Bi-stable Radiofrequency Rectangular Waveguide Switch with Magnetic Actuation

Ce mémoire présente une étude sur les utilisations possibles de nouveaux types de commutateurs radiofréquences (RF) bistables dans la réalisation d'antennes reconfigurables et de filtres à hautes fréquences. Ces commutateurs ont l'avantage d'être légers (fabriqués sur une membrane très mince) et d'avoir une consommation de puissance nulle dans les états stables. Les antennes reconfigurables et filtres actuels consomment plus de puissance à cause de l'intégration des commutateurs électroniques à base de semi-conducteurs ou MEMS qui nécessitent d'être polarisés en permanence. Les commutateurs proposés peuvent apporter une alternative, surtout dans des applications qui imposent des exigences strictes sur la consommation d'énergie ou le poids. Puisque ces interrupteurs sont des composants non-électroniques, ils présenteront moins d'interférences sur le comportement des antennes reconfigurables, le problème est particulièrement important lorsque plusieurs commutateurs sont intégrés à l'antenne. Deux prototypes de configurations distinctes ont été fabriqués et testés expérimentalement afin de vérifier leurs fonctionnements et d'évaluer leurs performances. Le premier prototype est un commutateur membrane placé dans un guide d'onde rectangulaire ouvert (antenne à ondes de fuites). Le deuxième est un commutateur à réactance variable, placé dans un guide d'onde rectangulaire fermé. Une des extrémités de la membrane est fixée à la paroi basse du guide et l'autre extrémité est laissée libre. Les commutateurs sont réalisés à partir d'un substrat flexible Pyralux de Dupont, composé d'une couche diélectrique (polyimide), laquelle est recouverte d'une couche de cuivre sur une de ses deux faces. Les commutateurs utilisent un système d'actionnement magnétique et ne dépensent de l'énergie que lors du passage d'un état stable à l'autre. Le commutateur à membrane est utilisé pour la conception d'une antenne à ondes de fuites commutable. Pour l'état ON, c'est-à-dire lorsque l'antenne rayonne, les simulations et les mesures ont montré des résultats similaires. Pour l'état OFF, c'est-à-dire lorsque l'antenne n'émet aucun rayonnement, une moins bonne concordance a été observée. La raison est due à un mauvais contact électrique entre la partie libre de l'interrupteur et la paroi haute du guide, lequel nécessiterait quelques améliorations. Globalement, le concept d'une antenne commutable en utilisant ce type de commutateur a été prouvé. Le commutateur à réactance variable est intégré dans un guide d'onde rectangulaire fermé afin de démontrer un filtre coupe bande « notch ».

Abstract

This M.Sc.A. thesis investigates the feasibility of using new types of bistable waveguide switches to implement reconfigurable antennas and filters. These switches have the advantages of being lightweight (made of very thin membrane) and have zero power consumption in their steady states. Current reconfigurable antennas and filters consume more power due to the integration of electronic switches; semiconductor and MEMS. The proposed switches can provide an alternative, especially in applications that impose stringent requirements on power consumption or weight. Since these switches are non-electronic components, they present less interference on the behaviour of reconfigurable antennas, the problem is particularly important when multiple switches are integrated into the antenna. Two prototypes of distinct configurations are implemented and experimentally tested to verify and assess their performance. One is incorporated into a leaky rectangular waveguide to provide antenna switchability feature and the other is integrated into a closed rectangular waveguide to implement a switched filtering structure. Both switches are built from a flexible membrane Pyralux Dupont, composed of a dielectric layer (polyimide), which is covered with a layer of copper on one side. They are attached to the bottom wall of the waveguide at one part and free to move at the other part. They use a magnetic actuation system and consume energy only when moving from one stable state to the other. The measured radiation patterns and return losses of the switched leaky wave antenna in the ON state agree quite well with the predictions obtained with a finite elements simulation tool (HFSS). However, there is a noticeable difference between the simulation and experimental results in the OFF state. This is mainly due to a non-uniform physical contact between the edge of the switched membrane and the inner side of the waveguide's broad wall. Overall, the results of this proof of concept look promising. This technique provides an approach to implement reconfigurable antenna using bistable membrane built on a dielectric substrate.