Les transistors à haute mobilité d’électrons (HEMTs) en Nitrure de Gallium (GaN) s’affirment aujourd’hui comme une technologie essentielle à l’amplification de puissance à haute fréquence. Les HEMTs GaN étudiées et développées reposent essentiellement sur une hétérostructure AlGaN/GaN mais une alternative à base d’une barrière composée en InAlN, réduisant les contraintes sur les mailles cristallographiques de l’ensemble, est étudiée par certains laboratoires. Ce manuscrit de thèse rapporte une étude des potentialités de la filière HEMT InAlN/GaN développée au III-V Lab, en s’intéressant tout particulièrement aux effets de pièges induits par des défauts présents au sein de la structure. Une méthode de détection de ces défauts est proposée, basée sur la mesure de paramètres [S] en basse fréquence. Un modèle de HEMT InAlN/GaN électrothermique comprenant la contribution des effets de pièges est rapporté et sert de base à la conception d’un amplificateur de puissance en technologie MMIC, fonctionnant en bande Ka, présenté au dernier chapitre. / Nowadays, High Electron Mobility Transistors (HEMTs) in Gallium Nitride (GaN) take the lead in power amplification at microwave frequencies. Most of the studies and developments on those HEMTs concern AlGaN/GaN structures but alternative transistors with an InAlN barrier, which reduces the strain in the crystal lattice of the whole structure, are investigated by few laboratories. This thesis presents some advanced studies on the new InAlN/GaN HEMT developed by the III-V Lab, focusing on the trapping phenomena induced by defects inside the crystal structure. A new method for the characterization of these defects, based on low-frequency S-Parameters measurements, is proposed. Furthermore, a non-linear electro thermal model including trapping effects for an InAlN/GaN HEMT is detailed and used to design a MMIC power amplifier for Ka-band applications.

Dans un monde où l’information va de plus en plus vite, il est important de pouvoir rester connecté en permanence. De nouvelles solutions émergent pour connecter les passagers à bord d’un avion grâce aux communications par satellite. Parmi elles, on retrouve les antennes à pointage électronique dans lesquelles cette thèse de doctorat s’intègre. Une étude sur les différentes antennes existantes ou en projet est présentée. Les puces électroniques MMIC AsGa permettent d’appliquer des lois d’amplitude et de phase pour chaque élément rayonnant d’une antenne réseau. Cette thèse de doctorat porte sur la conception d’un déphaseur, après avoir étudié les technologies et les topologies de celui-ci. Ensuite, la conception d’un amplificateur faible bruit à gain variable est proposée à partir d’un état de l’art. Les résultats de simulation et de mesures de ces deux fonctions sont exposés. / In a world where the information is moving faster and faster, it is important to be able to stay connected continuously. Some new solutions for air transport connectivity are in development thanks to the rise of satellite communications. This thesis work is part of an electronically steerable antenna array project, developed as a solution to achieve In-Flight Connectivity in Ka-band. A state- of-the art review on electronically steerable antenna arrays is also presented. In these arrays, each radiating element needs a specific amplitude and phase to obtain a scanning beam by adding their contribution. This thesis focus on the design of a GaAs MMIC chip inclusion two functions: a phase shifter and a variable-gain low-noise amplifier. The simulation and measurement results are presented for these two functions.

No description available.

[ES] Esta tesis aborda temas de especial interés en el diseño de antenas en la banda de milimétricas. Hui en dia, implementar components passius per a operar en la banda de mil·limètriques i assegurar el contacte i l'alineament metàl·lic apropiat entre peces, resulta un desafiament complex. Habitualment les línies de transmissió i les guies d'ones metàl·liques són les solucions adoptades, però en el primer cas es presenten pèrdues al ser solucions impreses i en el segon cas un mal contacte metàl·lic comporta fugues de camp. Per tant, s'estan explorant nous conceptes que solucionen estos problemes. La tecnología Gap Waveguide (GW) resulta adecuada ya que no requiere de contactos metálicos. En los últimos años han surgido las agrupaciones de antenas basadas en la tecnología Gap Waveguide y son un candidato prometedor para satisfacer algunas de las necesidades mencionadas. La tecnología GW ha demostrado ser atractiva para dispositivos de milimétricas porque permite redes de distribución completamente metálicas de una manera más simple que las guías de onda convencionales. Por tanto, estas redes tienen muy bajas pérdidas pero además son simples de fabricar. Esto es posible gracias a la capacidad de las GW de confinar de forma segura la propagación de ondas electromagnéticas por medio de una estructura que no requiere de contacto. Durante la última década, se han hecho avances importantes en la tecnología GW y en la literatura se pueden encontrar un buen número de antenas basadas en GW. Esta tesis va un paso más allá en la contribución de este tipo de antenas. Aquí, no solo se presentan antenas con polarización lineal, como suelen ser las desarrolladas hasta ahora, sino también con polarización dual, circular y duales en banda. Estas aportaciones son especialmente atractivas dentro del campo de las comunicaciones por satélite en movimiento (SATCOM on-the-move). Además, se han explorado nuevas redes de distribución que permiten antenas planas más compactas, más ligeras. / [CA] Esta tesi aborda temes d'especial interés en el disseny d'antenes en la banda de mil.limètriques. Hui en dia, implementar components passius per a operar en longituds d'onda tan xicotetes (de l'orde de mil.límetres) i assegurar el contacte i l'alineament metàl-lic apropiat entre peces, resulta un desafiament complex. Habitualment les línies de transmissió i les guia d'ones metàl.liques són les solucions adoptades, però en el primer cas es presenten pèrdues al ser solucions impreses i en el segon cas un mal contacte metàl.lic comporta fugues de camp. Per tant, s'estan explorant nous conceptes que solucionen estos problemes. La tecnologia Gap Waveguide (GW) resulta adequada ja que no requerix de contactes metàl.lics. En els últims anys han sorgit les agrupacions d'antena basades en la tecnologia Gap Waveguide i són un candidat prometedor per a satisfer algunes de les necessitats mencionades. La tecnologia GW ha demostrat ser atractiva per a dispositius de banda d'ones mil-limètriques perquè permet xarxes de distribució completament metàl-liques d'una manera més simple que les guies d'onda convencionals. Per tant estes xarxes tenen baixes pèrdues peró, a més, són simples de fabricar. Açò és possible gràcies a la capacitat de les GW de confinar de forma segura la propagació d'ones electromagnètiques per mitjà d'una estructura que no requerix de contacte. Durant l'última dècada, s'han fet avanços importants en la tecnologia GW i en la literatura es poden trobar un bon nombre d'antenes basades en GW. Esta tesi va un pas més enllà en la contribució d'este tipus d'antenes. Ací, no sols es presenten antenes amb polarització lineal com solen ser les desenrotllades fins ara, sinó també antenes amb polarització dual, circular i inclús antenes duals en banda. Estes aportacions són especialment atractives dins del camp de les comunicacions per satèl.lit en moviment (SATCOM on-the-move). A més també s'han explorat noves xarxes de distribució que permeten obtindre antenes planes més compactes, més lleugeres. / [EN] This thesis deals with topics of special interest regarding the design of antennas at the mm-wave band. Today, implementing passive components that operate in the mm-wave band and to ensure the appropriate metallic contact is challenging. Commonly, conventional planar transmission lines and hollow metallic waveguides are the usual solutions but they present high losses or they do not ensure a good metallic contact. So, new concepts must be explored. Gap Waveguides (GWs), result suitably since they do not require metallic contact for shielding. Antenna arrays in Gap Waveguide Technology (GW) emerges as one promising candidate to naturally meet some of the mentioned needs. GW technology has demonstrated to be effective for mm-wave band devices because it enables full-metal distribution networks in a much simpler way than conventional waveguides. Very low distribution losses can be achieved preserving at the same time the assembly simplicity of multilayer microstrip feeding networks. This unique feature is a consequence of gap waveguides ability to safely confine the electromagnetic wave propagation through a contactless structure. During the last decade, there have been important advances in GW technology and a good number of gap waveguide-based arrays can be found in the literature. This thesis goes a step further in the contribution to mm-wave gap waveguide antennas. Here, antennas with linear polarization as well as circular or dual polarization are proposed. Dual band antennas has also been explored. These contributions have been carried out with a focus on satellite communications on-the-move. In addition, new distribution networks have also been explored to obtain more compact, low-profile and lighter antennas. / Ferrando Rocher, M. (2018). Gap Waveguide Array Antennas and Corporate-Feed Networks for mm-Wave band Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/115933

De nombreuses applications civiles et militaires (faisceaux hertziens, futurs réseaux mobiles, communications par satellite, radars automobiles, systèmes d’imagerie haute résolution) nécessitent des antennes à faisceau reconfigurable (dépointage de faisceau, faisceaux multiples, faisceaux formés). Les antennes à réseaux transmetteurs apparaissent comme une alternative aux réseaux phasés classiques ou aux réseaux réflecteurs pour ces applications. L’objectif principal de cette thèse est de démontrer la faisabilité de réseaux reconfigurables fabriqués avec des technologies standards en bande Ka (20-30 GHz). Divers cellules élémentaires utilisant des diodes p-i-n et fonctionnant en polarisation linéaire ou circulaire ont été conçues, optimisées et caractérisées. Les mesures en guide d’onde montrent des pertes minimales de 1,09 dB à 29,0 GHz et une bande passante à 3 dB de 14,7%. Une méthode de simulation hybride a été développée afin d’analyser efficacement des réseaux de grandes dimensions utilisant des rotations séquentielles d’éléments pour optimiser la qualité de polarisation et les diagrammes de rayonnement. Un réseau de 400 cellules élémentaires fonctionnant en polarisation circulaire a été réalisé et testé en chambre anéchoïque. Un dépointage électronique de ±60° et la possibilité de commuter entre les deux polarisations circulaires (droite/gauche) ont été démontrés. / Several civil and military applications (hertzian beams, satellite communications, automotive radars, high resolution imaging systems) require antennas with reconfigurable beam capabilities (beam-scanning, beamshaping, multiple beam generation). Transmitarray antennas are good candidates and represent an alternative to classical phased arrays or reflect-arrays for these applications. The main objective of this thesis is to demonstrate the feasibility of reconfigurable transmitarrays fabricated with standard technologies in Ka-band (20-30 GHz). Different unit-cell designs based on p-i-n diodes have been developed to work in linear and circular polarization. Their optimization and experimental characterization have been performed. Waveguide measurements show insertion losses of 1.09 dB at 29.0 GHz with a 3-dB bandwidth of 14.7%. A hybrid simulation technique has been developed in order to analyze efficiently large transmitarrays in which the sequential rotation technique has been applied to optimize the polarization quality and the radiation patterns. A 400-elements transmitarray operating in circular polarization has been realized and tested in anechoic chamber. A beam-scanning angular coverage of ±60° and circular polarization selection (left/right) have been demonstrated.

This thesis tackles issues of particular interest regarding analysis and design of passive components at the mm-wave and Terahertz (THz) bands. Innovative analysis techniques and modeling of complex structures, design procedures, and practical implementation of advanced passive devices are presented. The first part of the thesis is dedicated to THz passive components. These days, THz technology suffers from the lack of suitable waveguiding structures since both, metals and dielectric, are lossy at THz frequencies. This implies that neither conventional closed metallic structures used at microwave frequencies, nor dielectric waveguides used in the optical regime, are adequate solutions. Among a variety of new proposals, the Single Wire Waveguide (SWW) stands out due to its low attenuation and dispersion. However, this surface waveguide presents difficult excitation and strong radiation on bends. A Dielectric-Coated Single Wire Waveguide (DCSWW) can be used to alleviate these problems, but advantages of the SWW are lost and new problems arise. Until now, literature has not given proper solution to radiation on bends and, on the other hand, rigorous characterization of these waveguides lacks these days. This thesis provides, for the first time, a complete modal analysis of both waveguides, appropriated for THz frequencies. This analysis is later applied to solve the problem of radiation on bends. Several structures and design procedures to alleviate radiation losses are presented and experimentally validated. The second part of the thesis is dedicated to mm-wave passive components. These days, when implementing passive components to operate at such small, millimetric wavelengths, to ensure proper metallic contact and alignment between parts results challenging. In addition, dielectric absorption becomes significant at mm-wave frequencies. Consequently, conventional hollow metallic waveguides and planar transmission lines present high attenuation so that new topologies are being considered. Gap Waveguides (GWs), based on a periodic structure introducing an Electromagnetic Bandgap effect, result very suitable since they do not require metallic contacts and avoid dielectric losses. However, although GWs have great potential, several issues prevent GW technology from becoming consolidated and universally used. On the one hand, the topological complexity of GWs difficulties the design process since full-wave simulations are time-costly and there is a lack of appropriate analysis methods and suitable synthesis procedures. On the other hand, benefits of using GWs instead of conventional structures are required to be more clearly evidenced with high-performance GW components and proper comparatives with conventional structures. This thesis introduces several efficient analysis methods, models, and synthesis techniques that will allow engineers without significant background in GWs to straightforwardly implement GW devices. In addition, several high-performance narrow-band filters operating at Ka-band and V-band, as well as a rigorous comparative with rectangular waveguide topology, are presented. / Esta tesis aborda problemas actuales en el análisis y diseño de componentes pasivos en las bandas de onda milimétrica y Terahercios (THz). Se presentan nuevas técnicas de análisis y modelado de estructuras complejas, procedimientos de diseño, e implementación práctica de dispositivos pasivos avanzados. La primera parte de la tesis se dedica a componentes pasivos de THz. Actualmente no se disponen de guías de onda adecuadas a THz debido a que ambos, metales y dieléctricos, introducen grandes pérdidas. En consecuencia, no es adecuado escalar las estructuras metálicas cerradas usadas en microondas, ni las guías dieléctricas usadas a frecuencias ópticas. Entre un gran número de recientes propuestas, la Single Wire Waveguide (SWW) destaca por su baja atenuación y casi nula dispersión. No obstante, como guía superficial, la SWW presenta difícil excitación y radiación en curvas. El uso de un recubrimiento dieléctrico, creando la Dielecric-Coated Single Wire Waveguide (DCSWW), alivia estos inconvenientes, pero las ventajas anteriores se pierden y nuevos problemas aparecen. Hasta la fecha, no se han encontrado soluciones adecuadas para la radiación en curvas de la SWW. Además, se echa en falta una caracterización rigurosa de ambas guías. Esta tesis presenta, por primera vez, un análisis modal completo de SWW y DCSWW, adecuado a la banda de THz. Este análisis es aplicado posteriormente para evitar el problema de la radiación en curvas. Se presentan y validan experimentalmente diversas estructuras y procedimientos de diseño. La segunda parte de la tesis abarca componentes pasivos de ondas milimétricas. Actualmente, estos componentes sufren una importante degradación de su respuesta debido a que resulta difícil asegurar contacto metálico y alineamiento adecuados para la operación a longitudes de onda tan pequeñas. Además, la absorción dieléctrica incrementa notablemente a estas frecuencias. En consecuencia, tanto guías metálicas huecas como líneas de transmisión planares convencionales presentan gran atenuación, siendo necesario considerar topologías alternativas. Las Gap Waveguides (GWs), basadas en una estructura periódica que introduce un efecto de Electromagnetic Bandgap, resultan muy adecuadas puesto que no requieren contacto entre partes metálicas y evitan las pérdidas en dieléctricos. No obstante, a pesar del potencial de las GWs, varias barreras impiden la consolidación y uso universal de esta tecnología. Por una parte, la compleja topología de las GWs dificulta el proceso de diseño dado que las simulaciones de onda completa consumen mucho tiempo y no existen actualmente métodos de análisis y diseño apropiados. Por otra parte, es necesario evidenciar el beneficio de usar GWs mediante dispositivos GW de altas prestaciones y comparativas adecuadas con estructuras convencionales. Esta tesis presenta diversos métodos de análisis eficientes, modelos, y técnicas de diseño que permitirán la síntesis de dispositivos GW sin necesidad de un conocimiento profundo de esta tecnología. Asimismo, se presentan varios filtros de banda estrecha operando en las bandas Ka y V con altas prestaciones, así como una comparativa rigurosa con la guía rectangular. / Aquesta tesi aborda problemes actuals en relació a l'anàlisi i disseny de components passius en les bandes d'ona mil·limètrica i Terahercis. Es presenten noves tècniques d'anàlisi i modelatge d'estructures complexes, procediments de disseny, i implementació pràctica de dispositius passius avançats. La primera part de la tesi es focalitza en components passius de THz. Actualment no es disposen de guies d'ona adequades a THz causa que tots dos, metalls i dielèctrics, introdueixen grans pèrdues. En conseqüència, no és adequat escalar les estructures metál·liques tancades usades en microones, ni les guies dielèctriques usades a freqüències òptiques. Entre un gran nombre de propostes recents, la Single Wire Waveguide (SWW) destaca per la seua baixa atenuació i quasi nul·la dispersió. No obstant això, com a guia superficial, la SWW presenta difícil excitació i radiació en corbes. L'ús d'un recobriment dielèctric, creant la Dielecric-Coated Single Wire Waveguide (DCSWW), alleuja aquests inconvenients, però els avantatges anteriors es perden i nous problemes apareixen. Fins a la data, no s'han trobat solucions adequades per a la radiació en corbes de la SWW. A més, es troba a faltar una caracterització rigorosa d'ambdues guies. Aquesta tesi presenta, per primera vegada, un anàlisi modal complet de SWW i DCSWW, adequat a la banda de THz. Aquest anàlisi és aplicat posteriorment per evitar el problema de la radiació en corbes. Es presenten i validen experimentalment diverses estructures i procediments de disseny. La segona part de la tesi es centra en components passius d'ones mil·limètriques. Actualment, aquests components pateixen una important degradació de la seua resposta a causa de que resulta difícil assegurar contacte metàl·lic i alineament adequats per a l'operació a longituds d'ona tan menudes. A més, l'absorció dielèctrica incrementa notablement a aquestes freqüències. En conseqüència, tant guies metàl·liques buides com línies de transmissió planars convencionals presenten gran atenuació, sent necessari considerar topologies alternatives. Les Gap Waveguides (GWs), basades en una estructura periòdica que introdueix un efecte de Electromagnetic Bandgap, resulten molt adequades ja que no requereixen contacte entre parts metàl·liques i eviten les pèrdues en dielèctrics. No obstant, tot i el potencial de les GWs, diverses barreres impedixen la consolidació i ús universal d'aquesta tecnologia. D'una banda, la complexa topologia de les GWs dificulta el procés de disseny atés que les simulacions d'ona completa consumeixen molt de temps i no existeixen actualment mètodes d'anàlisi i disseny apropiats. D'altra banda, és necessari evidenciar el benefici d'utilitzar GWs mitjançant dispositius GW d'altes prestacions i comparatives adequades amb estructures convencionals. Aquesta tesi presenta diversos mètodes d'anàlisi eficients, models, i tècniques de disseny que permetran la síntesi de dispositius GW sense necessitat d'un coneixement profund d'aquesta tecnologia. Així mateix, es presenten diversos filtres de banda estreta operant en les bandes Ka i V amb altes prestacions, així com una comparativa rigorosa amb la guia rectangular. / Berenguer Verdú, AJ. (2017). Analysis and design of efficient passive components for the millimeter-wave and THz bands [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/84004