Millimetre-length radiofrequency device for “Smart Dust”
Dispositif radiofréquence millimétrique pour objets communicants de type Smart Dust
Abstract
The emergent systems of “Smart dust” use networks of several hundreds of millimetre scaled devices. Each device integrates sensor and communication functions in order to be consulted by one or more transmitters.Regular progress in micro-technology and circuit's design accelerate the realization of compact devices containing one or more sensors, analogical and numerical circuits, communication systems and power source. One of the critical points of the system, object of many research tasks, is the communication system of the network of sensors. The objective of the thesis is to study a radio frequency communication system adapted to the needs of smart dust network. More precisely, it is a question of studying the feasibility of Emission-Reception devices functioning at the millimetre-length frequencies with principal constraints the reduced size and low power consumption of the system.
The first part provides a state of the art of the various components of a radiofrequency transceiver operating at millimetric frequencies. The second part is devoted to the study of SOI based interconnection structures, including coplanar strip and coplanar waveguide transmission lines. The third part deals with the case of a dipole integrated on SOI and operating at 60 GHz. This last study is based on the parameters of the SOI technology as permittivity, the resistivity and thickness of silicon. A model of the dummies of the SOI technology, based on the dynamic model of Tretyakov is proposed.
The final part is devoted to the design, implementation, and measurement of antennas integrated on SOI and operating in the 60 GHz band. Four types of antennas are presented including an interdigitated dipole, an IFA antenna, a double slot antenna and in the end a spiral antenna. These antennas were characterized and the comparison of the S parameters shows good correspondence between the measured and simulated results. In addition, a device test is presented to measure the gain pattern of these antennas. Finally, in an objective of a front end receiver, a codesign of a Low noise amplifier and an integrated antenna, both operating at 60 GHz, is proceed to eliminate the need of 50 ohms constraint.
The first part provides a state of the art of the various components of a radiofrequency transceiver operating at millimetric frequencies. The second part is devoted to the study of SOI based interconnection structures, including coplanar strip and coplanar waveguide transmission lines. The third part deals with the case of a dipole integrated on SOI and operating at 60 GHz. This last study is based on the parameters of the SOI technology as permittivity, the resistivity and thickness of silicon. A model of the dummies of the SOI technology, based on the dynamic model of Tretyakov is proposed.
The final part is devoted to the design, implementation, and measurement of antennas integrated on SOI and operating in the 60 GHz band. Four types of antennas are presented including an interdigitated dipole, an IFA antenna, a double slot antenna and in the end a spiral antenna. These antennas were characterized and the comparison of the S parameters shows good correspondence between the measured and simulated results. In addition, a device test is presented to measure the gain pattern of these antennas. Finally, in an objective of a front end receiver, a codesign of a Low noise amplifier and an integrated antenna, both operating at 60 GHz, is proceed to eliminate the need of 50 ohms constraint.
La réalisation d'objets intelligents de la taille du millimètre capables d'être sensibles à leur environnement, de réaliser des calculs pour traiter les données et de communiquer de façon autonome constitue une opportunité unique pour repenser l'interaction entre l'homme et son milieu environnant. Les systèmes émergeants de « Smart Dust» sont réalisés en associant massivement en réseaux distribués des centaines d'objets miniatures intelligents intégrant un système d'alimentation autonome, un ou plusieurs capteurs (lumière, température, vibration, acoustique, pression, champ magnétique, ...), des circuits analogiques et numériques pour réaliser des traitements de données et un système pour recevoir et transmettre des données. Pour faciliter la conception des systèmes radiofréquence RF ou millimétriques, l'intégration des dispositifs de système sur une même puce reste la solution souhaitée.
Dans ce contexte, la première partie de ce manuscrit propose un état de l'art des différents composants d'un émetteur récepteur RF opérant à des fréquences millimétriques et intégré sur différentes technologies, ainsi l'étude de la faisabilité de la technologie CMOS SOI en réalisant un bilan de liaison à 60 GHz. Une étude sur les actifs et passifs de la technologie CMOS SOI montre les avantages du SOI et aussi les phénomènes spécifiques qu'il faut prendre en compte dans la phase de conception. La deuxième partie est consacrée à l'étude des structures d'interconnexion de la technologie SOI, notamment les lignes et les rubans coplanaires. Ainsi nous présentons les méthodes utilisées pour déterminer la permittivité effective et l'impédance caractéristique de ces lignes et un modèle analytique de la permittivité effective de l'antenne.
La troisième partie traite le cas d'une antenne canonique de type dipôle intégré sur SOI et fonctionnant dans la bande millimétrique. Cette étude est basée sur les différents paramètres de la technologie SOI comme la permittivité, la résistivité et l'épaisseur de silicium. Ensuite, une étude de problématique de rayonnement des antennes intégrées en technologie SOI est présentée. Finalement un modèle des îlots métalliques « dummies » de la technologie SOI, basé sur le modèle dynamique de Tretyakov, est proposé.
La dernière partie est consacrée à la conception, la réalisation, le test et la mesure de antennes intégrées sur SOI et fonctionnant dans la bande de 60 GHz. Quatre types d'antennes sont présentés notamment une antenne dipôle interdigitée, une antenne IFA, une antenne double fente et finalement une antenne spirale. Les paramètres électriques des antennes dipôles, IFA, et fente sont mesurés et sont conformes aux paramètres simulés. En plus, Nous avons présenté un dispositif de test pour mesurer le digramme de gain de ses antennes. La procédure de caractérisation a permis la validation expérimentale de ce dispositif et la récupération des diagrammes de gain des antennes au niveau de substrat SOI. Dans une optique de démonstrateur intégré, une conception conjointe d'un amplificateur faible bruit intégrée sur SOI avec une antenne intégrée, les deux fonctionnant à 60 GHz, permettant de s'affranchir de la contrainte 50 Ohms est conduite.
Dans ce contexte, la première partie de ce manuscrit propose un état de l'art des différents composants d'un émetteur récepteur RF opérant à des fréquences millimétriques et intégré sur différentes technologies, ainsi l'étude de la faisabilité de la technologie CMOS SOI en réalisant un bilan de liaison à 60 GHz. Une étude sur les actifs et passifs de la technologie CMOS SOI montre les avantages du SOI et aussi les phénomènes spécifiques qu'il faut prendre en compte dans la phase de conception. La deuxième partie est consacrée à l'étude des structures d'interconnexion de la technologie SOI, notamment les lignes et les rubans coplanaires. Ainsi nous présentons les méthodes utilisées pour déterminer la permittivité effective et l'impédance caractéristique de ces lignes et un modèle analytique de la permittivité effective de l'antenne.
La troisième partie traite le cas d'une antenne canonique de type dipôle intégré sur SOI et fonctionnant dans la bande millimétrique. Cette étude est basée sur les différents paramètres de la technologie SOI comme la permittivité, la résistivité et l'épaisseur de silicium. Ensuite, une étude de problématique de rayonnement des antennes intégrées en technologie SOI est présentée. Finalement un modèle des îlots métalliques « dummies » de la technologie SOI, basé sur le modèle dynamique de Tretyakov, est proposé.
La dernière partie est consacrée à la conception, la réalisation, le test et la mesure de antennes intégrées sur SOI et fonctionnant dans la bande de 60 GHz. Quatre types d'antennes sont présentés notamment une antenne dipôle interdigitée, une antenne IFA, une antenne double fente et finalement une antenne spirale. Les paramètres électriques des antennes dipôles, IFA, et fente sont mesurés et sont conformes aux paramètres simulés. En plus, Nous avons présenté un dispositif de test pour mesurer le digramme de gain de ses antennes. La procédure de caractérisation a permis la validation expérimentale de ce dispositif et la récupération des diagrammes de gain des antennes au niveau de substrat SOI. Dans une optique de démonstrateur intégré, une conception conjointe d'un amplificateur faible bruit intégrée sur SOI avec une antenne intégrée, les deux fonctionnant à 60 GHz, permettant de s'affranchir de la contrainte 50 Ohms est conduite.
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