Développement de nouveaux composants passifs multicouches et l'implémentation d'une matrice de Butler large-bande et compacte en technologie GIS

On the development of novel multi-layer passive components and the implementation of compact wideband two-layer 4x4 Butler matrix in SIW technology

• Auteur / Autrice : Ahmed Ali Mohamed Ali Sayed Ahmed
• Direction : Hervé Aubert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro-ondes, Electromagnétisme et Optoélectronique
• Date : Soutenance le 04/05/2010
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Aubert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Roberto Sorrentino, Thierry Monédière, Ke Wu

Mots clés

Mots clés libres

Matrices de formations de faisceaux

Matrice de Butler

Matrice de Nolen

Multicouches

Transitions

Déphaseurs

Guide Intégré au Substrat (GIS)

Coupleur

Large bande

Multi-layer

SIW technology

Passive components

Couplers

Phase Shifters

Multi-Beam Antennas

Wideband Beam Steering

Beam-Forming Networks

Butler Matrix

Substrate Integrated Waveguide (SIW)

Résumé

Les systèmes de communications sans fils actuels imposent des contraintes très sévères en termes de la capacité du canal, la qualité de transmission tout en gardant les niveaux d'interférences et multi-trajets assez faibles. De telles contraintes ont rendu les antennes multifaisceaux un élément essentiel dans ces systèmes. Parmi les techniques permettant de réaliser une antenne multifaisceaux (sans avoir recours aux systèmes à balayages électroniques), un réseau d'antennes élémentaires est associé à un réseau d'alimentation (une matrice) à formation de faisceau (Beam Forming Network-BFN). Parmi les différents types de ces matrices, la matrice de Butler a reçu une attention particulière. Ceci est dû au fait qu'elle est théoriquement sans pertes et qu'elle emploie un nombre minimum de composants (coupleurs et déphaseurs) afin de générer l'ensemble de faisceaux orthogonaux demandé (avec l'hypothèse que le nombre de faisceau est une puissance de 2). Néanmoins, la matrice de Butler a un problème de conception majeur. Ce problème réside dans la structure de la matrice qui renferme des croisements ce qui a été adressé par différents travaux de recherches dans la littérature. Les Guide Intégré au Substrat (GIS) offrent des caractéristiques intéressantes pour la conception des composants microondes et millimétriques faciles à intégrer sur un même support avec d'autres composants planaires. Les composants à base de GIS combinent les avantages des guides d'ondes rectangulaires, comme leur grand facteur de qualité Q, leurs faibles pertes tout en étant compatible avec les technologies à faibles coûts comme le PCB et le LTCC. Vus ses caractéristiques attrayants, la technologie GIS devient un bon candidat pour la réalisation des matrices multifaisceaux faciles à intégrer avec d'autres systèmes en technologies planaires ou à base de guide GIS. Dans cette thèse, de nouveaux composants passifs sont développés en exploitant la technologie GIS en multicouches en vue de la réalisation d'une matrice de Butler 4x4 compacte et large bande. Les composants recherchés sont donc des coupleurs et des déphaseurs ayant des performances large bande en termes des amplitudes des coefficients de transmissions et les phases associés tout en gardant de faibles niveaux de pertes et de bonnes isolations. Différentes techniques pour l'implémentation de déphaseurs large bande en technologie GIS sont présentés. Une nouvelle structure à base d'une propagation composite : main gauche main droite (Composite Right/Left- Handed, CRLH) dans un guide d'onde est proposée. La structure consiste d'un guide d'onde monocouche ayant des fenêtres inductives et des fentes transversales à réactances capacitives pour synthétiser l'inductance parallèle et la capacité série main gauche, respectivement. La structure est adaptée pour les réalisations de déphaseurs compacts en technologie GIS. Bien que les pertes d'insertions restent dans le même ordre de grandeur de celles des structures CRLH à base d'éléments non-localisés, ces niveaux de pertes restent relativement grands par rapport aux applications nécessitant plusieurs déphaseurs. Les déphaseurs à bases de GIS ayant des longueurs égales et des largeurs variables sont ensuite abordés. Ce type de déphaseur est effectivement très adapté à la technologie GIS qui permet des réalisations de parcours avec différentes formes (parcours droits, courbés, coudés, ...) tout en assurant des différences de phase large bande. Afin de satisfaire de faibles pertes d'insertions pour une large dynamique de phase, la longueur de ces déphaseurs est en compromis avec les variations progressives des différentes largeurs associées aux valeurs de déphasages requises. Une transition large bande, double couche et à faible perte est ainsi proposée.

Multibeam antennas have become a key element in nowadays wireless communication systems where increased channel capacity, improved transmission quality with minimum interference and multipath phenomena are severe design constraints. These antennas are classified in two main categories namely adaptive smart antennas and switched-beam antennas. Switched-beam antennas consist of an elementary antenna array connected to a Multiple Beam Forming Network (M-BFN). Among the different M-BFNs, the Butler matrix has received particular attention as it is theoretically lossless and employs the minimum number of components to generate a given set of orthogonal beams (provided that the number of beams is a power of 2). However, the Butler matrix has a main design problem which is the presence of path crossings that has been previously addressed in different research works. Substrate Integrated Waveguide (SIW) features interesting characteristics for the design of microwave and millimetre-wave integrated circuits. SIW based components combine the advantages of the rectangular waveguide, such as the high Q factor (low insertion loss) and high power capability while being compatible with low-cost PCB and LTCC technologies. Owing to its attractive features, the use of SIW technology appears as a good candidate for the implementation of BFNs. The resulting structure is therefore suitable for both waveguide-like and planar structures. In this thesis, different novel passive components (couplers and phase shifters) have been developed exploring the multi-layer SIW technology towards the implementation of a two-layer compact 4×4 Butler matrix offering wideband performances for both transmission magnitudes and phases with good isolation and input reflection characteristics. Different techniques for the implementation of wideband fixed phase shifters in SIW technology are presented. First, a novel waveguide-based CRLH structure is proposed. The structure is based on a single-layer waveguide with shunt inductive windows (irises) and series transverse capacitive slots, suitable for SIW implementations for compact phase shifters. The structure suffers relatively large insertion loss which remains however within the typical range of non-lumped elements based CRLH implementations. Second, the well-known equal length, unequal width SIW phase shifters is discussed. These phase shifters are very adapted for SIW implementations as they fully exploit the flexibility of the SIW technology in different path shapes while offering wideband phase characteristics. To satisfy good return loss characteristics with this type of phase shifters, the length has to be compromised with respect to the progressive width variations associated with the required phase shift values. A twolayer, wideband low-loss SIW transition is then proposed. The transition is analyzed using its equivalent circuit model bringing a deeper understanding of its transmission characteristics for both amplitude and phase providing therefore the basic guidelines for electromagnetic optimization. Based on its equivalent circuit model, the transition can be optimized within the well equal-length SIW phase shifters in order to compensate its additional phase shift within the frequency band of interest. This twolayer wideband phase shifter scheme has been adopted in the final developed matrix architecture.This transition is then exploited to develop a three-layer, multiply-folded waveguide structure as a good candidate for compensated-length, variable width, low-loss, compact wideband phase shifters in SIW technology. Novel two-layer SIW couplers are also addressed. For BFNs applications, an original structure for a two-layer 90° broadband coupler is developed. The proposed coupler consists of two parallel waveguides coupled together by means of two parallel inclined-offset resonant slots in their common broad wall.