplex transition is also presented with the implementation of an orthogonal mode transducer.To offer a complete link, front-end amplifiers dedicated to these use modes have been realized in 65nm PD-SOI CMOS technology. These balanced amplifiers show a good robustness against load variations, which are present for very short-range wireless applications with near field antenna use. These amplifiers have been compared to an unbalanced structure to demonstrate this robustness, i.e., they show smaller variations in their performance such as output power or efficiency (PAE). A study on power combining topologies that can improve this robustness has been conducted and shows the importance of the phase difference between the parallel paths. A coupled lines filter has been realized with the same silicon technology, still in an out-of-band filtering perspective to respect the standards, to compare it to the PCB filter of the first transition and to characterize the trade-off between filter insertion loss and occupied area.