Apport de l’effet d'ondes lentes pour la miniaturisation d'antennes et pour des applications de capteurs d’humidité

Contribution of the slow-wave effect for antennas miniaturization and humidity sensor applications

• Auteur / Autrice : Anh Tu Ho
• Direction : Emmanuel Pistono, Philippe Ferrari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 05/07/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de microélectronique, électromagnétisme et photonique - Laboratoire d'hyperfréquences et de caractérisation (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Dominique Baillargeat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Laure Perrier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Didier Vincent, Fabien Ferrero

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs (technologie)

Humidité -- Mesure

Guides d'ondes optiques

Antennes miniatures

Mots clés libres

Capteur d'humidité

Guide d'onde à onde lente

Antenne SIW à onde lent

Humidity sensor

Slow-Wave Waveguide

Slow-Wave SIW antenna

Résumé

La technologie des guides d'ondes intégrés (SIW) est connue depuis la fin du vingtième siècle, suscitant l'attention des chercheurs et du monde industriel en raison des faibles pertes d’insertion, de leur tenue en puissance, de leur immunité électromagnétique et de leur faible coût de fabrication. Cependant, ces guides sont encombrants, ce qui constitue un inconvenient majeur pour leur intégration dans un système RF en dessous de 15 GHz. Ainsi, des guides d'onde SIW à ondes lentes (SW-SIW) ont été proposés en 2014, permettant d’offrir une forte compacité. Dans les présents travaux, une antenne à cavité SIW utilisant la topologie à ondes lentes (SW-CBSA) a été développée. Elle permet d’obtenir un gain de 5 dBic avec une miniaturisation de 47% par rapport à une technologie SIW classique. Deux réseaux d'antennes 1x4 ont également été réalisés, les réseaux d’alimentation considérant pour l’un des lignes microruban à ondes lentes, et pour l’autre des guides SIW à ondes lentes afin d’améliorer le blindage électromagnétique. Les deux réseaux d'antennes offrent de bonnes performances avec un gain mesuré de 10.8 dBi et une réduction de taille d’environ 65% par rapport au réseau d’antennes conçu en technologie SIW classique. Ensuite, des capteurs d’humidité ont été développés en combinant l’effet d’ondes lentes à des résonateurs SIW partiellement remplis d’air (PAF-SW-SIW). Ainsi, deux capteurs ont été proposés, un résonateur et une antenne quart mode PAF-SW-SIW permettant d’obtenir des réductions de surface de 74% et 93% par rapport aux structures équivalentes réalisées en technologie SIW remplie complètement d’air (AF-SIW). Pour l’antenne PAF-SW-SIW, une sensibilité de 283 kHz/RH% a été mesurée. Les deux études présentées dans ce travail de thèse ont permis de montrer l'intérêt de la topologie à ondes lentes pour réaliser des structures compactes tout en conservant des performances intéressantes.

The substrate integrated waveguide (SIW) technology has been known at the end of the twentieth century, drawing interest from researchers and industry due to their low loss, high power handling, electromagnetic immunity and low-cost manufacturing. However, their large dimension is considered as a major drawback for their integration into a RF system below 15 GHz. To offer a high miniaturization, the slow-wave SIW (SW-SIW) technology was proposed in 2014. Hence, during this research, a novel SIW cavity-backed antenna using the slow-wave concept (SW-CBSA) was investigated, leading to a miniaturization of 47%, and a gain of 5 dBic. Two 1x4 antenna arrays were also carried out, a first one using a slow-wave microstrip-based feeding network and a second one using a SW-SIW-based one to improve electromagnetic shielding. Both antenna arrays offer good performance (with a measured gain of 10.8 dBi), and a strong size reduction (about 65%) as compared to the classical SIW-based antenna array counterpart. Then, passive microwave sensors for humidity detection were developed by combining the SW and air-filled (AF) SIW technologies. Thus, a PAF SW SIW resonator and a quarter-mode PAF-SW-SIW antenna were realized, leading to a surface miniaturization of 74% and 93%, respectively, as compared to AF-SIW. For the quarter-mode PAF-SW-SIW antenna, a measured sensitivity of 283 kHz/RH% was obtained. The two proposed research topics developed in this PhD thesis allow demonstrating the interest of slow-wave topology for size reduction while keeping interesting performance.