Innovative Microwave and Millimetre-Wave Components and Sub-Systems Based on Substrate Integration Technology

Avec le rapide développement des technologies microondes et millimétriques, les spécifications de conception des circuits et systèmes sont de plus en plus exigeantes. La tendance pour le développement des systèmes de communication se dirige vers un poids minimisé, une taille réduite, de multiples fonctions, une fiabilité accrue et un faible coût. Ainsi, des technologies microondes et millimétriques faibles coûts, performantes et convenant à une production de masse sont critiques pour développer avec succès des systèmes commerciaux. La technologie à guide d'ondes rectangulaire a toujours été parmi les plus populaires pour la fabrication des systèmes millimétriques. Cependant, une difficulté majeure est reliée à leur intégration avec des composants actifs et les autres types de lignes de transmission conventionnelles, telle que microruban ou coplanaire… Les technologies de Circuits Intégrés au Substrat (CISs), incluant la technologie Guide Intégré au Substrat (GIS), qui peut être intégrée dans les substrats diélectriques avec de faibles pertes d'insertion et de radiation, sont une famille de nouvelles structures à ondes guidées. Ces dernières permettent de faire un pont entre les structures planaires et non-planaires. Jusqu'à maintenant, les composants et les sous-systèmes micro-ondes basés sur la technologie GIS ont été largement étudiés et développés. Dans cette thèse, nous étudions d'avantage la technologie GIS afin de proposer et développer divers composants actif et passif micro-ondes et millimétriques innovant et originaux. Ces structures de composants innovants peuvent améliorer l'intégration entre les composants GIS et les autres composants planaires. Ainsi, un certain nombre de structures et composants sont proposés et appliqués dans la conception et la démonstration d'un réseau d'antennes intégré en ondes millimétriques et un sous-système d'antennes intelligentes à 60 GHz. Il est à noter que plusieurs composants étudiés dans ce travail ont été proposés et démontrés à des fréquences micro-ondes plus basses afin de faire une preuve de concept en permettant une fabrication facile des structures et des circuits. Ces circuits en basses fréquences peuvent facilement être adaptés pour des applications aux fréquences plus hautes.

Abstract

The tendency of modern microwave and millimetre-wave communication system development is towards small size, light weight, reliable, multifunctional and low-cost. Moreover, low-cost, mass producible, high-performance and high-yield microwave and millimetre wave technologies are crucial for developing successful commercial microwave and millimetre wave systems. Rectangular waveguide has always been among the most popular choices for the making of millimetre-wave circuits and systems. A major challenge, however, is related to its integration with active devices and other conventional planar transmission lines, such as microstrip or coplanar waveguide (CPW), etc. Substrate Integrated Circuits (SICs) techniques including substrate integrated waveguide (SIW), which can be integrated in planar dielectric substrate with low insertion loss, high Q and low radiation loss, present a family of novel guided wave structures. This scheme provides a bridge between planar and non-planar structures. Up to now, microwave components and sub-systems based on SIW technology have been widely studied and developed. In this thesis, we take a further study of SIW technology to propose and develop various innovative and original microwave and millimetre-wave passive and active components. These innovative component structures can improve the integration between SIW components and other planar components. Then, a certain number of proposed structures or components are applied in the design and demonstration of millimetre-wave integrated antenna arrays and 60 GHz smart antenna sub-system. Note that many components studied in this work were proposed and demonstrated at different lower microwave frequencies for the proof of concept purpose with easy-to-fabricate structures and circuits. Those low-frequency circuits can easily be scaled up for high-frequency applications.