Dispositifs accordables en radiofréquence

104 Pages·2016·4.79 MB·French

Dispositifs accordables en radiofréquence
Jean-Daniel Arnould
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Jean-Daniel Arnould. Dispositifs accordables en radiofréquence. Micro et nanotechnolo-
gies/Microélectronique. Université de Grenoble, 2012. ￿tel-00714096￿
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RAPPORT
Pour obtenir le grade d’
HABILITATION A DIRIGER DES
RECHERCHES

Comité d’évaluation ELESA

Présentée par
Jean-Daniel ARNOULD

Dispositifs accordables en

radiofréquence

Travaux de recherche réalisés à l’IMEP LAHC

HDR soutenue publiquement le 16 mai 2012,
devant le jury composé de :

Serge TOUTAIN
Professeur à l’université de Nantes
Christian PERSON
Professeur à Telecom Bretagne, rapporteur
Christophe GAQUIERE
Professeur à l’Université de Lille, rapporteur
Jean-Michel FOURNIER
Professeur à Grenoble-INP, rapporteur
Anne VILCOT
Professeur à Grenoble-INP, examinateur
Philippe FERRARI
Professeur à l’Université Joseph Fourier, examinateur
Pierre VINCENT
Ingénieur au CEA-Leti, invité

Remerciements :

Je tiens tout d’abord à remercier les membres du jury qui m’ont fait l’honneur de participer à
ma soutenance d’Habilitation à Diriger des Recherches. Merci donc à Serge Toutain,
Professeur à l’université de Nantes d’avoir présidé avec bienveillance ce jury. Merci
également aux Professeurs Christian Person de Telecom Bretagne et Christophe Gaquière
de l’université de Lille d’avoir rapporté avec finesse sur mes travaux de recherche ; nos
échanges furent très enrichissants et m’ont permis d’envisager des perspectives de travail
innovantes. Comment ne pas oublier les membres internes de ce jury, Jean-Michel Fournier,
Philippe Ferrari et Anne Vilcot qui m’ont tous les trois mis le pied à l’étrier dans différents
domaines tels que l’électronique analogique RF, le filtrage hyperfréquence et le contrôle
optique. Qu’ils voient ici toute l’expression de ma sincère reconnaissance ; ils m’ont fait
confiance en me donnant des responsabilités aussi bien en recherche qu’en enseignement.
Mes remerciements vont ensuite à M. Pierre Vincent, responsable du LAIR au CEA-Leti,
sans qui mes recherches sur l’augmentation de l’efficacité des amplificateurs de puissance
n’auraient pu s’effectuer.
Tous ces travaux de recherche n’auraient pu se faire sans une supère équipe et une
ambiance chaleureuse de travail. Merci donc à mes deux fidèles co-bureau de charme et de
choc Florence et Ghislaine de m’avoir supporté dans tous les sens du terme ! Merci à
Yannis, Manu, Pascal, Jean-Marc, Philippe Benech, Nicolas Rouger, Alexandre Giry et Tan
avec qui les échanges furent toujours fructueux. Merci également à Xavier et Nicolas sans
qui les mesures BF et HF ne seraient pas excellentes. Merci enfin aux charmantes
secrétaires qui nous facilitent notre vie d’enseignant et de chercheur tous les jours !
Je tiens également à remercier les forces vives du laboratoire avec qui j’ai directement eu le
plaisir de travailler au quotidien c’est-à-dire mes doctorants : René, Darine, Christophe,
Alexandru, Vitor, Gauthier et Duc. Je n’oublie pas les stagiaires qui ont mis la main à la
pâte : Philippe, Pierre, Alexandre, Pardis, Michel, Pascal, Salem, Nourredine, Sylvain,
Mohammed, Gustavo, Benjamin, et Vlad.
Comme une petite dose de décompression ne fait pas de mal entre midi et deux, je tiens à
remercier mes collègues de course à pied et néanmoins informaticiens Cyrille, Seb, Luc et
Serge.
Je garde le meilleur pour la fin ; ma femme Sophie qui m’a toujours encouragé et soutenu
dans mon travail ainsi que mes quatre enfants Antoine, Chloé, Baptiste et Noé qui me
donnent toujours autant de divertissements quand je rentre à la maison ! Merci aussi à mes
parents, à ma sœur et tout particulièrement à mon papa qui m’a transmis le gène de
l’enseignement et de la recherche…

Table des matiŁres
Table des matiŁres
I Introduction gØnØrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
II Curriculum vitae dØtaillØ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1 (cid:201)tat civil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Formation et emplois . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3 ActivitØs d’enseignement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4 ActivitØs de recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
5 Rayonnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
6 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Bibliographie du chapitre II. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
III Contr(cid:244)le optique de composants hyperfrØquences . . . . . . . . . . . 19
1 Introduction et principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2 Travaux de R. Gary et A. Perron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3 Travaux de C. Hoarau et S. Ibrahim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Bibliographie du chapitre III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
IV Conception de (cid:28)ltres pØriodiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1 Introduction et principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2 Etude thØorique de la structure pØriodique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3 Conception du (cid:28)ltre passe-bas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4 Etude de sensibilitØ de la rØponse du passe-bas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5 Filtres rØalisØs (cid:224) 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Bibliographie du chapitre IV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
V Dispositifs accordables RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
1 Introduction et principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2 Principe de l’adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3 Facteur de mØrite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4 Facteur de transformation et bande passante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5 Choix de la topologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6 Rendement des adaptateurs d’impØdance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7 Comparaison de la transformation suivant di(cid:27)Ørents chemins . . . . . . . . . . . . . . . 74
8 Zones de performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
9 DØmonstrateur en technologie hybride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
10 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Bibliographie du chapitre V. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
VI Conclusions et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Bibliographie du chapitre VI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Dispositifs accordables en radiofrØquence 1
Table des matiŁres
2 Jean-Daniel Arnould
Chapitre I
Introduction gØnØrale
Di(cid:30)cile exercice que d’introduire son mØmoire d’Habilitation (cid:224) Diriger des Recherches (HDR).
Comment rØsumer e(cid:30)cacement en une centaine de pages ces activitØs de recherche depuis une dizaine
d’annØe? Ces activitØs se sont bien sßr appuyØes sur les travaux des nombreux stagiaires et thØsards
que j’ai encadrØs. Sans eux, la science ne pourrait pas avancer e(cid:30)cacement et maintenant que je suis
passØ du cotØ "encadrØ" au cotØ "encadrant", je mesure tout le poids de leur travail et j’en pro(cid:28)te ici
pour les remercier de nouveau. Je vais donc dØcrire chronologiquement les rØsultats importants que j’ai
pu tirer de ces di(cid:27)Ørents travaux, en faire une synthŁse et pouvoir ainsi dØgager des perspectives de
recherche. Mes trois premiers encadrements de thŁse ont ØtØ cruciaux dans le choix de mes activitØs de
recherche; ils ont dØbutØ chacun (cid:224) un an d’intervalle et m’ont permis de faire le point sur l’e(cid:30)cacitØ du
contr(cid:244)le optique pour rØaliser des fonctions hyperfrØquences intØressantes, notamment gr(cid:226)ce (cid:224) la thŁse
de C. Hoarau qui a ØtudiØ de maniŁre large les maniŁres d’accorder nos dispositifs hyperfrØquences. Ce
mØmoireseradonccentrØsurlathØmatiquedesdispositifsaccordablesenRadioFrØquences.Cescircuits
accordables peuvent en microØlectronique servir, entre autres, (cid:224) optimiser les rendements en puissance
dans les circuits d’Ømission/rØception des communications mobiles ou bien (cid:224) corriger d’Øventuelles dis-
persions dues (cid:224) la technologie de fabrication de plus en plus (cid:28)ne ou (cid:224) l’environnement extØrieur.
De 1999 (cid:224) 2002, mes travaux de thŁse m’ont permis d’apprØhender les phØnomŁnes physiques mis
en jeu dans le contr(cid:244)le optique de composants passifs hyperfrØquences. Il s’agissait de modØliser les
interactionsentreunsignaloptiquedecommande,unsemiconducteurintrinsŁqueØclairØetdessignaux
de propagation hyperfrØquence par une mØthode de rØsolution des Øquations de Maxwell et des Øqua-
tions de di(cid:27)usion par ØlØments (cid:28)nis. L’idØe Øtait de pouvoir fabriquer des dispositifs hyperfrØquences
accordables ayant des fonctions intØressantes tirant partie de l’immunitØ entre le signal optique de
commande et l’onde de propagation hyperfrØquence dans le semiconducteur ØclairØ localement.
AprŁs la (cid:28)n de ma thŁse en 2002, mes activitØs de recherche se sont orientØes de maniŁre gØnØrale
vers les dispositifs hyperfrØquences accordables. Elles ont commencØ naturellement par du contr(cid:244)le
optique sur substrat semi-conducteur avec le co-encadrement de la thŁse de R. Gary. Le but de ces
recherches Øtaient (cid:224) la fois de continuer (cid:224) mieux comprendre l’interaction rayonnement/matiŁre avec
l’injection optique de porteurs dans un semi-conducteur et de construire ainsi des fonctions hyperfrØ-
quences innovantes contr(cid:244)lØes optiquement et (cid:224) la fois de caractØriser le semi-conducteur en surface et
3
Chapitre I. Introduction gØnØrale
en volume. Pour mener (cid:224) bien cette t(cid:226)che, nous sommes passØs par une rØsolution semi-analytique de
l’Øquation de di(cid:27)usion ambipolaire qui s’est avØrØe plus rapide et plus e(cid:30)cace que la rØsolution par la
mØthode des ØlØments (cid:28)nis.
L’annØe suivante, les travaux de thŁse de D. Kaddour ont portØ sur la conception de (cid:28)ltres (cid:224) struc-
tures pØriodiques ayant des propriØtØs de compacitØ et de pente de rØjection trŁs intØressantes. L’idØe
ensuite fut d’utiliser des capacitØs variables pour contr(cid:244)ler la frØquence de coupure de ces (cid:28)ltres.
L’annØe d’aprŁs, les recherches de C. Hoarau ont fait la synthŁse des dispositifs radiofrØquences
que l’on pouvait accorder (cid:224) l’aide de capacitØs variables. Ces capacitØs variables pouvaient Œtre soit
des varactors intØgrØs (diodes ou transistor MOS) ou hybrides commandØs en tension, soit des charges
crØØes par injection optique, soit des MEMS ou bien encore des capacitØs ferroØlectriques comman-
dØs en tension. Les conclusions de ces recherches ont ØtØ cruciales pour moi car elles m’ont amenØ (cid:224)
abandonner complŁtement l’utilisation du contr(cid:244)le optique pour rØaliser des fonctions hyperfrØquences
intØressantes et (cid:224) me concentrer plut(cid:244)t sur les topologies accordables permettant l’adaptation d’im-
pØdance et le (cid:28)ltrage dans les circuits d’Ømission/rØception dans le domaine des communications sans
(cid:28)ls. Ce fut l’objet du projet rØgion ADAN que j’ai en charge depuis 2009 et de la thŁse de V. Freitas
qui va se terminer en septembre 2012.
J’ai ensuite co-encadrØ entre 2008 et 2011, la thŁse d’Alexandru Romanescu qui a travaillØ (cid:224) STMi-
croelectronicsurlamodØlisationdesdispositifsMOSetthyristorenrØgimededØchargeØlectrostatique.
J’ai choisi volontairement de ne pas dØvelopper ici ces travaux de recherche car ils ne s’inscrivent pas
danslathØmatiquedel’accordabilitØquej’aichoisiededØvelopperdemaniŁrelogiquedanscemØmoire
de HDR.
Depuis 2011, deux nouvelles thŁses ont commencØ. La premiŁre est celle de Gauthier Tant qui
constitue la suite logique de celle de Vitor Freitas et de la collaboration avec le CEA-Leti initiØe gr(cid:226)ce
au projet ADAN. Elle concerne la conception d’architectures recon(cid:28)gurables d’ampli(cid:28)cateurs RF de
puissance en technologie SOI. La deuxiŁme thŁse qui a commencØ est celle de Duc To et concerne
les circuits de pilotage pour la commande bi-directionnelle de plusieurs transistors de puissance. Je
parlerai plus en dØtail de ces deux nouvelles thŁses dans les perspectives de mon dernier chapitre du
fait qu’elles ont ØtØ initiØes trŁs rØcemment.
AprŁs une brŁve prØsentation de mon cursus acadØmique et de mes activitØs d’enseignement, je
dØtailleraidanslesprochainschapitresmestravauxderechercheconcernantlaconceptiondedispositifs
hyperfrØquences accordables en m’appuyant sur ceux des di(cid:27)Ørents doctorants/stagiaires que j’ai pu
encadrer depuis ces dix derniŁres annØes.
4 Jean-Daniel Arnould
Chapitre II
Curriculum vitae dØtaillØ
Sommaire
1 (cid:201)tat civil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Formation et emplois . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3 ActivitØs d’enseignement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.1 RØpartition des enseignements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.2 ResponsabilitØs pØdagogiques au sein de l’Øcole . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4 ActivitØs de recherche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4.1 Encadrement de stagiaires et doctorants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4.2 Liste des stagaires et doctorants encadrØs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
5 Rayonnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5.1 Relations avec le monde industriel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5.2 Organisation de confØrences scienti(cid:28)ques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5.3 ActivitØ de "reviewer" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Bibliographie du chapitre II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15