Étude et mise en œuvre d’une solution de calibration interne d’un réseau de récepteurs multi-phases à 80 GHz en CMOS 28-nm FD-SOI

Calibration of a 28-nm FD-SOI CMOS 80 GHz Phased Array Receiver

• Auteur / Autrice : Antoine Le Ravallec
• Direction : Philippe Benech, Jean-Marc Duchamp
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 04/07/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble) - Equipe de recherche Matériaux, machines et dispositifs électromagnétiques avancés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Dimitri Lederer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Daniel Arnould
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Myriam Ariaudo, Thierry Parra

Mots clés

Mots clés contrôlés

MOS complémentaires

FD-SOI (transistors)

Véhicules autonomes

Véhicules automobiles -- Capteurs

Mots clés libres

Radar

28-nm FDSOI

Récepteur

Calibration

Cmos

Capteur automobile

Radar

28-nm FDSOI

Receiver

Calibration

Cmos

Automotive sensor

Résumé

Dans le cadre de la réduction des accidents de la route et du développement de voitures autonomes, l’intégration de radars dans les véhicules n’a cessé de croître ces dernières années. En effet, le radar automobile est un élément clé pour les systèmes d’aide à la conduite (ADAS) afin de garantir une conduite plus sécurisée en toutes conditions. Avec l’explosion du nombre de capteurs dans les véhicules, l’utilisation des technologies CMOS avancées pour les radars automobiles est devenue attractive par la forte intégrabilité et le faible coût de ces technologies. Dans un radar à réseau de récepteurs multi-phases, l’angle d’arrivée, ou plus précisément l’azimut, d’un objet est déterminé par la différence de phase entre chaque chaîne de réception du signal reçu. La précision de cet angle d’arrivée est fondamentale pour garantir l’efficacité du radar avec un positionnement correct des objets Par conséquent, il est nécessaire de contrôler la phase au sein de chaque chaîne de réception afin de permettre la détermination précise de l’angle d’arrivée d’un objet. Or, en prenant en compte la variabilité des wafers en CMOS SOI due aux variations de processus, de tension et de température (PVT), les variations de phase par chaîne sont supérieures aux spécifications demandées pour le radar automobile.Cette thèse propose donc une solution innovante de contrôle d’erreur de phase d’une chaîne de réception en technologie CMOS 28-nm FD-SOI pour des applications radars dans la bande de fréquences 76-81 GHz. Les travaux réalisés dans cette thèse présentent en premier lieu une étude système des radars. Cette étude met en lumière la répercussion du type de système radar choisi sur les capacités de détection de distance, de vitesse et d’angle d’arrivée d’objets des radars. Un état de l’art des systèmes de calibration des radars est ensuite dressé. Cette étude propose également une étude théorique de l’erreur de phase dans un circuit de réception radar. Finalement, ces travaux aboutissent à la conception et la validation de la solution de contrôle d’erreur de phase, intégrée dans une chaîne de réception. Cette solution, appliquée directement en amont de la chaîne, permet de compenser les variations de phase dues aux disparités et variations de processus de la technologie. Les performances obtenues pour la chaîne de réception sont à l’état de l’art. Cette solution de contrôle d’erreur de phase analogique intégrée dans une tête de réception millimétrique contribue également à la réduction de la surface analogique ainsi qu’à la réduction de la consommation pour une détermination précise de l’angle d’arrivée.

In the context of road traffic accidents reduction and autonomous cars development, the number of embedded radars in vehicles keeps growing. Automotive radars are a key factor for Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) to provide safer driving, whatever the weather and the road conditions. The cost reduction and the high level of integrability of nanometer CMOS technology are attractive for automotive radars due to the increasing number of sensors inside vehicles. The azimuth, or the angle of arrival, of the reflected signal from a target is determined by the phase difference between each receiver chain signal in phased array systems. The measurement accuracy of this angle is mandatory to ensure the radar’s reliability for object detection. Therefore, the phase of the received signal must be controlled within the receiver chain for an accurate angle of arrival determination. Yet, due to wafer’s variability in advanced CMOS SOI nodes due to Process, Voltage and Temperature variations (PVT), the phase variations per chain are above the requirements for automotive radars specifications.Thus, this thesis presents a new solution of accurate phase error control in a front-end receiver for 76-81 GHz automotive radar applications in 28-nm FD-SOI CMOS technology. This work first introduces radar system study. This study highlights the system choices repercussions on the radar abilities to detect the range, the speed and the angle of arrival of objects. A state of the art on radar calibration systems is then presented. A theoretical study on phase errors inside the receiver circuit is also proposed. Finally, this work results in the design and the validation of a phase error control in a receiver chain path. This solution is implemented in the front-end receiver to compensate for the phase variations due to mismatch and process variations. The demonstrated receiver path shows state-of-the-art performances and includes a new accurate phase error control solution. This contributes to the reduction of both analog area and power consumption for a precise angle of arrival determination.