Contribution à la conception d'antennes millimétriques pour systèmes intégrés sur silicium : application aux radars automatives courte et longue portée

Contribution to the millimeter antenna design for silicon integrated systems : short and long range radar application

• Auteur / Autrice : Yenny Constanza Pinto Ballesteros
• Direction : Christian Person
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 01/01/2010
• Etablissement(s) : Télécom Bretagne en cotutelle avec Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium

Antennes (électronique)

Mots clés libres

Antenne intégrée

Radar 79GHz

Technologie Above IC

Technologie silicium

Simulation électromagnétique

Résumé

Les progrès significatifs des technologies microélectroniques sur silicium ouvrent la porte à l’intégration à très bas coût de systèmes millimétriques sur puce. Les radars automobiles à 77-81GHz sont concernes pour cette évolution. Le principal challenge repose sur la recherche d’intégration des éléments rayonnants sur la même puce du circuit radar. Nos travaux de recherche sont orientés vers l'étude de l'élément antennaire intégré sur silicium pour répondre aux contraintes de tels systèmes radar (Gain >13dBi pour le radar à courte portée et gain >20dBi pour le radar à longue portée). Un certain nombre d’outils ont été mis en œuvre (outils et modèles de simulation, banc de mesure « Antenne On Chip »). Nous avons pu souligner les performances relativement médiocres des antennes sur silicium à basse résistivité (Gain <-10dBi et rendement < 10%). Nous avons imaginé différentes configurations d’antennes sur Si innovantes permettant d’exploiter les possibilités d’intégration forte et d’optimisation de leurs performances ; ainsi, les possibilités de combinaison de système sur puce et de système dans un boîtier sont étudiées. Finalement, nous présentons les solutions envisageables pour répondre aux contraintes des systèmes radars, d'une part, par la mise en réseau d'antennes élémentaires sur Si, d'autre part, par l'association d'une antenne intégrée sur Si et d’un système focalisant. Une étude de « co-design » antenne - éléments amplificateurs associées est d’ailleurs présentée afin de compléter l’étude d’intégration sur la même puce d'un circuit radar et de converger vers des solutions compatibles avec les exigences de production à grande échelle.

Thanks to recent advances in silicon technologies, low cost fully integrated systems operating in the millimeter wave range can be developed. Therefore, the development of a BiCMOS single chip for AICC (Autonomous Intelligent Cruise Control) radar at 77-81GHz is becoming feasible today. The main challenge is attributed to the design of SiGe single chip modules including critical elements such as antennas. Radar antennas require high gain values, i. E. , 13 dBi for Short Range Radar (SRR) and 20 dBi for Long Range Radar (LRR). First, this work aimed to analyze the elementary silicon antenna. Consequently, different simulation modeling tools and antenna on chip measurements tools were proposed. We demonstrated the main drawbacks of integrated antennas included their low gain (gain < -10dBi on low resistivity silicon) and their low efficiency (< 10% on low resistivity silicon). Secondly, we investigated alternative solutions for antennas on Si, exploiting Si technologies potentials. Our research focused on optimizing radiation efficiency and gain performance for on-chip single antenna on LR Si, considering design and technological opportunities. In fact, the combination of On-Chip antennas and Packaging appears as one of the best suited approaches for solving this integration challenge. Typical radar antenna topologies were studied on: silicon integrated antenna array and hybrid solution consisting of a lens associated to silicon antenna as primary source. A co-design study (antenna-amplifier) was also proposed in order to complete the full integration analysis, converging large-scale production solutions.