Exploring High-k and Multi-Band Antenna Techniques for the Development of Millimeter-Wave and Terahertz Electronics and Photonics Wireless Systems

La demande sans cesse croissante de systèmes sans fil multifonctionnels millimétriques (mmW) à haut débit, efficaces et économiques incite les chercheurs et les praticiens des antennes et des circuits RF à développer des solutions techniques attrayantes en termes d'efficacité, de coût et de performances globales. La technologie analogique radio sur fibre (ARoF) bien établie, qui existe depuis 1983, est une approche viable pour établir une connectivité sans fil hautes performances et à large bande à faible coût, ainsi que pour simplifier les architectures d'émetteurs-récepteurs de stations de base. Grâce aux développements récents de la photonique micro-ondes dans les systèmes sans fil ARoF de pointe, un signal RF est généré par un battement efficace de deux signaux optiques de haute qualité sortant de lasers à points quantiques et mélangés dans une photodiode. Pour maintenir un niveau d'intégration élevé et éliminer les effets parasites et les pertes associés aux fils de liaison dans un module frontal, l'intégration monolithique d'un réseau d'antennes avec une photodiode est cruciale dans un émetteur-récepteur à circuits intégrés optoélectroniques (OEIC). Étant donné que les matériaux à haut κ tels que les semi-conducteurs SiGe, GaAs, InP, etc. sont généralement adoptés pour concevoir une photodiode, un réseau d'antennes à gain élevé, à large bande ou multibande sur des substrats à haut κ est fortement souhaité pour une intégration transparente. avec une photodiode. Dans ce scénario, le réseau d'antennes conventionnel sur des matériaux à haut κ rencontre inévitablement des obstacles fondamentaux pour obtenir des rayonnements à large bande, hautement efficaces et à gain élevé en raison de l'excitation des ondes de surface du substrat. Par conséquent, nous avons étudié dans cette thèse des techniques d'antenne simples mais efficaces pour contrôler les ondes de surface dans les réseaux d'antennes conventionnels afin d'atténuer ou de diminuer leurs effets néfastes. Deux méthodologies ont été explorées pour réaliser la technique proposée, à savoir 1) la suppression du plan de masse entre deux antennes colinéaires (disposition du plan E) et une série d'ondulations uniformes ont été introduites sur les bords des parties restantes pour créer une région de transition entre les antennes mises à la terre. et non mises à la terre et pour former une sorte de guide d'ondes de surface transversal, et 2) pour supprimer partiellement le plan de masse en gravant des fentes longues, longitudinales et étroitement espacées sur le plan de masse pour compenser l'inductance du plan de masse et perturber l'état de propagation du TM0 mode. Nos recherches ont montré que l'application de ces techniques entraîne une réduction de 9 dB du couplage mutuel et une amélioration de 4 dB du diagramme de rayonnement transversal. Malgré l'efficacité de la technique proposée pour diminuer les couplages mutuels et améliorer le gain, le réseau d'antennes conventionnel n'est toujours pas un candidat décent pour le régime mmW/THz sur des matériaux à haut κ. En conséquence, nous avons étudié l'utilisation d'antennes à ondes de fuite 2D (ou planaires) (2DLW) comme alternative appropriée au réseau d'antennes conventionnel. Nous avons proposé et exploré une antenne 2DLW intégrée au substrat à profil extrêmement bas, à gain élevé et à efficacité d'ouverture élevée avec un PRS capacitif. Nous avons montré que, contrairement à l'antenne 2DLW remplie d'air typique, où une perturbation du premier mode d'ordre supérieur (TE1/TM1) entraîne un rayonnement large très dirigé, dans l'antenne 2DLW proposée, la propagation et la fuite d'un quasi -Le mode TEM donne une antenne extrêmement discrète (0,065λ0) et à gain élevé (15 dBi). De plus, l'efficacité de l'ouverture a été améliorée de 15 % par rapport à la contrepartie conventionnelle remplie d'air. Un nouveau concept basé sur l'entrelacement des courants électriques et magnétiques de surface a été proposé et étudié. Nous avons développé une surface rayonnante à ouverture partagée double large bande peu encombrante. Les contraintes fondamentales sur la bande passante de l'antenne sur les deux bandes de fréquences ont été évaluées à l'aide d'équations approximatives de forme fermée qui ont été dérivées à l'aide de la théorie de Bode-Fano. Finalement, une antenne à double large bande à cinq couches a été développée et fabriquée à l'aide d'un processus PCB multicouche rentable qui fonctionne dans les bandes Ku et Ka avec une impédance respective et une bande passante de gain d'environ 42 %, et dans la bande Ka. avec une impédance et une bande passante de gain respectives de 29% et 16,32%. Par la suite, une méthodologie générale basée sur la convolution des courants de surface électriques et magnétiques couplés pour le développement de réseaux d'antennes multibandes a été introduite et étudiée. Nous avons développé une unité rayonnante bi-bande réalisée par un arrangement rapproché 2×2 des quatre éléments d'antenne fonctionnant dans la bande de fréquence supérieure. Dans ce cas, des résonances multimodes ont été générées dans une bande de fréquence inférieure par un couplage approprié des courants magnétique et électrique. Cette technique pourrait être employée de manière répétée pour développer plusieurs modes rayonnants en réutilisant les surfaces rayonnantes. Enfin, un prototype de réseau bi-bande 2 × 4 peu encombrant a été développé et fabriqué. Nos résultats de mesure ont montré que l'antenne proposée fournit des largeurs de bande d'impédance et de gain de 30 % et 25,4 %, en bande Ku et de 10,65 % et 8,52 % en bande Ka, respectivement. Nous prévoyons que les résultats de nos recherches seront exploités pour établir une cohabitation dense et monolithique de réseaux d'antennes multibandes avec des circuits actifs dans les futurs émetteurs-récepteurs multifonctionnels OEIC à la pointe de la technologie.

Abstract

The ever-increasing demand for high-speed, efficient, and cost-effective millimeter (mmW) multifunctional wireless systems is enticing antenna and RF circuit researchers and practitioners to develop appealing technical solutions in terms of efficiency, cost, and overall performance. The well-established analog radio-over-fiber (ARoF) technology, which has been around since 1983, is a viable approach to establishing high-performance and broadband wireless connectivity with low expenditure as well as simplifying base station transceiver architectures. Thanks to recent developments in microwave photonics in cutting-edge ARoF wireless systems, an RF signal is generated by an efficient beating of two high-quality optical signals coming out of quantum dot lasers and mixed in a photodiode. To maintain a high integration level and to eliminate parasitic effects and losses associated with bonding wires in a frontend module, the monolithic integration of an antenna array with a photodiode is crucial in an optoelectronic integrated circuits (OEICs) transceiver. Since high-κ materials such as SiGe, GaAs, InP semiconductors, etc. are usually adopted to design a photodiode, a high-gain, broad-band, or multi-band antenna array on high-κ substrates is highly desired for seamless integration with a photodiode. In this scenario, conventional antenna array on high-κ (high permittivity) materials inevitably encounters fundamental hurdles for achieving broadband, highly efficient, and high gain radiations due to the excitation of substrate surface waves. Therefore, we investigated in this thesis uncomplicated yet effective antenna techniques for controlling surface waves in conventional antenna arrays to mitigate or diminish their adverse effects. Two methodologies were explored to realize the proposed technique namely 1) the removal of the ground plane between two collinear antennas (E-plane arrangement) and a series of uniform corrugations were introduced at the edges of the remaining parts to create a transition region between grounded and ungrounded regions and to form a sort of transversal surface waveguide, and 2) to partially remove the ground plane by etching long, longitudinal, and closely spaced slots over the ground plane to offset the ground plane inductivity and disrupt the propagation condition of the TM0 mode. Our research showed that applying these techniques results in a 9 dB reduction in mutual coupling and a 4 dB improvement in the broadside radiation pattern. Despite the effectiveness of the proposed technique for decreasing mutual couplings and improving the gain, the conventional antenna array is still not a decent candidate for the mmW/THz regime on high-κ materials. As a result, we investigated using 2-D (or planar) leaky-wave (2DLW) antennas as a suitable alternative to the conventional antenna array. We proposed and explored an extremely low-profile, high-gain, and highly aperture-efficient substrate-integrated 2DLW antenna with a capacitive PRS. We showed that as opposed to the typical air-filled 2DLW antenna, where a perturbation of the first higher-order mode (TE1/TM1) results in highly directed broadside radiation, in the proposed 2DLW antenna, the propagation and leakage of a quasi-TEM mode result in an extremely low-profile (0.065λ0), and high-gain (15 dBi) antenna. In addition, the aperture efficiency was enhanced by 15% as compared to the conventional air-filled counterpart. Moreover, in the development of a multifunctional and multi-stranded ARoF-based wireless system, a multi-band antenna array is an indispensable component of the frontend module. However, the efficient realization of the multi-band antenna array with a large frequency ratio, particularly on high-κ materials, introduces fundamental challenges in antenna-frontend integration. Therefore, we proposed and investigated several antenna arrays based on aperture-shared techniques, with focus on effective “reuse” of the antenna surface in different frequency bands, which is highly demanded in OEIC design scenarios for the cohabitation of an antenna with active circuits. To begin with, we investigated the aperture-shared technique with two different methodologies namely 1) stacking antennas in a multilayer structure, and 2) using the concept of self-scalable radiation pattern for the development of a dual-band antenna array with a large frequency ratio. In this connection, a multilayer high-gain antenna structure, consisting of a large, perforated patch antenna and an array of 3×3 patch antennas, was designed and prototyped for operation in S- and Ka-band. Subsequently, a single-fed multi-mode resonance slot antenna coupled to three narrow strips was investigated for the development of a dual-band antenna element operating in X- and Ka-band with a self-scalable radiation pattern. These antenna elements can be used for realizing dual-band antenna arrays without operating the full grating lobe in the visible region. A single-fed dual-band antenna operating in S-band and Ka-band was developed using the 2DLW antenna theory and the aperture-shared technique. We found out that how a thin and single-mode resonance (SMR) inductive PRS on high-κ materials in a 2DLW antenna is set to converge two resonance frequencies (i.e., PRS and cavity resonances), consequently reducing the antenna directivity and gain. We applied multi-mode resonance (MMR) PRS to address the underlying challenges. Subsequently, the leaky-wave radiation behavior of an antenna with a heterogeneous substrate was investigated using the developed analytical equations. Our investigations revealed that in the proposed scenario, an MMR PRS can significantly enhance the broadside directivity by over 4 dBi at the resonance frequency (27.5 GHz), which is also set to improve the radiation pattern compared to the SMR-based antenna. Finally, a CPW-fed dual-band antenna was developed based on the effective reusing of the aperture in both frequency bands. A novel concept based on the interleaving of electric and magnetic surface currents was proposed and studied. We developed a space-efficient dual-wideband aperture-shared radiating surface. The fundamental constraints on antenna bandwidth over both frequency bands were evaluated using approximate closed-form equations that were derived using Bode-Fano’s theory. Eventually, a five-layer dual-wideband antenna was developed and fabricated using a cost-effective multi-layer PCB process that operates in Ku- and Ka-band with a respective impedance and gain bandwidth of approximately 42%, and in Ka-band with a respective impedance and gain bandwidth of 29% and 16.32%. Subsequently, a general methodology based on convolving coupled electric and magnetic surface currents for the development of multi-band antenna arrays was introduced and investigated. We developed a dual-band radiating unit realized by a 2×2 close arrangement of the four antenna elements operating at the upper-frequency band. In this case, multi-mode resonances were generated in a lower frequency band by proper coupling of the magnetic and electric currents. This technique could be employed repeatedly to develop several radiating modes by reusing the radiating surfaces. Finally, a space-efficient 2×4 dual-band array prototype was developed and fabricated. Our measurement results showed that the proposed antenna provides impedance and gain bandwidths of 30% and 25.4%, in Ku-band and 10.65% and 8.52% in Ka-band, respectively. We anticipate that the outcomes of our research will be exploited to establish dense and monolithic cohabitation of multi-band antenna arrays with active circuits in future state-of-the-art multifunctional OEIC transceivers.