Soutenance mémoire
Aujourd’hui, les bandes de fréquences millimétriques suscitent un grand intérêt pour les systèmes de communication radio en raison des larges bandes spectrales disponibles permettant des débits de transmission très élevés. La bande 60 GHz (57−66 GHz) est utilisable sans licence dans le monde entier et présente donc un intérêt particulier pour les applications grand public. Toutefois, les communications sans fil à 60 GHz sont limitées par la résonance de l’oxygène de l’air qui absorbeprès de 98% de l’énergie émise par le système ; cette restriction limite la portée de communication à quelques mètres dans le cas des systèmes quasi omnidirectionnels et moins d’un kilomètre dans le cas des systèmes très directifs.
Ces systèmes de communications sans fil à très haut débit sont envisagés comme une technologie très intéressante pour les utilisateurs d’objets communicants (smartphones, tablettes, ordinateurs portables, set-top boxes, disques durs sans fil, etc) pour la transmission et la synchronisation de grandes quantités de données. En conséquence, des modules de communication hautement intégrés et faible consommation d’énergie sont nécessaires pour équiper ces appareils intelligents qui ont des contraintes de compacité et de poids très importantes.
Etat de l’art des antennes intégrées en bande millimétrique
Aujourd’hui, de nombreuses applications nécessitent le transfert de très gros volumes de données sans fil et à haut débit en un temps toujours plus faible entre différents objets communicants. Cela se traduit par une demande de capacité des systèmes de communication sans fil beaucoup plus grande que ce que l’on peut attendre dans les bandes 2.4−2.5 GHz et 5.2−5.8 GHz actuellement utilisées. Cette demande a suscité l’émergence et le développement de nouvelles technologies de communication fonctionnant dans la bande des fréquences millimétriques qui étaient précédemment réservées essentiellement à des systèmes militaires ou scientifiques utilisant des technologies coûteuses.
Les technologies récentes donnent accès à ces bandes de fréquences pour des applications grand public telles que les réseaux personnels sans fil (WPAN, Wireless Personal Area Network), les réseaux locaux sans fil (WLAN, Wireless Local Area Network), et les liaisons point-à-point ou point-à-multipoint. Nous présentons donc, dans ce chapitre, une courte introduction sur la bande sans licence autour des 60 GHz, un bilan de liaison typique permettant de dimensionner le gain d’antenne nécessaire pour des communications sans fil à courte portée, faible consommation et haut débit. Finalement, un bref état de l’art des antennes intégrées en bande millimétrique est présenté.
La bande sans licence 60 GHz
La bande sans licence autour de 60 GHz ouvre un nouveau monde de possibilités d’applications grand public. Dans cette partie, nous présentons la régulation actuelle de cette bande, son intérêt et ses caractéristiques ainsi que les applications potentielles et les récents développements commerciaux de ces dernières années .
Régulation
Le spectre électromagnétique est régulé dans les différentes régions du monde par des organismes nationaux ou internationaux tels que l’ETSI en Europe ou la FCC aux EtatsUnis. Cette régulation inclue les conditions d’utilisation des différentes bandes de fréquence et notamment la présence ou non de licence d’utilisation. Pour une bande de fréquence sous licence, une autorisation est nécessaire et des frais de charges sont facturés à l’utilisateur ; ceci est le cas par exemple pour les bandes de téléphonie mobile. A l’inverse, une bande sans licence comme les bandes WiFi est librement utilisable par tout le monde dans la limite de niveaux de puissance d’émission définis. Une de ces régions est la bande de 7 ou 9 GHz autour de la fréquence 60 GHz qui a été déclaré sans licence dans les majeures parties du monde.
Intérêts et caractéristiques de la bande 60 GHz
Le principal enjeu des technologies de communication sans fil à 60 GHz est l’utilisation de la large bande de fréquence disponible, jusqu’à 9 GHz de bande disponible comme expliqué au paragraphe précédent, sans commune mesure avec les bandes sans licence classiques (2.45 GHz, 5.2/5.8 GHz).
Cette loi fait également intervenir le rapport signal à bruit (SNR) au récepteur qui dépend de la puissance d’émission, du gain d’antennes, de la distance de communication et du niveau de bruit du récepteur. Compte-tenu des limites imposées par la régulation sur les puissances rayonnées, et des niveaux de bruit permis par la technologie du récepteur, les distances de communications réalisables en pratique sont bien plus faibles que celles obtenues aux fréquences centimétriques. Par ailleurs, les bandes de fréquences millimétriques suscitent beaucoup d’intérêt en raison des faibles longueurs d’ondes (λ0 = 5 mm à 60 GHz) qui permet la conception d’antennes très petites de l’ordre du millimètre et donc la miniaturisation extrême des systèmes de communication à très haut débit.
Applications potentielles
Actuellement, d’importants efforts institutionnels et industriels sont accomplis autour du développement de standards pour les communications à 60 GHz afin de répondre entre autres à une demande d’applications de type WPAN (Wireless Personal Area Network). Pour les institutions, on peut citer ECMA (TC48) et IEEE (802.15.3c et 802.11ad). Au niveau industriel, il y a deux consortiums réunissant les principaux industriels du secteur: WirelessHD (Intel, LG Electronics, Panasonic, Nec, Samsung, Sibeam, Sony, Toshiba) et Wireless Gigabit Alliance (AMD, Dell, Intel, Microsoft, NEC, Nokia, Nvidia, Panasonic, Qualcomm, Samsung, Toshiba).
Depuis la publication des standards WirelessHD en janvier 2008 et IEEE 802.15.3c en septembre 2009, plusieurs fabricants d’appareils électroniques grand public ont commencé à intégrer dans leurs produits des modules de communication sans fil à très haut débit. Par exemple, dès la fin de l’année 2009, Panasonic a incorporé des modules Wireless HD sur certains modèles de télévision, suivi par LG Electronics à partir de janvier 2012. Toshiba et Funai ont également présenté des produits similaires. En mai 2011, Qualcomm et Wilocity ont développé un chipset 60 GHz (AR9004TB) pour ordinateurs portables et produits électroniques pour le grand public. Celui-ci est le premier chipset capable de supporter une grand variété d’applications, entrée/sortie vidéo, réseaux sans fil avec des vitesses similaires aux technologies de connexions par fibre optique.
Parmi les principales applications potentielles dans la bande des 60 GHz , nous pouvons citer:
❖ Liaisons point-à-point haut débit entre bâtiments ou entre stations de base.
❖ Réseaux locaux sans fil (WLAN), réseau personnel sans fil (WPAN), Gigabit Ethernet sans fil.
❖ Transmission de vidéos haute définition non compressés (WHDMI : Wireless High Definition Multimedia Interface) pour des distances comprises entre 5 et 10 mètres,
❖ Transfert/synchronisation de gros fichiers entre objets communicants (Wireless docking/cordless computing et applications de type “sync and go” ou kiosque) pour des distances d’environ 1 mètre.
Dans chaque catégorie, il existe différents scénarios d’utilisation sur la base de:
❖ L’environnement (intérieur, extérieur).
❖ La distance entre les émetteurs et les récepteurs.
❖ La ligne de vue directe (LOS) ou la présence d’obstacles (NLOS).
❖ La mobilité des modules de communication.
Etat de l’art des antennes intégrées aux fréquences millimétriques
Les antennes disponibles aujourd’hui commercialement pour des systèmes de communication aux fréquences millimétriques sont typiquement des antennes à base de réflecteurs, de lentilles et des antennes cornet. Elles présentent des niveaux de gain élevés et sont dédiées à des applications point-à-point longue distance. Les antennes à réflecteur permettent d’atteindre les plus hauts niveaux de gain, suivies par les lentilles puis les antennes cornet dont le gain est typiquement limité à 30 dBi. Même si ces types d’antennes offrent de très bonnes performances (gain, efficacité), ils ne sont pas appropriés pour les nouveaux systèmes de communication car ils sont très coûteux, volumineux, lourds et surtout difficiles à intégrer avec des dispositifs actifs sur silicium.
A l’inverse, les antennes planaires imprimées sur substrat offrent des propriétés intéressantes: faible coût, faible masse, compacité, adaptabilité à la structure, fabrication et intégration facile avec des dispositifs à base de semi-conducteurs. En raison de la fréquence de fonctionnement très élevée, les antennes sont de petites dimensions de l’ordre du millimètre, ce qui ouvre de nouvelles possibilités pour l’intégration. On peut distinguer typiquement deux types d’intégration: antennes intégrées sur silicium (SoC) ou antennes intégrées en boitier (SiP).
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Etat de l’art des antennes intégrées en bande millimétrique
Introduction
1.1 La bande sans licence 60 GHz
1.1.1 Régulation
1.1.2 Intérêts et caractéristiques de la bande 60 GHz
1.1.3 Applications potentielles
1.2 Bilan d’une liaison à 60 GHz
1.3 Etat de l’art des antennes intégrées aux fréquences millimétriques
1.3.1 Antennes intégrées sur silicium
1.3.2 Antennes intégrées en boitier
1.3.3 Antennes hybrides intégrées sur silicium et en boitier
1.4 Conclusion
Bibliographie
Chapitre 2 : Modélisation et simulation d’antennes intégrées en technologie CMOS−SOI
Introduction
2.1 La technologie de fabrication CMOS−SOI
2.2 Antenne dipôle intégrée
2.3 Antenne dipôle replié intégrée
2.3.1 Principe
2.3.2 Simulation de l’antenne
2.4 Antenne patch couplée au dipôle replié
2.4.1 Simulation de l’antenne
2.4.2 Etude paramétrique
2.4.3 Adaptation de l’antenne
2.5 Modèles électriques équivalents
2.5.1 Antenne dipôle replié
2.5.2 Antenne patch couplée au dipôle replié
2.6 Conclusion
Bibliographie
Chapitre 3 : Transceiver avec antennes intégrées en technologie CMOS−SOI dans un boitier QFN
Introduction
3.1 Description du circuit
3.2 Modélisation électromagnétique du circuit
3.2.1 Influence du plan de masse du transceiver
3.2.2 Influence de l’anneau métallique de découpe de la puce
3.2.3 Influence des lignes de transmission du circuit transceiver
3.2.4 Synthèses des modèles de simulation de la puce transceiver
3.3 Influence du boitier QFN sur l’antenne intégrée
3.3.1 Modélisation
3.3.2 Influence du boitier sans capot
3.3.3 Influence du boitier avec capot
3.4 Utilisation d’éléments rayonnants couplés
3.4.1 Substrat mince avec patchs couplés
3.4.2 Substrat avec patchs sous le capot
3.4.3 Substrat avec patchs et anneaux de vias métalliques
3.5 Conclusion
Bibliographie
Conclusion générale
