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.