Conception et réalisation d'un récepteur composé de réseau d'antennes YAGI multicouches verticales et de composants en ondes millimétriques

Les applications en ondes millimétriques telles que les réseaux sans-fils haute vitesse demandent des composants de hautes performances, faibles coûts de revient, modulaires et compacts. Ce mémoire présente la conception d'une chaine de démodulation en ondes millimétriques utilisant le concept du multicouche. Tout d'abord, une antenne Yagi multicouche est proposée et démontrée à 5.8 GHz. La structure utilise pour la première fois les éléments parasites des antennes Yagi dans une structure de substrats empilés verticalement. Cela permet d'atteindre un gain de 12 dBi. Deux configuration sont présentées : une première basée sur un dipôle et une deuxième basée sur un patch circulaire afin d'avoir une double polarisation. Les résultats mesurés montrent un très bon accord avec les simulations. Basé sur les principes démontrés précédemment, l'antenne est adaptée à 60 GHz, puis un réseau d'antennes Yagi verticales en ondes millimétriques est introduit pour la première fois exploitant les technologies multicouches. Une analyse est faite pour définir les limites du design. L'antenne élément mesurée atteint un gain de 11 dBi. Le réseau 4x4 a une taille 50x50x60 mm3, et atteint un gain mesuré de 18 dBi sur 7% de bande passante. Une autre configuration du réseau utilisant des antennes Yagi inclinées permet d'avoir une réduction des lobes secondaires tout en ayant un impact minimum sur le gain. Les antennes proposées sont d'excellents candidats pour des systèmes intégrés, faibles coûts, demandant une petite empreinte en ondes millimétriques. Finalement, un nouveau six-port double couche utilisant des Guides Intégrés au Substrats (GIS) est présenté et démontré. Celui-ci permet de faire la démodulation QPSK. Son architecture utilise des coupleurs multicouches, fournissant une grande surface de couplage à travers deux fentes ; un déphaseur inédit, large bande composé de deux stubs plan-H et une ligne de référence ; ainsi que de deux diviseurs de puissance. Les simulations et mesures montrent que le circuit fonctionne correctement sur toute la bande V. La démodulation QPSK complète est testée sous le logiciel de simulation ADS et montre les excellentes performances du système.

Abstract

Millimeter wave applications such as high-speed wireless connections require modular, compact-size, low-cost and high-performance systems. In order to realize a complete receiver satisfying those requirements, compact stacked multilayered designs are presented in this thesis. First, high-gain compact stacked multilayered Yagi designs are proposed and demonstrated at 5.8 GHz. The structure makes use for the first time of vertically stacked Yagi-like parasitic director elements that allow easily obtaining a simulated gain of 12 dBi. Two different antenna configurations are presented, one based on dipole geometry for single polarization, and the other on a circular patch to achieve dual polarization. Measured results of the fabricated antenna prototypes are in good agreement with simulated results. Second, based on the above-demonstrated principle, the antenna is redesigned and adapted for 60 GHz applications, and a novel design showing for the first time an array of Yagi elements in millimeter wave stacked structure is presented. An analysis is performed to define the structure limits. The measured element attains 11 dBi of gain. The proposed 4x4 array has a size of 50x50x60 mm3, and reaches a measured gain of 18 dBi over 7% of bandwidth. An alternative configuration of the array using angled Yagi antenna elements allows for a significant improvement of the side lobe level without a visible impact on the gain. The proposed antennas present excellent candidates for integrated low-cost millimeter-wave systems that require small footprint. Third, a novel dual layered six-port front-end circuit using the Substrate Integrated Waveguide (SIW) technology is presented and demonstrated. The six-port architecture makes use of multilayer couplers, providing a wide coupling area through two slots; a new broadband SIW phase shifter composed of two H-plane stub lines and one reference line; and two SIW power dividers. Simulation and measurement results show that the proposed six-port circuit can easily operate at 60 GHz for V-band system applications. The complete QPSK demodulation is tested through the ADS simulation platform to prove the good performances of the designed circuits.