Étude et réalisation d'un duplexeur SOI accordable multibande pour les futures générations de systèmes de téléphonie mobile

Study and design of a tunable SOI duplexer multiband for future generations of mobile systems

• Auteur / Autrice : Zakaria Settaf
• Direction : Claude Duvanaud, Smaïl Bachir
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des hautes fréquences, photonique et système
• Date : Soutenance le 16/12/2016
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie pour l'information, mathématiques (Limoges ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Signal, Image, Communication
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Nébus
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claude Duvanaud, Smaïl Bachir, Hervé Cam
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Eric Kerhervé, Amparo Herrera-Guardado

Mots clés

Mots clés contrôlés

Signal, Théorie du (télécommunications)

Technologie silicium sur isolant

Radiofréquences

Circuits intégrés

Microélectronique

Mots clés libres

Systèmes d'émission

Amplification

Coupleur

Duplexeur

Circuit accordable

Téléphonie mobile

Active duplexer

Handset

Hybrid 3dB coupler

Passive duplexer

Tunable duplexer

Résumé

Plusieurs standards de téléphonie mobile ont été définis et sont utilisés actuellement. Dans un avenir proche, avec le développement de la 5G de nouveaux standards et de nouvelles bandes de fréquence faire leur apparition. De ce fait, avec l'utilisation de nombreux circuits dédiés à un standard et donc à une bande de fréquence, des difficultés d'intégration et desproblèmes de coûts apparaissent. Il est donc devenu nécessaire pour les concepteurs de proposer des circuits intégrés reconfigurables pour plusieurs gammes de fréquences avec des modes de fonctionnement différents.Dans un système d'émetteur récepteur, le duplexeur permet l'établissement d'une communication simultanée en utilisant une seule antenne pour la transmission et la réception de données, sans que celles-ci soient corrompues. C'est un composant vital, surtout pour la chaine de réception car la réception du signal désiré dépend de ses caractéristiques. Ce dispositif est conçu sur du matériau piézoélectrique, qui ne permet pas d'obtenir un filtre agile en fonction de la fréquence. Dans ce contexte, il est intéressant de rechercher une nouvelle architecture de duplexeur, permettant une réalisation intégrée et un fonctionnement agile.Plusieurs architectures de duplexeur ont été retenues en se basant sur des études récentes menées dans différentes équipes de recherche. Un classement de ces architectures a été proposé, avec des améliorations pour les rendre intégrables et reconfigurables. Parmi toutes les solutions de duplexeurs passifs étudiées, le duplexeur à coupleur hybride 3dB est unesolution permettant d'obtenir des performances attractives. Les simulations pour différentes bandes de fréquences ont montré qu’il était difficile de respecter les spécifications de l’isolation Tx/Rx. Des solutions possibles ont été présentées et des modifications de la structure d'un amplificateur du LNA ont été évaluées en simulation. Ainsi, les performancesd’isolation peuvent être améliorées grâce à des structures actives d’annulation du signal résiduel Tx.La conception, la réalisation et le test de coupleurs hybrides et duplexeurs sont présentés. Le circuit a été implémenté en utilisant la technologie SOI 0.13 micromètre de ST Microelectronics et mesuré avec un boitier BT soudé sur un support de test PCB. Les performances RF du duplexeur peuvent être ajustées en fonction de la bande de fréquence désirée grâce aux capacités commutées. Les performances RF du coupleur hybride 3dB permettent d’envisager l’application de la structure proposée pour les futurs développements de systèmes de téléphonie.

Several standards have been defined and are currently used on mobile phones. With the high request for the broadband, several new standards are developed and introduced in 5G. This results in the use of many circuits, dedicated to one standard and thus one frequency band, which increase the difficulty of integrating these dedicated circuits and therefore costly. It hasbecome necessary for designers to propose tunable integrated circuit that can address several frequency ranges with different operating modes.The duplexer allows the establishment of simultaneous communications, using a single antenna for sending and receiving data, without any interferences. It is a vital component, especially for receiver. In fact, the quality of the received signal depends greatly on the duplexer characteristics. This device is designed on the piezoelectric material, which does not allow to achieve a tunable filter according to the frequency. In this context, it seems interesting to study a new architecture of duplexer. Therefore, it is necessary to define the duplexer function based on studies and system simulations, thus identify the constraints and technology limitations. Several duplexer architectures were selected based on recent studies in different research teams.A classification of these architectures was proposed and also improvements to make them integrated and tunable. Among all the solutions studied, the duplexer using hybrid 3dB coupler shown the most attractive performance. Simulations for different frequency bands showed that it's difficult to achieve Tx/Rx isolation requirements. Different solutions have been presented and LNA structure have been changed and thus evaluated by simulations. Thanks to that, the Tx/Rx isolation can be improved through active cancellation structures.The final chapter presents the design, implementation and testing of hybrid 3dB coupler and duplexer. It has been implemented using SOI 0.13 micrometer from ST Microelectronics and tested on BT-resin substrat. The RF performance of the duplexer can be corrected according to the desired frequency band through the switched capacitor. The RF performance of the hybrid 3dB coupler is in the line with expectations and allows to consider its integration in future system developments.