Développement d'une architecture innovante de récepteur radar à 77 GHz et démonstration en CMOS 28 nm FDSOI

Design of an innovative 77 GHz radar receiver architecture in 28-nm FDSOI CMOS

• Auteur / Autrice : Alexandre Flete
• Direction : Christophe Viallon, Thierry Parra, Philippe Cathelin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électromagnétisme et Systèmes Haute Fréquence
• Date : Soutenance le 31/05/2022
• 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 : Jean Gaubert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Deltimple
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvain Bourdel, Nathalie Deltimple

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs d'images CMOS

Radar -- Appareils et matériel

Mots clés libres

CMOS

Radar

Récepteur

Radar

Receiver

CMOS

Sampling

Millimeter wave

Résumé

Grâce à sa capacité à détecter des cibles éloignées malgré une mauvaise visibilité, le radar automobile à 77 GHz joue un rôle important dans l'aide à la conduite. L'utilisation des fréquences millimétriques offre une bonne résolution et une importante capacité d'intégration des circuits. C'est aussi un défi car il faut satisfaire un cahier des charges exigeant sur le bruit et la linéarité du récepteur. Les technologies SiGe BiCMOS ont été les premières utilisées pour la conception de récepteurs radar à 77 GHz. De bons résultats ont été obtenus en se basant sur des architectures utilisant des mélangeurs actifs. Cependant l'utilisation des technologie BiCMOS se traduisait par une consommation élevée, une faible capacité d'intégration et des coûts de production importants. Récemment, l'intégration des procédés CMOS menant à l'augmentation des fréquences de transition rend ces technologies plus attractives pour les applications nécessitant un faible coût et la cointégration de plusieurs fonctions au sein d'une même puce. La littérature sur les récepteurs radars en technologie CMOS à 77 GHz montre que les architectures inspirées par les technologies BiCMOS ne sont pas pertinentes pour cette application. Le but de cette thèse et de montrer que l'utilisation de techniques propres aux technologie CMOS comme l'échantillonnage et l'utilisation de portes logiques permet d'obtenir de très bonnes performances. Dans ce travail, deux nouvelles architectures de récepteurs radars basées sur le principe d'échantillonnage sont proposées. La première architecture est basée sur un mélangeur passif échantillonné qui permet d'obtenir un très bon compromis bruit/linéarité. La seconde exploite les propriétés des mélangeurs sous-échantillonnés afin utiliser une fréquence d'OL trois fois inférieure à la fréquence RF offrant ainsi de très intéressantes simplifications au niveau de la chaîne de distribution du signal d'OL du récepteur. Le contexte de cette étude est expliqué dans le 1er chapitre qui présente les exigences de conception liées à l'application radar et fourni une analyse de l'état de l'art des récepteurs à 77 GHZ. Le chapitre suivant décrit le principe de fonctionnement et l'implémentation d'un mélangeur échantillonné à 77 GHz en technologie CMOS 28- nm FDSOI. Une topologie de mélangeur sous-échantillonné utilisant une fréquence d'OL de 26 GHz pour convertir des signaux RF autour de 77 GHz est ensuite détaillée dans le chapitre 3. Le chapitre 4 conclut cette étude en détaillant l'intégration des mélangeurs étudiés dans les chapitres précédents avec un amplificateur faible bruit dans différents récepteurs radars. Ces architectures de récepteurs basées sur l'échantillonnage sont ensuite comparées entre elles et avec l'état de l'art montrant ainsi leurs avantages et inconvénients. Les résultats de cette comparaison confirment l'intérêt des techniques d'échantillonnage pour la conversion de fréquence dans le cadre de l'application radar.

With its ability to detect distant targets under harsh visibility conditions, the 77 GHz automotive radar plays a key role in driving safety. Using mm-wave frequencies allow a good range resolution, a better circuit integration and a wide modulation bandwidth. This is also a challenge for circuit designers who must fulfill stringent requirements especially on the receiver front-end. First 77 GHz radar receivers were manufactured with SiGe BiCMOS processes benefiting from the high transition frequency and high breakdown voltage of Hetero-junction Bipolar Transistors (HBT). Good results have been achieved with active-mixer-based architectures, but these technologies suffer from high power consumptions, limited integration capacity and large production cost. More recently, the scaling down of CMOS processes (coming together with the increase of the transition frequency of the transistors) makes CMOS a good candidate for 77 GHz circuit design, especially when cost target requires single chip solutions. The literature related to CMOS radar receivers highlights that receivers based on BiCMOS architectures generally show poor performances. The aim of this work is to demonstrate that using CMOS specific technics such as sampling and the use of high-speed digital gates should enhance the performance of the receivers. In this work, two innovative radar receiver architectures based on the sampling principle are proposed. The first one shows that this principle can be extended to millimeter wave frequencies to benefit from a very good noise/linearity trade-off. While the second one uses this principle to converts a 77 GHz RF signal by using a 26 GHz LO frequency thus simplifying the LO distribution chain of the receiver. The background of this study is introduced in the chapter 1 presenting the design trade-off related to the 77 GHz radar receiver and provides a review of the existing solutions. The following chapter describes the sampling mixer principle and the implementation of a 77 GHz sampling mixer in 28-nm FDSOI CMOS technology. Then, a sub- sampling mixer topology allowing to convert an RF signal around 77 GHz using a 26 GHz LO frequency is detailed in the chapter 3. The chapter 4 draws the conclusion of this study by showing the implementation of the two proposed sampling-based mixers with a low noise amplifier in 77 GHz front ends. These receiver architectures are compared with the state of the art highlighting the strengths and weaknesses of the proposed solutions. The results of this study demonstrates that using sampling for down conversion can be convenient to address millimeter-wave frequency applications.