Conception d’une tête radiofréquence auto adaptative au milieu de propagation pour les applications médicales

• Auteur / Autrice : Francis Chan wai po
• Direction : Eric Kerhervé, Jean-Marie Pham
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro-électronique
• Date : Soutenance le 23/07/2010
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Amara Amara
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emeric de Foucauld, Yann Deval, Renzo Dal Molin, Pierre Vincent
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Blondy, Ian O'Connor

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télémétrie

Stimulateurs cardiaques

Impédance électrique

Mots clés libres

Calibration d'antenne

Faible consommation

Optimisation de l'efficacité énergétique

Réseau d'adaptation d'impédance

Télémétrie médicale

Tête radiofréquence

Low power consumption

Power efficiency optimisation

Impedance matching network

Antenna tuning unit

Implantable pacemaker

Medical telemetry

Résumé

L'impédance d'entrée d'une antenne miniature est fortement affectée par des facteurs environnementaux à l'origine de pertes de puissance réduisant l'efficacité énergétique des têtes radiofréquences dans les applications RF, en particulier dans la télémétrie des implants cardiaques. Le but de mes études est de développer une unité de calibration d'impédance d'antenne très faible consommation capable d'adapter toute variation de l'impédance d'entrée de l'antenne à l'impédance de la source radiofréquence. La première partie de mon étude est axée sur la conception au niveau système d'une approche nouvelle de calibration automatique du système. Un réseau d'adaptation automatique d'impédance sans coupleur et fonctionnant de façon directe est étudié et permet d'optimiser la taille du dispositif, la vitesse de l'adaptation, la consommation d'énergie et les performances globales. Deuxièmement, une nouvelle méthode de synthèse du réseau d'adaptation variable est proposée pour réduire fortement la complexité globale de l'algorithme d'adaptation. La troisième partie de mon étude est axée sur la fabrication d'un démonstrateur hybride fonctionnant dans la bande médicale MICS afin de valider le concept auto adaptatif d'impédance. Un banc expérimental qui comprend une antenne immergée dans son milieu connectée au démonstrateur piloté par un microcontrôleur a été mis en place et a permis d'atteindre un coefficient de réflexion jusqu'à -30dB avec un temps de calibration inférieur à 1ms. La dernière partie de mon travail consiste à concevoir le circuit d'adaptation automatique d'impédance d'antenne très faible consommation fonctionnant dans la bande ISM 2.4GHz en utilisant la technologie CMOS 0.13um.

Antenna input impedance is highly affected by environmental factors increasing the losses or reducing the power efficiency of the radiofrequency transceiver in many RF applications such as in implantable pacemaker device telemetry. The purpose of my study is to develop a low power fully integrated antenna-impedance tuning unit to match any variation of the antenna impedance to the source. The first part of my study is focused on the system-level design of a new approach to automatically match the system. A couplerless single step automatic matching network is investigated to optimize the die size, the speed, the power consumption and the overall performance. Second, a new method for synthesizing an automatic matching network is developed reducing strongly the overall complexity of the matching algorithm. The third part of my study is focused on the fabrication of a hybrid demonstrator operating at the Medical Implantable Communication Service (MICS) frequency band to validate the concept. An experimental set-up including the antenna tuning unit, a microcontroller and a pacemaker antenna connected to the demonstrator was done achieving a reflection coefficient up to -30dB, an overall tuning time less than 1ms. The last part of my work is to design the entire automatic matching network circuit in 0.13um CMOS technology including a front-end transceiver designed under ultra low power constraints and operating at 2.4GHz ISM frequency band. The additional items overall power consumption is less than 1.5mW under 1.2V supply voltage.