Étude et réalisation de matrices à commutation de faisceaux en technologie guide d'ondes intégré au substrat

Les applications radar pour les voitures demandent des composants de hautes performances mais avec faible coût de revient. Cette thèse présente la conception des réseaux d'alimentation d'antennes en ondes millimétriques utilisant la technologie du guide d'ondes intégré aux substrats (GIS), pour satisfaire les exigences du coût et du faible encombrement dans ces applications de radar. Dans un système radar, l'antenne défini la largeur du secteur couvert, la portée, la discrimination angulaire et le filtrage du bruit généré par d'autre sources. Généralement les antennes intelligentes remplissent ce cahier des charges. La direction dans laquelle le réseau ayant la réponse maximale serait la direction du pointage de faisceau. Pour un choix de faisceau dans une direction désirée, un ajustement de phase doit être accompli. Les matrices à commutation donnent des distributions de phase aux sorties différentes pour chaque port d'entrée. Le guide d'ondes intégré aux substrats (GIS) offre une technologie intéressante pour les réseaux d'alimentation d'antennes en termes de faible pertes par radiation, ce qui assure un très faible niveau d'interférences et d'effets parasitiques entre les circuits de GIS. Nous proposons dans ce travail plusieurs matrices de formation de faisceaux basées sur la technologie GIS. La thèse est présentée sous forme d'articles. Ce travail montre les étapes entreprises afin de mener à terme la conception, la fabrication, les mesures et l'évaluation de plusieurs topologies de la matrice de Butler. Nous verrons donc dans un premier temps les composants nécessaires au bon fonctionnement d'un tel système soit: les coupleurs 3 dB, les déphaseurs et les croisements. Le choix de la configuration sera justifié pour chacun de ces éléments. L'usage de simulateur (Ansoft HFSS) basé sur la méthode des éléments finis (une méthode à ondes complètes) sera nécessaire dans ce travail. Ce logiciel donne des résultats assez proches des essais expérimentaux. Trois matrices de Butler sont développées, la première à 77 GHz sans croisement, une deuxième est une structure à deux couches à 24 GHz et la troisième est une matrice complètement planaire avec un coupler 0 dB à 12.5 GHz.

Abstract

Automotive radar applications require components with high performance but low cost. This thesis presents the design of millimeter wave antennas feeding networks using the substrate integrated waveguide (SIW) technology, to satisfy the requirement of low cost and compactness in these radar applications.In a radar system the antenna define the width of covered area, the range, the angular discrimination and the filter noise generated by other sources. Generally smart antennas must be used to satisfy the specifications. The beam pointing can be achieved only by adjusting the phase of signals from different elements. For a choice of beam in a desired direction, a phase adjustment must be done. Switching matrices are used to provide phase distribution at output ports that is different for each input port. The substrates integrated waveguide (SIW) is a promising technology for the antenna feed networks in terms of low radiation and transmission losses with reduced interferences among SIW circuit elements. We propose in this work several beamforming matrices based on SIW technology. This thesis is presented in paper form. First of all, this work shows the steps taken to finalize the design, fabricate, measurement and evaluation of several Butler matrix topologies. We will see at first that the building components necessary for the proper functioning of such a network: the 3 dB couplers, phase shifters and crossovers. The choice of a configuration will be justified for each of these elements. An electromagnetic simulator (Ansoft HFSS) based on the finite element method (full-wave method) is used in this work. This software package would be able to yield results close to experimental counterparts. Three Butler matrices are developed, the first at 77GHz without crossover, the second is related to a two layer structure at 24 GHz and the third is completely made planar with a cross-over at 12.5 GHz. The Nolen matrix compared to Butler matrix has the advantages of being free from crossovers in the structure. The loads placed on unused ports in the Blass matrix do not appear in the Nolen matrix which increases efficiency. We propose two architectures, the first one is related to perpendicular configuration in Ku band while the second platform presents a parallel topology which shows a good performance over a broad band around 77 GHz.