Conception d’une antenne focalisante à dépointage électronique fonctionnant dans la bande des 60 GHz

Focusing antennas and associated technology in millimeter waves and sub-millimeter waves

• Auteur / Autrice : Jonathan Bor
• Direction : Olivier Lafond, Mohamed Himdi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement du signal et télécommunications
• Date : Soutenance le 14/11/2014
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : PRES : Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés monolithiques hyperfréquence

Rayonnement terahertz

Ondes millimétriques

Antennes à lentille

Mots clés libres

Mousse

Gradient d’indice

Lentille de Luneburg

Millimétrique

Submillimétrique

Source intégrée

Mmic

Foam

Index gradient

Luneburg lens

Millimeter

Sub-Millimeter

Integrated source

Mmic

Résumé

Avec la multiplication des transmissions sans fil et l'augmentation de la taille des données à transférer, il est devenu primordial d’augmenter le débit et donc de monter en fréquence. C'est pour cela que la bande des 60 GHz (57-66 GHz) a été allouée mondialement. A cause de la forte atténuation et de la coupure éventuelle du lien émission/réception du fait de la présence humaine, les antennes à 60 GHz doivent être très souvent reconfigurables. C’est dans cette optique que Canon Research Center France et l’IETR se sont associés pour mener à bien ce travail de thèse. Un nouveau procédé de fabrication de matériau à gradient d’indice a été développé. Le fait de presser un échantillon de matériau composite contenant de l’air permet d’augmenter sa masse volumique et donc sa constante diélectrique. Cette dernière est donc contrôlable par simple pression à une température optimisée. Grâce à ce procédé, divers antennes et composants à gradient d’indice ont été réalisés. L’étude s’est principalement focalisée sur la lentille de Luneburg, qui présente une loi d’indice radiale et qui possède une infinité de points focaux autour de la lentille. Cette lentille a été réalisée avec une variation d’indice progressive et est alimentée tout d’abord par un guide d’onde ouvert. L’étude s’est ensuite focalisée sur la conception de sources intégrées afin de pouvoir les positionner côte à côte et permettre d’obtenir le dépointage du faisceau. Pour ce faire, l’utilisation de guides diélectriques intégrés rayonnant (RSIW) a été étudiée. Deux sources passives sont conçues avec respectivement une transition ligne/fente/guide et une transition avec plongeur dans le guide rayonnant. Par la suite, une troisième source a été conçue utilisant un substrat unique avec une transition ligne coplanaire/plongeur/guide afin de simplifier la technologie de réalisation. Enfin, deux prototypes actifs ont été conçus afin de faire une communication complète à 60 GHz. Des puces réceptrices intégrées de chez Hittite ont été utilisées afin d’alimenter les sources rayonnantes qui illuminent la lentille de Luneburg. L’objectif in fine était d’obtenir trois faisceaux dirigés dans des directions distinctes. Enfin, une première contribution à l’étude d’antennes en bande submillimétrique est effectuée avec la réalisation d’un cornet, d’une antenne à polarisation circulaire et d’une antenne de focalisation en champ proche.

With the increase of wireless communications and the required bite rate of data, it needs to increase the working frequency up to the millimeter wave range. For that purpose, the 60 GHz bandwidth (57-66GHz) has been unlicensed all over the world. Because of the loss and possible non-line-of-sight communication, the antennas should have beam scanning properties. Therefore, the Canon Research Center France and the IETR have run a study (PhD) to fulfill this project. A new technological process has been developed in order to manufacture inhomogeneous materials. By pressing a composite foam material sample, it will expel the air from the sample and so, increase its density and its relative permittivity. Using this process, several antennas and components have been manufactured. A particular focus has been done on the Luneburg lens antenna. This one has a radial index law and has infinity of focal points around the lens. This lens has been manufactured with a smooth gradient index law and first fed by an open-ended waveguide to validate the technological process. Secondly, integrated sources have been studied in order to place them side by side and to allow scanning the main beam direction. Thus, the use of Radiating Substrate Integrated Waveguide (RSIW) appears to be the solution. Two passives sources have been realized. The first one is a RSIW fed by a coupling slot from a microstrip line and the second one is a RSIW fed by a coaxial probe from a first thin SIW. A thirdly RSIW has been studied fed by a coplanar line and a coaxial probe and to simplify the manufacturing. Finally, two active antennas prototypes have been realized to perform a complete communication at 60 GHz. Complete integrated chips from the Hittite company have been used to feed the RSIW which illuminate the Luneburg lens. The objective was to implement a beam scanning antennas with three distinct beam directions. Lastly, a preliminary contribution to the sub-millimeter antennas has been performed with the manufacturing of a horn, a circular polarization antenna and a near-field focusing antenna.