Définition, conception (modélisation) et réalisation d'une antenne compacte en ondes millimétriques (71GHz - 86GHz) pour des liaisons haut débit numérique
Institution:
Paris 10Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
The objective of this thesis is the design of an ultra-directive planar antenna for 71-86 GHz band. The antenna is designed in waveguide technology (or metamaterials, in parallel with the LEME-OMS laboratory) using low cost plastic materials. Work will focus on the specification, analysis, design and implementation and testing of a prototype planar antenna waveguide. The work of this thesis fit into the framework of the project ELI-IAN * and more particularly in SP4 sub-project on the development of a new generation compact antenna. *The project ELHAN (E band Digital High Speed Link) belong to the competitiveness cluster SYSTEM@TIC of the Ile de France region (FUI7 / FEDER2) aims to develop electronic components and modules for future telecommunication applications at very high speed E band (60-90 GHz). This project was born from a need to cover new bands, strongly motivated by the saturation of the electromagnetic spectrum of current commercial bands. Indeed, it is crucial to explore the higher frequency in particular those still free to meet the surge demands broadband connections, including mobile communications and data transfers. The first chapter introduces: 1/ The ELI-IAN project, the context of the study and associate partners. 2/ The literature review for directional antennas, millimeter band technologies capable to meet the specifications. Chapter II is divided into several parts. 1/ Modeling and design of the various individual elements of the antenna waveguide. 2 / Elements specifications, definition of requirements and constraints related to technology. 3 / configuring an antenna array to reduce the side lobes to meet the templates required by the FCC or ETSI standards. We’ll adopt a configuration called polarization "slant 45°” or diamond position. It allows, in particular palliate the application of Taylor or Tchebychev weighting, reducing the side lobes level. 4 / Selecting feeding network associated with the antenna and the splitter architecture implemented for the distribution of energy. We present the problems encountered in using standards waveguides and the choice of innovative solutions to overcome them. A model of <<ridged>> waveguide was adopted for <<the same time>> to reduce the size of standard guides while maintaining their performance. The third and final chapter is an opportunity to validate the proposed concept of the array antenna. It discusses the implementation and measurements on the basic components of the antenna. A prototype of waveguide planar antenna in 80 GHz has been realized and tested. Similarly, all the individual elements (horn element, power divider, and sub-array 4 x 4 elements. . . ) has been made. We spend the last part of this chapter for the measurements and the experimental validations for all the antenna modules and comparing the results of the numerical study. We were able to validate the array planar antenna waveguide in the millimeter frequency band (80 GHz). We finished this memoir by the conclusions and perspectives.
Abstract FR:
L’objectif de cette thèse est la conception d’une antenne plane ultra—directive pour la bande 71-86 GHz. L’antenne sera conçue en technologie guide d’ondes (ou métamatériaux, en parallèle dans le laboratoire LEME-OMS) avec l’utilisation de matériaux plastiques << bas coût >>. Les travaux porteront sur la spécification, l’étude, la conception puis la réalisation et le test d’une antenne prototype guide d’onde plane << simple >>. Les travaux de cette thèse s’intègrent dans le cadre du projet ELHaN* et plus particulièrement au sous projet SP4 relative au développement d’une antenne compacte nouvelle génération. Le projet ELHaN (E band Liaison Haut débit Numérique) du pôle de compétitivité SYSTEM@TIC, Région Ile de France (FUI7 / FEDER2) vise à développer des composants et des modules électroniques pour les applications futurs de télécommunication à très haut débit en bande E (60-90 GHz). Ce projet est né d’un besoin de couvrir de nouvelles bandes de fréquences fortement motivé par la saturation du spectre électromagnétique des bandes commerciales actuelles. En effet, il devient crucial d’explorer les fréquences de plus en plus hautes et en particulier celles encore gratuites pour satisfaire la très forte hausse des demandes en liaisons haut débit, notamment pour les télécommunications mobiles et de transferts de données. Le chapitre l présente : 1/ le projet ELHaN, le contexte de l’étude et les partenaires associés, 2/ l’étude bibliographique sur les antennes directives, les technologies en bandes millimétriques, susceptibles de répondre au cahier des charges. Le chapitre Il est scindé en plusieurs grandes parties. 1/ Modélisation et conception des différents éléments unitaires de l’antenne guide d’ondes. 2/ Eléments du cahier des charges, définition des exigences et des contraintes liées à la technologie. 3/ Configuration d’un réseau d’antenne permettant de réduire les lobes secondaires afin de respecter les gabarits imposés par les normes standards ETSI ou FCC. On adopter la configuration dite polarisation << slant 45° >> ou position diamant. Elle permet, en particulier de pallier à l’application des pondérations usuelles de types Taylor ou Tchebychev, permettant de réduire le niveau des lobes secondaires. 4/ Choix du système d’alimentation associé à l’antenne et de l’architecture du répartiteur mis en œuvre pour la distribution de l’énergie. Nous présentons les difficultés rencontrés lors de l’utilisation des guides d’ondes standards et les choix de solutions innovantes permettant de s’y affranchir. Un modèle de guide d’onde << ridgé >> a été adopté permettant << du même coup >> de réduire les dimensions des guides standards tout en gardant leurs performances. Le troisième et dernier chapitre est l'occasion de valider le concept de l’antenne réseau proposé. Il traite la réalisation et les mesures effectuées sur les différents éléments de base de l’antenne. Pour cela, nous avons présentés d’abord une étude sur la sensibilité des dimensions (côtes) et l’impact engendré sur les résultats. Nous avons procédés ensuite à une recherche de technologies permettant de réaliser les modules de base de l’antenne. Cette étude indique les processus qui répondent au mieux à la réalisation du produit en masse production ou en prototypage. Un prototype d’antenne plane guide d’ondes 80 GHz a été réalisé et testé. De même tous les éléments unitaires (cornet unitaire, diviseur de puissance, et un sous réseau de 4 x 4 éléments. ) ont été réalisés. Nous consacrons la dernière partie de ce chapitre aux mesures et aux validations expérimentales des modules et de l’antenne et la comparaison aux résultats de l’én1de numérique. Nous avons ainsi pu valider le concept d’antenne réseau guide d’ondes plate dans la bande de fréquence millimétrique (80 GHz). Nous avons terminé ce mémoire par les conclusions et les perspectives.