Mise en œuvre de structure FSS pour la conception de filtre et de duplexeur en ondes millimétriques (80GHz) et pour le découplage du réseau d’antennes SATCOM

Implementation of FSS structure for the millimeter wave filter and diplexer design and the SATCOM antenna array decoupling

• Auteur / Autrice : Tao Zhang
• Direction : Habiba Ouslimani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Paris 10
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Connaissance, langage, modélisation (Nanterre, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Vigneras
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Odile Picon, Smaïl Tedjini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métamatériaux

Filtres électriques passifs

Découplage (mathématiques)

Résumé

Un des challenges dans la conception des circuits électroniques et des structures en hyperfréquence est la miniaturisation. Afin d'avoir une meilleure intégration dans les systèmes de communications et d’avoir une meilleure performance, des circuits ou des structures à très bas profil sont nécessaires. Le coût de fabrication est aussi un facteur important. Depuis les années récentes, les matériaux composites (métamatériaux) sont largement étudiés dans la conception des circuits électroniques et les structures en hyperfréquence pour l’objet de réduire leurs dimensions et de diminuer leurs coûts de fabrication. Par exemple, les fabricants des avions ont intérêt d’améliorer leurs systèmes de communication avionique en intégrant les métamatériaux. Les fournisseurs de télécommunications ont l’intention de révolutionner leurs produits en utilisant mes métamatériaux. Depuis les années 1960s, les surfaces sélectives en fréquence (FSS) ont été étudiées pour la conception des filtres et des radômes dans le domaine de RF et micro-ondes. Actuellement, elles sont aussi utilisées pour constituer les surfaces à haute impédance (HIS) et les structures à bande interdite (EEG) etc. Dans le domaine de télécommunication, la communication de point à point à très haut débit (Gigabit rate) s’étend en bande E (ondes millimétriques). Le développement des dispositifs dans cette gamme de fréquence a besoin d’une précision spécifique et d’une compacité importante. Dans cette étude, nous proposons une méthode de conception de filtre et de duplexeur utilisant les FSS. Des filtres FSS et un FSS duplexeur WRl2 (bande E) ont été conçus. Ces filtres et ce duplexeur peut servir à concevoir un système performant et ultra-compact pour le système de communication de point à point de la prochaine génération (Gigabit rate radio link). Une isolation de 80 dB a été réalisée entre les deux canaux du duplexeur. Un autre enjeu est la miniaturisation du système de communication avion/satellite. Les réseaux d'antenne SATCOM actuelles présentent toute une protubérance importante par rapport à la paroi de l’avion. Un réseau d'antenne plate et compacte est idéal pour intégrer sur le fuselage de |‘avion. Due à la surface limitée du fuselage, l’interférence entre l'antenne d’émission et l’antenne de réception devient importante. Le découplage entre les réseaux d’antennes SATCOM est donc devenu un sujet considérable dans la conception de réseaux d‘antenne. Dans cette étude, nous proposons d'utiliser les FSS pour élaborer un réseau d’antenne SATCOM compact, et ainsi que pour le découpage entre les réseaux d’antennes SATCOM (bande Ku). Un réseau d’antenne ultra-thin a été conçu utilisant les FSS comme plan de masse afin d’intégrer sur le fuselage de l'avion. Une étude de découplage entre réseaux d’antennes a été aussi effectuée, a donné un résultat remarquable.

One of the challenges in the design of electronic circuits and microwave structures is miniaturization. In order to have a better integration in communication systems and to have a better performance, very low profile circuits and microwave structures are needed. The manufacturing cost is also an important factor. Since recent years, composite materials (Metamaterial) are widely studied for the design electronic circuits and microwave structures for the purpose of reducing their size and their manufacturing costs. For example, aircraft manufacturers are interested in improving their avionic communication systems by integrating metamaterials. Telecommunication equipment providers have intentions to revolutionize their products using Metamaterials. Since the l960s, the frequency selective surfaces (FSS) were studied for the design of the filters and radomes etc. In the field of RF and microwave. Currently, they are also used to design the high impedance surfaces (HIS) and electromagnetic Bandgap structures (ESG) etc. Ln the field of telecommunications, ultra high speed point to point communication system (Gigabit rate) extends to E-band frequency range (millimeter wave). The development of devices in this frequency range needs a specific precision and very high compactness. Ln this study, we propose a FSS filter and duplexer design method. The FSS filters and FSS duplexer WR12 (band E) were designed and measured. These filters and duplexer can be used to develop an efficient and ultra compact communication system for the next generation point to point communication system (Gigabit rate radio link). An isolation of 80 dB was achieved between the two channels of the diplexer. Another issue is the miniaturization of aircraft / satellite communication system. The current SATCOM antenna arrays exhibit substantial protrusion on the aircraft. A flat, compact antenna system is ideal for the integration on the aircraft fuselage. Due to the limited surface of aircraft body, the interference between the transmitting antenna and the receiving antenna becomes larger. The decoupling between the SATCOM antenna arrays has become a major issue in the design of antenna arrays. In this study, we propose the use of FSS structure to design a compact SATCOM antenna array, as well as the decoupling between SATCOM antenna arrays (Ku band). An ultra -thin antenna array was designed using the FSS ground plane for integrating on the aircraft fuselage. A study of decoupling of antenna arrays has been carried out, and gave a remarkable result.