Conception de puces multi-fonctions MMIC GaN en bande Ka

Design of MMIC GaN multifuncions chip in Ka band

• Auteur / Autrice : Boris Berthelot
• Direction : Jean-Guy Tartarin, Hassan Maher, Christophe Viallon, François Boone
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electromagnétisme et Système Haute Fréquence
• Date : Soutenance le 25/11/2019
• Etablissement(s) : Toulouse 3 en cotutelle avec Université de Sherbrooke (Québec, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés monolithiques hyperfréquence

Circuits intégrés

Mots clés libres

Ka-band corechip

GaN

MMIC

5G

Beamforming

Résumé

La réduction de taille des technologies actives permet d'envisager des applications vers des fréquences toujours plus élevées. Cependant, l'exploitation de ces bandes de fréquences nécessite une redéfinition fondamentale des architectures en raison de pertes plus conséquentes qu'aux basses fréquences; c'est de cette assimilation de nouvelles architectures à base de réseaux d'antennes directives programmables, conjointement à l'utilisation de technologies performantes que les fréquences supérieures à 30 GHz peuvent être pleinement exploitées pour des applications télécoms, de défense et commerciales. Dans les architectures notamment adoptées pour la génération de systèmes de communications 5G, les besoins concernent tout aussi bien une forte intégration hardware qu'un besoin en puissance élevé dans les bandes Ku, K et Ka. De plus, le gain en maturité technologique des filières à grande bande interdite GaN les rend éligibles pour prétendre à la conception des modules de puissance à ces fréquences. En effet, les circuits Tx-Rx réalisés traditionnellement en technologie SiGe ou GaAs se voient de plus en plus associés à (voire sont remplacées par) des éléments en technologie GaN. Les tendances d'utilisation de cette technologie ne la limitent plus au segment de la puissance pour l'amplification haute fréquence. Des récepteurs robustes ont prouvé l'intérêt de cette technologie en étage de réception (LNA), et d'autres travaux font état de performances avantageuses pour la synthèse d'oscillateurs stables hautes fréquences. C'est dans cette logique que le fondeur OMMIC a souhaité compléter la gamme des produits déjà disponibles, en motivant une étude sur la conception de puces multi-fonctions (atténuateurs-déphaseurs programmables) MMIC en technologie GaN. Ce travail a pour but de démontrer à terme les avantages que l'on peut tirer de modules totalement intégrés GaN d'une part, et de réaliser les premiers travaux de core-chip en bande Ka sur cette technologie GaN d'autre part. En effet, il n'existe pas à notre connaissance de circuit de contrôle du signal (core-chip) réalisé dans cette technologie. Cette thèse a donc pour double objectif de démontrer la faisabilité de tels circuits, et de proposer une méthodologie de conception pour tendre vers les meilleures performances possibles. Pour atteindre le premier objectif, après une étude bibliographique approfondie, nous savons que la technologie à effet de champ GaN ne présente pas les propriétés intrinsèques les plus favorables pour réaliser de telles fonctions; une analyse spécifique de chaque circuit est réalisée sur deux types de réalisations (cellules single ended et différentielles). Cela représente donc un challenge de répondre à ce premier objectif. [...]

The reduction in size of the active technologies allows applications towards ever higher frequencies. However, the exploitation of these frequency bands requires a fundamental redefinition of the architectures due to more significant losses than at low frequencies; it is from this assimilation of new architectures based on networks of programmable directional antennas, together with the use of high-performance technologies that frequencies above 30 GHz can be fully exploited for telecommunications, defense and commercial applications. In the architectures adopted for the generation of 5G communications systems, the requirements relate to both a strong hardware integration as well as a high power requirement in the Ku, K and Ka bands. In addition, the gain in technological maturity of GaN technologies makes them eligible to claim the design of power modules at these frequencies. Indeed, the Tx-Rx circuits traditionally produced in SiGe or GaAs technology are increasingly associated with (or even replaced by) elements in GaN technology. Trends in the use of this technology no longer limit it to the power segment for high frequency amplification. Robust receivers have proven the advantage of this technology in reception stage (LNA), and other works report advantageous performances for the synthesis of stable high frequency oscillators. In this logic, the the founder OMMIC wanted to complete the range of products already available, by motivating a study on the design of multi-function chips (programmable attenuators-phase shifters) MMIC in GaN technology. The aim of this work is to demonstrate in the long term the advantages that we can derive from fully integrated GaN modules on the one hand, and to carry out the first Ka-core core-chip work on this GaN technology on the other hand. In fact, to our knowledge, there is no core-chip signal control circuit made in this technology. This thesis therefore has the double objective of demonstrating the feasibility of such circuits, and of proposing a design methodology to tend towards the best possible performances. To achieve the first objective, after an in-depth bibliographic study, we know that GaN field effect technology does not have the most favorable intrinsic properties for performing such functions; a specific analysis of each circuit is carried out on two types of outputs (single ended and differential cells). It therefore represents a challenge to meet this first objective. This is why, in a second step, we made a specific effort on the design methodology, which is divided into two parts: the design of individual cells of the core-chip and then the pooling of these. We realized that poor control of this cell assembly step could lead to degraded performance.[...]