Low-cost Millimeter antenna system based on the technology Air-filled SIW for satellite telecommunication application - IMEP-LAHC - Institut de Microélectronique, Electromagnétisme et Photonique - Laboratoire d'Hyperfréquences et Caractérisation Access content directly
Theses Year : 2024

Low-cost Millimeter antenna system based on the technology Air-filled SIW for satellite telecommunication application

Système antennaire millimétrique actif bas coût basé sur la technologie guide d’onde intégré au substrat creux pour application de télécommunication satellite

Abstract

Waveguide technology and printed circuit board (PCB) technology are two milestones in the engineering history of microwave technology. Waveguides are at the origin of different types of passive devices such as antennas or filters while PCB technology has made it possible to integrate today's active components such as amplifiers or mixers on very small volumes. Passive components based on waveguide technology have advantages such as low insertion losses, high power handling capability and auto-blind. Substrate-integrated waveguide (SIW) technology proposed in the early 2000s reduced the size of volume waveguides by combining two technologies: metallic waveguides and PCBs. It allows for relatively low insertion losses, auto-blind and small dimensions. The introduction of SIW technology simplifies the integration of passive waveguide-based devices with active PCB-based devices. To further optimize its performance, SIW technology has evolved with the introduction in 2014 of the air-filled substrate integrated waveguide (AFSIW). The cavity placed inside the AFSIW significantly reduces dielectric losses. Since 2014, this technology has been applied to the design of various passive devices such as filters, antennas or phase shifters.These devices are individually designed on a single plane and their connections to each other to design a system, such as a radio frequency transmitter or receiver which requires the association of several components, is also done on the same plane. However, the multilayer structure of AFSIW offers new possibilities for designing these systems using its lower and upper layers. Components can be stacked and connected using vertical transitions. The work of this thesis exploits the multilayer structure of AFSIW to “verticalize” a system. The use of the lower and upper layers is studied on the one hand for the connection of the different components of a system and on the other hand for the design of components individually.For connecting different components, most of the transitions between SIW, AFSIW and various microstrip lines are made on the same plane but this significantly increases the circuit length. On the contrary, the transition between the AFSIW cavity and the micro strip line proposed in this thesis can be used to achieve the superposition of passive and active components on the vertical plane using the substrate of the upper layer of the AFSIW allowing to reduce the occupied volume.For designing individual components, the bottom and top layers of AFSIW are useful for making multi-cavity components such as high-order filters. The coupling between each cavity of a filter classically taking place on the same plane, as the order of the filter increases, its length also increases. The transition between stacked cavities proposed in this thesis offers another possibility for the design of such components in the case where the allocated horizontal space is insufficient.The overall objective of this thesis is to provide a new possibility for the spatial organization of a radio frequency transceiver. In order to provide a proof of concept, the design of an antenna is also proposed in this thesis leading to a system comprising the assembly: antenna, filter and amplifier. Each component is located on a different layer and the filter's resonant cavities are also positioned on different layers. Compared to the state of the art where the components are connected on the same horizontal plane, the results obtained demonstrate the possibility of connecting components vertically. These two approaches to connecting components (exploiting both the horizontal and vertical plane) thus offer more degrees of freedom for optimal use of 3D space, which is particularly critical for spatial communications due to occupied volume constraints at satellite level.
La technologie des guides d’ondes et celle des circuits imprimés (PCB en anglais) constituent deux jalons dans l’histoire de l’ingénierie des micro-ondes. Les guides d’ondes sont à l’origine de différents types de dispositifs passifs tels que les antennes ou les filtres alors que la technologie des PCB a permis d’intégrer les composants actifs tels que les amplificateurs ou les mélangeurs sur de petits volumes. Les composants passifs basés sur les guides d’ondes présentent des avantages tels que de faibles pertes d’insertion, une capacité de tenue en puissance élevée et un blindage intrinsèque. La technologie des guides d’ondes intégrés au substrat (SIW en anglais) proposée dans les années 2000 a réduit la taille des guides d’ondes volumiques en combinant deux technologies : les guides d’ondes métalliques et les PCBs. Elle permet d’obtenir des pertes d’insertion relativement faibles, un blindage intrinsèque et de faibles dimensions. Le SIW simplifie l’intégration des dispositifs passifs basés sur des guides d’ondes avec les dispositifs actifs sur PCB. Afin d’optimiser ses performances, la technologie SIW a évolué avec l’introduction du guide d’ondes intégré au substrat rempli d’air (AFSIW en anglais). La cavité d’air à l’intérieur de l’AFSIW permet de réduire considérablement les pertes diélectriques. L’AFSIW a alors été appliquée à la conception de dispositifs passifs tels que des filtres, antennes ou déphaseurs.Ces dispositifs sont conçus sur un plan unique et leurs interconnexions pour concevoir un système, tel qu’un émetteur ou récepteur radiofréquence (RF) nécessitant l’association de composants, se fait également sur le même plan. Toutefois, la structure multicouche de l’AFSIW offre de nouvelles possibilités de conceptions en utilisant ses couches inférieure et supérieure. Les composants peuvent être empilés et connectés par des transitions verticales. Le travail de cette thèse exploite la structure multicouche de l’AFSIW pour « verticaliser » un système. L’exploitation des couches inférieure et supérieure est étudiée d’une part pour la connexion de composants et d’autre part pour leur conception individuelle.Pour la connexion de composants, la plupart des transitions entre SIW, AFSIW et lignes micro ruban sont réalisées sur le même plan mais cela augmente considérablement la longueur des circuits. Au contraire, la transition entre la cavité de l’AFSIW et la ligne micro ruban proposée dans cette thèse peut être utilisée pour superposer des composants passifs et actifs sur le plan vertical en utilisant le substrat de la couche supérieure de l’AFSIW pour réduire le volume occupé.Pour la conception de composants, les couches inférieure et supérieure de l’AFSIW sont utiles pour réaliser des composants multi-cavités comme des filtres d’ordre élevé. Le couplage inter cavité d’un filtre se faisant classiquement sur le même plan, l’ordre du filtre augmentant, sa longueur augmente aussi. La transition entre cavités empilées proposé dans cette thèse offre une autre possibilité pour la conception de tels composants quand l’espace horizontal alloué serait insuffisant.L’objectif global de cette thèse est de fournir une nouvelle possibilité pour l’organisation spatiale d’un émetteur-récepteur RF. Afin de fournir une preuve de concept, la conception d’une antenne est aussi proposée permettant d’aboutir à un système comprenant l’ensemble : antenne, filtre et amplificateur. Chaque composant et cavités résonantes du filtre sont situés sur des couches différentes. Comparés à l’état de l’art où les composants sont connectés sur un même plan horizontal, les résultats obtenus démontrent la possibilité de connecter verticalement des composants. Ces deux approches de connexion de composants (exploitant le plan horizontal et vertical) offrent plus de liberté pour une utilisation optimale de l’espace 3D, particulièrement critique pour les communications spatiales en raison des contraintes sur le volume occupé dans les satellites.
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tel-04558953 , version 1 (25-04-2024)

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  • HAL Id : tel-04558953 , version 1

Cite

Jingwen Zhang. Low-cost Millimeter antenna system based on the technology Air-filled SIW for satellite telecommunication application. Optics / Photonic. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2024. English. ⟨NNT : 2024GRALT002⟩. ⟨tel-04558953⟩
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