Substrate Integrated Waveguide Devices and Receiver Systems for Millimeter-Wave Applications

RESUME La tres forte congestion du spectre radiofrequence alloue aux frequences RF et micro-ondes pour les communications sans fil d’aujourd’hui motive ce travail de recherche qui se consacre aux bandes millimetriques pour lesquelles d’avantages d’allocations spectrales sont disponibles, et qui est particulierement interessante pour le transfert a tres haut debit. Compare aux autres technologies de ligne de transmission, le Guide Integre au Substrat (GIS) montre des avantages tres attractifs comme un faible profil, un faible cout, un haut facteur de qualite (facteur Q), de faibles pertes d’insertion. Ce dernier a gagne beaucoup d’attention recemment grâce a ces caracteristiques favorables pour la conception de circuits et systemes millimetriques. Le sujet de ce doctorat concerne deux tâches de recherche distinctes : la premiere est dediee a l’investigation et a la conception de composants et d’antennes GIS innovants pour une possible application en ondes millimetriques; la seconde se consacre a la mise au point et a la demonstration de systemes de receptions millimetriques de tailles compactes, faibles pertes, a haut niveau d’integration et hautes performances. Les chapitres 1 a 4 se concentrent sur l’exploitation et l’investigation, un a un, de composants GIS pour lesquels un nombre de concepts originaux et innovants de structures est propose et demontre. Dans le chapitre 5, les architectures classiques et les parametres des systemes de reception sont introduits, puis utilises pour la conception de systemes de receptions millimetriques dans les chapitres suivants. Du chapitre 6 au chapitre 8, des systemes submillimetriques et millimetriques bases sur le GIS sont demontres. Les contributions majeures de cette these sont les suivantes : Une structure balancee large bande inherente peut etre obtenue en imprimant un circuit sur deux faces d’un substrat GIS. Ainsi, un balun planaire large bande GIS implemente sur un circuit imprime (ou PCB, pour Printed Circuit Board) simple couche est propose et presente, suite auquel une nouvelle transition large bande de ligne microruban a ligne parallele est demontree. Avec cette transition proposee comme reseau d’alimentation, une nouvelle antenne large bande quasi-Yagi planaire est developpee. ----------ABSTRACT The heavily congested condition at the existing radio frequency (RF)/microwave spectra allocated for the today’s wireless communications motivates and expedites the research work at millimeter-wave bands where more spectrum space is available for massive data rate delivery. Compared with other transmission line techniques, the substrate integrated waveguide (SIW) platform shows attractive advantages of low profile, low-cost, high Q-factor, and low insertion loss, etc. It has gained a lot of attention recently due to its favorable features in millimeter-wave circuit/system design. The topic of this doctoral dissertation are concerned with two distinct research tasks: (1) investigating and designing innovative SIW components and antennas for possible millimeter-wave applications; (2) developing and demonstrating geometry-compact, low cost, high level of integration and high performance millimeter-wave receiver systems. Chapters 1 to 4 focus on the exploitation and investigation of individual SIW devices, in which a number of original concepts and innovative structures are proposed and demonstrated. In Chapter 5, generic architectures and parameters of receiver systems are discussed and used as a guideline for the millimeter-wave system design in the next chapters. From Chapter 6 to Chapter 8, sub-millimeter/millimeter wave systems based on SIW technique are demonstrated. The major contributions of this thesis work can be highlighted as follows:An inherent broadband balanced structure can be achieved by printing circuits on two opposite sides of an SIW substrate. According to this feature, a broadband SIW planar balun implemented on a single layer printed circuit board (PCB) is proposed and presented, following which another newly proposed broadband microstrip-to-broadside parallel stripline transition is demonstrated. With the proposed transition as the feeding network, a novel broadband printed quasi-Yagi antenna is developed. Half-mode substrate integrated waveguide (HMSIW) and quarter-mode substrate integrated waveguide (QMSIW) techniques are introduced for the purpose of miniaturizing SIW circuits and enhancing the bandwidth.