Millimeter-Wave Substrate Integrated Waveguide Antenna and Front-End Techniques for Gigabyte Point-to-Point Wireless Services

La relativement faible absorption atmosphérique dans les bandes de fréquences E et W a permis le développement de nombreuses applications sans-fil. Les bandes de fréquences de 71-76 GHz, 81-86 GHz et 94.1-97 GHz sont toutes assignées au spectre de communication sans-fil gigabyte par la Federal Communication Commission (FCC) des États-Unis. Lorsque la fréquence augmente vers la région des ondes millimétriques, l'efficacité et la qualité des lignes micro-ruban sont affectées par de sérieuses pertes de transmission et par l'interférence inter-signaux. D'un autre côté, la technologie des guides d'ondes classique est demeurée populaire pour la conception de systèmes haute perfomance dans la bande E/W. Cependant, cette technologie n'est pas appropriée pour une production à grande échelle et à faible coût à cause de sa structure encombrante et coûteuse. De plus, la structure non-planaire des guide d'ondes rend difficile la connection à des composantes planaires actives ainsi qu'à d'autres lignes planaires telles que les lignes micro-ruban et les guides d'ondes coplanaires (CPW). Afin de remédier à ce problème, les circuits intégrés aux substrats (SIC) ont été proposés comme une solution à faible coût, à efficacité élevée, planaire et intégrée au substrat pour des applications à hautes-fréquences. Les guides d'ondes intégrés aux substrats (SIW), faisant partie de la famille des SIC, possède non seulement les avantages des guides d'ondes rectangulaires mais aussi d'autres bénéfices comme un faible coût, une petite taille, un poids léger et la facilité de fabrication par les techniques de fabrication des PCB ou d'autres techniques. Dans cette thèse, nous élargissons la recherche sur les SIW en proposant et développant une variété d'antennes innovatrices, de réseaux d'antennes et de composantes passives millimétriques qui sont appliqués à la conception et à la démonstration de réseaux d'antennes intégrés et d'étages d'entrée de systèmes de communication en bande E/W. Les contributions scientifiques principales du présent travail peuvent être résumées comme suit: Un réseau d'antenne 4x4 utilisant la technologie des guides d'ondes intégrés au substrat (SIW) pour la conception de son réseau d'alimentation est proposé et démontré. Des fentes longitudinales gravées sur la surface métallique du dessus du SIW sont utilisées pour alimenter les éléments du réseau d'antennes. Des cubes composés d'un matériau diélectrique à faible permittivité sont placés au-dessus de chaque réseau d'antenne 1x4 afin d'augmenter le gain des antennes patch. La largeur de bande de deux réseaux d'antennes 4x4 est d'environ 7.5 GHz (94.2-101.8 GHz) avec un gain de 19 dBi.

Abstract

The relatively low atmospheric absorption over E-band and W-band (frequency window) has been spurred many wireless applications. Frequency bands of 71-76 GHz, 81-86 GHz, and 94.1-97 GHz are all allocated by the US Federal Communication Commission (FCC) as parts of gigabyte wireless spectrum. As frequency increases to millimeter wave region, the efficiency and quality of microstrip lines suffer from serious transmission losses and signal interferences. On the other hand, classical waveguide technology has been popular in the design of high-performance millimeter-wave systems at E/W-band. However, this technology is not suitable for low-cost and mass production because of its expensive and bulky structure. In addition, the non-planar structure of waveguide makes it difficult to get connected to planar active components and other planar lines such as microstrip line and coplanar waveguide (CPW). To overcome this bottleneck problem, substrate integrated circuits (SICs) have been proposed as low-cost and high-efficient integrated planar structures for high-frequency applications. Substrate integrated waveguide (SIW), which is part of the SICs family, has manifested not only the advantages of rectangular waveguide but also other benefits such as low cost, compact size, light weight, and easy fabrication using PCB or other processing techniques. In this Ph.D. thesis, we extend the research of SIW to the proposal and development of various innovative antennas, antenna arrays and millimetre-wave passive components, which are applied to the design and demonstration of integrated antenna arrays and E/W-band front-end sub-systems. The principal scientific contributions of this thesis work can be summarized in the following: A 4×4 antenna array is proposed and demonstrated using substrate-integrated waveguide (SIW) technology for the design of its feed network. Longitudinal slots etched on the SIW top metallic surface are used to drive the array antenna elements. Dielectric cubes made of low-permittivity material are placed on top of each 1×4 antenna array to increase the gain of circular patch antenna elements. Measured impedance bandwidths of two 4×4 antenna arrays are about 7.5 GHz (94.2–101.8 GHz) with 19 dBi gain. Design of planar dielectric rod antenna is proposed and studied, which is fed by Substrate Integrated Non-Radiative Dielectric (SINRD) waveguide. This antenna presents numerous interesting features such as broad bandwidth (94-104 GHz), relatively high and stable gain, use of high dielectric constant substrate, and substrate-oriented end-fire radiation.