Étude et conception d'une nouvelle architecture de déphaseur actif à 24 GHZ en technologie BiCMOS SIGE : C 0,25 µm pour la formation de faisceaux

Analysis and design of a new 24 GHZ active phase shifter, integrated in a BiCMOS SIGE : C 0.25 µm technology for beamforming applications

• Auteur / Autrice : Bhanu Pratap Singh Jadav
• Direction : Jean-Marie Paillot, David Cordeau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, microélectronique et nanoélectronique
• Date : Soutenance le 13/12/2019
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie des Systèmes, Mathématiques, Informatique (Limoges ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM - XLIM / XLIM
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Jean-Baptiste Begueret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marie Paillot, David Cordeau, Julien Sarrazin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Baptiste Begueret, Tchanguiz Razban-Haghighi

Mots clés

Mots clés contrôlés

BiCMOS

Déphaseurs

Antennes-réseaux à commande de phase

Ondes millimétriques

Oscillateurs harmoniques

Mots clés libres

Oscillateur commandé en tension

«triple-Push»

Onde millimétrique

Formation de faisceau

Déphaseur actif

BiCMOS SiGe

Vco

«triple-Push»

Millimetre wave frequency

Beamforming

Active phase shifter

SiGe BiCMOS

Résumé

Le travail présenté dans cette thèse consiste à développer un circuit intégré original dans le domaine des ondes millimétriques. Associé à un réseau d'antennes, ce dispositif permettra de réaliser de la formation de faisceaux (« beamforming »), c’est-à-dire qu’il permettra d’orienter et de contrôler le diagramme de rayonnement dans la direction désirée. Pour les ondes millimétriques, cette capacité à orienter le faisceau compense par son gain, les pertes dues à la montée en fréquence. Ce nouveau circuit assure un déphasage RF contrôlable entre l’entrée et la sortie. Il est réalisé à base d'un Oscillateur Contrôlé en Tension (OCT) «triple-push» verrouillé par l’injection d’un signal à 8 GHz. Dans ces conditions, la fréquence du signal de sortie est de 24 GHz. L'objectif de cette thèse a été de concevoir ce déphaseur RF actif, totalement intégré et implémenté avec la technologie BiCMOS SiGe:C 0,25 µm de NXP Semiconductors. Dans la première partie de ce travail, la conception de cette nouvelle architecture d’OCT différentiel «triple-push» à la fréquence de 24 GHz est présentée. Nous verrons que l’OCT «triple-push» est constitué de trois OCT différentiels couplés via des diodes varactors. Les résultats de simulations post-layout valident la méthodologie de conception avec un excellent niveau de réjection de la fréquence fondamentale et de la deuxième harmonique. Par la suite, une nouvelle architecture d'un déphaseur différentiel 120° accordable à la fréquence de 8 GHz est présentée. Ce déphaseur permet d'obtenir à partir d'un seul signal d'entrée, trois signaux de même amplitude et déphasés de 120° entre eux. Le circuit a été implémenté et les différents résultats de simulations post-layout obtenus ont été exposés. Enfin, le circuit global a été conçu et implémenté, en combinant le circuit déphaseur 120° et le circuit OCT «triple-push». Ce dernier est verrouillé par injection par le déphaseur 120°. Les résultats de simulations post-layout valident l’approche originale du système conçu et montrent une variation linéaire du déphasage dans tout le plan de phase. Ce déphaseur actif est destiné à être associé à une antenne élémentaire pour ensuite constituer un réseau antennaire complet qui pourra être utilisé pour la transmission de données, par exemple en technologie 5G.

The work presented in this thesis consists in designing an original integrated circuit in the millimetre-wave domain. Associated to an antenna array, this circuit performs beamforming, i.e. it allows the orientation and control of the radiation pattern in the desired direction. In millimetre waves, the ability to steer the beam allows to compensate for the losses due to the increase in frequency. This new circuit ensures a tunable RF phase shift between the input and the output. It is based on an original Injection Locked triple-push Voltage Controlled Oscillator (VCO) at 8 GHz. In these conditions, the frequency of the output signal is at 24 GHz. The objective of this dissertation is to design this fully integrated active RF phase shifter implemented in the QUBiC4X 0.25 µm SiGe:C BiCMOS process of NXP semiconductors. In the first part of this work, the design of this new architecture of a differential «triple-push» VCO at 24 GHz is presented. This «triple-push» VCO consists of three differential VCOs coupled through varactor diodes. The post layout simulation results validate the design methodology with an excellent level of fundamental and second harmonic rejections. Then, a novel architecture of an 8 GHz differential 120° tuneable phase shifter is presented. This phase shifter allows to obtain, from a single-ended input signal, three 120° out of phase signals with the same amplitude. The circuit was implemented on the same process and various post-layout simulation results were reported. Finally, the global circuit is designed and implemented, combining the 120° phase shifter and the «triple-push» VCO. The latter is injection locked by the 120° phase shifter. The post-layout simulations results validate the proposed original approach of the designed circuit and show a linear variation of the phase shift throughout the entire phase plane. This active phase shifter is intended to be associated to an elementary antenna to subsequently constitute a complete antenna array that can be used for data transmission, for example in 5G technology.