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Study, design and fabrication of a two-dimension beam scanning antenna in package

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Rahmani, Mohammad Hassan (2017). Study, design and fabrication of a two-dimension beam scanning antenna in package. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Various emerging high data-rate applications such as ultra-high definition video streaming and wireless personal area networks have made the transition to the next generation communication systems at mmWave frequencies inevitable. Moreover, the antenna in package has been proved to be a suitable solution for a compact and efficient antenna system platform at this frequency range. Due to smaller wavelengths and aperture illumination at this frequency range, these antennas tend to have a limited radiation gain which consequently results into a limited connection range. To compensate, a high gain array antenna structure with beam steering capability is inevitable. Moreover, current developed mmWave frequency scanning antennas suffer from some shortcomings such as using active phase shifters, narrow impedance bandwidth, limited scanning range, lack of circular polarization, one dimensional beam steering, neglected electromagnetic interference, and non-efficient inter-layer interconnects. In view of these issues, the initial objective of this thesis is to study different antenna packaging methods as well as the recent developments in mmWave frequency and scanning antenna structures in order to design and produce a performant system. Consequently, a new design for a wideband circularly polarized frequency scanning periodic leaky-wave antenna has been proposed and tested which features a wide seamless scanning range of about 95° including the broadside and a fractional -10 dB impedance bandwidth of about 47%. Moreover, an accurate empirical model is developed for this antenna, as well as optimization methods to minimize the side lobe level and the axial ratio. In order to integrate band-pass filtering capability, a modified version of this antenna is also developed and tested in the scope of this research. With the goal of integrating band-pass filtering capability into the inter-layer transitions, new types of broadside coupled multi-layer filters have been designed and tested. With a fractional bandwidth of about 40% at the center frequency of 25 GHz, these filters are compact, tunable, and have a simple structure that makes them suitable candidates for replacing via interconnects in multi-layer antenna in package configurations. Finally, the antenna is combined as a linear phased array structure with a Rotman lens beamformer in a multi-layer structure to perform beam scanning in two dimensions. This system is designed and fabricated at 25 GHz and can steer the radiation beam in both E (90º) and H (60º) planes without any active phase shifter. The beamforming performance is preserved in a wideband frequency range from 20 to 30 GH and the undesired signals out of this band are attenuated using the integrated band pass filters.

Titre traduit

Étude, conception et fabrication d'un système d'antenne intégré pour balayage de patron de radiation en deux dimensions

Résumé traduit

Différentes applications à haut débit telles que la diffusion non compressée des vidéos en haute définition et les réseaux personnels sans fil ont rendu la transition vers les systèmes de communication aux fréquences millimétriques inévitable. En outre, l’intégration de l’antenne dans un boîtier s’est révélée être une solution appropriée pour un système compact et efficace dans cette bande de fréquences. En raison de leur petite taille à ces fréquences, ces antennes ont tendance à avoir un gain de radiation limité, qui, par conséquent, aboutit à une couverture de réseau limitée. Pour compenser, une structure de réseau d’antenne à haut gain avec système de balayage du faisceau est inévitable. En outre, les présentes antennes à balayage de faisceau en ondes millimétriques souffrent de certaines lacunes telles que l'utilisation des déphaseurs actifs, une largeur de bande étroite, une plage de balayage limitée, un manque de polarisation circulaire, un balayage en une seule direction, et des connexions entre couches non efficaces. Compte tenu de ces problèmes, l'objectif initial de cette thèse est d'étudier les différentes méthodes de mise en boîtier d'antenne ainsi que de nouvelles topologies de structures d'antennes à balayage de faisceau aux fréquences millimétriques pour concevoir et fabriquer un système performant. Par conséquent, un nouveau design pour une antenne périodique à large bande à ondes de fuite avec balayage en fréquence et polarisation circulaire a été proposé, étudié et testé. Cette antenne présente un grand angle de balayage continu d'environ 95° incluant le patron de radiation transversal avec une bande passante fractionnelle d'environ 47 %. Afin d'intégrer un filtrage passe-bande à l’antenne, une version modifiée de cette structure est également développée et testée dans le cadre de cette recherche. Dans le but d'intégrer le filtrage passe-bande dans les transitions inter-couches, de nouveaux types de filtres multicouches avec des résonateurs couplés par ouverture ont été conçus, et testés. Avec une largeur de bande fractionnelle d'environ 40 % à la fréquence centrale de 25 GHz, ces filtres sont compacts et ont une structure simple. Finalement, le réseau d’antenne est combiné avec une lentille de Rotman dans une structure multicouche pour effectuer le balayage de faisceau en deux dimensions. Ce système est conçu et fabriqué à 25 GHz et peut orienter le faisceau de radiation dans les deux plans E (90º) et H (60º) sans aucun déphaseur actif. La performance du système est conservée dans une gamme de fréquences allant de 20 à 30 GHz et les signaux indésirables hors de cette bande sont atténués à l'aide des filtres passe-bande intégrés.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 139-148.
Mots-clés libres: Antennes à onde de fuite Conception et construction. Mise sous boîtier (Microélectronique) Systèmes de balayage. Faisceaux polarisés (Physique nucléaire) Diagrammes de rayonnement d'une antenne. Systèmes de communication à ondes millimétriques. Antennes-réseaux. Filtres passe-bande. circulaire, polarisation, antenne dans un boîtier, balayage de faisceau, antennes à ondes de fuite, communication par ondes millimétrique
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Deslandes, Dominic
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 19 avr. 2018 20:04
Dernière modification: 19 avr. 2018 20:04
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2036

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