Small Footprint Multilayered Millimeter-Wave Antennas and Feeding Networks for Multi-Dimensional Scanning and High-Density Integrated Systems

This paper overviews the state-of-the-art of substrate integrated waveguide (SIW) techniques in the design and realization of innovative low-cost, low-profile and low-loss (L3) millimeter-wave antenna elements, feeding networks and arrays for various wireless applications. Novel classes of multilayered antenna structures and systems are proposed and studied to exploit the vertical dimension of planar structures to overcome certain limita-tions in standard two-dimensional (2-D) topologies. The developed structures are based on two techniques, namely multi-layer stacked structures and E-plane corners. Differ-ent E-plane structures realised with SIW waveguide are presented, thereby demonstrating the potential of the proposed techniques as in multi-polarization antenna feeding. An array of 128 elements shows low SLL and height gain with just 200g of the total weight. Two versions of 2-D scanning multi-beam are presented, which effectively combine frequency scanning with beam forming networks. Adding the benefits of wide band performance to the multilayer structure, two bi-layer structures are investigated. Different stacked antennas and arrays are demonstrated to optimise the targeted antenna performances in the smallest footprint possible. These structures meet the requirement for developing inexpensive compact millimeter-wave antennas and antenna systems. Different structures and architectures are theoretically and experimentally studied and discussed for specific space- and ground-based appli-cations. Practical issues such as high-density integration and high-volume manufacturability are also addressed

Étude et réalisation de matrices à commutation de faisceaux en technologie guide d'ondes intégré au substrat

RÉSUMÉ Les applications radar pour les voitures demandent des composants de hautes performances mais avec faible coût de revient. Cette thèse présente la conception des réseaux d’alimentation d’antennes en ondes millimétriques utilisant la technologie du guide d’ondes intégré aux substrats (GIS), pour satisfaire les exigences du coût et du faible encombrement dans ces applications de radar. Dans un système radar, l’antenne défini la largeur du secteur couvert, la portée, la discrimination angulaire et le filtrage du bruit généré par d’autre sources. Généralement les antennes intelligentes remplissent ce cahier des charges. La direction dans laquelle le réseau ayant la réponse maximale serait la direction du pointage de faisceau. Pour un choix de faisceau dans une direction désirée, un ajustement de phase doit être accompli. Les matrices à commutation donnent des distributions de phase aux sorties différentes pour chaque port d’entrée. Le guide d’ondes intégré aux substrats (GIS) offre une technologie intéressante pour les réseaux d’alimentation d’antennes en termes de faible pertes par radiation, ce qui assure un très faible niveau d’interférences et d’effets parasitiques entre les circuits de GIS. Nous proposons dans ce travail plusieurs matrices de formation de faisceaux basées sur la technologie GIS. La thèse est présentée sous forme d’articles. Ce travail montre les étapes entreprises afin de mener à terme la conception, la fabrication, les mesures et l’évaluation de plusieurs topologies de la matrice de Butler. Nous verrons donc dans un premier temps les composants nécessaires au bon fonctionnement d’un tel système soit: les coupleurs 3 dB, les déphaseurs et les croisements. Le choix de la configuration sera justifié pour chacun de ces éléments. L’usage de simulateur (Ansoft HFSS) basé sur la méthode des éléments finis (une méthode à ondes complètes) sera nécessaire dans ce travail. Ce logiciel donne des résultats assez proches des essais expérimentaux. Trois matrices de Butler sont développées, la première à 77 GHz sans croisement, une deuxième est une structure à deux couches à 24 GHz et la troisième est une matrice complètement planaire avec un coupler 0 dB à 12.5 GHz.---------- ABSTRACT Automotive radar applications require components with high performance but low cost. This thesis presents the design of millimeter wave antennas feeding networks using the substrate integrated waveguide (SIW) technology, to satisfy the requirement of low cost and compactness in these radar applications.In a radar system the antenna define the width of covered area, the range, the angular discrimination and the filter noise generated by other sources. Generally smart antennas must be used to satisfy the specifications. The beam pointing can be achieved only by adjusting the phase of signals from different elements. For a choice of beam in a desired direction, a phase adjustment must be done. Switching matrices are used to provide phase distribution at output ports that is different for each input port. The substrates integrated waveguide (SIW) is a promising technology for the antenna feed networks in terms of low radiation and transmission losses with reduced interferences among SIW circuit elements. We propose in this work several beamforming matrices based on SIW technology. This thesis is presented in paper form. First of all, this work shows the steps taken to finalize the design, fabricate, measurement and evaluation of several Butler matrix topologies. We will see at first that the building components necessary for the proper functioning of such a network: the 3 dB couplers, phase shifters and crossovers. The choice of a configuration will be justified for each of these elements. An electromagnetic simulator (Ansoft HFSS) based on the finite element method (full-wave method) is used in this work. This software package would be able to yield results close to experimental counterparts. Three Butler matrices are developed, the first at 77GHz without crossover, the second is related to a two layer structure at 24 GHz and the third is completely made planar with a cross-over at 12.5 GHz. The Nolen matrix compared to Butler matrix has the advantages of being free from crossovers in the structure. The loads placed on unused ports in the Blass matrix do not appear in the Nolen matrix which increases efficiency. We propose two architectures, the first one is related to perpendicular configuration in Ku band while the second platform presents a parallel topology which shows a good performance over a broad band around 77 GHz

Guided-wave properties of mode-selective transmission line

The so-called mode-selective transmission line or simply ‘‘MSTL’’ is studied theoretically and experimentally. This low-loss and low-dispersion transmission line operates with a frequency-dependent mode-switching behavior. This self-adaptive mode-selective guided-wave structure begins with the propagation of electromagnetic waves over the lower frequency range in the form of a quasi-TEM fundamental mode similar to the microstrip line case, then followed by a fundamental quasi-TE10 mode with reference to rectangular waveguide over the higher frequency region. To gain insight into the physical mechanism and fundamental features of this mode-selective transmission line, a detailed semi-analytical hybrid-mode analysis is developed through the application of a method of lines. This method allows accurate and effective modeling of MSTL guided-wave properties. Propagation characteristics of this proposed mode-agile structure in terms of dispersion, modal, and loss properties are examined, which leads to the establishment of some basic MSTL design guidelines. Numerical results confirm the expected mode conversion and low-loss behavior through the observation of field evolutions along the structure. For experimental verification, a set of MSTL prototypes are fabricated on two different substrates through dissimilar fabrication processes. Measurements are carried out from dc-to-500 GHz using a vector network analyzer. Excellent agreement between theoretical and experimental results is observed. It is confirmed that the low-dispersion and lowloss behavior of MSTL makes it an outstanding integrated waveguide in support of high-performance superbroadband signal transmission and/or ultra-fast pulse propagation in a fully-integrated platform

Empty substrate integrated waveguide technology for E plane high-frequency and high-performance circuits

Substrate integrated circuits (SIC) have attracted much attention in the last years because of their great potential of low cost, easy manufacturing, integration in a circuit board, and higher-quality factor than planar circuits. A first suite of SIC where the waves propagate through dielectric have been first developed, based on the well-known substrate integrated waveguide (SIW) and related technological implementations. One step further has been made with a new suite of empty substrate integrated waveguides, where the waves propagate through air, thus reducing the associated losses. This is the case of the empty substrate integrated waveguide (ESIW) or the air-filled substrate integrated waveguide (air-filled SIW). However, all these SIC are H plane structures, so classical H plane solutions in rectangular waveguides have already been mapped to most of these new SIC. In this paper a novel E plane empty substrate integrated waveguide (ESIW-E) is presented. This structure allows to easily map classical E plane solutions in rectangular waveguide to this new substrate integrated solution. It is similar to the ESIW, although more layers are needed to build the structure. A wideband transition (covering the frequency range between 33 GHz and 50 GHz) from microstrip to ESIW-E is designed and manufactured. Measurements are successfully compared with simulation, proving the validity of this new SIC. A broadband high-frequency phase shifter (for operation from 35 GHz to 47 GHz) is successfully implemented in ESIW-E, thus proving the good performance of this new SIC in a practical application.This work was supported by the Ministerio de Economía y Competitividad, Spanish Goverment, under research projects TEC2013-47037-C5-3-R, TEC2013-47037-C5-1-R, AYA2013-49759-EXP, and CSD2010-00064

The access to genetic resources and the sharing of benefits arising from their use face to the patentability of biotechnological inventions. A divisive issue to the test of North/South rapports

La Convention sur la diversité biologique (CDB, 1992) a établi pour la première fois en droit international un système d’accès aux ressources génétiques (RG) et du partage des avantages qui découlent de leur utilisation (système d’APA). Ce système se base sur la reconnaissance de la souveraineté des États sur leurs ressources naturelles, censée leur permettre d’en contrôler l’utilisation et bénéficier des avantages qui en découlent. La Convention se présentait alors comme un acquis pour les pays du Sud, principaux fournisseurs des RG et par conséquent principaux bénéficiaires de ce système. Deux ans après la conclusion de la CDB, l’Accord sur les aspects de la propriété intellectuelle qui touchent au commerce (l’Accord) a été conclu sous l’égide de l'OMC. Sous l’influence des pays du Nord, cet Accord étend le champ de la brevetabilité à toutes technologies, y compris celles qui étaient auparavant exclues de ce champ par de nombreux pays, notamment du Sud. Les biotechnologies sont les principales technologies visées par cette obligation. À cet égard les pays du Sud ont exprimé leur réticence en considérant que l’ADPIC n’est pas adapté aux exigences du système d’APA de la CDB puisqu’il permet la brevetabilité des RG qui sont à la base des biotechnologies sans prendre en considération ces exigences. Ces pays ont en outre estimé que l’Accord risque de compromettre la mise œuvre de ce système. Dès lors les deux textes se sont retrouvés au centre d’un réel débat, entre les pays du Sud et les pays du Nord que ce soit pour condamner leur incompatibilité ou pour défendre leur synergie. Un débat qui révèle un réel clivage Nord/Sud autour de nombreuses questions.The Convention on Biological Diversity (CBD), concluded in 1992, has established for the first time in international law a genetic resources (GR) regime on access and benefits sharing arising from their use (ABS system). This system is based on the recognition of the sovereignty of States over their natural resources, supposed allow them the control of their use and reaping the associated benefits. Therefore, the Convention was presented as a gain for South’s countries, the main suppliers of GR and therefore the main beneficiaries of this system. Two years after the conclusion of the CBD, the Agreement on Trade Related aspect of Intellectual Property (TRIPS) was concluded under the aegis of the World Trade Organization (WTO.) Under the influence of North’s countries concerned to shape the international patent system on their own model, this Agreement extend the patentability scope to all technologies, including those which were excluded from this scope by many countries, especially in South. Biotechnologies are the most concerned by this obligation. In this regard, South’s countries have expressed reluctance, considering that TRIPS is not adapted to the requirements of the ABS system of CBD since it allows the patentability of GR which are the base of biotechnologies without regard to these requirements. These countries, moreover, considered that the Agreement could compromise the implementation of this system. Therefore, the two texts found themselves at the center of a real debate between the South and the North whether to denounce their incompatibility or support their synergy. A debate that exposes a real North/South division on numerous question

Mise en forme et enrobage des ingrédients pharmaceutiques par procédés supercritiques

Ce travail de thèse a été dédié à l'élaboration de formulations de médicaments par procédé Supercritique Anti-Solvant (SAS). L'étude a été divisée en deux sections : la production de co-précipités de médicament / polymère en utilisant le procédé SAS et l’enrobage de particules de taille micrométrique en utilisant un lit fluidisé couplé au procédé SAS. L'éthyl cellulose a été choisi comme polymère biocompatible pour la préparation des deux systèmes. La micronisation de l'éthyl cellulose par procédé SAS a été réalisée avec succès; des particules submicroniques ayant une taille moyenne de 300 nm ont été obtenues. Les formulations composites micronisées, la quercétine et la rifampicine avec de l'éthyl cellulose ont été élaborées par co-précipitation à pression et température modérées (10 MPa et 35 °C). L'étude de faisabilité d'une nouvelle méthode d’enrobage par lit fluidisé en milieu supercritique couplé à l'utilisation du procédé SAS a été réalisée. Ce procédé vert alternatif permet d’enrober des particules micrométriques avec peu d'agglomération et une bonne qualité du film d’enrobage. Des expériences d’enrobage de billes de verre ont été effectuées dans des conditions opératoires variées pour deux configurations d'injection différentes, pulvérisation par le haut ou par le bas de l’autoclave. De meilleurs résultats ont été obtenus dans les expériences de pulvérisation par le haut, notamment en termes de qualité de revêtement. Ce travail de thèse apporte des éléments nouveaux et pertinents pour un meilleur contrôle des procédés d’enrobage en milieu supercritique.The elaboration of drug formulations using supercritical anti-solvent process was the subject of this thesis. The study was divided in two sections: production of drug/polymer co-precipitates using SAS process and coating of micron-sized particles using a fluidized bed coupled with SAS process. Ethyl cellulose was chosen as biocompatible polymer for preparing the two systems. The micronization of ethyl cellulose using GRAS ethyl acetate solvent through a supercritical anti-solvent process was successfully performed; submicron particles with mean size of 300 nm were obtained. Micronized drug composites of quercetin or rifampicin with ethyl cellulose at moderate pressure and temperature (10 MPa and 35 °C) were produced by co-precipitation using supercritical anti-solvent process. Depending on the operating conditions, different particle size, particle size distribution and morphology of the product, but also crystallinity and drug loading were observed.The feasibility study of a novel coating method using fluidization in supercritical medium coupled with SAS process has been demonstrated to be a good alternative green process to elaborate micron-sized coated particles with few agglomeration and good coating quality. Coating experiments of glass beads were carried out at different conditions for two different injection configurations, top and bottom spray. Better results were achieved in the top spray experiments in term of coating quality. This Ph. D. work brings new and relevant elements for a better control of the coating processes in supercritical medium

Générateur de rampe de fréquence ultra linéaire pour un système de positionnement local basé sur le principe de radar à onde continue modulée en fréquence

Principe de mesure -- Extraction des objets et estimation de la position -- Principe d'un radar -- Étude de la fréquence de battement d'un radar FMCW -- La contrainte de la linéarité -- Définition du cahier des charges -- Le VCO et les synthétiseurs -- Caractérisation des propriétés du VCO -- Les différentes méthodes de linéarisation -- Boucle à verrouillage de phase -- Structure -- Plage de capture et de verrouillage -- L'application de la PLL à la synthèse de fréquence -- Étude de block -- La boucle à verrouillage de phase à division fractionnelle -- Génération d'une rampe de fréquence -- Contrôle de la PLL et génération de la rampe -- Circuits PLL ADF4153 fractionnel -- Contrôleur -- Programmation d'une seule fréquence -- Linéarisation d'une étape -- Génération de la rampe -- Étude des performances -- Mesure directe de linéarité -- Banc d'essai -- Mesure de linéarité -- Mesure en temps réel -- Estimation de fréquence -- Synthèse des erreurs -- Comparaison avec les autres méthodes -- Coût