Conception de récepteurs millimétriques pour des applications radars automobiles embarqués

Design of millimeter-wave receivers for embedded automotive radars

• Auteur / Autrice : Hugo Vallée
• Direction : Thierry Taris
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 11/12/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux
• 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 : Jean-Baptiste Begueret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Landez, Xavier Hours
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvain Bourdel, Domenico Zito

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radiofréquences

Ondes millimétriques

Circuits mélangeurs

Amplificateurs faible bruit

Radar

Mots clés libres

Radar

Amplificateur à faible bruit

Mélangeurs

Millimétrique

Radiofréquence

Radar

Low noise amplifier

Mixer

Millimeter-Wave

Radiofrequency

Résumé

Depuis plusieurs années, l’industrie automobile multiplient les systèmes d’aide à la conduite dans l’objectif d’améliorer l’autonomie des véhicules. Pour cela, chaque véhicule intègre un panel de capteurs de plus en plus étoffé. Le radar 80GHz embarqué présente alors des avantages multiples : immunité aux conditions extérieures, mesure simultanée de la distance et la vitesse… Ainsi, l’industrie du semiconducteur se trouve face à deux défis : réduire le coût des puces et améliorer leurs performances. Cela passe par l’utilisation de technologie CMOS avancées et, par l’amélioration des principaux facteurs de mérite du radar comme la puissance de sortie de son transmetteur, le bruit de phase de son oscillateur local et le facteur de bruit de son récepteur. L’objectif de cette thèse est de proposer des architectures et topologies susceptibles d’améliorer significativement les performances d’une récepteur radar.Dans ce cadre, le récepteur radar est soumis à deux contraintes qui peuvent être contradictoires. Placé derrière le pare-chocs, le module radar est affecté par la réflexion du signal transmis. Face au risque d’apparition de non linéarités, donc de fausses cibles, de fortes contraintes sont exigées en terme de point de compression. De l’autre côté, pour réduire le facteur de bruit globale du récepteur, il y a besoin de maximiser le gain et minimiser le facteur de bruit de sa partie millimétrique. Pour répondre à cela, cette thèse propose plusieurs pistes.Le premier axe est centré sur les techniques de conception de circuits millimétriques. D’un côté, il s’agit de réduire la consommation des circuits au travers d’étages complémentaires et l’opération en moyenne inversion. De l’autre côté, il s’agit d’implémenter des techniques d’annulation de bruit. Ces techniques permettent simultanément de travailler sur de larges bandes passantes et d’améliorer les performances en bruit. Cela a amené au développement d’une topologie dite « complémentaire à couplage transversale capacitif ».Le second axe de ce travail se concentre sur les techniques de mélange. Les mélanges actifs présentent un bon compromis entre gain, linéarité et facteur de bruit mais également un bruit en 1/f élevé, malgré l’implémentation de techniques pour le réduire. Ces topologies peuvent adresser des applications de RADAR courte portée mais pas longue portée. Les mélangeurs passifs présentent de meilleures performances en bruit mais sont plus contraignants en termes de linéarités. Pour cela, cette thèse propose d’implémenter un mélangeur en courant à 80GHz pour améliorer simultanément les performances en bruit et linéarité, capable d’adresser des applications RADAR longue portée.

Since few years, automotive industry implements more and more advanced driven assistance systems to improve safety and autonomy of vehicles. To achieve high autonomy level, each vehicle may include more and more sensors. The embedded 80GHz radar presents many advantages for car manufacturers: great immunity to outdoor conditions, real-time measurement of distance and velocity… To face such requirements, semiconductor industry has to simultaneously reduce cost and improve radar performances. It requires first to use advanced CMOS technologies (40nm, 28nm and smaller nodes). However, the main figures of merit should be improved such as the output power of the transmitter, the phase noise of the local oscillator and the noise figure of the receiver. The objective of this thesis is to propose new architectures and topologies able to improve the radar receiver performances.In an automotive context, the radar receiver face two main issues. Mounted behind the bumper, the radar module is impacted by the reflection of the transmitted signal. It may cause non linearities in the demodulation chain thus creating false targets. For this reason the level of linearity is high, especially regarding the compression point and the limited front end (FE) gain. The improvement of the RADAR sensitivity requires both to maximize the FE gain and to minimize the noise figure (NF) of the receiver front-end. To face such contradictory specifications about the FE gain, this thesis works on more advanced design techniques and topologies.In this thesis, a specific focus is proposed on two design techniques. First, the circuits are designed to improve their efficiency (gm/ID) by operating in the moderate inversion region which contributes to reduce the power consumption. Secondly, the common-gate based noise cancelling technique is explored at 80GHz. This topology achieves simultaneously a wideband behavior and a low noise figure. It leads to develop a topology called “complementary capacitor cross-coupled” which achieves high RF performance at a reduced power consumption with respect to the operating frequency.Besides this thesis studies various mixing approach to determine the best suited for radar applications. First, considering its interesting performance trade-off in BICMOS technology implementations, active mixers are explored. Whereas the level of 1/f can allows for short range operations, it is too large for long range RADAR. To address this issue, passive mixers are then studied. They achieve better noise performances but severely impact the linearity performances. To overcome this drawback, an 80GHz current mode mixer featuring noise and linearity improvement is developed.