Thesis defence of Imadeddine Bendjeddou (RMS team): Contribution to low-power RF receivers for IoT applications based on mixer-first N-path filters and spintronic envelope detectors

Imadeddine BENDJEDDOU - RMS team

Composition of the jury
Florence PODEVIN - Thesis director - Full professor - Grenoble INP / TIMA
Christophe VIALLON - Rapporteur - Associate professor - Université de Toulouse
Thierry TARIS - Rapporteur - Full professor - Université de Bordeaux
Philippe CATHELIN - Examinator - Senior scientist - STMicroelectronics
Ursula EBELS - Examinator - Research engineer - CEA Grenoble

Title: Contribution to low-power RF receivers for IoT applications based on mixer-first N-path filters and spintronic envelope detectors
Keywords: Mixer-first receiver, N-path filters/mixer, Low power, Wake-up receivers, Envelope detectors, Spintronic
Abstract: The growth of wireless sensor networks (WSNs) as part of the Internet of Things (IoT) has led to a significant increase in energy demand, underlining the crucial challenge of energy management in these connected systems. The imperative of ensuring the energy autonomy of sensors, which are often isolated and difficult to access, comes up against the high power consumption required for data transmission, as well as for maintaining security and update functionalities. In this context, integrating ultra-low-power Wake-up Receivers (WuRx) into radios is a promising solution. These innovative devices enable the main radio module to be maintained in a deep standby state, consuming a minimum amount of energy, and to be woken up only in the presence of specific signals. In this thesis, we first worked, as part of the SPINNET project, on the concept of a WuRx using a detector-first architecture for IoT applications. We studied the feasibility of using spin diodes (STDs) as energy detectors for a WuRx in IoT applications, exploiting their RF-DC conversion and RF signal demodulation characteristics. This model provides essential RF parameters, such as matching parameters and the impact of interference on RF-DC conversion efficiency. A complete methodology for the extraction of the model parameters is proposed, including an equivalent electrical circuit for the STD and a modelling of the non-linearity of the device resistance with the STD effect. A detailed step-by-step methodology is proposed for extracting model parameters from conventional DC measurements, S-parameters, continuous wave (CW) and power characterisations. Furthermore, the use of a WuRx does not exclude the need to optimise the power consumption of the main receiver. This represents the work we have carried out in the second part of this thesis, which focuses on the design and implementation of architectures for a multistandard, low-power, low-complexity main radio receiver. After an in-depth search of the state of the art to select the most suited architecture best to our requirements, a mixer-first architecture based on N-Path mixers (MFRX) was chosen. We proposed and implemented a passive, widely tunable RF receiver, offering an integrated low-power solution with high resistance to interference. This receiver front-end uses a novel combination of N-path balun/filter/mixer, as well as an analogue frequency divider. The proposed architecture uses a capacitive stacking principle to achieve a 20 dB V/V passive voltage gain, as well as high out-of-band linearity >25 dBm OOB-IIP3, and a noise figure (NF) of less than 6 dB. This architecture also enables a reduction of at least 87.6% in the total capacitance required for the same RF bandwidth compared to a conventional N-path mixer. Operating in the 1 to 3 GHz frequency range, the receiver consumes only 1.6 to 4.5 mW of power. Designed and fabricated using GlobalFoundries' 45nm RF-SOI technology, the prototype receiver, including the analogue frequency divider, requires an active area as low as 0.21mm².

Titre : Contribution aux récepteurs RF basse consommation pour des applications IoT basées sur des filtres N-path et des détecteurs d'enveloppe spintroniques
Mots-clés : Récepteur Mixer-first, Filtres/mélangeurs à N chemins, Faible consommation, Récepteurs de réveil, Détecteurs d'enveloppes, Spintronique
Résumé : L'essor des réseaux de capteurs sans fil (WSN) dans le cadre de l'Internet des Objets (IoT) a entraîné une augmentation significative de la demande énergétique, soulignant ainsi le défi crucial de la gestion de l'énergie dans ces systèmes connectés. L'impératif d'assurer l'autonomie énergétique des capteurs, souvent isolés et difficilement accessibles, se heurte à la consommation élevée requise pour la transmission des données, ainsi que pour le maintien des fonctionnalités de sécurité et de mise à jour. Dans ce contexte, l'intégration de récepteurs de réveil ultra-basse consommation, ou Wake-up Receivers (WuRx), dans les radios se présente comme une solution prometteuse. Ces dispositifs innovants permettent de maintenir le module radio principal en état de veille profonde, consommant une quantité minimale d'énergie, et de le réveiller uniquement en présence de signaux spécifiques. Dans cette thèse, nous avons d'abord travaillé, dans le cadre du projet SPINNET, sur le concept d'un WuRx utilisant une architecture "detector-first" pour des applications IoT. Nous avons étudié la faisabilité d'utiliser des diodes de spin (STD) comme détecteurs d'énergie pour un WuRx dans des applications IoT, exploitant leurs caractéristiques de conversion RF-DC et de démodulation de signaux RF. Ces fonctionnalités basées sur les STD peuvent être utilisées pour développer un WuRx efficace énergétiquement. Le défi consistait à proposer un modèle électrique compact des STD pouvant être utilisé dans le développement d'une architecture RF basée sur un ou plusieurs détecteurs STD pour une application multistandard. Ce modèle fournit des paramètres RF essentiels, tels que les paramètres d'adaptation et l'impact des interférences sur l'efficacité de la conversion RF-DC. Une méthodologie complète pour l'extraction des paramètres du modèle est proposée, incluant un circuit électrique équivalent pour la STD et une modélisation de la non-linéarité de la résistance du dispositif avec l'effet STD. Une méthodologie détaillée étape par étape est présentée pour extraire les paramètres du modèle à partir de mesures conventionnelles en courant continu, de paramètres S, d'ondes continues (CW) et de caractérisations de puissance. Par ailleurs, l’utilisation d’une WuRx n’exclut pas la nécessité d’optimiser la consommation d’énergie du récepteur principal. Cela représente le travail que nous avons mené dans la deuxième partie de cette thèse, qui porte sur la conception et la mise en œuvre d'architectures d'un récepteur radio principal multistandard, à faible consommation d'énergie et à faible complexité. Après une recherche approfondie de l'état de l'art pour choisir l'architecture la plus adaptée à nos exigences, une architecture de type mixer-first basée sur des mélangeurs N-Path (MFRX) a été retenue. Nous avons proposé et mis en œuvre un récepteur RF passif et largement accordable, offrant une solution intégrée à faible consommation avec une grande résistance aux interférences. Ce récepteur frontal utilise une combinaison novatrice de balun, filtre et mélangeur à N chemins (N-path), ainsi qu'un diviseur de fréquence analogique. L'architecture proposée utilise un principe d'empilement capacitif pour obtenir un gain en tension passif de 20 dB V/V, ainsi qu'une linéarité hors bande (OOB-IIP3) de plus de 25 dBm, et un facteur de bruit (NF) inférieur à 6 dB. Cette architecture permet également une réduction d'au moins 87,6% de la capacité totale nécessaire pour la même largeur de bande RF par rapport à un mélangeur N-path conventionnel. Fonctionnant dans la gamme de fréquences de 1 à 3 GHz, le récepteur ne consomme que 1,6 à 4,5 mW de puissance. Réalisé et fabriqué dans la technologie RF-SOI 45 nm de GlobalFoundries, le prototype du récepteur, incluant le diviseur de fréquence analogique, n'occupe qu'une surface active de 0,21 mm².