Systems and Topologies for Large-Scale Transmitter and Receiver Arrays for Integrated Wireless Communication and Sensing Applications

Cette thèse de doctorat, “Systèmes et topologies pour des réseaux émetteurs et récepteurs à grande échelle pour les applications intégrées de communication et de détection sans fil”, traite des principaux défis des technologies sans fil modernes. Alors que les systèmes 5G et émergents 6G s’appuient sur de grands réseaux pour offrir des débits élevés, une couverture étendue et une intégration multifonctionnelle, leur mise en oeuvre pratique est limitée par l’inefficacité, la consommation énergétique élevée et la complexité des circuits, en particulier aux fréquences millimétriques et sub-THz. Cette recherche propose des solutions au niveau des composants et des topologies, conciliant compacité, efficacité énergétique et polyvalence, et aboutit à des conceptions adaptées aux infrastructures sans fil du futur. Pour les grands réseaux récepteurs, deux solutions complémentaires ont été développées. Premièrement, les réseaux de mélangeurs auto-oscillants (SOM) avec topologies en quadrature permettent une réception en conversion directe complète tout en conservant faible consommation et compacité. L’extension à des réseaux d’oscillateurs couplés (COA) permet un fonctionnement indépendant des éléments, une activation reconfigurable et une rotation de phase contrôlable, offrant une flexibilité et une évolutivité inédites. Deuxièmement, les récepteurs interférométriques (IFRX) ont été améliorés pour réduire l’empreinte et augmenter la plage dynamique, permettant jusqu’à 1 000× de réduction de consommation énergétique tout en atteignant des performances comparables aux systèmes hétérodynes modernes. Ces deux approches constituent des réalisations inédites pour les grands réseaux.

Abstract

This doctoral thesis, titled “Systems and Topologies for Large-Scale Transmitter and Receiver Arrays for Integrated Wireless Communication and Sensing Applications,” investigates the key limitations that hinder the realization of large-scale arrays essential for future 5G/6G and future systems. While such arrays are set to promise high data rates, extended coverage, and integrated communication–sensing functionality, their implementation is challenged by excessive power consumption, circuit complexity, and limited scalability at millimeter-wave and sub-terahertz frequencies. The work addresses these challenges by introducing new system and topology solutions that enhance efficiency, compactness, and multifunctionality. For receiver arrays, the thesis proposes two novel approaches. The first is based on quadrature self-oscillating mixer (SOM) arrays that merge mixing and oscillation in a single compact structure. New quadrature topologies enable direct-conversion reception with phase detection, while coupled-oscillator array (COA) configurations provide independent operation, reconfigurability, and controllable phase rotation, combining low power with high scalability. The second approach enhances interferometric receivers (IFRX) by employing nonlinear predistortion to reduce system footprint and boost dynamic range. This enables performance on par with contemporary heterodyne architectures, while consuming orders of magnitude less power.