Réinventer les systèmes RF pour l'ère post-5G : vers une convergence harmonique entre communication, détection et transfert de puissance

À l’ère post-5G, les systèmes sans fil sont appelés à dépasser leur fonction classique de transmission de données pour intégrer simultanément des capacités de détection, de communication et de transfert d’énergie. Cette convergence fonctionnelle représente une rupture de paradigme dans la conception des architectures radiofréquences, historiquement pensées comme des blocs dédiés, indépendants et spécialisés. L’objet de cette thèse est de démontrer qu’il est possible de concevoir des transcepteurs radiofréquences multifonctionnels, à la fois compacts, efficaces et capables de supporter plusieurs fonctions simultanément sur des ressources partagées, notamment harmoniques. Pour répondre à cet objectif, la thèse s’appuie sur trois ensembles de contributions majeures. Premièrement, elle exploite les propriétés non-linéaires de diodes pour générer des harmoniques larges bandes, permettant la création de canaux fréquentiels multiples à partir d’un seul signal fondamental. Deuxièmement, elle introduit une méthode de fusion de sous-bandes non contiguës, qui améliore significativement la résolution radar tout en s’adaptant à la fragmentation du spectre. Troisièmement, elle propose l’architecture d’un récepteur interférométrique multi-bande capable de démoduler des signaux de communication et de détecter simultanément des signaux radar sur plusieurs bandes harmoniques, jusqu’à la septième dans ce travail. L’ensemble de ces contributions sont validées par des démonstrations théoriques et expérimentales, incluant des prototypes de radars non-linéaires multifréquentiels, ainsi qu’un système de surveillance biomédicale en temps réel combinant détection des signes vitaux et communication bidirectionnelle, entre autres. L’enjeu principal de cette démonstration est de proposer une voie crédible vers l’unification fonctionnelle des systèmes radiofréquences de demain, adaptée aux contraintes de miniaturisation, de sobriété énergétique et de congestion spectrale. Ces résultats prometteurs ouvrent la voie à de nouvelles générations de dispositifs sans fil intelligents pour les villes connectées, la santé numérique, les systèmes embarqués et les applications spatiales.

Abstract

In the post-5G era, wireless systems are evolving beyond mere data transmission to incorporate simultaneous sensing, communication, and energy transfer capabilities. This functional convergence marks a paradigm shift in radiofrequency system design, traditionally centered on dedicated, isolated subsystems. This thesis aims to demonstrate that it is possible to design compact, efficient, and truly multifunctional radiofrequency transceivers capable of operating several functions simultaneously over shared hardware resources and spectrum, in particular the harmonics. The research is structured around three core parts of contributions. First, it leverages the nonlinear properties of diodes to generate wideband harmonics, enabling the synthesis of multiple frequency bands from a single input chirp. Second, it introduces a non-contiguous sub-band fusion technique, which enhances radar resolution while efficiently adapting to fragmented spectrum conditions. Third, the work presents a multiband interferometric receiver architecture that can concurrently demodulate communication signals and perform radar sensing using up to the seventh harmonic band in this work. All of these contributions are validated through analytical modeling, simulation, and experimental prototyping—including a nonlinear radar sensing setup and a real-time biomedical monitoring system that combines vital sign detection with bidirectional wireless communication, among others. The overarching challenge addressed by this work is the unification of radiofrequency functions into a single, intelligent, and spectrally efficient platform, aligned with the demands of future wireless systems in terms of integration, power efficiency, and performance. The proposed approaches pave the way for next-generation multifunctional wireless devices tailored for smart cities, digital health, embedded applications and spatial systems.