Dispersion Engineered Real-Time Analog Signal Processing Components and Systems

Avec la demande croissante pour une plus grande efficacité d'utilisation du spectre de fréquences et l'émergence de systèmes à bande ultra large (UWB) qui en découle, l'analyse d'environnements RF en temps réel est devenue d'une importance capitale. Traditionnellement, ceci est fait en utilisant des techniques d'analyse des signaux en temps réel basées soit sur une approche digitale, soit sur une approche analogique. Les appareils digitaux sont plus attrayants aux basses fréquences à cause de leur grande flexibilité, de leur taille compacte, de leur faible coût et de leur grande fiabilité. Par contre, aux plus hautes fréquences, notamment aux fréquences micro-ondes, les appareils digitaux ont des problèmes fondamentaux tels des performances faibles, un coût élevé des convertisseurs A/D et D/A et une consommation de puissance excessive. À ces fréquences, des appareils et systèmes analogiques sont requis pour des applications d'analyse des signaux en temps réel. À cause de leur mode d'opération fondamentalement analogique, ces systèmes sont appel´es analyseurs analogiques de signaux, et l'opération qu'ils effectuent est appelée analyse analogique de signaux (ASP). Cette thèse présente les plus récentes avancées au niveau des ASP. Le concept d'ASP est introduit au chapitre 1. La contribution de cette thèse au domaine des ASP est également présentée au chapitre 1. Le cœur d'un analyseur analogique de signaux en temps réel est une structure de délai dispersive (DDS). Dans une structure dispersive, la vélocité de groupe vg est une fonction de la fréquence, ce qui cause une dépendance en fréquence du délai de groupe. Par conséquent, un signal à large bande qui se propage le long d'une telle structure est sujet à un espacement dans le temps puisque ses différentes composantes spectrales voyagent avec différentes vitesses de groupes, et sont donc réarrangées dans le temps. En exploitant ce réarrangement temporel, les différentes composantes spectrales d'un signal à large bande peuvent être directement transposées dans le domaine temporel et peuvent alors être analysées en temps réel pour diverses applications. Ce concept, qui constitue le fondement des techniques ASP, est décrit au chapitre 2. En se basant sur ces principes de dispersion, le présent travail contribue au développement de nouveaux systèmes et composantes ASP ainsi qu'au développement de nouvelles DDS.

Abstract

With the ever increasing demand on higher spectral efficiencies and the related emergence of ultra-wideband (UWB) systems, monitoring RF environments in real-time has become of paramount interest. This is traditionally done using real-time signal processing techniques based on either digital or analog approaches. Digital devices are most attractive at low frequencies due to their high flexibility, compact size, low cost, and strong reliability. However, at higher frequencies, such as millimeter-wave frequencies, digital devices suffer of fundamental issues, such as poor performance, high cost for A/D and D/A converters, and excessive power consumption. At such frequencies, analog devices and systems are required for real-time signal processing applications. Owing to their fundamentally analog mode of operation, these systems are referred to as Analog Signal Processors, and the operation as Analog Signal Processing (ASP). This dissertation presents the most recent advances in these ASP concepts which are introduced in Chapter 1 along with the contribution of this thesis in this domain. The core of an analog real-time signal processor is a dispersive delay structure (DDS). In a dispersive structure, the group velocity vg is a function of frequency, which results in a frequency-dependent group delay. Consequently, a wide-band signal traveling along such a structure experiences time spreading, since its different spectral components travel with different group velocities and are therefore temporally rearranged. By exploiting this temporal rearrangement, the various spectral components of a wideband signal can be directly mapped onto time domain and can then be processed in real-time for various applications. This concept is described in Chapter 2 which forms the background of ASP techniques. Based on these dispersion principles, this work contributes to the development of novel ASP systems and devices along with the developments of novel DDSs. Two types of DDSs are used in this work: a) Composite Right/Left-Handed (CRLH) transmission lines (TL), and b) all-pass dispersive structures. In particular, the all-pass dispersive delay networks are investigated in greater details based on C-section all-pass networks in various configurations along with novel synthesis procedures and electromagnetic analysis to synthesize arbitrary group delay responses of the DDSs.