From Multi-Port Interferometry to Virtual Transceiver Matrices: Reconfigurable Architectures for Multifunctional Millimeter-Wave Sensing and Communication Systems

L’évolution rapide des technologies sans fil dans les bandes millimétriques et térahertz a créé des besoins sans précédent pour des architectures capables d’intégrer, au sein d’une même plateforme, un système de détection haute résolution et une communication fiable. Les transceivers et réseaux phasés traditionnels, bien que performants, présentent des lim- ites intrinsèques en termes de complexité matérielle, de consommation de puissance et de faible polyvalence. Cette thèse de doctorat répond à ces défis en développant une nouvelle classe d’architectures interférométriques multiports fondées sur les concepts de la Matrice de Réception Virtuelle (VRM) et de son extension généralisée, la Matrice de Transception Virtuelle (VTM), permettant des frontaux RF reconfigurables, évolutifs et multifonctionnels pour les systèmes intégrés de détection et communication (ISAC) de prochaine génération. La première partie de ce travail introduit le cadre conceptuel de la VRM, où des cellules inter- férométriques distribuées réalisent des opérations analogiques combinatoires pour la démod- ulation directe, l’estimation d’angle d’arrivée et la détection multifonctionnelle. Contraire- ment aux récepteurs conventionnels, la VRM élimine la nécessité de chaînes de conversion complexes et de convertisseurs de données haute vitesse, en s’appuyant plutôt sur des jonc- tions multiports passives et la détection de puissance. Le concept est formulé théoriquement, validé expérimentalement et démontre une multifonctionnalité simultanée avec une réduction notable de la complexité matérielle.

Abstract

The rapid evolution of wireless technologies in the millimeter-wave and terahertz spectrum has created unprecedented demands for architectures capable of integrating high-resolution sensing and reliable communication within a unified platform. Traditional transceivers and phased arrays, although effective, face intrinsic challenges of hardware complexity, power consumption, and limited multifunctionality. This Ph.D. dissertation addresses these chal- lenges by developing a new class of multiport interferometric architectures based on the concepts of the Virtual Receiver Matrix (VRM) and its generalized extension, the Virtual Transceiver Matrix (VTM), enabling reconfigurable, scalable, and multifunctional front-ends for next-generation integrated sensing and communication (ISAC) systems. The first part of this work introduces the VRM framework, where distributed interferomet- ric cells perform combinatory analog operations for direct demodulation, direction-of-arrival estimation, and multifunctional sensing. Unlike conventional receivers, the VRM avoids complex down-conversion chains and high-speed data converters, relying instead on passive multiport junctions and power detection. The concept is theoretically formulated, exper- imentally validated, and shown to achieve simultaneous multi-functionality with reduced hardware complexity.