Intégration en technologie BiCMOS et caractérisation d'un convertisseur de fréquence de réception pour un radar automobile en bande W assurant des communications inter-véhicules

Design and characterization of a receiving down-converter using a BiCMOS SiGe process for a W-band automotive radar enabling inter-vehicle wireless data link

• Auteur / Autrice : Grégory Meneghin
• Direction : Thierry Parra, Christophe Viallon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electromagnétisme et systèmes haute fréquence
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

MOS complémentaires

Changeurs de fréquence

Mots clés libres

Fréquences millimétriques

Faible bruit

Mélangeur résistif

Mélangeur passif

Bande W

Récepteur à conversion directe

Résumé

Les progrès réalisés par les filières silicium durant la dernière décennie ont rendu leur utilisation possible pour les bandes de fréquences millimétriques dépassant les 100 GHz, autrefois réservées aux technologies III-V. En outre, les fortes densités d'intégration qui caractérisent les filières silicium permettent d'envisager des systèmes complexes sur une seule puce, ce qui n'était pas possible auparavant avec les technologies III-V. Dans cette thèse, la faisabilité d'une conversion en fréquence directe à partir d'un signal impulsionnel en bande W est évaluée au travers de l'exemple d'un radar automobile impulsionnel doté d'une capacité de communication inter-véhicules. Actuellement, le mélangeur passif représente le meilleur choix pour entrer dans la constitution d'un récepteur à conversion directe grâce à l'absence de bruit en 1/f de cette topologie. Ce mélangeur emploie des transistors NMOS dans les filières technologiques à base de silicium. Parmi ses avantages, il faut souligner sa grande linéarité doublée d'un faible facteur de bruit, qui est par ailleurs égal aux pertes de conversion du mélangeur. Bien que largement employé dans les applications de type " low-power " aux fréquences RF ne dépassant pas quelques GHz, les limites de fréquence de cette topologie ne sont pas clairement définies. Une première partie de ce travail a consisté à évaluer la faisabilité de cette topologie en bande W en se basant sur une filière technologique 0,13 um SiGe BiCMOS. L'effet de la géométrie du transistor NMOS sur les performances obtenues est largement discuté concernant les pertes de conversion et la linéarité. Ces résultats sont ensuite exploités pour concevoir un convertisseur de fréquence centré sur une fréquence de 79 GHz en incluant les amplificateurs permettant de contrôler le mélangeur de manière optimale sur ses trois accès RF, OL et FI. Pour extraire les principales caractéristiques de ce circuit que sont le gain de conversion, le point de compression et le facteur de bruit, un banc de mesure complet décrit en dernière partie a dû être développé. Les résultats expérimentaux obtenus font état d'un fonctionnement à l'état de l'art, avec un gain de conversion de 14,5 dB à la fréquence optimale centrée sur 76 GHz , un facteur de bruit en bande double de 6,3 dB et un point de compression en sortie de -10 dBm. Ces résultats, relativement proches des simulations, valident l'ensemble de la démarche employée.

Thanks to the developments realized over the last decade, the nanoscale silicon technologies have become very competitive with III-V for millimeter-wave applications exceeding 100 GHz. The exclusive high integration levels of the silicon make it particularly well suited to design complex systems. In this thesis the background example of a W-band automotive impulse radar with inter-vehicle wireless data link is used to evaluate the capabilities of SiGe BiCMOS technology for the design of W-band zero-IF down-conversion mixer. When a zero-IF down-converter has to be designed, the passive mixer represents the best choice thanks to its absence of flicker noise. This mixer employs NMOS transistors in any Si-based technology. Among its benefits, one has to highlight its large linearity and a low noise figure equaling its conversion losses. Whereas it is widely used in low-power RF zero-IF receivers, the frequency limitations of this topology are not well-defined. The first part of this work evaluates the feasibility of this topology up to the W-band using a 0. 13 µm SiGe BiCMOS technology. The geometry of NMOS device is widely discussed regarding conversion losses and linearity. These results are then employed to design a 79 GHz down-converter including the RF and LO drivers as well as the IF amplifier. Finally, a test-bench is also developed to characterize the designed down-converter. Experimental results indicate state-of-the-art performances with a conversion gain of 14. 5 dB at an optimal center frequency of 76 GHz, a double-sideband noise figure of 6. 3 dB and an output compression point of -10dBm. These results, close to the electrical simulations, validate the whole design methodology.