Innovative Multiport Interferometric Receiver Architectures for Multichannel and Multifunction Millimeter-Wave and Terahertz Systems and Application

Avec le développement rapide de diverses applications, telles que les appareils intelligents, l'intelligence artificielle, l'Internet des objets, la cartographie environnementale en 3D, les médias 3D et les véhicules autonomes, le besoin de débits de données ultra-élevés et de communications de haute qualité non compressées est devenu essentiel. Ces applications nécessitent une faible latence, une haute fiabilité et une synchronisation précise, ce qui motive le besoin de solutions de communication avancées. Pour répondre à ces exigences évolutives, une réévaluation fondamentale des principes traditionnels de communication sans fil est nécessaire, entraînant une nouvelle recherche et une innovation technologique. En réponse, les technologies sans fil de prochaine génération évoluent vers des architectures hautement intégrées, multifonctionnelles, multimodes et multicanaux. Une solution prometteuse pour relever ces défis est l'adoption des architectures interférométriques multiport, qui ont gagné en reconnaissance en tant que technique compétitive et efficace pour le développement des front-ends. Ces architectures offrent des avantages significatifs par rapport aux systèmes traditionnels basés sur des mélangeurs, tels que les architectures hétérodyne et homodyne, en raison de leur simplicité, de leurs capacités à large bande, de leur rentabilité, de leur adéquation aux fréquences millimétriques (mmW) et térahertz (THz), et de leur faible consommation d'énergie. Dans ce contexte, cette thèse vise à développer des récepteurs interférométriques multiport innovants pour les systèmes de communication sans fil mmW et THz. Ce travail commence par une investigation approfondie du développement des récepteurs interférométriques, retraçant leur évolution et les avancées technologiques qui ont façonné leur conception. Une comparaison détaillée des performances entre les front-ends traditionnels basés sur des mélangeurs et les front-ends interférométriques multiport est fournie, offrant une compréhension complète des mécanismes opérationnels sous-jacents, ainsi que des compromis en termes de performance, de complexité et de coût. De plus, diverses architectures interférométriques sont examinées, mettant en évidence leurs principales caractéristiques, considérations de conception et avantages distincts, tels qu'une plage dynamique améliorée, une consommation d'énergie réduite et une sensibilité accrue. Les applications pratiques de ces architectures sont ensuite présentées et discutées, en se concentrant sur leurs applications dans des domaines tels que les communications sans fil, les systèmes radar et les technologies de détection. Ces discussions inspirent le développement d'architectures interférométriques innovantes, visant à repousser les limites des capacités actuelles et à répondre aux exigences croissantes des systèmes futurs.

Abstract

With the rapid development of diverse applications, including smart devices, artificial intelligence, the Internet of Things, three dimensional (3D) environmental mapping, 3D media, and autonomous vehicles, the need for ultra-high data rates and uncompressed, high-quality communications has become essential. These applications require low latency, high reliability, and precise synchronization, driving the need for advanced communication solutions. To meet these evolving requirements, a fundamental reassessment of traditional wireless communication principles is necessary, prompting renewed research and technological innovation. In response, next-generation wireless technologies are advancing toward highly integrated, multifunctional, multimode, and multichannel architectures. One promising solution to address these challenges is the adoption of multiport interferometric architectures, which have gained recognition as a competitive and efficient technique for front-end development. These architectures offer significant advantages over traditional mixer-based systems such as heterodyne and homodyne architectures, due to their simplicity, broadband capabilities, cost-effectiveness, suitability for millimeter-wave (mmW) and terahertz (THz) frequencies, and low power consumption. Against this backdrop, this thesis aims to develop innovative multiport interferometric receivers for emerging and future mmW and THz wireless communication systems. This thesis begins with an in-depth investigation of the development of interferometric receivers, tracing their evolution and the technological advances that have shaped their design. A detailed performance comparison between traditional mixer-based front-ends and multiport interferometric front-ends is provided, offering a comprehensive understanding of the underlying operational mechanisms, as well as the trade-offs in terms of performance, complexity, and cost. Furthermore, various interferometric architectures are reviewed, emphasizing their key features, design considerations, and distinct advantages, such as improved dynamic range, reduced power consumption, and enhanced sensitivity. The practical applications of these architectures are then presented and discussed, focusing on their applications in areas like wireless communications, radar systems, and sensing technologies. These discussions inspire the development of innovative interferometric architectures, aiming to push the boundaries of current capabilities and meet the growing demands of future systems.