Novel Approaches and Developments of Multifunctional Receiver Architectures for Sustainable Wireless Systems and Applications

L'évolution rapide et continue des nouvelles technologies sans fil exige et favorise toujours la recherche et le développement d'approches nouvelles et innovantes pour redéfinir et améliorer les architectures d'émetteurs-récepteurs et les composants hyperfréquences de pointe actuels. L'efficacité énergétique est certainement l'un des facteurs limitants fondamentaux du développement de futurs appareils et systèmes sans fil durables tels que la 5G, la 6G et l'internet des objets (IoT) émergent. Parmi toutes les solutions frontales sans fil existantes développées et utilisées jusqu'à présent, les architectures d'émetteurs-récepteurs interférométriques multiports ont été reconnues comme une technique hautement compétitive pour le développement frontal de systèmes sans fil multifonctions. Ces émetteurs-récepteurs multiports présentent plusieurs avantages attrayants par rapport aux topologies conventionnelles basées sur des mélangeurs, tels qu'une faible consommation d'énergie pour l'opération de détection, une capacité à large bande facilement réalisable et une robustesse pour les variations de niveau de puissance. Cette thèse montre comment proposer et exploiter plusieurs aspects innovants des récepteurs sans fil multiports multifonctionnels pour des terminaux radio économes en énergie et reconfigurables. L'architecture de récepteur multiport de transfert d'information et de puissance sans fil simultané (SWIPT) est introduite et étudiée dans ce travail. Le concept de SWIPT est développé pour les nœuds sans fil à énergie limitée sans compromettre les caractéristiques de performance du récepteur d'informations et l'utilisation de techniques de modulation numérique. Un récepteur à six ports basé sur un diplexeur montre qu'un transfert de puissance sans fil dédié est réalisable avec un transfert d'informations sans fil simultané. Une méthode de recyclage de puissance multiport est également déployée, qui exploite les signaux harmoniques indésirables générés par les détecteurs de puissance et les brouilleurs de signal. La génération systématique d'ondes redressées dans un récepteur interférométrique à conversion directe conventionnel est fortement liée aux changements temporels et de puissance, et au nombre de sous-signaux dans la bande de fréquence d'intérêt. Cela peut entraîner la saturation du récepteur et, par conséquent, nécessiter des amplificateurs accordables auxiliaires gourmands en énergie et un convertisseur de données pour la compensation.

Abstract

The rapid and continuous evolution of new wireless technologies are always demanding and fostering the research and development of novel and innovative approaches to redefining and improving the current state-of-the-art transceiver architectures and microwave components. The energy efficiency is surely one of the fundamental limiting factors in the development of future sustainable wireless devices and systems such 5G, 6G and emerging internet-of-things (IoT). Among all the existing wireless front-end solutions developed and used so far, multiport interferometric transceiver architectures have been well recognized as a highly competitive technique for the front-end development of multifunction wireless systems. These multiport transceivers present several attractive advantages over conventional mixer-based topologies, such as low-power requirement for detection operation, easily achievable broadband capability, and robustness for power-level variations. This thesis shows how to propose and exploit several innovative aspects of multifunctional multiport wireless receivers for energy-efficient and reconfigurable radio terminals. Simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) multiport receiver architecture is introduced and studied in this work. The concept of SWIPT is developed for energy-constrained wireless nodes without compromising the information receiver performance characteristics and the use of digital modulation techniques. A diplexer-based six-port receiver shows that dedicated wireless power transfer is realizable along with simultaneous wireless information transfer. A multiport power recycling method is also deployed, which exploits the unwanted harmonic signals generated by power detectors and signal interferers. The systematic generation of rectified waves in a conventional direct-conversion interferometric receiver is highly related to temporal- and power-changes, and to the number of sub-signals in the frequency band of interest. It can cause the receiver to saturate and, thus requiring auxiliary power-hungry tunable amplifiers and a data converter for compensation. We present a heterodyne detection in a microwave interferometric receiver, the first of its kind, which separates the desired frequency signals from the rectified wave components with two output ports through a frequency offset.