Antennes robustes et efficaces pour l'amélioration de la performance des liens à ondes millimétriques.

Farahani, Mohammadmahdi (2020). Antennes robustes et efficaces pour l'amélioration de la performance des liens à ondes millimétriques. Thèse. Québec, Doctorat en télécommunications, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 253 p.

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Résumé

Récemment, les bandes mmWave ont gagné beaucoup d'attention parmi les chercheurs. Ils ont le potentiel de répondre aux demandes des nouveaux systèmes et applications de communication. De plus, les systèmes haute vitesse, large bande passante et haute capacité font des communications mmWave un choix approprié pour les communications sans fil à courte portée. Motivée par l'augmentation de la charge de trafic sur les systèmes cellulaires et l'augmentation associée du trafic via le réseau, la communication de périphérique à périphérique avec mmWave est une solution possible pour gérer cette tâche future. Cependant, les bandes mmWave ont de sérieux obstacles au développement de réseaux de communication. Dans la communication sans fil, le débit de la liaison de communication est l'un des indicateurs les plus importants pour estimer les performances. Le débit, cependant, dépend fortement des caractéristiques du canal de propagation, comme la perte de chemin, la distance entre les appareils, le bruit, etc. Grâce à la formule du modèle de perte de chemin en espace libre de Friis, la perte de chemin pour la bande des 60-GHz a une perte de près de 28 dB de plus par rapport à la bande des 5 GHz. Pour surmonter le blocage, plusieurs approches de la couche physique à la couche réseau ont été proposées. Cependant, chaque approche a ses avantages et ses inconvénients, et ces approches doivent être combinées de manière intelligente pour obtenir des réseaux robustes et efficaces. Le couplage mutuel a un impact sur les performances du système MIMO en modifiant l'impédance d'entrée des éléments rayonnants, en augmentant le niveau des lobes latéraux et en dégradant la forme du diagramme de rayonnement. Le couplage mutuel est principalement dû à trois composantes, les ondes de surface, le couplage entre les lignes d'alimentation et le couplage dû aux champs spatiaux. À cet égard, deux approches distinctes ont été proposées pour réduire le couplage mutuel dû aux champs spatiaux. Dans la première approche, une technique intéressante pour réduire le couplage mutuel entre les antennes à résonateur diélectrique (DRA) mmWave en utilisant une nouvelle paroi de polarisation-rotateur métamatériaux (MPR) est étudiée et réalisée. Le couplage mutuel est diminué en installant des murs MPR parmi les DRA, qui sont situés dans le plan H. En utilisant ces murs MPR, les modes TE des antennes deviennent orthogonaux, ce qui diminue le couplage mutuel entre les antennes. Dans la deuxième approche, une nouvelle méthode est proposée pour réduire le couplage dû à l'interaction électromagnétique spatiale entre deux éléments rayonnants à polarisation circulaire en utilisant une couche superstrate FSS. De plus, différentes techniques sont étudiées pour augmenter le gain de l'antenne. Il y a un grand défi concernant le développement d'un système dans la bande de 60-GHz, en raison de la grande quantité de pertes de propagation dans cette bande de fréquences qui a nécessité la conception des récepteurs à haute sensibilité pour surmonter cet inconvénient. Concernant les antennes, il est nécessaire de développer des antennes directives à gain élevé. Dans cet effort, la conception d'une ligne de transmission à faible perte et à haut rendement joue un rôle important pour atteindre cet objectif. Deux approches ont été étudiées sur la couche superstrate FSS et la métasurface à gradient de phase (PGM), respectivement. L'avantage des techniques proposées est qu'elles n'utilisent pas de réseaux d'alimentation qui ajoutent une grande quantité de pertes au réseau à mmWave. Pour répondre aux exigences des structures de guidage à faible perte de mmWave, nous avons proposé une nouvelle structure de guide d'ondes, appelée Hedgehog waveguide, qui présente plusieurs avantages par rapport aux lignes de transmission conventionnelles rapportées dans la littérature. Le principal avantage du guide d'ondes Hedgehog est qu'il peut supporter la propagation avec des pertes plus faibles. De plus, du fait que les champs électromagnétiques sont captés dans l'espace à l'intérieur du guide d'onde, les pertes de rayonnement sont maintenues très faibles, résultant en une bonne immunité aux perturbations électromagnétiques externes par rapport à la technologie microruban. Un autre avantage principal du guide d'ondes Hedgehog est la compatibilité avec les guides d'ondes creux, ce qui donne un degré de liberté supplémentaire pour utiliser le guide d'ondes proposé pour plusieurs conceptions d'ondes mmWve. De plus, le guide d'ondes à arête creuse et la méthode de transition à microruban sont expliqués et comparés avec le guide d'ondes Hedgehog, et un coupleur hybride à 3 ouvertures et à faible perte avec technologie d'écart de crête est conçu et fabriqué. En tant que formateur de faisceaux robuste et efficace, un réseau de formation de faisceaux LH/RH CP à double polarisation exceptionnelle est introduit et étudié dans la bande de 60-GHz. Le guide d'onde Hedgehog est utilisé comme une structure de guidage à faible perte notamment pour mettre en œuvre les déphaseurs cruciaux. La constante d'atténuation du guide d'ondes Hedgehog est significativement plus petite que les structures de guidage traditionnelles similaires, par exemple, les guides d'ondes SIW, ridge-gap, hollow et gap-waveguide dans la bande de 60-GHz. Le formateur de faisceau proposé produit des ondes de sortie à phase progressive uniformes pour alimenter un réseau d'antennes avec les huit diagrammes de rayonnement distincts associés à chacun des huit ports d'entrée. Pour augmenter le gain et réduire les lobes secondaires, un réseau d'alimentation 8×8 est utilisé. En utilisant le réseau d'alimentation introduit, les lobes latéraux sont réduits à -19 dB. En augmentant le nombre d'éléments rayonnants à 8, la directivité du formateur de faisceau recommandé augmente d'environ 3 dB. De plus, l'antenne à fente progressive est utilisée pour obtenir une largeur de bande à rapport axial à large bande. La largeur de bande de 10.75% et l'efficacité de rayonnement de 90% pour chaque port sont obtenues en utilisant le réseau de formation de faisceau prévu.

Recently mmWave bands have gained much focus among the researchers. They have the potential to meet the demands of emerging communication systems and applications. Besides, the high-speed, large bandwidth, high-capacity systems make the mmWave communications a suitable choice for short-range wireless communications. Motivated by the increase of traffic load on cellular systems and the associated increase of traffic through the network, device-to-device (D2D) communication with mmWave is a possible solution to manage this future task. However, the mmWave bands have severe obstacles in developing communication networks. In wireless communication, the throughput of the communication link is one of the most important indicators to estimate the performance. The throughput, however, highly depends on the characteristic of the propagation channel, like path loss, the distance between devices, noise, etc. Through the formula of Friis free-space path loss model, the path loss for the 60-GHz band has a nearly 28 dB loss more versus the 5-GHz band. To overcome blockage, multiple approaches from the physical layer to the network layer have been proposed. However, every approach has its advantages and shortcomings, and these approaches should be combined in an intelligent way to achieve robust and efficient networks. The mutual coupling has an impact on (multiple input, multiple output) MIMO system performance through changing the input impedance of the radiating elements, increasing the sidelobe level, and degrading radiation pattern shape. The mutual coupling is mainly due to three components, the surface waves, the coupling between the feeding lines, and coupling due to spatial fields. In this regard, two distinguished approaches have been proposed to reduce the mutual coupling due to the spatial fields. In the first approach, a valuable technique for reducing the mutual coupling among mmWave dielectric resonator antennas (DRAs) using a new metamaterial polarization-rotator (MPR) wall is studied and performed. The mutual coupling is decreased by installing MPR walls among DRAs, which are located in the H-plane. Utilizing this MPR walls, the TE modes of the antennas become orthogonal, which decreases the mutual coupling among the antennas. In the second approach, a novel method is proposed to reduce the coupling due to spatial electromagnetic interaction among two circularly-polarised radiating elements utilizing an FSS superstrate layer. Furthermore, different techniques are investigated for increasing the gain of the antenna. There is a big challenge regarding the development of a system at 60-GHz band, due to the high amount of propagation losses at this frequency-band which required designing the high-sensitivity receivers to overcome that drawback. In antenna regards, it is needed to develop directive high-gain antennas. In this effort, designing a high-efficiency low-loss transmission line plays an important rule to achieve that goal. Two approaches based on the FSS superstrate layer and phase gradient metasurface (PGM) have been studied, respectively. The advantage of the proposed techniques is that they do not employ feeding networks which add a high amount of losses to the network at mmWave. To answer the demands of low-loss guiding structures at mmWave, we proposed a novel waveguide structure, named Hedgehog waveguide, which has several advantages compared to the conventional transmission lines reported in literature. The main advantage of the Hedgehog waveguide is that it can support propagation with lower losses. Moreover, the fact that the electromagnetic fields are captured to space within the waveguide, radiation losses are kept very low, resulting in good immunity from external electromagnetic disturbance compared to the microstrip technology. Another main advantage of the Hedgehog waveguide is the compatibility with the hollow waveguides, which gives an extra degree of freedom to use the proposed waveguide for several mmWave designs. Also, the ridge gap waveguide and transition method to microstrip are explained and compared with Hedgehog waveguide, and a low-loss multi-aperture 3-dB hybrid coupler with ridge gap technology is designed and fabricated. As a robust and efficient beamformer, an exceptional high-efficiency dual left/right-hand circularlypolarized (LH/RH CP) beamforming network is introduced and studied at 60-GHz mmWave band. The Hedgehog waveguide is employed as a notably low-loss guiding structure to implement the crucial phase shifters. The attenuation constant of the Hedgehog waveguide is significantly smaller than similar traditional guiding structures, e.g., SIW, ridge gap, hollow, and gap waveguides at the 60-GHz mmWave band. The offered beamformer produces uniform progressive-phase output waves to supply an array of antennas with the eight separate radiation patterns associated with each of the eight input ports. For enhancing the gain and reducing the sidelobes, an 8×8 feeding network is employed. Utilizing the introduced feeding network, the sidelobes are reduced to -19 dB. By expanding the number of radiating elements to 8, the directivity of the recommended beamformer raises about 3 dB. Furthermore, the progressive slot antenna is utilized to obtain a broadband axial-ratio bandwidth. The bandwidth of 10.75% and the radiating efficiency of 90% for each port is obtained utilizing the intended beamforming network.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Denidni, Tayeb A.
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Nedil, Mourad
Mots-clés libres:	télécommunications
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	22 oct. 2020 17:12
Dernière modification:	14 févr. 2022 05:00
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/10418

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