Substrate Integrated Waveguide Devices and Receiver Systems for Millimeter-Wave Applications

La très forte congestion du spectre radiofréquence alloué aux fréquences RF et micro-ondes pour les communications sans fil d'aujourd'hui motive ce travail de recherche qui se consacre aux bandes millimétriques pour lesquelles d'avantages d'allocations spectrales sont disponibles, et qui est particulièrement intéressante pour le transfert à très haut débit. Comparé aux autres technologies de ligne de transmission, le Guide Intégré au Substrat (GIS) montre des avantages très attractifs comme un faible profil, un faible coût, un haut facteur de qualité (facteur Q), de faibles pertes d'insertion... Ce dernier a gagné beaucoup d'attention récemment grâce à ces caractéristiques favorables pour la conception de circuits et systèmes millimétriques. Le sujet de ce doctorat concerne deux tâches de recherche distinctes : la première est dédiée à l'investigation et à la conception de composants et d'antennes GIS innovants pour une possible application en ondes millimétriques; la seconde se consacre à la mise au point et à la démonstration de systèmes de réceptions millimétriques de tailles compactes, faibles pertes, à haut niveau d'intégration et hautes performances. Les chapitres 1 à 4 se concentrent sur l'exploitation et l'investigation, un à un, de composants GIS pour lesquels un nombre de concepts originaux et innovants de structures est proposé et démontré. Dans le chapitre 5, les architectures classiques et les paramètres des systèmes de réception sont introduits, puis utilisés pour la conception de systèmes de réceptions millimétriques dans les chapitres suivants. Du chapitre 6 au chapitre 8, des systèmes submillimétriques et millimétriques basés sur le GIS sont démontrés. Les contributions majeures de cette thèse sont les suivantes : Une structure balancée large bande inhérente peut être obtenue en imprimant un circuit sur deux faces d'un substrat GIS. Ainsi, un balun planaire large bande GIS implémenté sur un circuit imprimé (ou PCB, pour Printed Circuit Board) simple couche est proposé et présenté, suite auquel une nouvelle transition large bande de ligne microruban à ligne parallèle est démontrée. Avec cette transition proposée comme réseau d'alimentation, une nouvelle antenne large bande quasi-Yagi planaire est développée.

Abstract

The heavily congested condition at the existing radio frequency (RF)/microwave spectra allocated for the today's wireless communications motivates and expedites the research work at millimeter-wave bands where more spectrum space is available for massive data rate delivery. Compared with other transmission line techniques, the substrate integrated waveguide (SIW) platform shows attractive advantages of low profile, low-cost, high Q-factor, and low insertion loss, etc. It has gained a lot of attention recently due to its favorable features in millimeter-wave circuit/system design. The topic of this doctoral dissertation are concerned with two distinct research tasks: (1) investigating and designing innovative SIW components and antennas for possible millimeter-wave applications; (2) developing and demonstrating geometry-compact, low cost, high level of integration and high performance millimeter-wave receiver systems. Chapters 1 to 4 focus on the exploitation and investigation of individual SIW devices, in which a number of original concepts and innovative structures are proposed and demonstrated. In Chapter 5, generic architectures and parameters of receiver systems are discussed and used as a guideline for the millimeter-wave system design in the next chapters. From Chapter 6 to Chapter 8, sub-millimeter/millimeter wave systems based on SIW technique are demonstrated. The major contributions of this thesis work can be highlighted as follows:An inherent broadband balanced structure can be achieved by printing circuits on two opposite sides of an SIW substrate. According to this feature, a broadband SIW planar balun implemented on a single layer printed circuit board (PCB) is proposed and presented, following which another newly proposed broadband microstrip-to-broadside parallel stripline transition is demonstrated. With the proposed transition as the feeding network, a novel broadband printed quasi-Yagi antenna is developed. Half-mode substrate integrated waveguide (HMSIW) and quarter-mode substrate integrated waveguide (QMSIW) techniques are introduced for the purpose of miniaturizing SIW circuits and enhancing the bandwidth.