Déphaseurs hyperfréquences contrôlés optiquement : application aux antennes à balayage de phase

Optically controlled RF phase-shifters for antenna beamforming

• Auteur / Autrice : Mohamed El Khaldi
• Direction : Florence Podevin, Anne Vilcot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofréquence
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Grenoble INPG

Résumé

Cet ouvrage s'attache à étudier les potentialités du contrôle optique de dispositifs microondes sur silicium hautement résistif pour réaliser un déphasage variable pour des applications d'antennes à balayage de phase. Le principe physique employé exploite la photoconduction dans les semiconducteurs. La génération des paires électron/trou, lorsqu'on illumine un gap au sein d'une ligne de transmission par une source optique d'énergie supérieure à la bande. Interdite du matériau, modifie la constante de propagation du signal microondes. Ceci provoque par conséquent un déphasage de l'onde illuminée par rapport à son état à l'obscurité. Nous avons conçu, réalisé et testé plusieurs déphaseurs micro ondes commandés optiquement en utilisant des structures à un gap, résonantes entre deux gaps ou couplées. Pour ces dernières, le contrôle de la réflexion sur deux des quatre bras d'accès est assuré par illumination d'un gap. Le photodéphaseur coplanaire à un gap et les déphaseurs basés sur des structures microrubans résonantes nous ont permis d'obtenir un déphasage variable et continu important tout en maintenant le module du coefficient de transmission le plus constant possible sous différents éclairements sur une large bande de fréquences. Néanmoins ces structures présentent des pertes d'insertions importantes (trop de puissance réfléchie). Les nouveaux déphaseurs basés sur des structures couplées à gap ont permis d'obtenir ΔIS21I<5dB, IS11l<-20 dB dans une large bande de 10 à 20 % autour de 10 GHz et un déphasage ΔφIS21I continu et variable entre 0° et 90° sous différents éclairements. Ce déphasage, à un éclairement donné, est de plus constant sur une bande de 500 MHz autour de 10 GHz. Le développement d'un modèle électromagnétique du plasma photo induit nous a permis de concevoir et de simuler un réseau à balayage constitué de deux antennes, de taille réduite et de faible coût. La variation du déphasage différentiel permet de pointer le rayonnement maximal du réseau d'antennes vers une direction particulière. Une excursion de 50° a été obtenue par modélisation à l'aide du logiciel CST Microwave Studio à la fréquence de résonance de 10 GHz, avec pour seule incidence une réduction de 10% de l'angle d'ouverture du lobe de rayonnement sans perte de gain.

We apply the technique of the optical control of microwave devices on high resistivity silicon to perform phase-shifting for microstrip phased arrays. The physical principle is based on the photoconductive effect which enables the creation of a photoinduced plasma, when a gap in a line is illuminated with an optical wavelength shorter than the band gap of the semiconductor. This causes a change in the microwave propagation constant, which in turn provides a phase shifting of the wave between the illumination and the dark conditions. We have designed, realized and tested several optically controlled microwave phase-shifters using one-gap structures or resonant structures between two gaps or coupling structures. For those ones the reflectivity of two over four arms is controlled thanks to the illumination of a gap. The one-gap coplanar phase-shifter and the microstrip resonant structures have shown excellent characteristics, with very large phase-shift and a small variation of IS21I under very low optical power but with a high rejection rate. To minimize the reflected power, we de al with the coupler structures, which provide ΔIS21I<5dB and IS11l<-20 dB in a large band from 10 to 20 % around 10 GHz together with ΔφIS21I varies between 0° and 90 thanks to an optical beam. Moreover, under specific illumination, this phaseshifting is constant within the bandwidth of 500 MHz centered at 10 GHz. An electromagnetic model of the photoinduced plasma has been used to design and simulate a low cost, and small size microstrip phased array antenna, consisting of two optically controlled phaseshifters with two similar patch antennas arrays. The differential phase-shift allows focusing the beam onto a particular direction. An excursion of 50° was obtained at a resonant frequency equals to10 GHz using the 3D electromagnetic simulator CST Microwave Studio. A reduction of about 10% in the 3-dB aperture was observed with no gain loss.