Conception d’une antenne intelligente 3D pour les applications 5G FWA

3D Intelligent Antenna Design for 5G FWA Applications

• Auteur / Autrice : Thi-Hong-Le Dam
• Direction : Tân-Phu Vuong
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofréquence
• Date : Soutenance le 24/02/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de microélectronique, électromagnétisme et photonique - Laboratoire d'hyperfréquences et de caractérisation (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Anne Vilcot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ke Wu, Fabien Ferrero
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Lheurette, Laure Huitema

Mots clés

Mots clés contrôlés

5G (téléphonie mobile)

Radômes

Antennes (électronique)

Mots clés libres

Surface Sélective en Fréquence

Radôme imprimé

5g

Frequency Selective Surface

Printed radome

5g

Résumé

La 5G FWA (Fixed Wireless Access) est en cours de développement pour proposer des connexions à large bande et à haut débit. Dans cette technologie, les deux grandes familles de périphériques rencontrés sont : l'unité d'accès (Access Unit - AU) et l’équipement dans les locaux du client (Customer Premise Equipment - CPE). La 5G FWA apporte de nombreux avantages tels que le haut débit, la faible latence et la flexibilité. En France, les principales bandes utilisées pour la recherche ou le déploiement de la 5G sont les fréquences déjà précédemment utilisées pour la 2G, 3G, 4G, ainsi que la bande 3.4-3.8 GHz et la bande autour de 26 GHz. Les quatre grands opérateurs en France (Bouygues Telecom, Free Mobile, Orange et SFR) se sont inscrits pour utiliser les bandes de fréquences dans la bande 3.4-3.8 GHz en 2020 et les déployer civilement. La bande 26 GHz, bien qu'inexplorée dans les télécommunications civiles, est une bande très prometteuse pour résoudre le problème de l'explosion de la consommation de données.Bien qu'il existe de nombreux avantages, la 5G FWA est confrontée au défi principal des pertes rencontrées à ces types de fréquences élevées. Celles-ci proviennent de diverses sources telles que les pertes durant le trajet de l’onde, la ligne de mire FWA non idéale, les pertes par pénétration de l’onde à travers les bâtiments et les pertes par interaction avec la végétation. De nombreuses études ont été menées pour mesurer, estimer et analyser ces différents facteurs de pertes. Elles ont été suivies par d’autres afin d’explorer les solutions qui minimiseraient ces pertes. En général, ces solutions d'amélioration peuvent être divisées en trois catégories : l'utilisation d'antennes à gain élevé, l'utilisation d'antennes orientables et l'amélioration des matériaux de construction. Cette thèse se concentre sur l'étude des deux premières solutions.Les travaux de cette thèse se consacrent notamment sur les deux solutions suivantes : antennes à gain élevé et mise en forme de faisceaux. Ils sont construits sur la base d'applications pour des appareils compacts 5G tels que des appareils mobiles ou des CPE plutôt que sur des applications à large portée telles que des antennes de station. En particulier, pour les CPE, qui sont placés à l'extérieur et à proximité de bâtiments ou de bureaux afin d’assurer la communication entre l'intérieur et l'extérieur du bâtiment, il est nécessaire d'utiliser un radôme pour protéger l’antenne et ses circuits. Ainsi, dans notre solution de mise en forme de faisceaux, nous effectuons des recherches sur une application de la technologie piézoélectrique à jet 3D pour fonctionnaliser un radôme sur lequel sont imprimés des motifs permettant une sélection spatiale des ondes. La fin de la thèse présente une étude sur l'utilisation de substrats de papier pour concevoir des composants RF (Radio Fréquences) dédiés aux applications 5G, dans une optique de développement durable et respectueux de l'environnement.

In recent years, 5G FWA (fifth generation mobile network Fixed Wireless Access) is being developed to provide broadband and high-speed connections in the context of an increasing number of devices connected wirelessly. In this technology, the two main families of peripherals encountered are: the AU (Access Unit) and the CPE (Customer Premise Equipment). 5G FWA brings many advantages such as high throughput, low latency and flexibility. In France, the main bands used for research or deployment of 5G are the frequencies already previously used for 2G, 3G, 4G, as well as the 3.4-3.8 GHz band and the band around 26 GHz. The four major operators in France (Bouygues Telecom, Free Mobile, Orange and SFR) have registered to use the frequency bands in the 3.4-3.8 GHz band in 2020 and deploy them civilly. The 26 GHz band, although unexplored in civil telecommunications, is a very promising band to solve the problem of the explosion of data consumption.Although there are many advantages, the main challenge with 5G FWA is the losses encountered at these kinds of high frequencies. These come from a variety of sources such as wave path losses, non-ideal FWA line of sight, wave penetration losses through buildings, and vegetation interaction losses. Many studies have been conducted to measure, estimate and analyze these different loss factors, then studies related to the exploration of solutions to minimize these are developed. In general, these improvement solutions can be divided into three categories: the use of high gain antennas, the use of steerable antennas and the improvement of construction materials.Our works in this thesis belong to the first and the second solution: high-gain antennas and beamforming technique. They are built on the basis of applications for 5G compact devices such as mobile devices or CPEs rather than wide range applications such as station antennas. Especially, with CPEs which are placed outdoors, near buildings or offices to support communication between inside and outside the building, it is necessary to use a radome to protect the circuits inside. Thus, in the beamforming solution, we do research on the application of 3D jetting piezoelectric technology to create a printed FSS (Frequency Selective Surface) radome allowing a spatial wave selection. And at the end of the thesis, we study the use of paper substrates to design some RF components in 5G applications, towards sustainable and environmentally friendly development.