Real-Time Microwave Signal Processing: Dispersion Engineering and Time Modulation

Il y a aujourd'hui une demande pour des systèmes radiofréquences ayant une large bande passante, une faible latence, des bas coûts, une grande fiabilité et une faible consommation d'énergie. Par exemple, la prochaine génération de systèmes sans fil mobiles devrait avoir une capacité mille fois plus élevée qu'aujourd'hui pour répondre aux exigences de diverses applications telles que les véhicules sans pilote et la télémédecine. Bien que la technolo-gie dominante actuelle, le traitement de signal numérique (DSP en anglais), soit compacte, flexible et précise, elle sou˙re de problèmes fondamentaux, notamment une consommation d'énergie élevée, une conversion analogique-numérique coûteuse, une bande passante limitée, un stockage en mémoire faible et une mauvaise performance aux hautes fréquences. Par con-séquent, nous proposons ici d'e˙ectuer le traitement du signal micro-ondes analogiquement et en temps réel. Cette technique attrayante a été peu explorée jusqu'à présent, et pourrait remplacer ou complémenter le traitement numérique. Le chapitre 1 présente la motivation du traitement du signal micro-ondes analogique en temps réel (R-MSP), deux solutions R-MSP complémentaires basées respectivement sur l'ingénierie de la dispersion et la modulation du temps, ainsi que les contributions de cette thèse. Les chapitres 2 et 3 proposent deux applications basées sur l'ingénierie de dispersion pour le traitement des signaux micro-ondes. Cette technologie est inspirée de l'optique ultra-rapide, où les signaux électromagnétiques sont traités en temps réel à l'aide de composants optiques dispersifs. Dans le domaine des micro-ondes, ces composants conçus pour la dispersion ont reçu le nom de "phaseurs" et, comme leurs homologues optiques, manipulent la phase ou le retard de groupe des signaux d'entrée. En concevant les caractères de dispersion des composants, diverses fonctions peuvent être réalisées. Le chapitre 2 présente un transformateur de Hilbert hyperfréquence. Ce transformateur de Hilbert est basé sur la combinaison d'un coupleur et d'un résonateur en boucle. La fonction de transfert du transformateur est dérivée à l'aide de graphiques de flux de signaux, et deux chi˙res de mérite sont introduits pour caractériser eÿcacement le dispositif. De plus, une explication détaillée de son fonctionnement physique est fournie. Le transformateur micro-ondes de Hilbert est démontré expérimentalement dans trois applications: pour la détection d'un front d'onde, pour la suppression de la crête et pour la modulation à bande latérale unique.

Abstract

Today's exploding demands for wider bandwidth, lower latency, lower cost and more reliable and power-efficient radio systems bring more challenges for signal processing technologies. For example, the next generation mobile wireless systems in the coming decade is expected to have thousand times higher capacity than it is right now to meet the requirements of various applications, for instance, unmanned vehicles and telemedicines. Although current dominant technology, digital signal processing (DSP), offers the benefits of device compactness and processing flexibility and preciseness, it also suffers fundamental issues, including high power consumption, high-cost analog-digital conversion, limited operating bandwidth, low memory storage, and poor performance at high frequencies. Therefore, processing microwave signal in real time and purely analog domain as an alternative or complementary technique is desired, which is attractive but less explored till now. Chapter 1 introduces the motivation of real-time microwave signal processing (R-MSP) and two complementary R-MSP solutions based on dispersion engineering and time modulation, respectively, along with the contributions of this thesis. Dispersion engineering based microwave signal processing is a signal processing technology inspired from ultra-fast optics, where electromagnetic signals are processed in real-time using dispersive optical components. In microwave domain, these dispersion-engineered components have been given the name "phasers" and, similar to its optical counterpart, manipulates the phase or the group delay of input signals. By engineering the dispersion characters of the components, various functions may be realized. In chapters 2 and 3, two applications based on dispersion engineering for microwave signal processing are proposed. Chapter 2 presents a microwave Hilbert transformer as a new component for R-MSP. This Hilbert transformer is based on the combination of a branch-line coupler and a loop resonator. The transfer function of the transformer is derived using signal flow graphs, and two figures of merits are introduced to effectively characterize the device. Moreover, a detailed physical explanation of its physical operation is provided. The microwave Hilbert transformer is demonstrated experimentally in three applications: edge detection, peak suppression and single sideband modulation. Chapter 3 presents a design of dispersion engineering based a planar Rotman lens spectrum decomposer (RL-SD) with the features resolution flexibility, input port position arbitrariness and frequency range and resolution tunability. The resolution flexibility consists in allowing diffrent frequency sampling functions by properly distributing the output port locations.