Conception de puces multi-fonctions MMIC GaN en bande Ka - LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

Ka-band MMIC GaN multi-function chip design

Conception de puces multi-fonctions MMIC GaN en bande Ka

Résumé

The reduction in size of active technologies makes it possible to envisage applications towards ever higher frequencies. However, the exploitation of these frequency bands requires a fundamental redefinition of architectures due to greater losses than at low frequencies; it is from this assimilation of new architectures based on programmable directional antenna arrays, together with the use of high-performance technologies, that frequencies above 30 GHz can be fully exploited for telecom, defence and commercial applications. In the architectures adopted in particular for the generation of 5G communications systems, the needs concern both a high level of hardware integration and a high power requirement in the Ku, K and Ka bands. In addition, the technological maturity of the GaN wide-band technologies makes them eligible for the design of power modules at these frequencies. In fact, Tx-Rx circuits traditionally made using SiGe or GaAs are increasingly being associated with (or even replaced by) GaN technology elements. Trends in the use of this technology no longer limit it to the power segment for high-frequency amplification. Robust receivers have proven the value of this technology in the receiver stage (LNA), and other work shows advantageous performance for the synthesis of stable high-frequency oscillators. It is in this logic that the OMMIC founder wanted to complete the range of products already available, by motivating a study on the design of multi-function chips (programmable phase shifter attenuators) MMICs in GaN technology. The aim of this work is to demonstrate in the long term the advantages that can be obtained from fully integrated GaN modules on the one hand, and to carry out the first core-chip work in Ka band on this GaN technology on the other hand. Indeed, to our knowledge, there is no core-chip signal control circuit realized in this technology. The aim of this thesis is therefore twofold: to demonstrate the feasibility of such circuits, and to propose a design methodology to achieve the best possible performance. To reach the first objective, after an in-depth bibliographical study, we know that GaN field effect technology does not present the most favourable intrinsic properties to realize such functions; a specific analysis of each circuit is carried out on two types of realizations (single ended and differential cells). It is therefore a challenge to meet this first objective. This is why, in a second step, we focused a specific effort on the design methodology, which is divided into two parts: the design of the individual cells of the core-chip and then the pooling of these cells. We realized that a poor mastery of this stage of cell assembly could lead to degraded performances. A systematic and analytical study of the role of the different parameters (impedance adaptation and functional error in amplitude and phase) at the scale of each phase shift cell (6 cells) or attenuation cell (5 cells) allows us to assess their impact on the global behaviour of the system. Consequently, we have developed a counting algorithm capable of identifying the cell arrangements that induce the best performance levels. This methodology has been applied to the design of single-ended and differential core-chips centered on the 30 - 40 GHz band. A comparison of these two approaches is also being carried out.
La réduction de taille des technologies actives permet d’envisager des applications vers des fréquences toujours plus élevées. Cependant, l’exploitation de ces bandes de fréquences nécessite une redéfinition fondamentale des architectures en raison de pertes plus conséquentes qu’aux basses fréquences ; c’est de cette assimilation de nouvelles architectures à base de réseaux d’antennes directives programmables, conjointement à l’utilisation de technologies performantes que les fréquences supérieures à 30 GHz peuvent être pleinement exploitées pour des applications télécoms, de défense et commerciales. Dans les architectures notamment adoptées pour la génération de systèmes de communications 5G, les besoins concernent tout aussi bien une forte intégration hardware qu’un besoin en puissance élevé dans les bandes Ku, K et Ka. De plus, le gain en maturité technologique des filières à grande bande interdite GaN les rend éligibles pour prétendre à la conception des modules de puissance à ces fréquences. En effet, les circuits Tx-Rx réalisés traditionnellement en technologie SiGe ou GaAs se voient de plus en plus associés à (voire sont remplacées par) des éléments en technologie GaN. Les tendances d’utilisation de cette technologie ne la limitent plus au segment de la puissance pour l’amplification haute fréquence. Des récepteurs robustes ont prouvé l’intérêt de cette technologie en étage de réception (LNA), et d’autres travaux font état de performances avantageuses pour la synthèse d’oscillateurs stables hautes fréquences. C’est dans cette logique que le fondeur OMMIC a souhaité compléter la gamme des produits déjà disponibles, en motivant une étude sur la conception de puces multi-fonctions (atténuateurs-déphaseurs programmables) MMIC en technologie GaN. Ce travail a pour but de démontrer à terme les avantages que l’on peut tirer de modules totalement intégrés GaN d’une part, et de réaliser les premiers travaux de core-chip en bande Ka sur cette technologie GaN d’autre part. En effet, il n’existe pas à notre connaissance de circuit de contrôle du signal (core-chip) réalisé dans cette technologie. Cette thèse a donc pour double objectif de démontrer la faisabilité de tels circuits, et de proposer une méthodologie de conception pour tendre vers les meilleures performances possibles. Pour atteindre le premier objectif, après une étude bibliographique approfondie, nous savons que la technologie à effet de champ GaN ne présente pas les propriétés intrinsèques les plus favorables pour réaliser de telles fonctions ; une analyse spécifique de chaque circuit est réalisée sur deux types de réalisations (cellules single ended et différentielles). Cela représente donc un challenge de répondre à ce premier objectif. C’est pour cela que, dans un deuxième temps, nous avons porté un effort spécifique sur la méthodologie de conception, qui se décline en deux parties : la conception des cellules individuelles du core-chip puis la mise en commun de celles-ci. Nous nous sommes rendu compte qu’une mauvaise maîtrise de cette étape d’assemblage des cellules pouvait aboutir à des performances dégradées. Une étude systématique et analytique du rôle des différents paramètres (adaptation en impédance et erreur fonctionnelle en amplitude et en phase) à l’échelle de chaque cellule de déphasage (6 cellules) ou d’atténuation (5 cellules) permet d’apprécier leur impact sur le comportement global du système. Par conséquent, nous avons développé un algorithme de dénombrement capable d’identifier les agencements de cellules induisant les meilleurs niveaux de performances. Cette méthodologie a été appliquée à la conception de core-chips single-ended et différentiels centrés sur la bande 30 – 40 GHz. Une comparaison de ces deux approches est également menée.
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Identifiants

  • HAL Id : tel-02494037 , version 1

Citer

Boris Berthelot. Conception de puces multi-fonctions MMIC GaN en bande Ka. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université Toulouse 3 Paul Sabatier, 2019. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02494037v1⟩
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