Étude et conception d'antennes multifaisceaux en bandes V et E pour les futurs réseaux cellulaires hétérogènes 5G

Design and development of multibeam antennas in V- and E-bands for future cellular networks 5G

• Auteur / Autrice : Thomas Potelon
• Direction : Ronan Sauleau, Mauro Ettorre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 19/12/2017
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : ComuE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de communication sans fil

Antennes hyperfréquences

Antennes miniatures

Mots clés libres

Antenne

Hyperfréquence

Multifaisceaux

5G

Antenna

Microwave

Multi-Beam

5G

Résumé

L'évolution des technologies numériques a permis l'introduction d'objets connectés dans le quotidien d'une grande partie de la population mondiale. Face à une demande de données sans-fil toujours croissante, des techniques nouvelles doivent être employées pour offrir un débit plus élevé à des appareils moins volumineux et accessibles à un prix raisonnable. Les antennes constituent l'organe central de toutes les télécommunications et elles jouent un rôle majeur dans l'évolution vers des systèmes plus performants. En effet, l'augmentation du débit de données passe par une augmentation du gain et de la bande de fonctionnement, et plus une antenne est directive plus son intégration est complexe. La tendance actuelle est à l'évolution vers les bandes de fréquences millimétriques, ce qui permet une réduction du volume de l'antenne et l'utilisation de bandes de fréquences plus larges, néanmoins la fabrication est un vrai défi technologique. Les travaux de recherches effectués au cours de cette thèse portent sur la conception d'antennes pour une application de lien backhaul : une liaison en bande E (71-86GHz) entre deux antennes fixes utilisée dans un réseau cellulaire ; cependant les concepts et technologies sont facilement transposables à d'autres applications telles que les radars ou les communications satellitaires. Les systèmes étudiés combinent un réseau unidimensionnel de longues fentes rayonnantes (CTS) alimentées en parallèles avec un formateur de faisceau quasi-optique (système pillbox). Les fentes rayonnantes consistent en guides à plans parallèles (GPP) tronqués. Elles sont alimentées en parallèle par un réseau de division de puissance exclusivement basé sur des GPP. Le système pillbox est constitué de deux GPP connectés par un coupleur et un réflecteur parabolique intégré, l'illumination de ce dernier par une source focale génère une onde plane. L'omniprésence de GPP au sein de l'antenne garantit une large bande de fonctionnement, et l'architecture employée permet une meilleure intégration que les antennes quasi-optiques. Ces antennes offrent donc un compromis entre un gain élevé, une large bande de fonctionnement et un profile réduit qui ne peut pas être atteint avec les autres structures présentes dans la littérature. Malheureusement ces antennes comportent également des désavantages. D'un point de vue technologique, leur fabrication est complexe et coûteuse. C'est pourquoi dans ces travaux de thèse un intérêt particulier est porté sur l'utilisation de techniques nouvelles permettant la fabrication de prototypes menant à des résultats expérimentaux. Du point de vue des performances en rayonnement, les antennes CTS/pillbox actuelles ne permettent pas de reconfigurer le rayonnement dans le plan E et le niveau de recouvrement dans le plan H est trop faible pour pouvoir être facilement exploité. Dans cette thèse, des solutions innovantes sont proposées afin de remédier à ce manque de versatilité. Enfin jusqu'à présent, le niveau des lobes secondaires dans le plan E de l'ensemble des antennes CTS alimentées en parallèle est d'environ -13,5dB. Une structure nouvelle est introduite afin de permettre une réduction de ces lobes secondaires à un niveau très faible.

The evolution of numerical technologies allowed the daily use of connected object for a large part of the world’s population. To fulfill the ever-growing demand for wireless communication, new technologies have to be developed in order to obtain higher data-rate with smaller and cheaper devices. The antenna plays a major role in communication systems and their performances are to be improved to obtain more efficient telecommunications. Indeed the rise of data-rate involves an improvement of the antenna gain and bandwidth, but the integration of directive antennas is always challenging. The actual trend is the shift to higher frequency bands, in the millimeter-wave range, this allows a size reduction together with the use of broader bandwidth; however the fabrication becomes a real challenge. The research work realized in this thesis concern the design, fabrication and experimental characterization of antennas for backhaul links: the E-band (71-86GHz) communication between two fixed antennas used in cellular network; nonetheless the solutions developed can easily be applied to other applications such as radar or satellite communications.The studied systems combine a one-dimensional array of long radiating slots (CTS) fed in parallel with a quasi-optical beam forming network (pillbox system). The radiating slots are made of truncated parallel plate waveguides (PPW) and are fed in parallel by a power-divider network realized in PPW technology. The pillbox system consists of two stacked PPWs connected by a multi-slot coupler and an integrated parabolic reflector, the latter converts the cylindrical wave emitted by a focal feed into a planar wave. The omnipresence of PPWs throughout the antenna system insures a broad band of operation, and the architecture shows a lower profile than quasi-optical antennas. This antenna presents an unequaled tradeoff between a high gain, a wide bandwidth and a low-profile. Unfortunately they also have drawbacks. From a technological point of view, their fabrication is complicated and expensive. This is why in this thesis a particular attention is given to the use of new techniques allowing the fabrication of prototypes leading to experimental validation of the results. From the radiation performance point of view, CTS/pillbox antennas do not show any reconfigurability solution in the E-plane and the overlap level obtained in H-plane with already existing antennas is too low to be usable. In this thesis, innovative solutions are investigated to find solution to this lake of versatility. Finally the sidelobe level (SLL) in E-plane of the totality of parallel-fed CTS antennas described in the open-literature is about -13.5dB. A new architecture introduced in this thesis allows a reduction of this SLL down to a negligible level.