Horn Antennas and Dual-Polarized Circuits in Substrate Integrated Waveguide

177 Pages·2014·10.85 MB·English

by  Esquius Morote, Marc

Horn Antennas and Dual-Polarized Circuits in Substrate
Integrated Waveguide (SIW) Technology
THÈSE NO 6421 (2014)
PRÉSENTÉE LE 14 NOVEMBRE 2014
À LA FACULTÉ DES SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGÉNIEUR
LABORATOIRE D'ÉLECTROMAGNÉTISME ET ACOUSTIQUE
PROGRAMME DOCTORAL EN GÉNIE ÉLECTRIQUE
ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES
PAR
Marc ESQUIUS MOROTE
acceptée sur proposition du jury:
Prof. C. N. Jones, président du jury
Prof. J. R. Mosig, directeur de thèse
Prof. L. Jofre Roca, rapporteur
Prof. F. Rachidi-Haeri, rapporteur
Prof. K. Wu, rapporteur
Suisse
2014

Butstilltry,forwhoknowswhatispossible?
Iamnopoet,butifyouthinkforyourselves,asIproceed,
thefactswillformapoeminyourminds.
—MichaelFaraday,
thefatherofthatenlargedscienceofelectromagnetism
Alamevadona,alsmeusparesialamevagermana,quesempre
m’hanrecolzatiencoratjatentoteslesdecisionsqueheprès...

Abstract
TheSubstrateIntegratedWaveguide(SIW)technologyisaverypromisingcandidatetoprovide
widespreadcommercialsolutionsformoderncommunicationssystems.Itsmainadvantageis
thepossibilitytointegratepassive/activecomponentsandantennasinthesamesubstrateby
usingstandardmanufacturingprocesses,suchasthePrintedCircuitsBoard(PCB)processing
technique.
Nevertheless,theproductionoflow-costSIWdevicesisinherentlylinkedtocommercially
availablesubstratesandfabricationmethods.Inparticular,theseconstraintsusuallylimit(a)
thefrequencyrangeofoperationofcertainSIWantennasand(b)thepossibilityofcreating
multimodestructuresdealingwithorthogonalpolarizations.ThemotivationofthisPhDthesis
istoovercomethesetwolimitationsbyproposinginnovativeSIWcomponentsbasedonPCBs
inordertofavourthecompatibilitywithexistingsystemsandtolowertheircost.Hence,the
usageoftheSIWtechnologywouldbeextendedtowardsnewapplicationsandscenarios.
Onetypeofantennastronglyaffectedbythelimitation(a)istheH-planeSIWhornantenna.
Whilestandardhornsareemployedinmanyapplicationsandinawiderangeoffrequencies,
their counterparts in SIW technology are restricted to the Ka-band and above. At lower
frequencies,commercialsubstratesareelectricallythinandtheperformancesoftheseend-fire
antennasseverelydiminish.Tosolvethisproblem,anovellow-profileSIWhornantennahas
beendesignedtobeusedattheKu-bandandbelow,whileofferingwidebandcharacteristics.
Inaddition,thehornshapehasbeenfurtheroptimizedtoreducetheantennafootprintfora
givendirectivity.
Inordertoovercomethelimitation(b),asubstrateintegratedguideabletosimultaneously
carryorthogonallypolarizedmodeshasbeendeveloped: thesocalledExtendedSubstrate
IntegratedWaveguide(ESIW).AnESIWdual-polarizedsystemcomposedofanOrthomode
Transducer(OMT)feedingadual-polarizedhornantennahasbeendesignedandexperimen-
tallyverified.
Theoverallcombinationofconceptsandideasproposedinthisthesisopensthedoortowards
newSIWcomponentsthatcanincreasethecapacity,robustnessandcompactnessofmodern
communicationsystems.
Keywords:SubstrateIntegratedWaveguide(SIW),SubstrateIntegratedCircuits(SICs),horn
antennas,end-fireradiation,low-profile,UnmannedAirborneVehicles(UAV),orthogonal
modes,dual-polarization,OrthomodeTransducer(OMT).
v

Résumé
LatechnologieSubstrateIntegratedWaveguide(SIW)—littéralement"guided’ondeintégréau
substrat"—estunetechnologietrèsprometteusepourfournirdessolutionscommercialesaux
futurssystèmesdecommunications.Sonprincipalavantageestlapossibilitéd’intégrerdes
composantspassifs/actifsetdesantennesdanslemêmesubstratenutilisantdesprocédésde
fabricationstandard,telsquelescircuitsimprimésouPCBs(PrintedCircuitsBoards).
Cependant,laproductiondecomposantsSIWàbascoûtestintrinsèquementliéeauxsubstrats
disponibles sur le marché et aux méthodes de fabrication. En particulier, ces contraintes
limitent(a)lesfréquencesdefonctionnementdecertainesantennesSIWet(b)lapossibilité
decréerdesdispositifsayantdespolarisationsorthogonales.Lamotivationdecettethèse
dedoctoratestdedépassercesdeuxlimitationsenproposantdescomposantsSIWbasés
surdesprocédésPCBpourqu’ilssoientcompatiblesaveclessystèmesdéjàexistantsetpour
réduireleurscoûtsdeproduction.Unetellesolutionpermettraitd’élargirl’utilisationdela
technologieSIWversdenouvellesapplicationsetscénarios.
Uneantennefortementinfluencéeparlalimitation(a)estl’antennecornetSIW.Tandisque
lescornetsstandardssontutiliséesdansdenombreusesapplicationsetbandesdefréquences,
sonhomologueentechnologieSIWestlimitéàlabandeKaetau-dessus.Auxfréquences
plusbasses,lessubstratsdisponiblessontélectriquementmincesetlesperformancesdeces
antennessedétériorentsévèrement.Pourrésoudreceproblème,unenouvelleantennecornet
SIWdonctotalementintégréeausubstrataétéconçuepourêtreutiliséedanslabandeKuet
au-dessousavecdespropriétéslargebande.Deplus,laformeducornetaétéoptimiséepour
réduirelatailledel’antenneparrapportàladirectivitésouhaitée.
Poursurmonterlalimitation(b),unguided’ondeintégrécapabledetransporterplusieurs
modespolarisésorthogonalementaétéaussiproposéetappeléExtendedSubstrateIntegrated
Waveguide(ESIW).UnsystèmeESIWavecdeuxentréesàpolarisationorthogonalecomposé
d’unOrthomodeTransducer(OMT)alimentantuneantennecornetaétéconçuetvérifié
expérimentalement.
La panoplie complète de concepts et idées proposés dans cette thèse ouvre la voie à de
nouveauxdispositifsSIWquipeuventaugmenterlacapacité,lafiabilitéetlacompacitédes
systèmesmodernesdecommunication.
Motsclefs:SubstrateIntegratedWaveguide(SIW),SubstrateIntegratedCircuits(SICs),an-
tenne intégrée au substrat, antenne cornet, rayonnement end-fire, Unmanned Airborne
Vehicles(UAV),double-polarisation,modesorthogonaux,OrthomodeTransducer(OMT).
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Kurzfassung
Substrat-integrierte-Wellenleiter-Technologie(engl.SIW-Technology)isteinvielversprechen-
desKonzept,dasweitverbreitetekommerzielleLösungenfürmoderneKommunikationssys-
temeanbietet.IhrgrößterVorteilliegtdarin,daßsichmitstandardisiertenFertigungsprozes-
sen(z.B.gedruckteLeiterplattentechnologie)sowohlpassivealsauchaktiveKomponenten
undAntennenaufdemgleichenSubstratintegrierenlassen.
DieProduktionvonkostengünstigenSIW-Bauelementenhängtjedochunmittelbarmitden
kommerziellverfügbarenSubstratenundHerstellungsverfahrenzusammen.Diesschränkt
insbesondere(a)denFrequenzbereich,inwelchemsolcheSIWAntennenarbeitenkönnen,
und(b)dieEntwicklungvonmehrmodigenStrukturenfürdieÜbertragungvonorthogonal
polarisiertenSignalenein.ZieldieserDissertationistes,Wegeaufzuzeigen,wiedieseEin-
schränkungendurchdenEinsatzvoninnovativenSIW-Komponentenüberwundenwerden
können.DiesesollendabeiaufderLeiterplattentechnologieaufbauen,sowohlumdieKompa-
tibilitätmitbereitsexistierendenSystemenzugarantierenalsauchdieHerstellungskosten
geringzuhaltenunddamitdenWegfürneueAnwendungenderSIW-Technologiezuebnen.
Hauptsächlich betroffen von der ersten Einschränkung sind H-Ebenen SIW-Hornstrahler.
WährendgewöhnlicheHornstrahlerinvielenAnwendungenzufindensindundübereinen
großenFrequenzbereichfunktionieren,istdieSIW-VarianteaufdasKa-Bandunddarüber
beschränkt.BeiniedrigerenFrequenzensinddiehandelsüblichenSubstratesehrdünnund
dieLeistungdieserArtvonLängsstrahlerantennennimmtdrastischab.UmdiesesProblem
zulösen,wurdeeinneuartiger,flacherundbreitbandigerSIW-Hornstrahlerkonzipiert,der
fürdasKu-Bandunddaruntergeeignetist.DarüberhinauswurdedieFormdesHornstrahlers
optimiert,umeinemöglichstgeringeGrößebeigegebenemRichtfaktorzuerreichen.
UmdiezweiteEinschränkungzuüberwinden,wurdeeinimSubstratintegrierterWellenlei-
terentwickelt,dersogenannteExtendedSIW(ESIW),dergleichzeitigmehrereorthogonal
polarisierteModenübertragenkann.BasierendaufdiesemKonzeptwurdeeinePolarisations-
weiche(engl.OrthomodeTransducer),diezurEinspeisungeinesSIW-Hornstrahlersmitdualer
Polarisationgeeignetist,entwickeltundexperimentellüberprüft.
DieKombinationderindieserDissertationvorgestelltenKonzepteundIdeenöffnetdieTürfür
dieEntwicklungvonneuenSIW-Bauelementen,diedasLeistungsvermögen,dieRobustheit
unddieKompaktheitmodernerKommunikationssystemeerhöhenkönnen.
Schlagworte : Substrate Integrated Waveguide (SIW), Substrate Integrated Circuits (SICs),
Hornstrahler,Längsstrahler,UnmannedAirborneVehicles(UAV),orthogonaleModen,duale
Polarisation,OrthomodeTransducer(OMT).
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