Contribution à la conception de convertisseurs de fréquence. Intégration en technologie arséniure de gallium et silicium germanium
Résumé
The current great development of spatial communication comes with the change of conception constraints of these systems. Indeed, the multiplicity of new spatial systems as well as public applications must always raise integration density and system performances but also have to satisfy reliability and production cost needs. Thus, our work deals with the study and the integration of microwave frequency converter which satisfies these imperatives. We first present mixers characteristics in order to classify the reported topologies with respect to their drawbacks and advantages. The second part of this work is dedicated to the conception of an original mixer's topology. Based on an analytical method of conception, using conversion matrix formalism, we first define generic rules of mixer conception and on the other hand we optimise the mixer performances. Finally, a great part of our investigation deals with the study of the non-linear stability of mixers, key point of our topology. The last part of this manuscript addresses the monolithic integration and the characterization of our mixer with two concurrent technologies : one based on high electron mobility field effect transistor on Gallium Arsenide and the other one based on heterojunction bipolar transistor Silicon/Silicon-Germanium. For the last technology, an effort was made on the conception of passive circuits acting at millimeter wave frequencies. The characterization of the resulting circuits demonstrates the validity of the theoretical part and the aptitude of Silicon-Germanium technology for millimetre-wave monolithic integration.
Ces dernières années ont vu le fort développement des communications spatiales et avec lui le changement des contraintes de conception de ces systèmes. En effet, la multiplicité des applications hyperfréquences ainsi que leur ouverture au domaine grand public ont entraîné l'augmentation des densités d'intégration et des performances des systèmes, mais aussi la nécessité de prendre en considération leur fiabilité et les coûts de production. Ainsi, nos travaux portent sur l'étude et l'intégration de convertisseur de fréquence micro-ondes répondant à ces impératifs. Dans un premier temps, nous abordons les définitions relatives aux mélangeurs ainsi que les principales caractéristiques nécessaires à leurs évaluations. Nous présentons ensuite les différentes topologies de mélangeurs existantes en citant, pour chacune, ses avantages et ses inconvénients. La seconde partie de nos travaux de recherche est dédiée à la définition d'une cellule originale de mélange. Une méthode analytique de conception, basée sur le formalisme des matrices de conversion, nous a permis d'une part de définir des règles génériques de conception de mélangeur et d'autres part d'optimiser notre cellule de mélange suivant des critères fixés. Enfin, une partie importante de ces investigations est dédiée à l'étude de la stabilité non-linéaire des mélangeurs, point sensible de la topologie retenue. La dernière partie de ce mémoire est consacré à l'intégration monolithique et à la caractérisation du mélangeur performant envisagé pour deux technologies concurrentes : l'une basée sur des transistors à effet de champ à haute mobilité électronique sur Arséniure de Gallium et l'autre fondée sur des transistors bipolaires à hétérojonction Silicium/Silicium-Germanium. Pour cette dernière technologie, un effort a été porté sur la conception de circuits passifs fonctionnant aux fréquences millimétriques. La caractérisation des circuits a démontré le bien fondé des études présentées précédemment ainsi que l'aptitude de la technologie Silicium-Germanium pour l'intégration monolithique de systèmes aux fréquences millimétriques.