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Nouvelles antennes millimétriques à lentille utilisant des structures périodiques poreuses en plastique.

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Pourahmadazar, Javad (2018). Nouvelles antennes millimétriques à lentille utilisant des structures périodiques poreuses en plastique. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en télécommunications, 196 p.

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Résumé

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variation progressive de l’indice de réfraction d’un milieu hôte pour améliorer la conception de nouveaux dispositifs à micro-ondes 1. Ainsi, ces modifications du milieu hôte peuvent être utilisées pour produire des lentilles pour tous les spectres électromagnétiques à surfaces planes, ou volumes 3D ne présentant pas les aberrations des lentilles sphériques traditionnelles ou présentant un gradient de réfraction avec des variations sphériques, axiales ou radiales [1, 2]. Ce gradient de réfraction peut être réalisé dans un milieu homogène ou inhomogène en utilisant des méthodes soustractives ou additives comme technique de contrôle de la porosité du matériau. La porosité, ou fraction de vide, est une méthode technologique de contrôle de la permittivité permettant de mesurer le vide comme méthode soustractive en réduisant le milieu hôte ou en utilisant un ratio du remplissage de matériau comme méthode additive, qui peut avoir un pourcentage entre 0 % et 100 %, pour réaliser la plate-forme finale [3]. Les structures poreuses intégrées dans le cadre homogène ont des intérêts scientifiques et trouvent leur utilité dans la conception de lentilles GRIN en raison de leur capacité à atteindre la permittivité virtuelle voulue dans la masse du matériau. Sans surprise, le contrôle de la permittivité virtuelle traditionnelle avec des matériaux poreux impliquant des diélectriques en réduisant la densité (taux de remplissage) des trous sphériques ou cylindriques était déjà prouvée dans les années 1950 de même que toutes les techniques avec l’ordre de conception de haute liberté qui pourrait être produit avec un processus de fabrication additif [4]. Malheureusement, ces résultats n’ont pas reçu beaucoup d’attention aujourd’hui malgré l’analyse très intéressante et précise. Dans les années 1950, la première analyse visant à contrôler la permittivité virtuelle, en utilisant un tableau de cellules sphériques et cylindriques dans le Téflon et le polystyrène, a été étudiée et prouvée avec des expressions mathématiques [5, 4]. Sur la base des analyses de pores cylindriques, pour un rapport longueur-diamètre élevé, le contrôle de la permittivité est directement lié à l’orientation des champs électriques et des axes de pores cylindriques. En utilisant ces méthodes de porosité, le contrôle de la permittivité dans les plages comprises entre 1,1 et la permittivité du milieu hôte peut être obtenu. Pour élargir cette gamme, des matériaux liquides à cellules poreuses tels que le mélange acétonitrile/ benzène peuvent être utilisés pour remplir et augmenter la permittivité relative du milieu hôte jusqu’à = 37. Dans cette thèse, nous avons introduit des concepts innovants et optimisés dans le cadre des communications mmWave, à savoir antennes optiques non magnétiques à gradient de réfraction. Les deux idées sont destinées à améliorer les technologies de fabrication actuelles pour les dispositifs GRIN dans le spectre mmWave: la lentille Lüneburg et les plaques zonales de Fresnel (FZP) dans le cadre homogène. D’une part, la porosité du matériau peut être utile pour simplifier la conception de permittivité virtuelle, non seulement dans les étapes de mise en oeuvre et de mesure, mais aussi pour activer des cellules potentielles avec de nouvelles propriétés à large bande et des schémas simplifiés de de contrôle de la permittivité basées sur la porosité du matériau peuvent également faciliter le développement de nouvelles techniques de conception de dispositifs GRIN pour les applications de lentilles. En fait, l’introduction de la théorie des matériaux basée sur le traitement de la porosité est l’une des méthodes les plus encourageantes pour contrôler la permittivité intrinsèque du matériau. En conclusion, en ce qui concerne la vaste gamme d’applications du contrôle de la permittivité avec des structures poreuses, nous pouvons prévoir plusieurs cas d’utilisations passionnantes pour le design gradué du support dans les objets planaires ou 3D. En raison de la vaste collection d’utilisation, ce concept proposé utilise des dispositifs d’impression 3D (certains d’entre eux ont été confirmés expérimentalement dans cette thèse), et le projet présenté peut motiver le développement d’une forme innovante de dispositif de lentilles plus efficaces sous forme d’antenne dans les domaines de la communication mmWave. Les avantages de cette conception de la permittivité virtuelle en utilisant des approches homogènes diélectriques ou métalliques complètes comprennent: (i) une simplification notable des configurations graduées actuellement requises et basées sur l’approche de changement de matériau pour obtenir la variété équivalente de fonctionnalités; (ii) la possibilité de réaliser des dispositifs GRIN tout optique pour des applications de conception d’antennes de lentilles, avec développement de plages d’impression de mm à nm à atteindre, jusqu’à présent, grâce à une technologie de fabrication additive largement utilisée de nos jours; et (iii) le reste significatif des difficultés pratiques antérieures de conception de milieu GRIN dans les procédés de fabrication des dispositifs de lentilles est résolu. Tous les schémas proposés apparaissent comme des solutions stables et fiables pour des conceptions de lentilles GRIN efficaces pour des applications pratiques, et ils peuvent également être entièrement intégrés dans l’industrie pour une fabrication à court terme. Dans l’ensemble, nous nous attendons à ce que le résultat de notre approche de conception poreuse pour la conception d’antennes à lentilles ait un effet scientifique et économique nettement pertinent dans des domaines aussi divers telque la communication mmWave et les applications de focalisation des ondes.

Abstract

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Gradient refractive index (GRIN) structure is an optical result generated by a progressive variation of the refractive index of a host medium to improve the design of new microwave devices 1. So these host medium modifications can be used to produce lenses for all electromagnetic spectrums with flat surfaces, or 3D volumes that do not have the aberrations of traditional spherical lenses or may have a refraction gradient with a spherical, axial or radial variations [1, 2]. This refraction gradient can be realized in a homogeneous or inhomogeneous medium using subtractive or additive methods as a material porosity control technique. Porosity, or void fraction, is a technological method to permittivity control a measure of the void as a subtractive method by reducing the host medium or using a ratio of the material filling as an additive method, which can have a percentage between 0% and 100%, to realize the final platform [3]. Porous structures embedded in the homogeneous framework are of scientific and GRIN lens design interests because of their ability to achieve intended virtual permittivity throughout the bulk of the material. Not surprisingly, traditional virtual permittivity control with porous materials involving dielectrics by reducing a density (filling ratio) of spherical or cylindrical holes was already demonstrated in the 1950s along with all the techniques with the high freedom design order that could be produced with an additive manufacturing process [4]. Unfortunately, these results have not been given much attention today despite the very interesting and accurate analysis. In the 1950s, the first analysis to control virtual permittivity using an array of spherical and cylindrical cells in Teflon and polystyrene was investigated and proven with mathematical expressions [5, 4]. Based on cylindrical pore analyses, for high length-to-diameter ratio, the control of permittivity is related directly to the orientation of electric fields and cylindrical pore axes. By using these porosity methods, the permittivity control in the ranges between 1.1 up to host medium permittivity is obtainable. To expand this range, porous cells liquid materials such as acetonitrile/benzene mixture can be used to fill and increase relative permittivity of host medium up to = 37. In this thesis, we have introduced novel and optimized concepts in the frame of mmWave communications, namely nonmagnetic (n = p-μ, μ = 1) gradient refractive index (_n) lens antennas. The two ideas are intended for improving current manufacturing technologies for GRIN devices in the mmWave spectrum: the Lüneburg lens and Fresnel zone plates (FZPs) in the homogeneous framework. On the one hand, material porosity can be useful to simplify virtual permittivity design, not only in the implementation and measurement steps but also to potentially enable new and broadband properties cells with simplified schemes for impairment compensation in the mmWave, and sub-mmWave spectrums. On the other hand, permittivity control techniques based on material porosity can also facilitate the development of new GRIN device design techniques for lens applications. In fact, the introduction of material theory based on material porosity processing is considered to be one of the most encouraging methods to control the intrinsic permittivity of the material. As a collective conclusion, regarding the extensive range of applications of permittivity control with porous structures, we can foresee the vast amount of exciting uses for the graded medium design in planar or 3D objects. Due to the extensive collection of utilization, this proposed concept uses 3D printing devices that can be employed (some of them have been experimentally confirmed in this thesis), and the presented project may motivate the development of an innovative form of lens devices, more efficient lens devices as an antenna in the areas of mmWave communication. Advantages of these virtual permittivity design using full dielectric or full metal homogeneous approaches include (i) a notable simplification of the currently required graded setups based on material change approach to achieve the equivalent variety of functionalities; (ii) the possibility of realizing all-optical GRIN devices for lens antenna design applications, with development from mm to nm printing ranges to be achieved, so far, through additive manufacturing technology widely used nowadays; and (iii) the significant rest of previous GRIN medium design practical difficulties in the lens devices manufacturing processes is solved. All the suggested schemes appear as stable and dependable solutions for efficiently GRIN lens designs of practical applications, and they may also be entirely placed in the industry for short-term fabrication. Overall, we expect that the contributed investigation outcome of our porous design approach for the lens antenna design will have a markedly relevant scientific and economic effect in such diverse areas as mmWave communication and wave focus applications.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Denidni, Tayeb A.
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: antenne; procédé de fabrication additif; plaque de Fresnel; indice de réfraction de gradient (GRIN); lentille; Luneburg; porosité du matériau; mmWave; perforation; stéréolithographie; frittage laser sélectif; impression en 3D; antenna; additive manufacturing process; Fresnel Zone Plate; gradient refractive index (GRIN); lens; Luneburg/Lüneburg; material porosity; mmWave; perforated; stereolithography; selective laser sintering; 3D printing
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 19 oct. 2018 15:44
Dernière modification: 19 oct. 2018 15:44
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/7648

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