Millimeter-Wave Multi-Port Front-End Receivers: Design Considerations and Implementation

This chapter covers recent achievements on the integrated 60 GHz millimeter-wave front-end receiver based on the multi-port (six-port) concept. For this purpose, the design procedure of a fully integrated 60 GHz multi-port (six-port) front-end receiver implemented on a thin ceramic substrate (εr = 9.9, h = 127 μm) using an miniature hybrid microwave integrated circuit (MHMIC) fabrication process is presented in detail. All components constituting the proposed front-end receiver including an 8 × 2 antenna array, a low-noise amplifier (LNA), a six-port circuit, and the RF power detectors are presented and characterized separately before they are integrated into the final front-end receiver prototype. The performance of the latter has been experimentally evaluated in terms of various M-PSK/M-QAM demodulations. The obtained demodulation results are very satisfactory (the constellation points for all considered M-PSK/M-QAM schemes are very close to the ideal locations), demonstrating and confirming the high ability of the proposed 60 GHz millimeter-wave six-port front-end receiver to operate as a high-performance quadrature demodulator, without any calibration, for modulation schemes up to 32 symbols

Millimeter-Wave Substrate Integrated Waveguide Antenna and Front-End Techniques for Gigabyte Point-to-Point Wireless Services

RÉSUMÉ La relativement faible absorption atmosphérique dans les bandes de fréquences E et W a permis le développement de nombreuses applications sans-fil. Les bandes de fréquences de 71-76 GHz, 81-86 GHz et 94.1-97 GHz sont toutes assignées au spectre de communication sans-fil gigabyte par la Federal Communication Commission (FCC) des États-Unis. Lorsque la fréquence augmente vers la région des ondes millimétriques, l’efficacité et la qualité des lignes micro-ruban sont affectées par de sérieuses pertes de transmission et par l’interférence inter-signaux. D’un autre côté, la technologie des guides d’ondes classique est demeurée populaire pour la conception de systèmes haute perfomance dans la bande E/W. Cependant, cette technologie n’est pas appropriée pour une production à grande échelle et à faible coût à cause de sa structure encombrante et coûteuse. De plus, la structure non-planaire des guide d’ondes rend difficile la connection à des composantes planaires actives ainsi qu’à d’autres lignes planaires telles que les lignes micro-ruban et les guides d’ondes coplanaires (CPW). Afin de remédier à ce problème, les circuits intégrés aux substrats (SIC) ont été proposés comme une solution à faible coût, à efficacité élevée, planaire et intégrée au substrat pour des applications à hautes-fréquences. Les guides d’ondes intégrés aux substrats (SIW), faisant partie de la famille des SIC, possède non seulement les avantages des guides d’ondes rectangulaires mais aussi d’autres bénéfices comme un faible coût, une petite taille, un poids léger et la facilité de fabrication par les techniques de fabrication des PCB ou d’autres techniques. Dans cette thèse, nous élargissons la recherche sur les SIW en proposant et développant une variété d’antennes innovatrices, de réseaux d’antennes et de composantes passives millimétriques qui sont appliqués à la conception et à la démonstration de réseaux d’antennes intégrés et d’étages d’entrée de systèmes de communication en bande E/W. Les contributions scientifiques principales du présent travail peuvent être résumées comme suit: Un réseau d’antenne 4x4 utilisant la technologie des guides d’ondes intégrés au substrat (SIW) pour la conception de son réseau d’alimentation est proposé et démontré. Des fentes longitudinales gravées sur la surface métallique du dessus du SIW sont utilisées pour alimenter les éléments du réseau d’antennes. Des cubes composés d’un matériau diélectrique à faible permittivité sont placés au-dessus de chaque réseau d’antenne 1x4 afin d’augmenter le gain des antennes patch. La largeur de bande de deux réseaux d’antennes 4x4 est d’environ 7.5 GHz (94.2-101.8 GHz) avec un gain de 19 dBi.----------ABSTRACT The relatively low atmospheric absorption over E-band and W-band (frequency window) has been spurred many wireless applications. Frequency bands of 71-76 GHz, 81-86 GHz, and 94.1-97 GHz are all allocated by the US Federal Communication Commission (FCC) as parts of gigabyte wireless spectrum. As frequency increases to millimeter wave region, the efficiency and quality of microstrip lines suffer from serious transmission losses and signal interferences. On the other hand, classical waveguide technology has been popular in the design of high-performance millimeter-wave systems at E/W-band. However, this technology is not suitable for low-cost and mass production because of its expensive and bulky structure. In addition, the non-planar structure of waveguide makes it difficult to get connected to planar active components and other planar lines such as microstrip line and coplanar waveguide (CPW). To overcome this bottleneck problem, substrate integrated circuits (SICs) have been proposed as low-cost and high-efficient integrated planar structures for high-frequency applications. Substrate integrated waveguide (SIW), which is part of the SICs family, has manifested not only the advantages of rectangular waveguide but also other benefits such as low cost, compact size, light weight, and easy fabrication using PCB or other processing techniques. In this Ph.D. thesis, we extend the research of SIW to the proposal and development of various innovative antennas, antenna arrays and millimetre-wave passive components, which are applied to the design and demonstration of integrated antenna arrays and E/W-band front-end sub-systems. The principal scientific contributions of this thesis work can be summarized in the following: A 4×4 antenna array is proposed and demonstrated using substrate-integrated waveguide (SIW) technology for the design of its feed network. Longitudinal slots etched on the SIW top metallic surface are used to drive the array antenna elements. Dielectric cubes made of low-permittivity material are placed on top of each 1×4 antenna array to increase the gain of circular patch antenna elements. Measured impedance bandwidths of two 4×4 antenna arrays are about 7.5 GHz (94.2–101.8 GHz) with 19 dBi gain. Design of planar dielectric rod antenna is proposed and studied, which is fed by Substrate Integrated Non-Radiative Dielectric (SINRD) waveguide. This antenna presents numerous interesting features such as broad bandwidth (94-104 GHz), relatively high and stable gain, use of high dielectric constant substrate, and substrate-oriented end-fire radiation

Multifunction Transceiver Architecture and Technology for Future Wireless Systems

RÉSUMÉ Depuis la toute première transmission sans fil, les ondes radiofréquences ont été progressivement mises en valeur et exploitées dans un nombre de plus en plus important d'applications. Parmi toutes ces applications, la détection et la télécommunication sont sans doute les plus indispensables de nos jours. Il existe un grand nombre d’utilisations des radiofréquences, incluant les transports intelligents pour lesquels les véhicules doivent être équipés à la fois de radars et de dispositifs de communication afin d’être capables de détecter l'environnement ainsi que de réaliser la communication avec d'autres unités embarquées. La technologie émergente 5G est un autre exemple pour lequel plusieurs capteurs et radios devraient être capables de coopérer de manière autonome ou semi-autonome. Les principes de fonctionnement des systèmes radars et radio sont toutefois différents. Ces différences fondamentales peuvent entraîner l'utilisation de différentes architectures de traitement du signal et d'émetteur-récepteur, ce qui peut poser des problèmes pour l'intégration de toutes les fonctions requises au sein d'une seule et même plate-forme. En dehors de cela, certaines applications requièrent plusieurs fonctions simultanément dans un même dispositif. Par exemple, les systèmes de détection d'angle d'arrivée 2D nécessitent d'estimer l'angle d'arrivée (AOA) du faisceau entrant dans les plans horizontal et vertical simultanément. La communication radio multi-bandes et multi-modes est un autre exemple pour lequel un système radio doit être capable de communiquer dans plusieurs bandes de fréquences et dans plusieurs modes, par exemple, un duplexage en fonction de la fréquence ou du temps. À première vue, on peut penser que l'assemblage de plusieurs dispositifs distincts n'est pas la meilleure solution en ce qui concerne le coût, la simplicité et la fonctionnalité. Par conséquent, une direction de recherche consiste à proposer une architecture d'émetteur-récepteur unifiée et compacte plutôt qu’une plate-forme assemblant de multiples dispositifs distincts. C’est cette problématique qui est spécifiquement abordée dans ce travail. Selon les fonctions à intégrer dans un seul et unique système multifonctionnel, la solution peut traiter plusieurs aspects simultanément. Par exemple, toute solution réalisant l'intégration de fonctions liées au radar et à la radio devrait traiter deux aspects principaux, à savoir : la forme d'onde opérationnelle et l'architecture frontale RF.----------ABSTRACT Since the very early wireless transmission of radiofrequency signals, it has been gradually flourished and exploited in a wider and wider range of applications. Among all those applications of radio technology, sensing and communicating are undoubtedly the most indispensable ones. There are a large number of practical scenarios such as intelligent transportations in which vehicles must be equipped with both radar and communication devices to be capable of both sensing the environment and communication with other onboard units. The emerging 5G technology can be another important example in which multiple sensors and radios should be capable of cooperating with each other in an autonomous or semi-autonomous manner. The operation principles of these radar and radio devices are different. Such fundamental differences can result in using different operational signal, distinct signal processing, and transceiver architectures in these systems that can raise challenges for integration of all required functions within a single platform. Other than that, there exist some applications where several functions of a single device (i.e. sensor or radio) are required to be executed simultaneously. For example, 2D angle-of-arrival detection systems require estimating the angle of arrival (AOA) of the incoming beam in both horizontal and vertical planes at the same time. Multiband and multimode radio communication is another example of this kind where a radio system is desired to be capable of communication within several frequency bands and in several modes, e.g., time or frequency division duplexing. At a first glance, one can feel that the mechanical assembling of several distinct devices is not the best solution regarding the cost, simplicity and functionality or operability. Hence, the research attempt in developing a rather unified and compact transceiver architecture as opposed to a classical platform with assembled multiple individual devices comes out of horizon, which is addressed specifically in this work. Depending on the wireless functions that are to be integrated within a single multifunction system, the solution should address multiple aspects simultaneously. For instance, any solution for integrating radar and radio related functions should be able to deal with two principal aspects, namely operational waveform and RF front-end architecture. However, in some other above- mentioned examples such as 2D DOA detection system, identical operational waveform may be used and the main challenge of functional integration would pertain to a unification of multiple mono-functional transceivers

Integrated Communication and Radar Scheme for Future Intelligent Transportation Systems

RÉSUMÉ Grâce à son impact social et économique, la journée mondiale de la santé 2004 a été dédiée à la sécurité routière. Le thème suivant : « La sécurité routière n‘est pas accidentelle» a été abordé. Suite à cette rencontre, une attention toute particulière a été donnée à la problématique des accidents de la route. Afin d‘augmenter la sécurité sur les routes et diminuer le nombre d‘accidents, des systèmes intelligents de transport (ITS) ont été proposés. Ces systèmes utilisent les technologies avancées de communication et de détection. La structure ITS associe les fonctionnalités des Radars et des communications sans fils, permettant de rendre les futurs véhicules intelligents autonomes et collaboratifs. Ces deux fonctions peuvent être réalisées en utilisant deux systèmes radiofréquences individuels et indépendants. Toutefois, une meilleure solution consiste à intégrer, dans un seul dispositif, le système de communication et le radar. Ceci permet d‘apporter de nombreux avantages comme par exemple la simplification et la miniaturisation du système, sa reconfigurabilité, l‘augmentation de son efficacité, et enfin cela permettrait de réduire fortement ses coûts de développement et de réalisation, élément clé pour réussir la commercialisation du véhicule intelligent. Intrinsèquement, le fonctionnement des communications sans fils et des Radar ne sont pas compatibles. En effet, ils requièrent des techniques de conception et d‘implémentations différentes, ce qui les rend difficilement intégrables en un seul système. Afin de répondre aux grands défis technologiques présentés par cette intégration fonctionnelle, cette thèse de doctorat présente un développement compréhensif des systèmes intégrés de communication sans-fil et radar (iCars), placés dans un seul dispositif émetteur-récepteur et destinés aux futurs systèmes intelligents de transport. Premièrement, après une recherche bibliographique approfondie, une nouvelle technique de modulation est proposée. Dans cette technique, les signaux radar et les signaux de communication sont arrangés en créneaux temporels séquentiels pendant un cycle d‘opération, minimisant ainsi leurs interférences mutuelles. Cette technique permet d‘obtenir une agilité temporelle et/ou une reconfigurabilité fonctionnelle, par l‘ajustement adaptatif ou cognitif de toutes les durées de modulation de la forme d‘onde, en accord avec les situations spécifiques de l‘utilisation.----------ABSTRACT Due to its growing social and economic impact, the world health day of 2004 was dedicated to road safety with its theme as ―Road safety is no accident‖. Thereafter, road traffic accidents have received unprecedented attention. In order to improve road safety, intelligent transportation systems (ITSs) have been proposed and deployed by making use of advanced information and communication technologies. Within the framework of ITSs, both wireless communication and radar sensing functions are indispensable for autonomous and cooperative operations of future intelligent vehicles (IVs). These two functions can definitely be achieved by using two individual and independent wireless systems. However, an attractive solution would be to integrate both communication and radar functions within a single transceiver platform, which could bring a lot of benefits such as system simplification and miniaturization, functional reconfiguration and fusion (mutual penetration and rapid processing/control of information), and especially efficiency enhancement and cost reduction that are the keys to the successful development and marketing of IVs. Intrinsically, wireless communication and radar systems have incompatible operation principles, which require different design considerations and system implementations with respect to modulation techniques, required bandwidth, signal propagation and detection. To respond to these unprecedented design and technological challenges posed by the functional integration, this PhD thesis presents comprehensive study and development of integrated communication and radar systems (iCars) based on a single transceiver platform for future ITSs. Following a broad and in-depth literature review, first of all, a novel modulation scheme is proposed in this work, in which radar and communication signals are arranged in sequential time slots of one operation cycle and therefore, their interference is minimized. Also, time-agility or flexible functional reconfiguration can be easily achieved by adaptively or cognitively adjusting all software-programmable time durations in the modulation waveform according to usage situations. Moreover, functional fusion between two operation modes can be made possible from the following two aspects. One is that targets‘ ranges and velocities obtained through the radar mode can be used in the communication mode to mitigate multipath fading and compensate the Doppler spreading effect caused by the mobility of onboard units