Doctorant en microélectronique hyperfréquence (H/F)

Centre National de la Recherche Scientifique

Doctorant en microélectronique hyperfréquence (H/F)

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
- Français - - Anglais
Date Limite Candidature : mercredi 18 octobre 2023

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Informations générales

Intitulé de l’offre : Doctorant en microélectronique hyperfréquence (H/F)
Référence : UMR7252-DAVCOR-001
Nombre de Postes : 1
Lieu de travail : ANGOULEME
Date de publication : mercredi 27 septembre 2023
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : mois
Date de début de la thèse : 1 décembre 2023
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2135 € brut mensuel
Section(s) CN : Micro et nanotechnologies, micro et nanosystèmes, photonique, électronique, électromagnétisme, énergie électrique

Description du sujet de thèse

Analyse, conception et caractérisation d’une architecture de déphaseur actif innovante, implémentée sur une technologie silicium avancée, pour la formation de faisceau dans les applications 5G

Contexte de travail

Les bandes de fréquences des ondes millimétriques (« mmWave ») (20 à 52,6 GHz) se caractérisent par une large bande passante disponible offrant la possibilité d’une transmission sans fil de haute capacité à des débits de plusieurs gigabits par seconde (Gbps). Les premiers déploiements de la 5G sont principalement axés sur la bande inférieure à 6 GHz et l’utilisation de la technologie « mmWave » devrait être un élément clé de l’évolution de la 5G. Malgré le grand potentiel de bande passante disponible, les transmissions de signaux aux fréquences millimétriques souffrent de défis techniques fondamentaux tels qu’une atténuation sévère de la puissance de l’onde électromagnétique, la sensibilité aux blocages, la consommation d’énergie des émetteurs-récepteurs radiofréquences (RF). Dans ce contexte, les antennes se présentent généralement sous la forme de réseaux phasés permettant ainsi de réaliser de la formation de faisceau qui est obtenue en appliquant des signaux RF déphasés à chaque élément du réseau pour orienter le faisceau dans la direction souhaitée tout en fournissant des zéros dans les directions des signaux d’interférence. Ainsi, les déphaseurs constituent donc des fonctions clés dans les systèmes d’antennes à réseau phasé permettant d’ajuster la phase de chaque élément antennaire afin d’effectuer un guidage adaptatif du faisceau. Différents types d’architectures ont été proposés dans la littérature pour le contrôle en phase des signaux appliqués sur les éléments rayonnants constituant un réseau d’antennes. Ces architectures peuvent être classées en deux catégories : passives ou actives. Les déphaseurs passifs permettent généralement d’assurer uniquement un contrôle en phase des signaux injectés sur les antennes élémentaires du réseau. Malgré les avantages qu’offrent ce type de déphaseurs en terme de linéarité et de consommation, ils restent des dispositifs encombrants introduisant non seulement des pertes d’insertion mais aussi une variation d’amplitude en fonction du déphasage synthétisé ce qui limite leur utilisation. En contrepartie, les architectures actives présentent l’avantage d’occuper une faible surface puisqu’elles permettent une forte densité d’intégration. En plus, elles n’introduisent pas de pertes. Cependant, elles présentent quelques inconvénients notamment en termes de consommation, de linéarité, et de facteur de bruit. Certaines architectures de ce type ont été étudiées et réalisées au sein de notre équipe de recherche de l’institut XLIM à Angoulême. Parmi celles-ci, une structure à base de modulateurs vectoriels a été conçue [1]. Ce type de déphaseur permet le contrôle de l’amplitude et/ou de la phase des signaux émis sur chaque élément rayonnant en fonction des signaux de commande I et Q appliqués. Cependant, cette technique est relativement difficile à mettre en oeuvre de par la complexité du dispositif de commande.
D’autre part, des techniques basées sur l’utilisation des propriétés de synchronisation des oscillateurs pour contrôler l’orientation du diagramme de rayonnement d’un réseau d’antennes ont été étudiées. Celles-ci offrent des avantages en terme d’efficacité, de taille, de coût de réalisation et d’intégration par rapport aux méthodes dites « conventionnelles » c’est-à-dire celles qui utilisent des déphaseurs passifs. La synchronisation peut être réalisée soit par le biais d’un circuit de couplage entre les différents oscillateurs élémentaires, soit en verrouillant les différents oscillateurs sur la fréquence fournie par un signal de référence (PLL). La première technique est appelée « réseaux d’oscillateurs couplés » ou en anglais « Coupled Oscillators Arrays » (COAs) et la deuxième « réseaux d’oscillateurs verrouillés par injection » ou en anglais « Injection-Locked Oscillators Arrays » (ILOAs). L’approche utilisant un COA a été implémentée en technologie BiCMOS SiGe 0,25µm en utilisant quatre VCOs couplés par un réseau de type résistif [2]. Cependant, cette architecture souffre principalement de l’instabilité de la fréquence de synchronisation et du déphasage qui ne peut pas atteindre 360° en pratique comme attendu en théorie. L’architecture à base d’ILOA repose sur le fait qu’un « oscillateur maître » vient, sous certaines conditions, imposer sa fréquence à chaque VCO élémentaire du réseau d’« oscillateurs esclaves ». Quand les fréquences d’oscillation libre de ces VCOs se situent dans une certaine plage de verrouillage, ils se synchronisent à la fréquence d’injection de « l’oscillateur maître » générant une différence de phase entre le maître et chaque esclave. Cette différence de phase est contrôlée en modifiant la fréquence d’oscillation libre de l’esclave. Ainsi, à l’aide de cette technique, il sera possible de générer un gradient de phase inter-élémentaire entre les signaux de sortie des différents VCOs et dont la variation maximale est de ± 180° en différentiel. Cette approche présente l’avantage d’une stabilité de la fréquence de synchronisation ce qui garantit une meilleure probabilité de verrouillage que la première approche. En outre, elle offre la possibilité de contrôle indépendant de la phase du signal émis sur chacun des éléments rayonnants ce qui favorise son utilisation pour des configurations de réseaux d’antennes plus élaborées. Néanmoins, l’un des inconvénients de cette topologie est la non-linéarité du déphasage en fonction de la différence entre la fréquence d’oscillation libre des VCOs constituant le réseau et la fréquence du signal injecté. Dans ce contexte et afin de résoudre cette problématique, une architecture originale de commande de réseau d’antennes dans laquelle chaque oscillateur esclave verrouillé par injection a été associé à un modulateur IQ afin de couvrir une plage de 360° en continu a été conçue en technologie BiCMOS SiGe 0,25 µm [3]. Cette architecture s’avère fonctionnelle à une fréquence avoisinant les 6 GHz mais elle demeure bande étroite et ne permet donc pas de répondre aux contraintes imposées par la 5G millimétrique.

Dans ce contexte, l’objectif des travaux de recherche proposés dans cette thèse consiste à analyser et concevoir une architecture originale et énergétiquement efficiente de déphaseur actif pouvant répondre aux contraintes imposées par la 5G millimétrique. Le circuit sera conçu et réalisé sur une technologie silicium avancée.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l’autorité compétente du MESR.