Étude, modélisation et conception d'antennes à réseaux transmetteurs à faisceau fixe à 300 GHz

Study, modeling and design of fixed beam transmitarray antennas at 300 GHz

• Auteur / Autrice : Orestis Koutsos
• Direction : Ronan Sauleau, Antonio Clemente
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 28/06/2022
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : MATHSTIC
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Enrica Martini, Sérgio Matos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claire Migliaccio, Oscar Quevedo-Teruel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antennes-réseaux

Anisotropie

Systèmes de communication sans fil

Mots clés libres

Réseau transmetteur

Sub-THz

Au-Delà 5G

Anisotropie

Modélisation de circuits

Transmitarray antenna

Sub-THz

Beyond 5G

Anisotropy

Circuit modelling

Résumé

Le développement des communications sans fil à haut débit à des fréquences sub-THz est une solution prometteuse pour la croissance continue du trafic de données. À ces fréquences, le principal défi consiste à atténuer les pertes de propagation accrues en réalisant des antennes à gain élevé, efficaces et à large bande. Cependant, les contraintes de fabrication limitent souvent les performances de l'antenne, résultant ainsi en technologies coûteuses avec une résolution plus élevée. Les antennes à réseaux transmetteurs sont des candidats appropriés, combinant les avantages des architectures alimentées spatialement avec des processus de fabrication planaires. Dans cette contribution, une approche synthétique pour l'analyse et la synthèse des réseaux transmetteurs passifs (faisceaux fixes) à 300 GHz est développée. La méthode proposée permet une conception rentable, tout en ciblant les performances maximales réalisables. Différents prototypes ont été fabriqués, en utilisant un circuit imprimé standard ou un procédé de lithographie au quartz. Les résultats expérimentaux ont démontré un gain élevé, jusqu'à 43,2 dBi, une efficacité d'ouverture très élevée, jusqu'à 48,6%, et des performances à large bande, jusqu'à plus de 30% de la bande passante relative, dans différents prototypes. Une méthode numérique basée sur l'optique physique pour les futures conceptions des réseaux transmetteurs à profil bas a été développée, comme alternative au modèle d'approche de lancer de rayons.

The development of high-speed wireless communications at sub-THz frequencies is a promising solution for the continuous growth of the data traffic. At these frequencies, the main challenge is to mitigate the high propagation losses by realizing high-gain, efficient and wideband antennas. However, the fabrication constraints often limit the antenna performance, encouraging for more expensive, high-resolution technologies. Transmitarray antennas are suitable candidates, combining the advantages of spatially fed architectures with planar-based fabrication processes. In this contribution, a fast and rigorous approach for the analysis and synthesis of passive (fixed-beam) transmitarrays at 300 GHz is developed. The proposed method allows for a cost-effective design, while targeting for the maximum achievable performance. Different prototypes have been fabricated, using standard printed circuit board or quartz lithography process. The experimental results demonstrated high gain, up to 43.2 dBi, very high aperture efficiency, up to 48.6%, and wideband performance, up to more than 30% of relative bandwidth, in different prototypes. A numerical method based on physical optics for future low-profile transmitarray designs has been developed, as an alternative to the ray tracing approach model.