Sensibilité à la technologie et accordabilité des matrices de Butler en guide intégré dans le substrat, déclinées sur substrat PCB à 28 GHz et sur interposer above-IC benzocyclobutène aux fréquences millimétriques

par Giuseppe Acri

Thèse de doctorat en Optique et radiofréquence

Sous la direction de Florence Podevin et de Emmanuel Pistono.

Le président du jury était Sylvain Bourdel.

Le jury était composé de Anne-Laure Franc, José-Luis Jiménez González, Ke Wu.

Les rapporteurs étaient Ronan Sauleau, Thierry Parra.


  • Résumé

    Les technologies réseau sont devenues de plus en plus omniprésentes au cours des deux der-nières décennies. En particulier, la 5G (cinquième génération) devrait supporter des vitesses haut débit nettement plus rapides, des capacités de transfert cent fois plus élevées et des re-tards plus faibles que la générations 4G précédente tout ceci permettant d’utiliser le plein potentiel de l’Internet des Objets. Plus précisément, le spectre sous-employé des bandes de fréquences millimétriques (mm-wave) (30-300 GHz) pourrait être considéré comme une solution potentiellement rentable pour atteindre les objectifs susmentionnés. Dans un tel contexte, les systèmes d’antennes à faisceau commuté sont devenus d’un grand intérêt parce qu’ils peuvent atteindre une plus grande efficacité spectrale et améliorer le bilan de puis-sance des systèmes de communication sans fil. Plus spécifiquement, la matrice de Butler (BM) est l’un des réseaux de formation de faisceaux multiples les plus intéressants, intensi-vement exploré et largement employé dans les systèmes de communication en raison de ses propriétés conjointes d’adaptation, d’isolation, et d’équipartition de puissance.Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse de doctorat se concentre sur la conception de matrices de Butler en topologie SIW pour les applications millimétriques. Plusieurs bandes de fréquence ont été abordées à cette fin. La bande autour de 28 GHz intéresse particulière-ment la 5G. Ainsi, le concept de matrice étendue en technologie PCB-SIW est introduit pour la BM 4x4, permettant d’atteindre une meilleure résolution spatiale que le simple système 4x4. La bande WR10 (75 GHz-110 GHz) ainsi que quelques bandes millimétriques au-delà ont également été étudiées. Pour ces dernières, le recours à des substrats intermédiaires dé-diés au millimétrique, appelées interposeurs, s’est révélé indispensable. Dans les deux cas, les structures proposées ont été détaillées, des analyses théoriques élaborées et les résultats de simulation confortés par la mesure, accompagnés de rétro-simulations si besoin, dans le but de proposer des preuves de concept. L’un des principaux objectifs de ce manuscrit est d’améliorer la couverture spatiale de l’antenne et la performance du système de formation du faisceau par rapport à son homologue conventionnel tout en gardant presque inchangé la surface du réseau (coûts réduits et complexité de conception). Un autre objectif est d’étudier la sensibilité du système afin de révéler les points faibles de la matrice de Butler.Le premier chapitre de cette thèse présente un état de l’art des dites matrices, RF et mm-wave , et détaille les solutions permettant d’étendre l’orientation du faisceau. Dans le deu-xième chapitre, l’attention se concentre sur une étude Monte Carlo de sensibilité de la BM quasiment exhaustive. Dans le troisième chapitre, les avantages et inconvénients du chan-gement continu et/ou digital de phase sont discutés et un déphaseur SIW 1-bit, 28-GHz, uti-lisant des diodes PIN, est conçu et testé. Ce déphaseur est un des blocs phare de la matrice de Butler étendue. Le quatrième chapitre présente la conception et la mesure des blocs de la BM à 28 GHz ainsi que l’ensemble des mesures du système complet étendu. Dans le cin-quième chapitre, des guides, coupleurs et crossovers SIW sur interposeur BCB (benzocyclo-butene), tous blocs de la matrice, ont été conçus et mesurés en bande WR10 et WR5. Ils con-firment les performance très intéressante du BCB. En perspective, le concept de matrice de Butler étendue pourrait être mis en œuvre sur interposeur BCB mais aussi dans d’autres technologies telles que les membranes à nanofils métalliques (MnM) pour des applications sous-THz.

  • Titre traduit

    Sensitivity to technology and adjustability of substrate integrated waveguides Butler matrices, in PCB substrates at 28 GHz and in benzocyclobutene above-IC interposers at millimetre waves


  • Résumé

    Networking technologies have become increasingly omnipresent over the past two decades. In particular, 5G (fifth generation) is expected to support significantly faster mobile broad-band speeds, lower latencies and hundreds of times more capacity than current 4G (fourth generation) while also enabling the full potential of the Internet of Things. Specifically, the underemployed spectrum in the millimeter-wave (mm-wave) frequency bands (30-300 GHz) might be seen as a potentially profitable solution for achieving the aforementioned goals. In such a context, the switched-beam antenna (SBA) systems have become of great interest because they can achieve high spectral efficiency and increase the capacity of wireless communication systems. More specifically, Butler matrix (BM) is one of the most important multiple beam forming networks, which has been intensively explored and extensively em-ployed in communication systems due to its unique properties as perfect matching, isolation, and equal power division, that can be obtained at the same time.The work achieved in this PhD thesis was focused on the conception of a Butler matrix, for mm-wave applications in SIW topology. Two frequency bands were mainly addressed for that purpose. The first one is the band around 28 GHz, that is suited for 5G, where an ex-tended beam agility concept was introduced for 4ⅹ4 Butler matrix, in PCB-SIW technology, to achieve a better spatial resolution, as compared to a 4ⅹ4 conventional system. The second one is the WR10 band (75 GHz-110 GHz), as well as some extra-bands beyond, for which the use of intermediate packaging platforms, so-called interposers, allow the frequency ris-ing as compared to the conventional PCB technologies. In both, the proposed structures were detailed, theoretical analyses were developed, and simulation and measurement works were carried out, with retro-simulations when needed, which permitted to validate the proposed concepts. One of the main goals of this manuscript is to enhance the spatial antenna cover-age and the performance of the beam forming system as compared to its conventional coun-terpart while keeping almost unchanged the surface (reduced costs and design complexity). Another goal is to study the sensitivity of the system, so that the weak points of the BM are revealed.In the first chapter of this thesis, BM solutions for RF and mm-Wave circuits were present-ed, and beam-steering enhanced ability BMs was detailed. In the second chapter, attention focuses on a detailed sensitivity BM study based on a Monte Carlo approach and a proposed solution for extended beam Butler matrices well suited to SIW technology. In the third chap-ter, the pros and cons of continuous and digital phase shifting are discussed and a 28-GHz ,1-bit, SIW, phase shifter using PIN diodes, is designed and tested as a solution to be used in the extended beam matrix. In the fourth chapter, the design blocks for 28 GHz SIW Butler matrix were introduced and measured, along with the entire BM measurements. In the fifth chapter, benzocyclobutene (BCB) SIW useful for Butler matrix blocks were designed and measured in WR10 and WR5 bands, which show the very interesting performance of such an interposer. Even coupler and crossover were fabricated and measured in WR10 band. As a prospect, the extended beam agility BM concept could be implemented in BCB interposer or other kind of interposers as metallic nanowire membranes (MnM) for sub-THz applications, to test the feasibility.


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