Conception et démonstration d'antennes de type réseau transmetteur à blayage électronique de faisceau pour les applications télécom à haut débit

Design and demonstration of beam-steerable Transmit Array antennas for high-speed telecom applications

• Auteur / Autrice : Alessandro De Oliveira Cabral Junior
• Direction : André Barka, Hamza Kaouach
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electromagnétisme et Systèmes Haute Fréquence
• Date : Soutenance le 28/11/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Raveu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : André Barka, Hamza Kaouach, Philippe Pouliguen, Shah Nawaz Burokur
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Raphaël Gillard, Claire Migliaccio

Mots clés

Mots clés contrôlés

5G (téléphonie mobile)

Télécommunications -- Recherche

Mots clés libres

Réseau Transmetteur

Bande Ka

Large bande

Dépointage électronique

Transmitarray

Ka Band

Wideband

Active beamsteering

Résumé

Dans le domaine des télécommunications de nouvelle génération, le développement rapide des protocoles de communication en bande millimétrique et la diversification des réseaux terrestres et non terrestres, tels que les constellations de satellites en orbite basse (LEO), sont remarquables. La transition vers ces bandes de fréquences élevées est essentielle en raison de la saturation des bandes plus basses. Cependant, les signaux à ces fréquences subissent des pertes importantes dues à la propagation et à l'absorption atmosphérique, augmentant ainsi les coûts des systèmes antennaires nécessaires pour compenser ces pertes. Un système de balayage électronique du faisceau est également requis pour réduire les interférences, en focalisant les faisceaux sur chaque utilisateur. Dans ce contexte, les antennes de type réseau transmetteur (Transmit-Array, TA) émergent comme une solution prometteuse. Contrairement aux réseaux phasés traditionnels, elles ne nécessitent pas de réseau de formation de faisceau, réduisant ainsi les pertes, la complexité de conception et les coûts. Ces antennes, également appelées ''lentilles discrètes'', se composent de cellules unitaires périodiquement disposées qui déphasent localement le champ incident pour former et balayer le faisceau mécaniquement ou bien électroniquement.Cette thèse se concentre sur le développement des TAs à faisceaux reconfigurables pour les télécommunications en bande millimétrique. En intégrant des composants actifs tels que les diodes PIN, nous démontrons la capacité du réseau à contrôler électroniquement le gradient de phase sur son ouverture, permettant ainsi la formation et le balayage 2D variable du faisceau sur une large angle d’ouverture. Par ailleurs, cette thèse vise à concevoir des cellules unitaires reconfigurables qui assurent également une conversion de polarisation linéaire vers circulaire (PL-PC) avec une large bande passante et un faible taux d’ellipticité.Dans un premier temps, nous avons proposé et validé expérimentalement deux réseaux passifs en bande X et Ka, en introduisant un concept de cellule unitaire qui réalise une conversion PL-PC à large bande et avec de faibles pertes d’insertion. Cette cellule a démontré une transmission très efficace et des performances supérieures à l'état de l'art en termes de bande passante, de gain et de taux d’ellipticité. Nous avons réalisé deux TAs : un premier en bande X comportant 20×20 cellules et un deuxième en bande Ka composé de 70×70 cellules à très fort gain et très bonne efficacité d’ouverture.Suite aux performances prometteuses du concept passif, nous avons développé une configuration active dite reconfigurable. En intégrant une paire de diodes PIN, nous avons réalisé une commutation de phase 1-bit contrôlable électroniquement. L’étude a porté sur l'implantation des composants actifs, leur modélisation, l'intégration du réseau de polarisation des diodes à la cellule unitaire, et leur contrôle pour générer une loi de phase imposée par un cahier des charges. La cellule a été développée en bande X pour valider le concept, puis en bande Ka pour démontrer la faisabilité et les performances du concept en bande millimétrique pour les applications de cinquième génération (5G). Un réseau 14×14 cellules a été fabriqué en bande X (validation du concept), tandis qu’en bande Ka un réseau 20×20 cellules a été réalisé, centré à 27.5 GHz.Nous avons mis au point un système électronique utilisant un microcontrôleur et des cartes de multiplexage pour le contrôle dynamique de la polarisation des diodes lors des mesures. Nous avons prouvé la possibilité de réaliser un balayage électronique 2D entre ±60°, avec des taux d’ellipticité inférieurs à 2 dB. Ce concept s’avère prometteur pour des applications de type SatCom, avec un potentiel pour les stations au sol communiquant avec les constellations de satellites en orbite LEO, ainsi que pour des applications radar et le « backhauling » dans les réseaux hétérogènes 5G.

In the field of next-generation telecommunications, the rapid development of millimeter-wave communication protocols and the diversification of terrestrial and non-terrestrial networks, such as low Earth orbit (LEO) satellite constellations are remarkable. The transition to these high-frequency bands is essential due to the saturation of lower frequency bands. However, signals at these frequencies experience significant losses due to propagation and atmospheric absorption, thereby increasing the costs of antenna systems needed to compensate for these losses. A beam scanning system is also required to reduce interference by focusing the beams on each user and minimizing radiation toward neighboring links.In this context, Transmit-Array (TA) antennas emerge as a promising solution. Unlike traditional phased arrays, they do not require a beam-forming network, thus reducing losses, design complexity, and costs. These antennas, also known as ''discrete lenses,'' consist of unit cells periodically arranged that locally phase-shift the incident field to form and scan the beam mechanically or electronicallyThis thesis focuses on the development of reconfigurable beam Transmit-Array antennas for millimeter-wave telecommunications. By integrating active components such as PIN diodes, we demonstrate the network's ability to control electronically the phase gradient across its aperture, thereby enabling variable beam formation and scanning over a wide-angle range. Additionally, this thesis aims to design reconfigurable unit cells that also achieve linear-to-circular polarization (LP-CP) conversion with wide bandwidth and low ellipticity.Initially, we proposed and experimentally validated two passive networks in the X and Ka bands by introducing a unit cell concept that achieves wideband LP-CP conversion with low insertion loss. This cell demonstrated highly efficient transmission and superior performance in terms of bandwidth, gain, and ellipticity compared to the state of the art. We developed two Transmit-Array prototypes: the first one in the X band with 20×20 cells, whereas, the second one in the Ka band with 70×70 cells, featuring high gain and aperture efficiency.Following the promising performances of the passive concept, we developed an active or reconfigurable configuration. By integrating a pair of PIN diodes on each unit cell, we achieved electronically controllable 1-bit phase switching. The study focused on the implementation of components, their modeling, and the integration of the diode biasing network into the unit cell and their real time control. The cell was developed in the X band to validate the concept, and then in the Ka band to demonstrate the feasibility and performance of the concept in the millimeter-wave band for fifth-generation (5G) applications. A 14×14 cell array was fabricated in the X band, while a 20×20 cell array was realized in the Ka band, centered at 27.5 GHz.We developed an electronic system using a microcontroller and multiplexing boards for the dynamic control of diode polarization during measurements. We demonstrated the capability to achieve 2D electronic beam scanning between ±60°, with ellipticity levels below 2 dB. This concept proves promising for SatCom applications, with potential for ground stations communicating with LEO satellite constellations, as well as for radar applications and backhauling in heterogeneous 5G networks.