Thesis defence of Larbi Boukhezar (RMS team): Development of D-band passive circuits and power amplifiers as key front-end building blocks in advanced BiCMOS technology

Larbi BOUKHEZAR - RMS team

Direction of the thesis
Philippe FERRARI - Thesis director - Full professor - TIMA Laboratory
Guillaume DUCOURNAU - Thesis co-director - Full professor - Université de Lille
Cédric DURAND - Thesis co-supervisor - Engineer - STMicroelectronics

Rapporteurs
Bruno BARELAUD - Rapporteur - Full professor - Université de Limoges
Éric KERHERVÉ - Rapporteur - Full professor - Bordeaux INP

Composition of the jury
Philippe FERRARI - Thesis director - Full professor - TIMA Laboratory
Guillaume DUCOURNAU - Thesis co-director - Full professor - Université de Lille
Bruno BARELAUD - Rapporteur - Full professor - Université de Limoges
Éric KERHERVÉ - Rapporteur - Full professor - Bordeaux INP
Nathalie DELTIMPLE - Examinator - Full professor - Bordeaux INP
Cédric DURAND - Guest - Engineer - STMicroelectronics
Sébastien SADLO - Guest - Engineer - STMicroelectronics

Title: Development of D-band passive circuits and power amplifiers as key front-end building blocks in advanced BiCMOS technology
Keywords: Radiofrequency - D-band, passive circuit, power amplifier, SiGe BiCMOS technology, microelectronics
Abstract: The continuous growth of data traffic and the increasing demand for very high data rates, low latency, and energy-efficient communication systems are driving the development of new front-end solutions for next-generation wireless networks. Wireless backhauling for short-range point-to-point links appears as a key use case for future 6G infrastructure, with target data rates exceeding 100 Gb/s. In this context, operating at mm-waves above 100 GHz is an attractive approach that has been made possible thanks to the steady improvement of integrated technologies in terms of ft and fmax. Among the available frequency ranges, the D-band is compatible with the latest integrated technologies and is promising for such front-end module design, as it offers large available bandwidth while helping to reduce the footprint of passive components for future highly integrated active antenna solutions. This thesis investigates the design of D-band front-end modules in STMicroelectronics’ B55X SiGe-BiCMOS technology, with a particular focus on two enabling aspects: the development of novel distributed passive circuits and the design of power amplifiers suited to the strong constraints of this frequency range. One of the main challenges in the D-band is the combination of high propagation losses, limited transistor gain, parasitic effects in interconnects, and reduced breakdown voltage in advanced high-speed devices. These limitations make the design of efficient and robust transmitter circuits highly challenging and demanding. The first part of the work was dedicated to the study, design, fabrication, and characterization of distributed passive structures, including coupled-line couplers and an innovative power splitter based on coupled-lines. Experimental results show good agreement with electromagnetic simulations, confirming both the validity of the modeling tools and the feasibility of highly integrated passive building blocks at around 150 GHz. These devices achieve low insertion loss, good amplitude and phase balance, besides a significant reduction in occupied area compared with more conventional solutions for the power splitter. In addition, the work established a complete design methodology for coupled-line-based passive devices, providing a useful foundation for future D-band circuits. The second part of the thesis focused on the design of a multi-stage power amplifier cells using cascode and common-base (CB) topologies. A comparative analysis of both structures highlighted their complementary strengths: the cascode topology offers high gain and strong input-output isolation, while the CB topology provides better efficiency, linearity, and output power capability. Building on these observations, several power amplifier architectures were developed, including two-stage and three-stage implementations. To address the losses associated with conventional matching networks and DC-blocking capacitors, new matching solutions based on coupled-line couplers loaded with stubs were introduced. These networks also provide inherent DC isolation and improved flexibility for biasing and interstage matching. 2-stage PA measured small-signal results show good agreement with simulations after careful refinement of the electromagnetic and circuit-level design flow. The demonstrated power amplifiers exhibit gains above 14 dB, while corrected simulations predict competitive large-signal performance, with an output power at 1 dB of compression P1dB = 7.2dBm and a power-added efficiency of 8.4 % for the two-stage version. The three-stage implementation shows an even higher simulated output power and gain, although further investigation is still required to fully understand its experimental behavior. Overall, this work demonstrates the feasibility of implementing D-band power amplifiers and front-end building blocks in B55X technology, while highlighting the key role of distributed passives in enabling compact and efficient high-frequency integrated circuits.

Titre : Développement de circuits passifs et d’amplificateurs de puissance en bande D, en tant que blocs de base clés de front-end dans une technologie BiCMOS avancée
Mots-clés : Radiofréquences - bande-D, circuit passif, amplificateur de puissance, technologie SiGe BiCMOS, microélectronique
Résumé : La croissance du trafic de données et la demande croissante en très hauts débits, faible latence et communication économe en énergie stimulent le développement de nouvelles solutions de front-end pour les réseaux sans fil de prochaine génération. Le backhauling sans fil pour des liaisons point à point de courte portée est un cas d’usage clé pour les futures infrastructures 6G, avec des débits cibles dépassant 100 Gb/s. Dans ce contexte, l’utilisation des ondes millimétriques au-delà de 100 GHz constitue une approche attractive, rendue possible par l’amélioration continue des technologies intégrées en termes de ft et de fmax. Parmi les bandes disponibles, la bande D est particulièrement prometteuse pour la conception de modules front-end, car elle offre une large bande passante tout en réduisant l’encombrement des composants passifs. Cette thèse étudie la conception de modules front-end en bande D dans la technologie SiGe-BiCMOS B55X de STMicroelectronics, avec un accent sur le développement de circuits passifs distribués et sur la conception d’amplificateurs de puissance adaptés aux contraintes de cette gamme de fréquences. Les principaux défis en bande D sont liés aux pertes de propagation élevées, au gain limité des transistors, aux effets parasites des interconnexions et à la tension de claquage réduite des dispositifs rapides. La première partie du travail a été consacrée à l’étude, à la conception, à la fabrication et à la caractérisation de structures passives distribuées, incluant des coupleurs à lignes couplées ainsi qu’un diviseur de puissance innovant basé sur cette approche. Les résultats expérimentaux montrent un bon accord avec les simulations électromagnétiques, confirmant la validité des outils de modélisation et la faisabilité de blocs passifs intégrés autour de 150 GHz. Ces dispositifs présentent de faibles pertes d’insertion, un bon équilibre en amplitude et en phase, ainsi qu’une réduction significative de la surface occupée. En outre, ce travail a permis d’établir une méthodologie de conception de dispositifs passifs fondés sur des lignes couplées, fournissant une base utile pour de futurs circuits en bande D. La seconde partie de la thèse s’est concentrée sur la conception de cellules d’amplificateurs de puissance multi-étages utilisant des topologies cascode et common-base (CB). L’analyse comparative a mis en évidence leurs atouts complémentaires : la topologie cascode offre un gain élevé et une forte isolation entrée-sortie, tandis que la topologie CB présente une meilleure efficacité, une meilleure linéarité et une plus grande capacité en puissance de sortie. Plusieurs architectures ont été développées, incluant des versions à deux et trois étages. Afin de réduire les pertes associées aux réseaux d’adaptation conventionnels et aux condensateurs de blocage DC, de nouvelles solutions d’adaptation fondées sur des coupleurs à lignes couplées chargés par des stubs ont été proposées. Ces réseaux assurent aussi une isolation DC intrinsèque et une meilleure flexibilité pour la polarisation et l’adaptation inter-étages. Les résultats petit signal mesurés du PA à deux étages montrent un bon accord avec les simulations après amélioration du flot de conception. Les amplificateurs réalisés présentent des gains supérieurs à 14 dB, tandis que les simulations corrigées prédisent des performances de grand signal compétitives, avec P1dB=7,2 dBm et une efficacité ajoutée en puissance de 8,4 % pour la version à deux étages. La réalisation à trois étages montre une puissance de sortie simulée et un gain encore plus élevé, bien qu’une étude complémentaire reste nécessaire. Dans l’ensemble, ce travail démontre la faisabilité de l’implémentation d’amplificateurs de puissance et de blocs de front-end en bande D dans la technologie B55X, tout en soulignant le rôle essentiel des passifs distribués pour permettre des circuits intégrés haute fréquence compacts et efficaces.