antennes intégrées haute directivité aux fréquences millimétriques et térahertz

high directivity integrated antennas in millimeter and terahertz frequencies

• Auteur / Autrice : Kossaila Medrar
• Direction : Laurent Dussopt, Loïc Marnat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofréquence
• Date : Soutenance le 28/10/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Tân-Phu Vuong
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Petit
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Claire Migliaccio, Ronan Sauleau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Communication ultra large bande

Antennes-réseaux

Dispositifs à ondes millimétriques

Systèmes de communication sans fil

Mots clés libres

Antennes directives

Antennes intégrées

Fréquences millimétriques

Fréquences terahertz

Directive antennas

Integrated antennas

Millimeter-Wave

Terahertz

Résumé

L’émergence de plusieurs applications dans la gamme des fréquences millimétriques, telles que les communications point à point à très haut débit, les réseaux 5G et 6G, la télévision à haute définition, les radars automobiles et l’imagerie, ont encouragé la recherche sur les solutions d’antennes à fort gain, et plus particulièrement, les antennes intégrées, compactes, économiques et efficaces.Dans ce contexte, ces travaux de thèse présentent une nouvelle architecture d’antenne composée d’un réseau transmetteur et d’une source focale, tous deux imprimés sur un empilement unique de circuits imprimés. Cette architecture permet la réalisation d’un module front-end millimétrique, fort gain, monolithique et efficace. Elle est compatible avec les technologies de circuits imprimés faibles coûts utilisées pour la production de masse et permet de s’affranchir de contraintes techniques et de coût liées à l’assemblage de l’antenne.Les travaux de thèse sont divisés en trois grandes parties. La première est consacrée à la définition de l’architecture proposée, sa modélisation sous forme analytique et l’analyse des performances typiques.La deuxième partie porte sur la validation expérimentale de l’architecture d’antenne et de son modèle. Pour ce faire, quatre prototypes en bande V (60 GHz) ont été développés et caractérisés expérimentalement. Ces prototypes ont pour dimensions 40×40×13,2 mm3 et sont conçus avec des polarisations et des niveaux de quantification de phase différents. Les mesures ont démontré des gains allant de 17,8 à 22,1 dBi à 60 GHz, des efficacités d’ouverture allant de 15 à 35% et des bandes passantes à -3 dB allant de 14 à 18%. Les résultats obtenus ont permis d’envisager positivement l’adaptation de cette architecture d’antenne aux bandes millimétriques supérieures.La troisième partie est consacrée au développement d’antennes à réseau transmetteur intégré sur substrat diélectrique et fonctionnant dans les bandes D (140 GHz) et H (300 GHz). Pour cela, des cellules élémentaires composées d’un résonateur et de deux grilles polarisantes formant une cavité de Fabry-Perot ont été développées. Elles ont démontré d’excellentes performances à la fois en bande D et en bande H, et ce en termes de bande passante (environ 50% de bande à -1 dB pour la plupart des cellules), de pertes d’insertion (0,5 dB en moyenne) et de quantification de phase (3 bits). Elles ont également démontré une robustesse face aux dispersions de fabrication liées au substrat et à la gravure. A partir de ces cellules, des prototypes ont été conçus, fabriqués et caractérisés expérimentalement. Ils sont fabriqués sur un seul empilement PCB bas coût à cinq couches métalliques et de dimensions 20×20×4,52 mm3. En bande D, un gain d’environ 20 dBi, une efficacité d’ouverture proche 29% et une bande passante à -3 dB supérieure à 17,4% ont été mesurés. En bande H, des prototypes de tailles différentes, ont démontré en mesure, des gains allant de 20,5 à 23,1 dBi, des efficacités d’ouverture allant de 12 à 17,6% et des bandes passantes à -3 dB allant de 17 à 26,3%.Les résultats obtenus ont permis de valider l’architecture monolithique de l’antenne proposée et de démontrer son intérêt dans la conception de modules front-end millimétriques ou submillimétriques fortement intégrés, compacts, efficaces, présentant un fort gain d’antenne (>20 dBi) et fonctionnant sur une large bande passante. De plus, elle est compatible avec les technologies de fabrication bas coût et la production de masse. Ces conclusions démontrent que cette topologie d’antenne représente une solution intéressante et prometteuse pour les applications de communications sans fils à très hautes fréquences et à très haut débit.

The emergence of multiple applications in the millimeter-wave frequency range, such as very high speed point-to-point communications, 5G and 6G networks, high-definition television, automotive radars and imaging, has encouraged research on high-gain antenna solutions, and more specifically, compact, low-cost and efficient integrated antennas.In this context, this PhD thesis presents a new antenna architecture composed of a transmitarray and a focal source, both printed on a single substrate stack. This architecture allows the implementation of a high gain, monolithic and efficient millimeter-wave front-end module. It is compatible with low-cost printed-circuit-board (PCB) technologies used for mass production, and overcomes technical and cost constraints related to the antenna assembly.This PhD thesis is organized in three main parts. The first one defines the proposed architecture and presents an analytical model of the antenna and the analysis of its typical performances.The second part focuses on the experimental validation of the antenna architecture and its model. Therefore, four V band prototypes (60 GHz) have been developed and characterized experimentally. These prototypes have a volume of 40×40×13.2 mm3 and are designed with different polarizations and phase quantization levels. The experimental gain levels range from 17.8 to 22.1 dBi at 60 GHz with aperture efficiencies of 15‒35% and 3 dB bandwidths of 14‒18%. These promising results allowed us to consider the adaptation of this architecture toward higher millimeter-wave bands.The third part investigates the development of substrate-integrated transmitarray antennas operating in D band (140 GHz) and H band (300 GHz). To this purpose, Fabry-Perot cavity-like unit-cells composed of a resonator and two polarizing grids have been designed. They showed excellent performances in terms of bandwidth (around 50% of -1 dB bandwidth for most unit-cells), insertion losses (0.5 dB on average) and phase quantization (3 bits) in both D band and H band. They also showed high performance stability regarding manufacturing process tolerances such as substrate characteristics variations and etching errors. Using these unit-cells, antenna prototypes of 20×20×4.52 mm3 dimensions have been designed, fabricated and characterized experimentally. They have been manufactured on a single low-cost PCB stack with five metal layers. In D band, a gain of about 20 dBi, an aperture efficiency close to 29% and a -3 dB bandwidth greater than 17.4% have been measured. In H band, prototypes of different sizes have been demonstrated experimentally with gain levels ranging from 20.5 to 23.1 dBi, aperture efficiencies of 12‒17.6% and 3 dB bandwidths of 17‒26.3%.These results validate the proposed monolithic antenna architecture and demonstrate its interest in the design of highly integrated, high gain (> 20 dBi), wideband, compact and efficient millimeter- and submillimeter-wave front-end modules. They also show its compatibility with low-cost manufacturing technologies used for mass production. These conclusions demonstrate that this antenna topology represents an attractive and promising solution for very high frequency applications and in particular very high data-rate wireless communications systems.