Academic literature on the topic 'Dépointage électronique'

Cette thèse porte sur l'étude, la conception et la réalisation d'antennes à réseau transmetteur à reconfiguration électronique de faisceau. Un réseau transmetteur se compose d'une ou plusieurs sources focales qui illuminent un réseau de cellules élémentaires. La puissance incidente sur le réseau est transmise dans l'espace libre comme dans le cas d'une lentille. Des déphaseurs sont intégrés sur le réseau afin de contrôler la distribution de phase sur l'ouverture de l'antenne. En modifiant cette distribution de phase, nous pouvons générer un faisceau dans une direction donnée et/ou synthétiser un diagramme avec un gabarit défini. Les performances théoriques des réseaux transmetteurs sont analysées en détail en utilisant un simulateur numérique ad hoc basé sur un modèle analytique. Une technique pour la réduction de la distance focale basée sur l'utilisation de plusieurs sources focales et une méthode de réduction des pertes par débordement en utilisant une source focale à faisceau formé sont aussi présentées. Un prototype de réseau transmetteur à reconfiguration électronique de faisceau en bande X a été conçu, réalisé et caractérisé. Ce prototype, en polarisation linéaire, se compose de 20×20 cellules élémentaires. 800 diodes PIN ont été intégrées sur ce réseau afin de contrôler la phase de transmission de chaque élément rayonnant. Un gain maximal dans l'axe de 22,7 dBi, une bande passante de 1,56 GHz (15,6% à 10 GHz), un rendement total de 52,9% et une capacité de dépointage 2D de ±70° ont été mesurés. Enfin la possibilité d'utiliser des interrupteurs MEMS pour réduire les pertes d'insertion de la cellule élémentaire et la consommation totale de puissance a été étudiée
This PhD thesis investigates the design and realisation of electronically reconfigurable transmit-array antennas. A transmit-array is composed of one or more focal sources illuminating a first antenna array operating in receive mode and connected, using phase-shift elements, to a second antenna array operating in transmission mode. The incident power received on the first array, as in the case of a lens, is transmitted in the free space and can be focused or collimated by tuning the transmission phase of the unit-cells in order to obtain a specific phase distribution across the array aperture. Beam-steering and beam-forming can be achieved using electronically tunable unit-cells. A theoretical study of transmit-arrays performances has been carried out using an in-house CAD tool based on analytical formulas. The reduction of the focal distance using multiple feeds and the reduction of the spill-over losses using a beam-formed focal source have been investigated as well. A linearly-polarized electronically reconfigurable transmit-array at X-band frequencies has been designed and demonstrated. This prototype is composed of 20×20 unit-cells. 800 PIN diodes have been integrated on the array in order to control the transmission phase of each unit-cell. A maximum broadside gain of 22,7 dBi, a bandwidth of 1,56 GHz (15,6% at 10 GHz), a total efficiency of 52,9% , and a 2D beam-steering capability of ±70% have been measured. Finally, the use of RF-MEMS switches to reduce the unit-cell insertion losses and the transmit-array total power consumption has been investigated

De nos jours, les antennes à réseaux transmetteurs attirent un grand intérêt pour de nombreuses applications civiles et militaires aux bandes de fréquence comprises entre 10 et 110 GHz (réseaux de communication 5G, liens point à point, radars, etc.).Le travail de thèse vise à faire des innovations dans la modélisation et la conception d'antennes à réseaux transmetteurs pour des applications en bande Ka (28-40 GHz). Il porte plus précisément sur le développement d'outils numériques pour l’analyse théorique des réseaux transmetteurs, la conception et la démonstration de plusieurs prototypes avec des fonctionnalités avancées, telles que des réseaux transmetteurs passifs (larges bandes ou à multifaisceaux) et actifs (à reconfiguration électronique).La première partie des travaux consiste en une analyse théorique des réseaux transmetteurs. Dans un premier temps, l’impact de la méthode de compensation de phase sur les performances des réseaux transmetteurs est étudié. La loi de compensation de phase de l’onde quasi-sphérique incidente sur l’ouverture du réseau transmetteur est calculée en utilisant deux méthodes nommées compensation à phase constante et compensation par ligne à retard, et nous montrons que cette dernière permet d’augmenter la bande passante du réseau transmetteur et de corriger les erreurs de dépointage du faisceau. Dans un second temps, le principe de fonctionnement des réseaux transmetteurs facettés est décrit en détail. La simulation numérique du réseau transmetteur à trois facettes est validée au travers de simulations électromagnétiques 3-D. Pour un certain angle d’inclinaison, nous montrons que la bande passante et la capacité de dépointage du réseau transmetteur sont améliorées au détriment du gain.La suite des travaux porte sur la conception et le prototypage de deux réseaux transmetteurs passifs, dont l’un à faisceau collimaté et très large bande et l’autre à quatre faisceaux fixes. Les deux réseaux transmetteurs sont basés sur une cellule élémentaire à 3bits qui assure une double fonction à savoir la compensation de phase et la conversion de la polarisation linéaire en circulaire. Le réseau passif à faisceau collimaté présente un gain mesuré de 33,8 dBi (correspondant à une efficacité d'ouverture de 51,2%) et une bande passante à -3 dB supérieure à 15,9%. La distribution de phase du réseau transmetteur à quatre faisceaux a été optimisée par un algorithme génétique afin d’avoir des faisceaux dépointés à ± 25° dans le plan horizontal et le plan vertical à la fréquence d’optimisation.La dernière partie des travaux vise la conception d’un réseau transmetteur reconfigurable à 27-31 GHz. Dans un premier temps, une cellule élémentaire active à quatre états de phase (2 bits) en polarisation linéaire a été conçue et validée expérimentalement. Elle est composée de six couches métalliques imprimées sur trois substrats. Les éléments rayonnants sont des antennes patch rectangulaires comprenant chacun deux diodes PIN pour contrôler la phase de transmission. Le principe de fonctionnement de la cellule élémentaire a été validé expérimentalement avec des pertes d’insertion minimales de 1.6-2,1 dB et une bande passante en transmission (à 3 dB) de 10-12,1% pour les quatre états de phase 0 °, 90°, 180° et 270°. Cette cellule a ensuite été utilisée pour la conception d’un réseau transmetteur reconfigurable comprenant 14 × 14 cellules unitaires et 784 diodes PIN. Un prototype a été réalisé et caractérisé, il présente un gain maximum mesuré de 19,8 dBi, correspondant à une efficacité d'ouverture de 23,5%, et une bande passante à 3 dB de 4,7 GHz (26,2-30,9 GHz). Malgré quelques éléments défaillants, ce prototype valide le principe de fonctionnement et la faisabilité de réseaux transmetteurs en bande Ka avec une quantification de phase de 2 bits et constitue une des premières réalisations de ce type dans l’état de l’art actuel
Nowadays, transmitarray antennas are of great interest for many civil and military applications in frequency bands between 10 and 110 GHz (5G mobile networks, point-to-point communication systems, radars, etc.).This thesis aims to make major innovations in modeling and design of transmitarray antennas for Ka-band applications (28-40 GHz). It focuses on the development of numerical tools, and the design and demonstration of several prototypes with advanced functionalities, such as passive (broadband or multibeam) and active (at electronic reconfiguration) transmitarrays.The first part of the work consists of a theoretical analysis of the transmitarray antenna. In a first step, the impact of the phase compensation method on the performance of the transmitarray is studied. The phase compensation law of the quasi-spherical wave incident on the array aperture is calculated using two methods called constant phase compensation and true-time delay (TTD) compensation. The numerical results show that TTD compensation allows an increase of the transmitarrays bandwidth and a reduction of the beam squint as compared to constant phase-shift compensation. In a second step, the operating principle of facetted transmitarrays is described in detail. The numerical simulation of a 3-facet transmitarray is validated through 3-D electromagnetic simulations. For a certain facet angle, the bandwidth and the beam scanning capability of the TA are improved at the expense of the gain.The next step of the work concerns the design and prototyping of two passive transmitarray antennas, one with a collimated and a large bandwidth, and the other with four fixed beams. The two transmitarrays are based on a 3-bit unit-cell providing two functions, namely the phase compensation and the polarization conversion from linear to circular. The passive beam-collimated transmitarray exhibits a measured gain of 33.8 dBi (corresponding to an aperture efficiency of 51.2%) and a 3-dB gain-bandwidth larger than 15.9%. The quad-beam transmitarray phase distribution has been optimized by a genetic algorithm code coupled with an analytical tool. The array is designed to radiate four beams at ±25° in the horizontal and vertical planes at the optimization frequency.The last part of the work aims to the design of a 27-31 GHz reconfigurable transmitarray antenna. Initially, an active unit-cell with four phase states (2 bits) in linear polarization was designed and validated experimentally. It consists of six metal layers printed on three substrates. The radiating elements are rectangular patch antennas, each of them including two PIN diodes to control the transmission phase. The operating principle of the unit-cell has been experimentally validated with a minimum insertion loss of 1.6-2.1 dB and a 3-dB transmission bandwidth of 10-12.1% for the four phase states. 0°, 90°, 180° and 270°.Then, this unit-cell was used for the design of a reconfigurable transmitarray antenna comprising 14 × 14 unit cells and 784 PIN diodes. A prototype was realized and characterized, it presents a measured maximum gain of 19.8 dBi, corresponding to an aperture efficiency of 23.5%, and a 3-dB bandwidth of 4.7 GHz (26.2% at 30.9 GHz). Despite some faulty elements, this prototype validates the operating principle and the feasibility of Ka-band transmitarray antennas with a 2-bit phase quantization. It is one of the first demonstration of such an antenna in the current state of the art

Dans le domaine des télécommunications de nouvelle génération, le développement rapide des protocoles de communication en bande millimétrique et la diversification des réseaux terrestres et non terrestres, tels que les constellations de satellites en orbite basse (LEO), sont remarquables. La transition vers ces bandes de fréquences élevées est essentielle en raison de la saturation des bandes plus basses. Cependant, les signaux à ces fréquences subissent des pertes importantes dues à la propagation et à l'absorption atmosphérique, augmentant ainsi les coûts des systèmes antennaires nécessaires pour compenser ces pertes. Un système de balayage électronique du faisceau est également requis pour réduire les interférences, en focalisant les faisceaux sur chaque utilisateur. Dans ce contexte, les antennes de type réseau transmetteur (Transmit-Array, TA) émergent comme une solution prometteuse. Contrairement aux réseaux phasés traditionnels, elles ne nécessitent pas de réseau de formation de faisceau, réduisant ainsi les pertes, la complexité de conception et les coûts. Ces antennes, également appelées "lentilles discrètes", se composent de cellules unitaires périodiquement disposées qui déphasent localement le champ incident pour former et balayer le faisceau mécaniquement ou bien électroniquement.Cette thèse se concentre sur le développement des TAs à faisceaux reconfigurables pour les télécommunications en bande millimétrique. En intégrant des composants actifs tels que les diodes PIN, nous démontrons la capacité du réseau à contrôler électroniquement le gradient de phase sur son ouverture, permettant ainsi la formation et le balayage 2D variable du faisceau sur une large angle d’ouverture. Par ailleurs, cette thèse vise à concevoir des cellules unitaires reconfigurables qui assurent également une conversion de polarisation linéaire vers circulaire (PL-PC) avec une large bande passante et un faible taux d’ellipticité.Dans un premier temps, nous avons proposé et validé expérimentalement deux réseaux passifs en bande X et Ka, en introduisant un concept de cellule unitaire qui réalise une conversion PL-PC à large bande et avec de faibles pertes d’insertion. Cette cellule a démontré une transmission très efficace et des performances supérieures à l'état de l'art en termes de bande passante, de gain et de taux d’ellipticité. Nous avons réalisé deux TAs : un premier en bande X comportant 20×20 cellules et un deuxième en bande Ka composé de 70×70 cellules à très fort gain et très bonne efficacité d’ouverture.Suite aux performances prometteuses du concept passif, nous avons développé une configuration active dite reconfigurable. En intégrant une paire de diodes PIN, nous avons réalisé une commutation de phase 1-bit contrôlable électroniquement. L’étude a porté sur l'implantation des composants actifs, leur modélisation, l'intégration du réseau de polarisation des diodes à la cellule unitaire, et leur contrôle pour générer une loi de phase imposée par un cahier des charges. La cellule a été développée en bande X pour valider le concept, puis en bande Ka pour démontrer la faisabilité et les performances du concept en bande millimétrique pour les applications de cinquième génération (5G). Un réseau 14×14 cellules a été fabriqué en bande X (validation du concept), tandis qu’en bande Ka un réseau 20×20 cellules a été réalisé, centré à 27.5 GHz.Nous avons mis au point un système électronique utilisant un microcontrôleur et des cartes de multiplexage pour le contrôle dynamique de la polarisation des diodes lors des mesures. Nous avons prouvé la possibilité de réaliser un balayage électronique 2D entre ±60°, avec des taux d’ellipticité inférieurs à 2 dB. Ce concept s’avère prometteur pour des applications de type SatCom, avec un potentiel pour les stations au sol communiquant avec les constellations de satellites en orbite LEO, ainsi que pour des applications radar et le « backhauling » dans les réseaux hétérogènes 5G
In the field of next-generation telecommunications, the rapid development of millimeter-wave communication protocols and the diversification of terrestrial and non-terrestrial networks, such as low Earth orbit (LEO) satellite constellations are remarkable. The transition to these high-frequency bands is essential due to the saturation of lower frequency bands. However, signals at these frequencies experience significant losses due to propagation and atmospheric absorption, thereby increasing the costs of antenna systems needed to compensate for these losses. A beam scanning system is also required to reduce interference by focusing the beams on each user and minimizing radiation toward neighboring links.In this context, Transmit-Array (TA) antennas emerge as a promising solution. Unlike traditional phased arrays, they do not require a beam-forming network, thus reducing losses, design complexity, and costs. These antennas, also known as "discrete lenses," consist of unit cells periodically arranged that locally phase-shift the incident field to form and scan the beam mechanically or electronicallyThis thesis focuses on the development of reconfigurable beam Transmit-Array antennas for millimeter-wave telecommunications. By integrating active components such as PIN diodes, we demonstrate the network's ability to control electronically the phase gradient across its aperture, thereby enabling variable beam formation and scanning over a wide-angle range. Additionally, this thesis aims to design reconfigurable unit cells that also achieve linear-to-circular polarization (LP-CP) conversion with wide bandwidth and low ellipticity.Initially, we proposed and experimentally validated two passive networks in the X and Ka bands by introducing a unit cell concept that achieves wideband LP-CP conversion with low insertion loss. This cell demonstrated highly efficient transmission and superior performance in terms of bandwidth, gain, and ellipticity compared to the state of the art. We developed two Transmit-Array prototypes: the first one in the X band with 20×20 cells, whereas, the second one in the Ka band with 70×70 cells, featuring high gain and aperture efficiency.Following the promising performances of the passive concept, we developed an active or reconfigurable configuration. By integrating a pair of PIN diodes on each unit cell, we achieved electronically controllable 1-bit phase switching. The study focused on the implementation of components, their modeling, and the integration of the diode biasing network into the unit cell and their real time control. The cell was developed in the X band to validate the concept, and then in the Ka band to demonstrate the feasibility and performance of the concept in the millimeter-wave band for fifth-generation (5G) applications. A 14×14 cell array was fabricated in the X band, while a 20×20 cell array was realized in the Ka band, centered at 27.5 GHz.We developed an electronic system using a microcontroller and multiplexing boards for the dynamic control of diode polarization during measurements. We demonstrated the capability to achieve 2D electronic beam scanning between ±60°, with ellipticity levels below 2 dB. This concept proves promising for SatCom applications, with potential for ground stations communicating with LEO satellite constellations, as well as for radar applications and backhauling in heterogeneous 5G networks

Nous étudions la mise en oeuvre d ‘antenne à balayage électronique dédiés aux applications de communications par satellite géostationnaire. Les structures développées sont adaptées pour être embarquées dans un avion ou un train. L'architecture de l'antenne développée est constituée d’un double réseau linéaire dans deux dimmensions transverses. Le balayage dans chaque réseau linéaire est assuré par des lignes coplanaires à métamateriaux contrôlées par varactor. Nous porposons de nouvelles méthodes de caracterisation des discontinuités en ligne coplanaire pour la conception de la ligne. De plus, un système de prélèvement d'énergie a dû être conçu afin d'alimenter des éléments rayonnants et testé avec différentes antennes patch. Enfin, nous envisageons la co-intégration des structures rayonnantes et des lignes CRLH ainsi que le contrôle électronique par les diodes
We are studying the implementation of 'Scanning Antenna dedicated to the applications of satellite communications geostationary. The structures developed are suitable for to be on board an airplane or a train. The architecture of the antenna developed consists of a double linear network in two transverse dimmensions. The scan in each network is provided by the lines coplanar to metamaterials controlled by varactor. We porposons of new methods characterization of discontinuities coplanar online for the line design. In addition, a energy harvesting system has be designed to feed radiating elements and tested with patch different antennas. Finally, we are considering co-integration radiating structures and CRLH lines as well as control electronic by the diodes

Ce travail présente la conception de circuits actifs intégrés en vue d'une intégration dans une antenne à dépointage électronique pour les télécommunications par satellite en bande Ka. Tout d'abord, le manuscrit présente le contexte dans lequel se déroule l'étude, abordant les principaux concepts et caractéristiques de ce type d'antenne. Par la suite, deux blocs clés de la chaîne d’émission sont étudiés en détail et conçus : un amplificateur de puissance à gain variable et trois déphaseurs pilotables. Les circuits sont réalisés en utilisant deux technologies SiGe BiCMOS: BiCMOS9MW et SG13G2. Enfin, les résultats de simulation post-layout sont exposés et comparés aux spécifications du projet ainsi qu'à l'état de l'art
This work presents the design of active integrated circuits intended for integration into an electronically steered antenna for Ka-band satellite communications. Firstly, the manuscript introduces the context of the study, discussing the main concepts and characteristics of this type of antenna. Subsequently, two key blocks of the transmission chain are studied in detail and designed: a variable gain power amplifier and three controllable phase shifters. The circuits are implemented using two SiGe BiCMOS technologies: BiCMOS9MW and SG13G2. Finally, the post-layout simulation results are presented and compared to the project specifications as well as the state of the art