Directivity and polarisation dynamic reconfiguration of planar antennas

Description

This study concern reconfigurable antenna and their feeding circuit. Directivity and polarisation agility is obtained using different active components as PIN diodes and varactors which directly reported on the feeding circuit using MIC (microwave integrated circuit). A novel architecture of quasi-lumped coupler based on varactor is proposed, studied and theorized. This hybrid coupler is associated to a dual-orthogonal feed antenna. The system allow a reconfiguration of the polarization of the radiated antenna from a linear polarization to a circular one. Measurements show an axial ratio for the circular polarization of 0.8dB. In a second application, a linear polarization can be rotated on a 90° angle. Measurements show that a high quality linear polarization is conserved during the rotation. In a third study, a microstrip antenna is associated with two parasitic elements. While the reactance connected to the parasitic elements is changed, a reconfiguration of the radiating pattern is observed. Eventually, different solutions are proposed to feed a linear array of antenna. A first solution using two hybrid coupler in reflection mode et PIN diodes permits to reduce the number of active devices needed. A second phased shifter based on the quasilumped hybrid coupler and the summation method is studied. This phase shifter is associated with an array of two antennas to modify the focusing of the radiating beam. Finally, a solution fully integrated on a high K silicon substrate is studied and realised. Phase shifter are using switching line technique. Ohmic and capacitive MEMS switches are designed, simulated and realised. The final system occupy 0.5*1mm² area on the die.

Abstract (French)

Ce travail porte sur l'étude d'antennes agiles en directivité et polarisation, et de leurs circuits d'alimentation. Cette agilité est obtenue au moyen de différents éléments actifs dont les propriétés sont mises à profit pour modifier le fonctionnement électromagnétique des antennes. Des composants semi-conducteurs classiques comme les diodes PIN ou les varactors sont ainsi reportés sur des circuits d'alimentation des antennes selon les techniques MIC (microwave integrated circuit). Une architecture innovante de coupleur reconfigurable à base de varactors est proposée, étudiée et théorisée. Ce coupleur hybride est associé à une antenne à double alimentation orthogonale. Le système complet permet une reconfiguration de la polarisation de l'onde rayonnée par l'antenne, allant d'une polarisation parfaitement linéaire à une polarisation circulaire. Les mesures de cette antenne montrent un rapport axial pour la polarisation circulaire de 0,8dB. Une seconde application proposée permet de réaliser électroniquement une variation sur un angle de 90° de la direction de polarisation d'une antenne. Les mesures montrent qu'une polarisation linéaire de qualité est conservée tout au long de la rotation. Dans une troisième étude, une antenne microruban est associée à deux éléments parasites sur un même substrat. En modifiant la réactance de charge des deux éléments parasites, une reconfiguration du diagramme de rayonnement de l'antenne est observée. Enfin, différentes solutions sont proposées pour alimenter un réseau linéaire. Une première solution utilisant deux coupleurs hybrides en mode réflexion et des diodes PIN permet de réduire le nombre de composants nécessaires à la conception. Un second déphaseur basé sur le coupleur reconfigurable et la méthode de la sommation des vecteurs en quadrature est étudiée. Ce déphaseur est associé à un réseau de deux antennes pour modifier l'angle de focalisation du réseau. Enfin, une solution totalement intégrée sur Silicium haute résistivité à 60 GHz utilisant des composants microsystèmes est étudiée et réalisée grâce au procédé micro-électronique de la société MEMScap. Les déphaseurs utilisent la technique des lignes commutées. Des commutateurs MEMS de type série et parallèles sont conçus, simulés et réalisés. Le système final occupe une place de 0,5*1mm².

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