Higher-Order Space Harmonics in Leaky-Wave Antennas and Their Applications in Wireless Systems

RÉSUMÉ Ces dernières années, des recherches importantes ont été menées pour répondre à la forte demande des normes de communication sans fil de cinquième génération (5G). À cet égard, des efforts considérables sont déployés pour développer différents composants radiofréquence (RF) pour la gamme de fréquences 2 (FR2) allant de 24,25 GHz à 52,6 GHz pour la prochaine future bande passante standard des communications sans fil. En outre, en raison de la croissance rapide des réseaux et de la demande de transmission de données sans fil à plus haut débit, la bande passante devient un problème crucial pour les ingénieurs de conception de systèmes. Deux solutions potentielles pourraient être appliquées pour surmonter un tel problème en termes d'utilisation d'un fonctionnement multibande et d'une diversité de polarisation. Auparavant, le fonctionnement multibande était mis en œuvre via différentes configurations d'antenne, ce qui nécessitait l'utilisation d'ouvertures séparées. En outre, l'application de la diversité de polarisation nécessite généralement l'utilisation de transducteurs orthomodes non planaires, ce qui entraîne un encombrement du système. Par conséquent, la principale motivation de cette thèse est axée sur le développement de matériel intégré planaire à profil bas et à faible coût à la fréquence des ondes millimétriques (mmW) pour être adapté à la mise en œuvre des futures communications sans fil 5G et leurs applications connexes. Cette thèse exploite et propose un concept très original d'harmonique spatial d'ordre supérieur (HSH) qui permet de réaliser différentes configurations d'antennes. La nouveauté présentée dans cette thèse réside dans l'étude du principe de fonctionnement du HSH qui nous fournit une ligne directrice pour la conception d'antennes à fuite (LWA) avec différentes performances basées sur la technologie de guide d'onde intégré au substrat (SIW). Un tel concept nous permet de réaliser une antenne avec les capacités d'être à faisceau unique, à faisceaux multiples, à bandes multiples, à double mode et à double polarisation en plus du fonctionnement à faisceau fixe et à faisceau de balayage à partir d'une seule ouverture qui peut satisfaire le exigences de la communication 5G et leurs applications connexes. Une procédure de conception analytique complète est présentée avec des vérifications par des simulations pleine onde et des mesures de prototypes. Pour commencer, les comportements fondamentaux de HSH dans une structure SIW périodique sont théoriquement analysés. Les équations pour les conditions d'excitation de HSH et leur constante de propagation associée des modes fondamentaux et d'ordre supérieur dans une cellule unitaire SIW périodique sont étudiées. Outre la contribution de HSH en tant qu'onde rapide associée à la sélection du substrat, la permittivité, la périodicité, la largeur effective d'une cellule unitaire SIW et les fréquences de coupure de mode sont étudiées, analysées et démontrées.

Abstract

ABSTRACT In recent years, significant investigations were conducted to satisfy the high demand of the fifth-generation (5G) wireless communication standards. In this regard, tremendous efforts are made to develop different radio frequency (RF) components for the frequency range 2 (FR2) as 24.25 GHz to 52.6 GHz for the next future standard bandwidth of wireless communications. Besides, due to the rapid growth of networks and demand for higher speed wireless data transmission, bandwidth becomes a crucial issue for system design engineers. Two potential solutions could be applied to overcome such an issue in terms of utilizing multi-band operation and polarization diversity. Previously, the multi-band operation was implemented through different antenna configurations, which requires using separate apertures. Besides, applying polarization diversity usually requires the use of non-planar orthomode transducers which results in bulkiness of the system. Therefore, the main motivation of this thesis is focused on the development of planar low profile and low-cost integrated hardware at millimeter-wave frequency (mmW) to be suitable for implementation on future 5G wireless communication and their related applications. This thesis exploits and proposes a highly original concept of higher-order space harmonic (HSH) which enables us to achieve different antenna configurations. The novelty presented in this thesis lies with investigating the principle operation of HSH which provides us a guideline for designing leaky wave antennas (LWAs) with different performance based on substrate integrated waveguide (SIW) technology. Such a concept enables us to achieve an antenna with the capabilities of being single beam, multi-beam, multi-band, dual-mode and dual-polarization in addition to the fixed beam and scanning beam operation from a single aperture which can satisfy the requirements of 5G communication and their related applications. A full analytical design procedure is presented with verifications through full-wave simulations and prototypes measurement. To begin with, the fundamental behavior of HSH in a periodic SIW structure is theoretically analyzed. Equations for the excitation conditions of HSH and their related propagation constant of both fundamental and higher order modes within a periodic SIW unit-cell is investigated and studied. Besides the contribution of HSH as fast wave associated with the substrate selection, permittivity, periodicity, effective width of an SIW unit-cell and mode cutoff frequencies is studied, analyzed and demonstrated. Furthermore, the differences between fundamental and HSH are also investigated and their contribution to different antenna characteristic are highlighted and their trades off are explained.