Dually-Polarized Microwave Components Based on Polarization-Selective Coupling for Green Wireless Systems

Avec le développement rapide et continu de technologies et de réseaux sans fil de nouvelle génération tels que la 5G et avec les ressources limitées d'énergie et de spectre disponibles pour soutenir ces développements sans fil rapides, l'exploration des bandes millimétriques sous-utilisées devient incontournable. Il devient de plus en plus crucial de se concentrer sur la réduction de la consommation d'énergie dans les futurs systèmes sans fil. Le moyen le plus efficace de réception d'énergie d'onde électromagnétique est de capturer complètement les deux composantes orthogonales de son vecteur de champ de propagation en relation avec la diversité de polarisation. De plus, l'utilisation d'ondes bi-polarisées permet l'amélioration d'une capacité de transmission via la réception simultanée de deux canaux orthogonaux. Cette thèse montre comment proposer et exploiter le concept très original de la diversité de polarisation sur la bande de fréquences mmW qui a été assignée aux applications sans fil. Auparavant, la diversité de polarisation était mise en oeuvre dans des profils non planaires, ce qui compliquait son intégration avec l'application de carte de circuit imprimé (PCB). Par conséquent, la motivation principale de cette thèse est de mettre en oeuvre la diversité de polarisation dans les profils planaires aux bandes de fréquence récemment assignées autour de 28 GHz et 38 GHz pour être intégrée dans la cinquième génération (5G) de communication sans fil. Ceci est fait en développant la théorie du fonctionnement et de la procédure de conception des composants MMW à double polarisation. La nouveauté présentée dans ce travail de thèse réside dans le développement d'un principe de fonctionnement permettant de concevoir et de mettre en évidence une classe de composants mmW bi-polarisés, à savoir les coupleurs 3dB, les coupleurs 0dB et les déphaseurs. Cela permet le développement de réseaux de formation de faisceau bi-polarisés tels que la matrice de Butler et les systèmes de télédétection à polarisation, basés sur une jonction à six ports à double polarisation. Une procédure de conception analytique complète est présentée avec des vérifications à travers des simulations pleine onde et des mesures de prototypes. La diversité de polarisation a été un facteur essentiel dans la performance et l'amélioration de la capacité de divers systèmes sans fil, y compris les réseaux cellulaires. Par conséquent, la conception et le développement de structures d'alimentation d'antenne bi-polarisées dans la bande mmW sont indispensables.

Abstract

With the rapid and continuous development of new generation wireless technologies and networks such as 5G and with the limited enabling energy and spectrum resources available in support of such fast-moving wireless developments, exploring the underutilized millimeter-wave (mmW) bands becomes inescapable. It becomes more and more crucial to focus on the reduction of energy use in future wireless systems. The most efficient way of electromagnetic wave energy reception is to fully capture the two orthogonal components of its propagating field vector in connection with polarization diversity. In addition, the use of dually-polarized waves allows the enhancement of a transmission capability via the simultaneous reception of two orthogonal channels. This thesis shows how to propose and exploit the highly original concept of polarization diversity over the mmW frequency band which has been assigned for wireless applications. Previously, the polarization diversity was implemented within non-planar profiles which complicates its integration with the printed circuit board (PCB) application. Therefore, the main motivation of this thesis is to implement the polarization diversity within planar profiles at the recently assigned frequency bands around 28 GHz and 38 GHz to be suitable for integration in the fifth generation (5G) of wireless communication. This is done by developing the theory of operation and design procedure of dually-polarized mmW components. The novelty presented in this thesis work lies in developing a principle of operation to come up with the design and demonstration of a class of dually-polarized mmW components, namely 3dB couplers, 0dB couplers and phase shifters. This allows the development of dually-polarized beamforming networks such as Butler matrix and polarization-inclusive remote sensing systems based on a dually-polarized six-port junction. A full analytical design procedure is presented with verifications through full-wave simulations and prototype measurements. Polarization diversity has been an essential factor in the performance and capacity enhancement of various wireless systems including cellular networks. Accordingly, the design and development of dually-polarized antenna feeding structures in the mmW band is a must. Firstly, as the basic dual-polarized device, a compact orthomode transducer (OMT) design in the Ka-band is proposed. The novelty of the proposed OMT stems from a distinct concept of handling dually-polarized signals based on a polarization selective coupler (PSC).