Analysis and design of SIW pillbox antennas and tensor transmission line-based beam-forming networks

• Auteur / Autrice : Erio Gandini
• Direction : Ronan Sauleau, Mauro Ettorre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement du signal et télécommunications
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antennes (électronique)

Résumé

De nombreuses applications telles que les réseaux locaux ou les systèmes satellitaires et de surveillance nécessitent de larges angles de couverture. Ces travaux de thèse concernent la conception d'antennes multifaisceaux ou à dépointage de faisceau et leurs réseaux à formation de faisceau associés. La première partie du manuscrit décrit une antenne de type pillbox réalisée en technologie SIW (substrate integrated waveguide). La transition quasi-optique est constituée d'un réflecteur parabolique SIW et de plusieurs fentes servant de coupleur quasi-optique entre les deux couches où sont situées les sources primaires et la partie rayonnante. Cette dernière est un réseau de guides à fentes SIW. L'antenne est alimentée par un cornet SIW qui se déplace dans le plan focal de la parabole, conduisant ainsi à un dépointage mécanique du faisceau. Une configuration alternative de source primaire est également proposée en vue d'une utilisation dans un système à commutation électronique de faisceau. Il s'agit d'une source de Fabry-Perot à ondes de fuite en technologie SIW. Cette solution permet de réduire le couplage entre sources. La seconde partie du manuscrit introduit une cellule unitaire à composants localisés pour la conception de réseaux à formation de faisceau de type circuit. Cette cellule peut être utilisée comme coupleurs directionnels dont les amplitudes et phases de sortie sont arbitraires ou comme croisement avec phases de sortie arbitraires. Une matrice de Butler 4×4 a été conçue en utilisant uniquement la cellule unitaire proposée. Les croisements à composants localisés permettent de réduire la complexité de la matrice et d'incorporer les déphaseurs nécessaires.

Multi-beam and beam-scanning antennas are crucial to modern communication systems. Many applications, such as local area networks, satellite and surveillance systems require wide angle coverage. This thesis deals with the design of multi-beam and beam-scanning antennas and the associated beam-forming networks. It is divided in two parts. The first part describes a SIW (substrate integrated waveguide) dual-layer pillbox antenna. The quasi-optical transition is made of an SIW parabolic reflector and several coupling slots between the two substrates hosting the input and radiating parts. The radiating part is a SIW slotted-waveguide array. The input part is a SIW horn moved along a straight line in the focal plane to obtain the beam scanning. An alternative feed is also proposed and applied to an electronic beam-switching system. The latter is a Fabry-Perot SIW leaky-wave feed. It permits to reduce the mutual coupling between closed-spaced probe-like sources. The second part of the thesis introduces a lumped-element unit cell for designing compact circuit-based beam-forming networks. The unit cell can behave as a directional coupler with both arbitrary output amplitudes and phases, as well as a crossover with arbitrary output phases. A 4×4 Butler matrix is implemented using only the proposed network topology. The lumped-element crossovers reduce the complexity of the Butler matrix. They permit to avoid crossed paths and incorporate the phase shifters needed in classical designs. A twenty-five times size reduction is achieved with respect to classical designs.