Analyse et conception de répéteurs passifs plans à rayonnement quasi-latéral pour communications «indoor» à 60GHz

The fast development of information and consumer electronics industries creates a pressing demand for high-speed indoor communications. Traditional communication protocols are unable to support such high transmission rate, and there are no radio bands available at lower frequency. As an alternative, 60GHz communications have sparked great attention, since it enables a maximum data transmission rate more than 5Gbit/s based on its wide unlicensed bandwidth. However, practical indoor environment is usually complicated (e.g. walls, corridors, stairs, etc.), thus the non-line-of-sight (NLOS) areas cannot be covered due to the significant attenuation. Considering the requirements for signal recovery in the NLOS environment, a planar passive repeater with endfire radiation and high directivity, low profile and low cost is investigated and designed in this thesis. Based on array theory, a periodic structure for the foreseen printed repeater is derived out. It involves two reflector elements (in the spacing of 2) to provide 0° and 180°reflection phases respectively. In order to construct a proper reflector element, four topologies are proposed and analyzed. In the first part of the study, DRA (Dielectric Resonator Antenna) technology is the main focus. Two different topologies are investigated and compared, including notched DRA and DRA coupled to phase-shift stub. Different modeling strategies are also studied using either a single cell, a couple of cells with opposite phases or a small array. For each topology, a preliminary 6×6 array is simulated. Optimization at the array level is emphasized through the whole thesis. In the second part, investigations are taken on a rectangular dielectric filled waveguide element. Parametric analyses are carried out and possible fabrication technologies are discussed. Once again, a preliminary 6×6 array is designed and optimized to validate the feasibility of such a structure. In the third part, a parallel-plate groove structure is analyzed. It evolves from the rectangular waveguide, and enjoys more simplification. Further work is taken to explore the arrays’ bandwidth, oblique incidence performance and maximum radiation direction. Detailed theoretical analysis based on the simulation results are demonstrated in the end. Finally, an array based on the groove elements is fabricated in the size of 200mm×200mm. Practical measurements for 60GHz communications in NLOS environment are designed to test the array’s performance. Analyses on the experiment results are given.Le développement rapide de l’industrie des systèmes sans fil suscite une demande urgente pour des communications à haut débit, notamment en environnement « indoor ». Toutefois, les protocoles traditionnels de communications sont incapables de supporter de très hauts débits et, surtout, il n'y a pas de ressources spectrales disponibles à basse fréquence. Comme une alternative, la bande des 60GHz est préconisée parce qu’elle permet un débit de plus de 5Gbit/s, grâce à son large spectre (57GHz à 64 GHz). Toutefois, en pratique, l’environnement « indoor » est complexe et, dans les situations d’absence de visibilité directe, la couverture radio est difficile à assurer à cause des fortes atténuations. Afin de remédier à ce problème, l’utilisation de répéteurs est possible. Dans cette thèse, l’intérêt est porté sur les répéteurs passifs, plus simples à installer et compatibles avec une réalisation faible coût. Le cas critique de la couverture radio d’un couloir en T est choisi comme fil conducteur, tout au long de cette étude. Les solutions préconisées visent aussi la compacité, ce qui justifie l’utilisation de réflecteurs plans. A partir de la théorie des réseaux d’antennes, une structure périodique générique pour le répéteur est proposée. Elle implique deux cellules réfléchissantes élémentaires (espacées de /2), produisant des ondes en opposition de phase. Plusieurs topologies et technologies sont ensuite envisagées et étudiées pour la mise en oeuvre. La première utilise des antennes à résonateur diélectrique (DRA). Deux topologies différentes sont étudiées et comparées, le DRA à encoche et le DRA couplé à une ligne déphaseuse en circuit ouvert. Différentes stratégies de modélisation sont également étudiées en utilisant une cellule unique, un couple de 2 cellules avec phases opposées ou un petit réseau. Pour chaque topologie, un réseau canonique de 6×6 éléments est simulé. La deuxième technologie étudiée utilise des guides d’ondes rectangulaires chargés par un matériau diélectrique et courtcircuités. Des analyses paramétriques sont effectuées et un 6 ×6 réseau est conçu et optimisé pour valider la faisabilité de la solution. Finalement, une structure en guide à plaques métalliques parallèles est analysée. Dérivant de la solution précédente, elle permet une fabrication plus simple. Pour cette dernière solution, une analyse plus complète est menée incluant des considérations sur la bande passante, les performances en incidence oblique et la direction de rayonnement maximal. Enfin, un réseau à base de cet élément rainuré est fabriquée présentant une taille de 200 mm×200 mm. Des mesures expérimentales à 60GHz sont réalisées pour tester les performances du réseau. La preuve de concept est ainsi donnée et les résultats expérimentaux sont analysés

Investigation, Design and Implementation of MIMO Antennas for Mobile Phones. Simulation and Measurement of MIMO Antennas for Mobile Handsets and Investigations of Channel Capacity of the Radiating Elements Using Spatial and Polarisation Diversity Strategies.

The objectives of this work were to investigate, design and implement Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) antenna arrays for mobile phones. Several MIMO antennas were developed and tested over various wireless-communication frequency bands. The radiation performance and channel capacity of these antennas were computed and measured: the results are discussed in the context of the frequency bands of interest. A comprehensive study of MIMO antenna configurations such as 2 × 1, 3 × 1, 2 × 2 and 3 × 3, using polarisation diversity as proposed for future mobile handsets, is presented. The channel capacity is investigated and discussed, as applying to Rayleigh fading channels with different power spectrum distributions with respect to azimuth and zenith angles. The channel capacity of 2 × 2 and 3 × 3 MIMO systems using spatial polarisation diversity is presented for different antenna designs. The presented results show that the maximum channel capacity for an antenna contained within a small volume can be reached with careful selection of the orthogonal spatial fields. The results are also compared against planar array MIMO antenna systems, in which the antenna size considered was much larger. A 50% antenna size reduction method is explored by applying magnetic wall concept on the symmetry reference of the antenna structure. Using this method, a triple dual-band inverted-F antenna system is presented and considered for MIMO application. Means of achieving minimum coupling between the three antennas are investigated over the 2.45 GHz and 5.2 GHz bands. A new 2 2 MIMO dual-band balanced antenna handset, intended to minimise the coupling with the handset and human body was proposed, developed and tested. The antenna coupling with the handset and human hand is reported in terms the radiation performance and the available channel capacity. In addition, a dual-polarisation dipole antenna is proposed, intended for use as one of three collocated orthogonal antennas in a polarisation-diversity MIMO communication system. The antenna actually consists of two overlaid electric and magnetic dipoles, such that their radiation patterns are nominally identical but they are cross-polarised and hence only interact minimally