Добірка наукової літератури з теми "Réseaux phasés d’antenne"

La radioastronomie à basse fréquence vit aujourd’hui sa renaissance à travers la construction du Square Kilometre Array (SKA). Deux réseaux de milliers d’antennes, opérant dans les domaines de longueur d’onde métriques et centimétriques, permettront de cartographier les différentes phases de l’histoire de l’Univers, de l’apparition des premières sources lumineuses jusqu’aux systèmes d’astres évolués que nous observons aujourd’hui. Mais SKA n’est pas seulement un grand observatoire astronomique : il s’agit d’un projet international qui fait face à des défis considérables, en bénéficiant de la plus grande variété de cultures et de compétences du monde entier.

Les télécommunications mobiles, afin de subvenir à leurs insatiables besoins, trouvent des moyens d’améliorer leurs capacités depuis maintenant plus de trente ans. En 2019 la cinquième génération (5G) est à l’épreuve afin de garantir une connexion non seulement au marché des téléphones mobiles toujours croissant, mais aussi au vaste univers de l’internet des objets (IoT). Afin de pouvoir remplir ses objectifs, la 5G marque une expansion sans précédent en matière de bandes de fréquences utilisées. En effet, des bandes jusqu’à 60 GHz et plus font partie des ambitions du réseau et cela implique de radicaux changements technologiques qui impactent toute l’électronique dédiée. Nouvelles fréquences plus élevées, pertes de propagation dans l’air plus élevées et niveau d’exigences relevé, les réseaux phasés d’antenne sont introduits pour pallier à toutes ces contraintes et imposent une toute nouvelle architecture système et une interface inédite pour les front-end RF des communications mobiles.Dans ce travail, nous proposons donc une analyse de ces réseaux d’antennes phasés et des contraintes qu’ils représentent en particulier pour les amplificateurs de puissance (PA), tel que la variation de charge parasite et le comportement des composantes générées par le comportement non-linéraire de ces derniers. Une évaluation de la variation de charge active due aux différents couplages existants dans les réseaux d’antennes est proposée ainsi que de son impact sur la performance des amplificateurs notamment en termes d’efficacité (PAE). Le comportement des non-linéarités telles que les produits d’intermodulation du troisième ordre (IMD3) est montré dans les réseaux d’antennes. Un concept utilisant le principe de génération et d’orientation de faisceau des réseaux d’antennes est proposé, permettant de relâcher les contraintes de linéarité des amplificateurs 5G et ainsi de permettre une réduction de leur consommation d’énergie. Une implémentation d’un PA utilisant ce principe est démontrée en technologie ST CMOS 65 nm PD-SOI à 28 GHz
Mobile telecommunications, in order to support its insatiable needs, has been finding ways to improve its capabilities for over thirty years now. In 2019 the fifth generation (5G) is on trial to ensure connection not only to the ever-growing cell phone market, but also to the vast world of the Internet of Things (IoT). In order to meet its goals, 5G marks an unprecedented expansion in the frequency bands used. Indeed, bands up to 60 GHz and beyond are part of the network's ambitions and this implies radical technological changes that impact all dedicated electronics. New higher frequencies, higher propagation losses in the air, and higher requirements, antenna phased arrays are introduced to overcome all these constraints and impose a completely new system architecture and interface for the RF front-end of mobile communications.In this work, we propose an analysis of these phased antenna arrays and the constraints they represent particularly for power amplifiers (PA), such as the parasitic load variation and the behavior of the components generated by the non-linear behavior of the latter. An evaluation of the active load variation due to the different coupling existing in the antenna networks is proposed as well as its impact on the performance of the amplifiers, particularly in terms of power added efficiency (PAE). The behavior of nonlinearities such as third-order intermodulation products (IMD3) is shown in antenna arrays. A concept using the principle of beam generation and steering of antenna arrays is proposed, allowing for relaxing the linearity constraints of 5G amplifiers and thus allowing a reduction of their power consumption. An implementation of an AP using this principle is demonstrated in ST CMOS 65 nm PD-SOI technology at 28 GHz

De nos jours, les communications sans fil sont devenues un moyen incontournable et universel d'échange d'un large éventail d'informations entre différents systèmes, certains d'entre eux étant en mouvement comme des drones parmi tant d'autres. Dans le contexte de cette thèse nous considérons une liaison entre un projectile et une station de base. La géométrie de la structure ainsi que les contraintes aérodynamiques d'un tir balistique impliquent l'utilisation d'antennes patchs dans la partie conique à l'avant du projectile. Ce type d'antenne est facile à intégrer à une plate-forme en tant que réseau conformé tout en respectant les contraintes d'encombrement. Ces communications doivent être fiables et discrètes dans un environnement perturbé ou hostile. Les diagrammes de rayonnement du réseau d'antennes doivent présenter des caractéristiques spécifiques, notamment dans le cas particulier d'objets volants et possédant une rotation en roulis (rotation autour de son axe) qui impliquent l'utilisation d'un réseau phasé et commuté par rapport à sa position. Une antenne qui présenterait un rayonnement fixe assurerait une liaison avec un interlocuteur, mais rayonnerait également dans d'autres directions sensibles ce qui pourraient interférer avec la communication principale. La solution qui consiste à activer et désactiver des sous-réseaux verticaux afin d'orienter le lobe principal dans la plan orthogonal à la pointe semble être en accord avec les contraintes de la structure tournante. Un réseau conique a été étudié puis 2 prototypes ont été fabriqués, dont un à l'ISL. Les sous-réseaux sont répartis de manière égale autour de la pointe de façon à pouvoir rayonner dans toutes les directions. De plus, chaque sous-réseau est composé de trois éléments ce qui permet d'orienter également le lobe principal dans le plan longitudinal de la pointe (le long de l'axe du projectile) grâce à un dépointage électronique. Un système électronique de formation de faisceaux a été développé dans le but de contrôler 12 éléments rayonnants. Le réseau d'antennes ainsi que le circuit de répartition ont été caractérisés dans un premier temps de manière indépendante afin d'optimiser les lois de phase nécessaires à dépointer le lobe à partir des pondérations mesurées. Au final, le réseau de 12 éléments associé à son système d'alimentation dédié a été mesuré dans les chambres anéchoïques de DGA-MI et de l'ISL et les mesures sont en accord avec les simulations
Nowadays wireless communications have become a useful and universal mean to exchange a wide range of information between different systems, some of them being moving, as UAVs among others. In this context we consider here the link between a projectile and a base station. The shape of the structure and the aerodynamic constraints involve the use of patch antennas in the conical front part. This class of antenna is easy to be integrated into the platform as a conformal array, while respecting space constraint. Communications have to be reliable and discrete in disturbed or hostile environment. Antennas array radiation patterns must have some specific characteristics, in particular in the case of flying objects with spin which involves the use of a switched phased array considering its roll position. A fixed-radiation pattern antenna may presents a relevant level or gain toward the interlocutor, but also toward sensitive directions, in which may be located others systems, interfering with the current communication. The solution to switch on and off vertical sub-arrays to steer the beam in the azimuthal plane seem convenient ant fitting the requirements of rotating platform. A conical phased array was studied and two prototypes were manufactured, one at ISL. Sub-arrays are distributed around the conical shape in order to be able to radiate in each direction. Moreover, each sub-array are composed of three radiating elements allowing to steer the main antenna beam in many direction (along the projectile fuze axes). A beam forming network was developed to control the 12 radiating elements conical array. The antenna array and the feeding network were characterized independently in order to optimized the phase of each radiating element. Finally, measurements were done on the whole system in the DGA-MI and ISL anechoic chambers and are in good agreement with simulation results

Aujourd’hui média incontournable d’échange d’informations, les ondes électromagnétiques sont plus que jamais présentes dans notre environnement. Le nombre toujours croissant d’appareils connectés appelle à une meilleure utilisation des ressources spectrales disponibles. Dans le cadre particulier des télécommunications avec un projectile, étudié dans cette thèse, les communications doivent en plus être discrètes et fiables dans un environnement hostile. Dans le contexte général des télécommunications comme dans ce dernier domaine d’application, le filtrage spatial reconfigurable dynamiquement permis par les réseaux d’antennes offre ainsi de nombreux atouts pour les défis présents et à venir. Le contrôle de réseaux d’antennes nécessite une électronique fonctionnant en cohérence et en alignement de phase. Dans une précédente thèse, un système analogique a permis de dépointer vers une station alliée le lobe principal d’un réseau embarqué dans un projectile, durant toute la trajectoire de ce dernier. Ce système n’autorise cependant que 16 configurations pour le diagramme de rayonnement du réseau et n’est fonctionnel qu’autour de 5,2 GHz. Par opposition, la radio logicielle utilise des composants large-bande programmables, qui permettent le traitement des signaux reçus ou à émettre en bande de base numérique. Son utilisation rendrait ainsi possible un contrôle du diagramme de rayonnement du réseau plus précis et un fonctionnement sur de larges bandes de fréquences. Cette technologie reste pourtant encore peu utilisée dans le cadre des applications à cohérence de phase. Ces travaux étudient donc les possibilités offertes par la radio logicielle pour les applications à cohérence, avec la contrainte supplémentaire d’alignement des phases, à travers les télécommunications avec un projectile. Des réseaux d’antennes de géométries linéaire et planaire sont étudiés. Un système de contrôle d’antennes de 4 voies en réception et émission est conçu à partir de radios logicielles commerciales. Des solutions, distinctes pour la réception et l’émission de données, sont développées pour assurer une compensation automatisée des déphasages entre les voies. Plusieurs algorithmes de traitement d’antennes et d’estimation d’angle d’arrivée (DOA) sont implémentés en C++. Les équipements disponibles ne permettant une mesure automatisée des diagrammes de rayonnement des réseaux pilotés par radios logicielles, un montage expérimental est proposé. Les performances du système sont alors quantifiées en chambre anéchoïque pour des réseaux d’antennes de différentes géométries et des fréquences de fonctionnement allant de 2,3 à 5,2 GHz. Selon le réseau piloté, le lobe principal ou un nul de rayonnement peuvent être dépointés dans des plages angulaires allant de 60 à plus de 100°, selon une ou deux dimensions. Les algorithmes implémentés sont également utilisés pour développer une station au sol de suivi de projectile basée sur l’estimation de DOA de l’émetteur embarqué dans le projectile et testée en conditions réelles. Plusieurs projectiles volant à une vitesse proche de celle du son sont alors correctement suivis électroniquement. Le rapport signal à bruit du signal recombiné grâce à la station de suivi est plus de 5 dB supérieur à celui d’une unique antenne du réseau et les données de vol du projectile sont correctement décodées
As a wireless way to exchange information, electromagnetic waves are more omnipresent in our environment than ever. The ever increasing number of connected devices calls for a better use of the available spectrum. In the particular case of telecommunications with a projectile, which is the case of study in this thesis, communications must also be discreet and reliable, even in a hostile environment. In the general framework of telecommunications as well as in this particular field of application, antenna arrays and the dynamic spatial filtering they allow offer multiple advantages for present and future challenges. Antenna array steering requires phase coherent and phase aligned functioning from the control electronics. In a previous PhD thesis, an analog system allowed beam steering of the array embedded in a projectile towards a base station at all times during projectile flight. However, this system was only able to switch between 16 different configurations for the embedded array radiation pattern and was functional only around a 5.2 GHz working frequency. On the other hand, Software Defined Radio (SDR) uses wide-band programmable components thanks to which received or generated signals can be processed in digital baseband. Therefore, using SDR would allow for a more precise control of the radiation pattern over large frequency bandwidths. Despite these promises, this technology remains rarely used for phase coherent applications. This work hence studies possibilities provided by commercial SDR for phase coherent applications. Telecommunications with a projectile, which also require phase alignment, constitute the considered application. Linear and planar antenna arrays are studied. An antenna weighting system of 4 channels for both data reception and transmission is assembled using commercial SDR. Distinct solutions are developed for data reception or transmission in order to automate phase shift compensation between channels. Several antenna weighting and Direction of Arrival (DOA) algorithms are implemented in C++. As the available equipment does not allow the automated measurement of the radiation pattern of antenna arrays when steered by SDR, a dedicated experimental setup is proposed. The developed system performance is then quantified in an anechoic environment for arrays of different geometries, and working frequencies from 2.3 to 5.2 GHz. Depending on the measured array, the main lobe or null can be steered within 60 to more than 100° along 1 or 2 dimensions. The implemented algorithms are also used to develop a projectile tracking station based on DOA estimation of the transmitter embedded in the projectile. The resulting station is tested with several projectiles flying at a speed close to Mach 1. The projectiles are electronically followed by the system as expected from simulations. The signal to noise ratio of the station combined signals is superior to that of a single element signal by more than 5 dB, and transmitted flight data is correctly decoded

Le travail présenté dans ce mémoire traite de l’étude comportementale, de la conception et de la validation d’une nouvelle architecture, basée sur le couplage d’O.C.T différentiels, appliquée à la commande électronique de l’orientation du diagramme de rayonnement d’un réseau d’antennes linéaire. Après avoir optimisé la structure de l’O.C.T différentiel, qui constitue le corps du circuit de commande, selon une méthode graphique qui visualise les différentes contraintes imposées par le système afin de minimiser son bruit de phase et sa consommation, l’O.C.T à sorties différentielles a été réalisé en technologie NXP BiCMOS SiGe 0,25 μm puis mesuré en boîtier. Etant donné que la direction de rayonnement d’une antenne réseau dépend de la valeur du déphasage imposé entre les signaux envoyés sur deux antennes adjacentes, les équations théoriques modélisant deux O.C.T couplés et permettant d’extraire les amplitudes et le déphasage entre les différents signaux ont été décrites. La dernière étape a alors consisté en la réalisation de deux réseaux constitués respectivement de deux et de quatre O.C.T couplés au moyen d’une résistance puis d’un transistor MOS fonctionnant en zone ohmique. L’approche de couplage proposée a été validée en se basant sur les résultats de mesures effectués. De plus, l’impact de l’utilisation de structures différentielles sur la plage de déphasage obtenue et donc sur le dépointage réalisé a également été présenté ce qui nous a permis de conclure sur l’efficacité du circuit de commande proposé
The work presented in this thesis deals with the study, design, and validation of a new architecture based on the coupling of differential voltage controlled oscillators (VCO) applied to the beamsteering of a linear antenna array. After optimizing the differential VCO structure, with a graphical optimization approach while satisfying design constraints imposed, in order to minimize the phase noise and power consumption, the differential VCO was realized in NXP BiCMOS SiGe 0.25 µm process and then measured. Since the radiation direction of an antenna array depends on the phase difference imposed between the two signals on adjacent antennas, the theoretical equations modeling two coupled VCOs, and allowing the extraction of the amplitude and phase difference between the outputs signals have been presented. The last step was the realization of two arrays consisting respectively of two and four VCOs coupled through a resistor and a MOS transistor operating in the triode region. The proposed coupling approach is validated based on the obtained measurement results. Furthermore, the impact of the use of differential structures on the phase shift range obtained and thus on the beam-scanning range achieved was also presented allowing to conclude on the efficiency of the proposed architecture

Ce travail de thèse, réalisé au Lab−STICC, dans le cadre du projet ANR MUFRED, porte sur l’étude, la conception et le développement de dispositifs hyperfréquences reconfigurables à base de dioxyde de vanadium (matériau à transition isolant-métal). Ce projet, multidisciplinaire – allant du dépôt et l’étude du matériau à la conception et la caractérisation de dispositifs RF en passant par une commande optique – vise à démontrer les performances du VO2 en tant qu’élément d’accord pour une commutation rapide (une dizaine de nanosecondes) à ultra-rapide (une centaine de picosecondes, selon la littérature). Pour ce faire, ce travail débute par une caractérisation du dioxyde de vanadium en tant qu’élément de commutation avant de l’intégrer dans des dispositifs reconfigurables.Ainsi, les premiers commutateurs SPST, SP2T et SP4T à base de VO2 sont conçus pour un contrôle de la transition isolant-métal par commande électrique et optique. Ces commutateurs sont par la suite utilisés dans la conception de déphaseurs reconfigurables 1-bit (déphasage relatif de 0° et − 45°) et 2-bits (déphasage relatif de 0°, − 90°, − 180°, − 270°) de type « True Time Delay » à lignes commutées.La suite du travail porte sur le démonstrateur ciblé par le projet MUFRED, i.e. un réseau d’antennes phasé reconfigurable à base de commutateurs de VO2. Les performances de chacun des blocs RF intervenant dans sa conception sont décrites, présentées et analysées.Les premiers démonstrateurs réalisés ont permis d’envisager des perspectives d’amélioration à court et long terme
This thesis, conducted at Lab−STICC as part of the ANR MUFRED project, focuses on the study, the design and the development of reconfigurable microwave devices based on vanadium dioxide (a metal-insulator transition material). This multidisciplinary project – from material deposition and study to the design and characterization of RF devices by way of optical control – aims to demonstrate the VO2 performances as a tuning element for fast (about ten nanoseconds) to ultra-fast (about hundred picoseconds) switching.With this aim in mind, this work begins with a characterization of vanadium dioxide as a tuning element before integrating it into reconfigurable RF devices.Thus, the first VO2 based switches, SPST, SP2T and SP4T are designed for control of the metal-insulator transition with an electrical or optical command. These switches are subsequently used in the design of reconfigurable 1-bit (relative phase shift of 0° and − 45°) and 2-bits (relative phase shift of 0°, − 90°, − 180° and − 270°) switched lines True Time Delay phase shifters.Then this study focuses on the proof-of-concept targeted by the MUFRED project, i.e. a reconfigurable phased array antennas based on VO2 switches. The performances of each RF blocks involved in its design are described, presented and analyzed.The first demonstrators carried out make it possible to foresee prospects for improvement in the short and long term

Ces dernières années ont vu un fort engouement pour les télécommunications haut débit (>100Mbit.s-1) conjuguant réseaux ad hoc et réseaux traditionnels. Cependant, à 60 GHz en milieu confiné, ces types de réseaux sont confrontés aux problèmes de propagation multi-trajets et d’évanouissements. Une des solutions pour lutter efficacement contre ces problèmes est le développement d'antennes à agilité de faisceaux à base de MEMS RF. Dans ce cadre, l’objectif de ce travail a été de réaliser et de mettre à profit conjointement les performances des micro-commutateurs MEMS RF capacitifs et de nouvelles structures d'antennes. Néanmoins, la maturité de ces dispositifs MEMS RF n’est pas encore atteinte, et des problèmes liés à la fiabilité du diélectrique ou encore à la fiabilité mécanique ne sont pas complètement résolus. Ainsi, afin d’améliorer leur durée de vie, l'étude se focalise dans un premier temps sur l’optimisation de la contrainte mécanique de la membrane et sur la compréhension des propriétés des différents nitrures de silicium amorphes hydrogénés SiNx : H, élaborés par PECVD, au travers de caractérisations optique, structurale et électrique. Le deuxième volet de ce travail, concerne la conception, la réalisation et la caractérisation de nouvelles structures d’antennes millimétriques excitées par une ligne coplanaire CPWFA (CPW Fed Aperture). La conception de l’élément rayonnant suspendu sur un packaging de type level 0 permet en particulier de protéger les MEMS RF de leur environnement et d’assurer leur bon fonctionnement. Ces antennes, développées sur un procédé « wafer Scale Packaging », offrent d’une part de bonnes performances en termes d’efficacité (>80%), de polarisation (circulaire, linéaire ou mixte) et d’autre part une encapsulation collective bas coût. Ces dispositifs réalisés sur GaAs Haute Résistivité (HR) pour une intégration monolithique compatible au procédé « above IC » permettent d'entrevoir un grand nombre d’applications télécoms et CND
We have seen recently a great interest in high data rate (>100 Mbit s-1) indoor Local Area Networks combining ad hoc and more traditional networks. However, at 60GHz in a confined environment, theses networks pose issues due to multipath effects and fadings. One solution to combat effectively against these problems is the development of band beam agility antenna based RF-MEMS. In this context, the objective of this thesis was to make and to use jointly the performances of fabricated capacitve RF-MEMS (MicroElectroMechanical System) switches and new antenna structures. However, the maturity of these RF MEMS devices is not yet realised, and problems related to the dielectric reliability or mechanical reliability are unsolved. Thus, in order to improve their lifetime, this study focuses at first on optimizing the mechanical stress of membranes and understanding the properties of various films of hydrogenated amorphous silicon nitrides SiNx : H, elaborated by employing plasma enhanced chemical vapor deposited (PECVD) techniques evaluated through optical, structural and electrical experimental results. The second part of this work concerns the design, fabrication and characterization of new antennas millimeter wave excited by a coplanar line CPWFA (CPW Fed Aperture). The design of the radiating element suspended on packaging Level 0 allows in particular RF MEMS to ensure a good behaviour in a real environment. These antennas, developed on a process “Wafer Scale Packaging” propose, an excellent performance in terms of efficiency (>80%), polarization (circular,linear or mixed) and also overall wafer-level packaging at low cost. These systems fabricated on high resistivity (HR) GaAs substrate for a compatible monolithic integration of an “above IC” type process offers great potential for many telecommunications applications and others e.g. non distructive testing (NDT)

L’imagerie par résonance magnétique (IRM) est un outil d’investigation majeur donnant accès de manière non invasive à des nombreuses informations quantitatives et fonctionnelles. La qualité des images obtenues (rapport-signal-sur-bruit, RSB) est cependant limitée dans certaines applications nécessitant des résolutions spatiales et/ou temporelles poussées. Afin d’améliorer la sensibilité de détection des équipements d’IRM, diverses orientations peuvent être suivies telles qu’augmenter l’intensité du champ magnétique des imageurs, améliorer les performances des systèmes de détection radiofréquence (RF), ou encore développer des séquences d’acquisition et des techniques de reconstruction d’images plus efficaces. La thématique globale dans laquelle s’inscrit cette thèse concerne le développement des systèmes de détection RF à haute sensibilité pour l’IRM à haut champ chez l’homme. En particulier, des antennes auto-résonantes basées sur le principe des lignes de transmission sont utilisées parce qu’elles peuvent être réalisée sur substrat souple. Cette adaptabilité géométrique du résonateur permet d’ajuster précisément sa forme aux spécificités morphologiques de la zone anatomique observée, et ainsi d’augmenter le RSB. La première visée technologique de ce projet concerne le développement, de la conception jusqu’à la mise en œuvre dans un appareil 7 T corps entier, d’un système de détection RF flexible à haute sensibilité, utilisant des antennes miniatures associées en réseau. L’utilisation d’un réseau d’antennes miniatures permet d’obtenir des images sur un champ de vue élargi tout en conservant la haute sensibilité inhérente à chaque antenne miniature. De plus, la technologie de l’imagerie parallèle devient accessible, ce qui permet d’accélérer l’acquisition des images. De surcroît, un nouveau schéma de résonateur de ligne transmission avec un degré de liberté supplémentaire est introduit, ce qui permet de réaliser de grands résonateurs multi-tours pour l’IRM à haut champ. Cette thèse décrit le développement, la mise en œuvre et l’évaluation des nouveaux systèmes de détection RF au moyen de simulations analytiques et numériques, et des études expérimentales
Magnetic resonance imaging (MRI), among other imaging techniques, has become a major backbone of modern medical diagnostics. MRI enables the non-invasive combined, identification of anatomical structures, functional and chemical properties, especially in soft tissues. Nonetheless, applications requiring very high spatial and/or temporal resolution are often limited by the available signal-to-noise ratio (SNR) in MR experiments. Since first clinical applications, image quality in MRI has been constantly improved by applying one or several of the following strategies: increasing the static magnetic field strength, improvement of the radiofrequency (RF) detection system, development of specialized acquisition sequences and optimization of image reconstruction techniques. This work is concerned with the development of highly sensitive RF detection systems for biomedical ultra-high field MRI. In particular, auto-resonant RF coils based on transmission line technology are investigated. These resonators may be fabricated on flexible substrate which enables form-fitting of the RF detector to the target anatomy, leading to a significant SNR gain. The main objective of this work is the development of a flexible RF coil array for high-resolution MRI on a human whole-body 7 T MR scanner. With coil arrays, the intrinsically high SNR of small surface coils may be exploited for an extended field of view. Further, parallel imaging techniques are accessible with RF array technology, allowing acceleration of the image acquisition. Secondly, in this PhD project a novel design for transmission line resonators is developed, that brings an additional degree of freedom in geometric design and enables the fabrication of large multi-turn resonators for high field MR applications. This thesis describes the development, successful implementation and evaluation of novel, mechanically flexible RF devices by analytical and 3D electromagnetic simulations, in bench measurements and in MRI experiments