Synthèses de fréquence à bas bruit basées sur des oscillateurs opto-électroniques couplés intégrées en technologie BiCMOS SiGe 130 nm

Low phase noise frequency synthesis based on coupled optoelectronic oscillator integrated in BiCMOS SiGe 130 nm technology

• Auteur / Autrice : Arnaud Collet
• Direction : Éric Tournier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electromagnétisme et Systèmes Haute Fréquence
• Date : Soutenance le 22/07/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• 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 (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Llopis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Tournier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Florence Podevin, Bruno Barelaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optoélectronique

Oscillateurs

Synthétiseurs de fréquence

Mots clés libres

Synthèse de fréquence

Division de fréquence

Fractionnaire

Faible bruit

Micro-ondes

Frequency synthesis

Frequency division

Low noise

Fractionnal

Microwaves

Résumé

Les hyperfréquences jouent un rôle indispensable dans le domaine des télécommunications, que ce soit pour la téléphonie mobile, les radars automobiles, le Wi-Fi ou encore la transmission satellitaire, sans que cette liste ne soit évidemment exhaustive. Pour l'ensemble de ces applications omniprésentes dans la société actuelle, ce sont ces signaux hyperfréquences qui servent de porteuses pour transmettre l'information sur de plus ou moins longues distances. Les méthodes de génération de signaux hyperfréquences actuelles sont basées sur des boucles à verrouillage de phase (PLL). Elles réalisent une multiplication d'une fréquence de référence basse de quelques dizaines à quelques centaines de mégahertz pour l'amener à quelques gigahertz voire dizaines de gigahertz. Il y a cependant un inconvénient majeur lié à cette méthode : synthétiser une fréquence par multiplication d'une référence basse s'accompagne d'une augmentation théorique du bruit de phase du signal généré, d'autant plus que le rapport de multiplication est élevé. À l'inverse, une synthèse par division de fréquence diminue le bruit de phase théorique. Or on voit apparaître depuis quelques années des références à des fréquences déjà élevées, basées sur des oscillateurs optoélectroniques couplés (COEO), qui peuvent dès lors servir à réaliser des synthèses basées sur de la division de fréquence, et c'est dans ce cadre que se situe le travail de cette thèse. Nous utilisons pour référence de fréquence, des COEO qui génèrent un signal de fréquence élevée à haute pureté spectrale, à 10 et 30 GHz. L'objectif est alors d'être capable de générer des signaux dont la fréquence est inférieure à 30 GHz et aussi basse que 1 GHz. Ces signaux synthétisés doivent conserver autant que possible la pureté spectrale du signal de référence en pénalisant le moins possible le bénéfice théorique apporté par la division. Cette thèse décrit la conception de diviseurs hyperfréquences à très faible bruit de phase résiduel disposant au final de rapports de division fractionnaires et/ou programmables. Dans un premier temps, nous avons conçu des diviseurs de rapports fixes afin d'estimer les performances en bruit de phase atteignables à cette fréquence de travail sur les technologies utilisées. Plusieurs diviseurs ECL par 2 et par 3 ont été conçus, fabriqués et mesurés pour une division jusqu'à 30 GHz. Un diviseur CMOS par 10 ainsi qu'une technique de resynchronisation permettant d'annuler la majeure partie du bruit de phase de la chaîne de division sont également présentés. Plusieurs diviseurs analogiques à rang fixe ont également été conçus, bien que s'étant révélés moins performants au final : un diviseur à verrouillage par injection (ILFD) et un diviseur à renforcement du second harmonique, qui réalisent tous les deux une division par 3 autour de 30 GHz. Pour terminer, nous avons conçu des diviseurs fractionnaires large bande fonctionnant au moins jusqu'à 30 GHz et offrant des performances en bruit de phase compétitives. Si ces modèles s'inspirent du principe régénératif connu de Miller, nous en proposons une déclinaison tout à fait originale. Une première série de diviseurs fractionnaires fixes a ainsi été réalisée pour des rapports fixes de 1,25, 2,5 et 4,5. Pour terminer, un diviseur fractionnaire dont la partie décimale est programmable a été ensuite été réalisé et mesuré. Il s'agit d'un diviseur fractionnaire dont la partie entière du rapport de division est 4 et la partie décimale codée sur 4 bits.

Microwave signals are essential in the field of telecommunications whether for mobile telephony, automotive radar, Wi-Fi or even satellite transmission, without this list being exhaustive. For all these ubiquitous applications in our current society, microwave signals are the carriers for the transmission of information from a system to another. Microwave signals synthesis techniques are mostly based on Phase-Locked Loop (PLL). PLL multiply a low frequency reference ranging from a dozen to a few hundred megahertz toward a few gigahertz to a few dozen gigahertz. However, there is one main drawback with this synthesis technique: synthesizing a frequency by multiplying a low frequency reference induces an unavoidable rise of the theoretical phase noise of the synthesized signal, even more if the multiplication factor is high. On the contrary, frequency synthesis by division lowers the theoretical phase noise. Yet, high frequency high spectral purity frequency references called Coupled OptoElectronic Oscillator (COEO) are being developed for a few years. They are perfect candidate to be used as reference for frequency synthesis by division, and this is within this framework that our research takes place. We use as frequency references two COEO generating high spectral purity signals at 10 and 30?GHz. The aim of our work is then to be able to generate different signals whose frequencies are below 30?GHz and as low as 1?GHz. These synthesized signals must preserve as much as possible the spectral purity of the reference while deteriorating as less as possible the theoretical benefit brought by the division. This thesis describes the conception of low residual phase noise microwave frequency dividers operating, for the most evolved ones, fractional and/or programmable division ratios. In a first place, we designed static frequency dividers in order to estimate the phase noise performance that we can conceivably reach with the technology we use. Several ECL dividers by 2 and by 3 are designed, fabricated and measured for a division up to 30?GHz. A CMOS divider by 10 along with a resynchronization technique allowing to cancel most of the phase noise in a cascaded divider are also presented. In a second place, we designed analog dividers, although they have proven to be less competitive than digital dividers: an Injection-Locked Frequency Divider (ILFD) and a regenerative second-harmonic frequency divider, both realising a frequency division by 3 around 30 GHz. Finally, we designed wideband fractional dividers operating at least at 30 GHz with competitive phase noise performance. Even though they are inspired by Miller's regenerative frequency dividers, we introduce here an innovative declination of fractional dividers. A first series of static fractional dividers has been designed with ratios of 1.25, 2.5 and 4.5. Ultimately, a fractional divider with a programmable decimal part has been designed and measured. This divider has an integer part of 4 and a decimal part programmed on 4 bits.