Design of mm-wave Reflection-Type Phase Shifters with Oscillation-Based Test capabilities

Conception de déphaseurs de type réflectif millimétriques avec des moyens de test basé sur l’oscillation

• Auteur / Autrice : Marc Margalef rovira
• Direction : Philippe Ferrari, Emmanuel Pistono, Christophe Gaquière, Manuel Barragán Asian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 11/09/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Techniques de l’informatique et de la microélectronique pour l’architecture des systèmes intégrés (Grenoble ; 1994-....)
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Bourdel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Serge Verdeyme, Gildas Léger, Anne-Laure Franc, Darine Kaddour
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Jarry, Cédric Quendo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modes couplés, Théorie des

Déphaseurs

MOS complémentaires

Ondes millimétriques

Mots clés libres

Coupleur

Varactor

Déphaseur

Bande millimétrique

Obt

Technologie BiCMOS

Coupler

Varactor

Phase shifter

Mm-Wave

Obt

BiCMOS technology

Résumé

Ce travail porte sur la conception de déphaseurs de type réflectif (RTPS) sur silicium à ondes millimétriques avec des moyens de test basé sur l'oscillation (OBT). Pour plus de cohérence, une seule technologie a été utilisée, la BiCMOS STM 55 nm. Tout d'abord, la théorie et les mises en œuvre pratiques des coupleurs 3-dB sont discutées. Une attention particulière est portée à la topologie du guide d'onde coplanaire couplé à ondes lentes (CS-CPW), en raison de ses bonnes performances. En utilisant cette topologie, les mesures de deux coupleurs 3-dB sont rapportées : (i) un coupleur de 120 GHz, et (ii) un coupleur de 185 GHz.Ensuite, les topologies existantes des varactors intégrés sont discutées. Les résultats des mesures sont présentés pour un varactor MOS en mode inversion (I-MOS) de 1 à 325 GHz. En outre, l'architecture de varactor MOS de source commune (CS-MOS) est proposée et les résultats des mesures de 1 à 145 GHz pour cette architecture sont présentés.Puis, la théorie des RTPS est présentée et les coupleurs basés sur CS-CPW ainsi que les varactors MOS en mode d'accumulation (A-MOS), I-MOS et CS-MOS sont utilisés pour la conception de quatre RTPS. Les résultats des mesures et des simulations de ces RTPS, avec des fréquences centrales allant de 60 à 200 GHz, sont présentés.Ensuite, la théorie et les résultats des mesures de l'OBT sur un RTPS intégré de 60 GHz sont discutés.Enfin, une technique de compactage du calibrage TRL des ondes millimétriques est décrite à l'aide d'outils d'apprentissage sur machine.

This work focuses on the design of on-silicon mm-wave Reflection-Type Phase Shifters (RTPS) with Oscillation-Based Test (OBT) capabilities. For more consistency, a single technology was considered, the STM 55-nm BiCMOS. First, the theory and practical implementations of 3-dB couplers is discussed. Particular attention is brought to the Coupled Slow-wave CoPlanar Waveguide (CS-CPW) topology, due to its good performance. Using this topology, the measurements of two 3-dB couplers are reported: (i) a 120-GHz, and (ii) a 185-GHz coupler.Next, the existing topologies of integrated varactors are discussed. Measurement results are reported for an Inversion-mode MOS (I-MOS) varactor from 1 up to 325 GHz. Additionally, the Common-Source MOS (CS-MOS) varactor architecture is proposed and measurement results from 1 to 145 GHz for this architecture are reported.Then, the theory of RTPS is presented and CS-CPW-based couplers together with Accumulation-mode MOS (A-MOS), I-MOS and CS-MOS varactors are used for the design of four RTPS. The measurement and simulation results of these RTPS, with central frequencies ranging from 60 to 200 GHz, are presented.Subsequently, the theory and measurement results of the OBT on an integrated 60-GHz RTPS are discussed.Finally, a mm-wave TRL calibration compaction technique is described using machine-learning tools.