Wideband and flat multibeam antenna solutions for ultrafast communications in millimeter band

par Francesco Foglia Manzillo

Thèse de doctorat en Traitement du signal et télécommunications

Sous la direction de Ronan Sauleau et de Mauro Ettorre.

  • Titre traduit

    Solutions d’antennes multifaisceaux à large bande pour communications haut débit en bande millimétrique


  • Résumé

    La demande toujours croissante de connectivité et de débit de données requiert une rupture dans la conception des futurs réseaux de communication et systèmes radio. Plusieurs applications émergentes en bande millimétrique, notamment les réseaux mobiles de cinquième génération (5G) et les communications satellites, exigent des antennes large bande qui assurent une grande couverture angulaire, tout en étant à la fois compactes, facilement intégrables et à bas coût.Cette thèse propose des systèmes antennaires multifaisceaux large bande et à très grande couverture angulaire, appelés «Continuous Transverse Stub Antenna» (CTS), pour réaliser un bon compromis de l’ensemble de ces objectifs. L’architecture de l’antenne comprend un réseau de fentes longues excitées par un réseau d’alimentation en chandelier, basé sur des guides d’onde à plans parallèles. Cette structure est excitée par un formateur de faisceaux quasi-optique co-intégré. La première partie du manuscrit présent des nouveaux modèles numériques qui facilitent la conception de chaque sous-système de l’antenne et permettent l’analyse des performances globales, soit en termes d’adaptation, soit en termes de diagrammes de rayonnement. Ces outils sont exploités pour la conception d’antenne et pour étudier les limites en balayage. La thèse se poursuit en présentant de nouvelles solutions technologiques et de nouveaux design pour intégrer les antennes CTS dans des modules multicouches planaires et à faible profil. La conception et la caractérisation de deux antennes intégrées en technologie LTCC pour des points d’accès 5G à 60 GHz sont discutées. L’une des deux est à faisceau fixe, l’autre est à balayage électronique, avec une couverture de ±40°, de faibles lobes secondaires et un niveau élevé de recoupement des faisceaux. Enfin, nous proposons l’association de radomes polarisants planaires à faible profil aux antennes CTS, pour réaliser des systèmes rayonnants en polarisation circulaire. Une méthodologie systématique pour la conception de polarisateurs à très large bande est présentée, ainsi qu’un design couvrant entièrement la bande Ka pour des applications satellites.


  • Résumé

    The ever-growing demand for fast and seamless connectivity shows the need of new wireless standards and technologies. Novel broadband, wide-angle scanning antennas achieving an optimal trade-off among size, gain, efficiency and costs are crucial to the development of emerging applications at millimeter waves, such as fifth-generation (5G) mobile networks and satellite communications. In this thesis, multibeam parallel-fed continuous transverse stub (CTS) array antennas are proposed as possible candidates for future mm-wave communications and are developed to tackle these requirements. The antenna architecture comprises an array of long slots, a corporate feed network based on parallel plate waveguides (PPWs) and an integrated quasi-optical beamformer. First, novel numerical models for the analysis of each subsystem and of the overall antenna, are presented, which enable an efficient and modular design of CTS antennas. These tools are exploited to derive design guidelines and assess the scanning performance. Then, novel design and technological solutions for the integration of CTS antennas in flat, low-profile multilayer modules are discussed. The design and characterization of two prototypes in LTCC technology, for 60-GHz mobile access points are presented: a fixed beam array and a switched-beam antenna with a field of view of ±40°, low SLLs and high beam overlap. Finally, planar linear-to-circular polarization converters are proposed to realize circularly polarized CTS antenna systems. A procedure to achieve an ultra-wideband, low-loss polarization conversion is outlined and a design for Ka-band satellite application is presented.


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