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

PENGEMBANGAN REPEATER PASIF UNTUK RUANGAN DI FREKUENSI 400 MHz

Sinyal pemancar 400 MHz merupakan media komunikasi yang banyak digunakan untuk selular, Amatir Radio,  keamanan, riset atmosfer, saluran pemancar Televisi. Pada saat ini masih banyak tempat yang belum terjangkau sinyal pemancar 400 MHz misalnya ruangan, kamar, kelas, karena terhalang gedung, atau  tembok, disebut juga mengalami blank spot. Maka untuk itu perlu peralatan pengulang atau repeater. Perangkat pengulang sebenarnya dapat berupa pasif yaitu benda padat, misalnya lembaran logam, antenna. Penelitian ini merancang repeater pasif untuk frekeunsi 400 MHz, berupa antena Yagi yang berfungsi sebagai pengulang gelombang pada frekuensi 400 MHz, Kelebihan repeater pasif ini tanpa biaya perawatan dan tanpa sumber daya listrik. Metode yang digunakan dalam penelitian ini meliputi empat tahapan yaitu perencanaan, analisis, rekayasa dan evaluasi. Sasaran yang ingin dicapai adalah: meningkatkan kemampuan repeater pasive untuk sinyal frekuensi 400 MHz;; mengembangkan sistem telekomunikasi dan informasi sehingga sinyal komunikasi hasil repeater pasive dapat dikirimkan dan diterima kembali dengan baik; meningkatkan jangkauan pemancar dengan menggunakan repeater pasive, Hasil dari penelitian ini didapat peningkatan penerimaan sinyal sebesar 7,7815 dBm setelah dipasang repeater pasif berupa antena Yagi dipasang diluar gedung terhubung dengan antena Yagi yang dipasang didalam gedung

1-D broadside-radiating leaky-wave antenna based on a numerically synthesized impedance surface

A newly-developed deterministic numerical technique for the automated design of metasurface antennas is applied here for the first time to the design of a 1-D printed Leaky-Wave Antenna (LWA) for broadside radiation. The surface impedance synthesis process does not require any a priori knowledge on the impedance pattern, and starts from a mask constraint on the desired far-field and practical bounds on the unit cell impedance values. The designed reactance surface for broadside radiation exhibits a non conventional patterning; this highlights the merit of using an automated design process for a design well known to be challenging for analytical methods. The antenna is physically implemented with an array of metal strips with varying gap widths and simulation results show very good agreement with the predicted performance

Beam scanning by liquid-crystal biasing in a modified SIW structure

A fixed-frequency beam-scanning 1D antenna based on Liquid Crystals (LCs) is designed for application in 2D scanning with lateral alignment. The 2D array environment imposes full decoupling of adjacent 1D antennas, which often conflicts with the LC requirement of DC biasing: the proposed design accommodates both. The LC medium is placed inside a Substrate Integrated Waveguide (SIW) modified to work as a Groove Gap Waveguide, with radiating slots etched on the upper broad wall, that radiates as a Leaky-Wave Antenna (LWA). This allows effective application of the DC bias voltage needed for tuning the LCs. At the same time, the RF field remains laterally confined, enabling the possibility to lay several antennas in parallel and achieve 2D beam scanning. The design is validated by simulation employing the actual properties of a commercial LC medium

Design of new radiating systems and phase shifters for 5G communications at millimeter-wave frequencies

With the arrival of the new generation of communications, known as 5G, the systems that constitute it must offer better performance in terms of data speed, latency and connection density than the previous generation of communications. For 5G, an allocation of the frequency ranges that will support future wireless communications has been established. This allocation is formed by a range of frequencies corresponding to bands below 6 GHz and the other range of frequencies includes bands above 24 GHz. In the latter frequency range, which includes part of the millimeter-wave frequency band (from 30 GHz to 300 GHz), the development of new radio frequency (RF) components is necessary because their design and manufacture is a technological challenge. As the frequency that supports wireless communications increases, propagation losses also increase. Therefore, these losses must be compensated by the radiating systems in 5G to make these communications possible. The RF devices that make up these new systems must provide high antenna gain, be power efficient and offer spatial reconfigurability of the radiated signal. In this thesis, the main objective is the design of both guided and radiating RF devices to provide design solutions for future 5G systems at millimeter-wave frequencies. In particular, the contributions made have been to the design of phase shifters and antenna arrays. To improve efficiency at millimeter-wave frequencies, these devices have been designed in waveguide technology. Phase shifters are essential RF devices to control the phase shift of the electromagnetic wave that will be radiated to a certain spatial direction by an antenna array. The design of beamforming networks requires the implementation of phase shifters that produce a fixed or variable phase shift value. However, the design and fabrication of these devices at millimeter-wave frequencies is a complex task. In this thesis, four designs of waveguide phase shifters that produce both fixed and variable phase shift are presented. For phase shifters that provide a fixed phase shift, the value of this phase shift along the frequency is tuned in a desired manner by using periodic structures with higher symmetries. These types of configurations provide both flexibility in the design process and improved electromagnetic performance such as greater operating bandwidth. All the phase shifters have been implemented in gap-waveguide technology to demonstrate its effectiveness in these devices for millimeter-wave frequencies. Regarding the radiating systems, two feeding strategies have been considered in the design process. First, the design of a 70 GHz centered antenna array implemented in gap-waveguide technology combined with the use of separate waveguides in E-plane is proposed. In this design, the feed is guided through a waveguide corporate-feed network. Second, the design of a reflectarray whose unit cells are formed using three-dimensional geometries is presented. In this case, the feeding is done in free space by radiation from a source antenna. In the previous designs, the fabrication of the prototypes was done by 3D printing based on stereolithography. Finally, using unit cells with three-dimensional geometries, the design of radiating devices with more complex functionalities such as reflection/transmission with high directivity and reconfiguration of the reflected radiation by means of graphene structures are proposed.Con la llegada de la nueva generación de comunicaciones, denominada 5G, los sistemas que la conforman deben ofrecer unas mejores prestaciones en términos de velocidad de datos, latencia y densidad de conexiones respecto a la generación de comunicaciones anterior. Para 5G se ha establecido una asignación de los rangos de frecuencia que van a soportar las futuras comunicaciones inalámbricas. Esta asignación se compone por un rango de frecuencias correspondiente a las bandas por debajo de los 6 GHz y el otro rango de frecuencias engloba a las bandas por encima de los 24 GHz. En este ´ultimo rango de frecuencias, en el cual están incluidas parte de la banda de las frecuencias milimétricas (desde 30 GHz a 300 GHz), es necesario el desarrollo de nuevos componentes de radiofrecuencia (RF) ya que su diseño y fabricación supone un reto tecnológico. Al aumentar la frecuencia que soporta las comunicaciones inalámbricas, las pérdidas por propagación también aumentan. Es por ello por lo que estas pérdidas deben ser compensadas por los sistemas radiantes en 5G para que las comunicaciones sean posibles. Los dispositivos de RF que componen estos nuevos sistemas deben proporcionar una alta ganancia de antena, ser eficientes en términos de potencia y ofrecer reconfigurabilidad espacial de la señal radiada. En esta tesis, el objetivo principal es el diseño de dispositivos de RF tanto guiados como radiantes para ofrecer soluciones de diseño a los futuros sistemas 5G en frecuencias milimétricas. De manera particular, las contribuciones realizadas han sido al diseño de desfasadores y agrupaciones de antenas. Para mejorar la eficiencia en frecuencias milimétricas, estos dispositivos han sido diseñados en tecnología en guía de ondas. Los desfasadores son dispositivos RF esenciales para controlar el desfase de la onda electromagnética que será radiada hacia una cierta dirección espacial por una agrupación de antenas. Las redes de beamforming tienen la necesidad de implementar en su diseño desfasadores que producen un valor de desfase fijo o variable. Sin embargo, el diseño y fabricación de estos dispositivos en frecuencias milimétricas resulta una tarea de alta dificultad. En esta tesis se presenta cuatro diseños de desfasadores en guía de onda que producen un desfase tanto fijo como variable. Para los desfasadores que proporcionan un desfase fijo, el valor de este desfase a lo largo de la frecuencia es ajustado de manera deseada mediante el uso de estructuras periódicas con simetrías superiores. Este tipo de configuraciones proporcionan tanto flexibilidad en el proceso de diseño como una mejora de las características electromagnéticas como puede ser un mayor ancho de banda de operación. Todos los desfasadores realizados han sido implementados en tecnología gap waveguide para demostrar su efectividad en estos dispositivos para frecuencias milimétricas. Respecto a los sistemas radiantes, se han considerado dos estrategias de alimentación en el proceso diseño. En primer lugar, se propone el diseño de un array centrado a 70 GHz implementado en tecnología gap waveguide combinado con el uso de guías de onda separadas en plano E. En este diseño, la alimentación es guiada a través de una red de alimentación corporativa en guía de onda. En segundo lugar, se presenta el diseño de un reflectarray cuyas celdas unitarias son formadas mediante geometrías tridimensionales. En este caso, la alimentación se hace en el espacio libre mediante la radiación de una antena fuente. En los anteriores diseños, la fabricación de los prototipos se realizó mediante impresión 3D basado en estereolitografía. Finalmente, a través del uso de celdas unitarias con geometrías tridimensionales, se proponen el diseño de dispositivos radiantes con funcionalidades más complejas como la reflexión/transmisión con alta directividad y la reconfiguración de la radiación reflejada mediante estructuras con grafeno.Tesis Univ. Granada

A 60GHz Passive Repeater with Endfire Radiation Using Dielectric Resonator Antennas

International audienceThis paper presents the design of a 60GHz passive repeater endfire array using dielectric resonator antenna (DRA) elements. The proposed DRA antenna element is loaded with an open-ended microstrip line coupled through a slot, and the reflection phase is controlled by varying the length of this phase-delay line. Based on the working principle of reflectarray, two DRA elements with 180 o phase difference are selected with the aid of infinite periodic simulation model in HFSS. A 6x6 array is designed and simulation results demonstrate good endfire performance