Conception et réalisation d'un réseau d'antenne 8x16 éléments et de composants tridimensionnels à ondes millimétriques à base d'interconnexions verticales sur guides intégrés au substrat

Les systèmes d'imagerie passives à ondes millimétriques nécessitent des antennes de taille compacte et à faible coût, présentant un gain élevé, de faibles pertes et une grande efficacité. Afin de réaliser une antenne satisfaisant ces exigences, une structure d'alimentation tridimensionnelle compacte, associée à 8x16 antennes éléments à rayonnement longitudinal à fort gain, est présentée dans ce mémoire. L'ensemble de contributions réalisées dans le cadre de ce travail sera décrit comme suit. Premièrement, pour être capable de construire ce réseau diviseur/combineur de puissance non planaire exclusivement avec la technologie du guide d'ondes intégré au substrat (GIS) sans l'utilisation de transitions en microruban, en fentes ou en guide d'ondes métallique pour passer du plan-H au plan-E, un coin plan-E uniquement basé sur la technologie (GIS) est étudié, analysé et démontré pour la première fois. Cette interconnexion GIS verticale, qui peut être fabriquée avec des circuits imprimés ou d'autres procédés similaires, amène des avantages attractifs en termes de coûts, de flexibilité et d'intégrabilité. Deux circuits prototypes avec des bras verticaux tournés respectivement de 0 et 45 degrés sont fabriqués. La version standard montre des pertes d'insertion de 0,5 dB dans la bande de 30 à 40 GHz, tandis que celle pivotée présente 0,7 dB de pertes sur la même plage de fréquences. Avec ce coude, une jonction–T plan-E est étudiée et conçue. Les résultats mesurés montrent 10 dB de pertes par réflexion sur 19% de largeur bande autour de 35 GHz avec moins de ± 4 degrés de déséquilibre de phase. Un diviseur T-magique large bande optimisé est démontré et fabriqué. Les résultats simulés et mesurés montrent une puissance répartie uniformément et un très bon isolement avec de faibles pertes par réflexion. En associant deux antennes avec deux coudes aux bras verticaux pivotés de 45 degrés et dupliqués en miroir, un système de double polarisation est obtenu, montrant une isolation de plus 20 dB de 32 à 40 GHz. Deuxièmement, une antenne à fente corrugée Fermi à rayonnement longitudinal alimentée en GIS avec un faisceau étroit et une large bande est fabriquée. Le gain réalisé en mesures est d'environ 18,4 dBi. Une fente évasée en air créée au centre de l'antenne, lorsque cette dernière est utilisée dans un réseau, vise à réduire le couplage entre deux éléments adjacents.

Abstract

Passive millimeter-wave imaging systems require compact-size, low-cost, high gain, low-loss and high-efficiency antennas. In order to realize an antenna satisfying those requirements, a compact three dimensional feeding structure in connection with 8x16 high-gain, high-efficiency endfire radiating elements are presented in this thesis. A number of contributions are made in this work, which will be described as follows. First, to be able to construct this non-planar power dividing/combining network exclusively with substrate integrated waveguide (SIW) technology without the use of any microstrip, slot-line or metallic waveguide for H-to-E-plane transition, a right angle E-plane corner solely based on (SIW) technology is studied, analyzed and demonstrated for the first time. This SIW vertical interconnect, which can be made with PCB or other similar processes, presents attractive advantages in terms of cost, flexibility and integration. Two circuit prototypes with both 0 and 45 degree vertical rotated arms are fabricated. The standard version has 0.5 dB of insertion loss from 30 to 40 GHz while the rotated one gives 0.7 dB over the same frequency range. With this bend, an E-plane T-junction is studied and designed. Measured results show 10 dB return loss over 19 % of bandwidth at 35 GHz with less than ±4 degree phase imbalance. An optimized wideband magic-T splitter is fabricated and demonstrated. Both simulated and measured results show evenly distributed power with very good isolation and return loss. By associating two antennas with two mirror duplicated 45 degree vertical rotated arm bends, a dual polarization system is obtained, showing a 20 dB isolation over 32-40 GHz. Second, an optimized wideband end-fire corrugated SIW fed Fermi tapered slot antenna with narrow beamwidth is fabricated. The realized gain in our measurement is about 18.4 dBi. To enhance its performance when used in an array, a taper shaped air gap is created in the center of the antenna to reduce the coupling between two adjacent elements. Third, an SIW 16 way power divider is designed with Villeneuve modified distribution in order to obtain low side lobe level (SLL). A 16 element array using the Fermi antenna is fabricated.