Développement d'antennes multi-faisceaux multicouches de la bande Ku à la bande V

On the development of multi-beam multilayer antennas from Ku to W band

• Auteur / Autrice : Karim Tekkouk
• Direction : Ronan Sauleau, Mauro Ettorre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement du signal et télécommunications
• Date : Soutenance le 03/04/2014
• 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

Antennes (électronique)

Mots clés libres

Antenne multifaisceaux

Lentille de Rotman

Architecture pillbox

Réseau phasé

Technique mono-Pulse

Matrice de Butler

Réseau de guides à fentes

Technologie SIW

Technique de «Diffusion Bounding»

Multi-Beam antenna

Rotman lens

Pillbox architecture

Phased array

Mono-Pulse technique

Butler matrix

Slotted waveguides

SIW technology

Diffusion bounding.

Résumé

Les travaux de cette thèse portent sur la conception d'antennes multi-faisceaux. Ces dernières permettent à plusieurs faisceaux de partager la même partie rayonnante et offrent la possibilité d'avoir simultanément un fort gain et une grande couverture angulaire. Pour leur fonctionnement, ces antennes se basent sur des réseaux à formation de faisceaux, qui peuvent être groupés en deux catégories : les réseaux formateurs de faisceaux de type quasi-optique et les réseaux formateurs de faisceaux de type circuit. Plusieurs structures antennaires reposant sur ces types de réseaux à formation de faisceaux sont proposés dans cette thèse : structures pillbox simples intégrant les deux variantes de la technique mono-pulse pour augmenter la résolution angulaire de l'antenne, lentilles de Rotman bicouche et multicouche, pour le cas quasi-optique ; réseaux phasés pour applications SATCOM (projet ANR) et matrice de Butler avec circuit de contrôle des niveaux de lobes secondaires pour le cas circuit. Les différents concepts ont été étudiés dans différentes bandes de fréquences : Ku, K et V. Pour des raisons de coût essentiellement, deux technologies ont été retenues : La technologie SIW (Substrate Integrated Waveguide), qui associe les avantages de la technologie des circuits imprimés et celles de la technologie guide d'ondes. Des efforts particuliers ont été faits pour l'implémentation de structures multicouches car nous arrivons à ce stade à la limite du savoir faire industriel national dans ce domaine. La technique de « Diffusion Bounding » développée au « Ando and Hirokawa lab » du TIT (Tokyo Institute of Technology) et qui consiste à assembler de fines couches métalliques sous haute température et haute pression. Cette technique permet le développement d'antennes en guides creux avec des efficacités supérieures à 80% en bande millimétrique.

This PhD thesis deals with the design of multi-beam antennas. A single radiating aperture is used to generate several beams with high gain and a large field of view. The multi beam operation is achieved by using two topologies of Beam Forming Networks (BFN): quasi optical BFN, and circuit-based BFN. For each category, several solutions have been proposed and validated experimentally. In particular, for the quasi-optical configurations, pillbox structures, mono-pulse antennas in pillbox technology, and multi-layer Rotman lenses have been considered. On the other hand, for circuit-based multi-beam antennas, two solutions have been analyzed: a phased array for SATCOM applications in the framework of a national ANR project and a Butler matrix with controlled side-lobe levels for the radiated beams within a collaboration with the Tokyo Institute of Technology, Japan. The proposed concepts and antenna solutions have been considered in different frequency bands: Ku, K and V. Two technologies have been mainly adopted for the fabrication of the various prototypes: Substrate Integrated Waveguide technology (SIW) which combines the advantages in terms of cost of the printed circuit board (PCB) fabrication process with the efficiency of classical waveguide technology. Considerable efforts have been devoted to the implementation of multilayer SIW structures to overcome and go beyond the current state of the art at national level on PCB fabrication process. Diffusion Bounding Technique, developed at “Ando and Hirokawa lab” at the Tokyo Institute of Technology, which consists of bonding laminated thin metal plates under high temperature and high pressure. This technique allows the fabrication of planar hollow waveguide structures with efficiencies up to 80% in the millimeter wave-band.