Reflectarray antennas uniquely combine the advantages of parabolic reflectors and phased array antennas. Comprised of planar structures similar to phased arrays and utilizing quasi-optical excitation similar to parabolic reflectors, reflectarray antennas provide beam steering without the need of complex and lossy feed networks. Chapter 1 discusses the basic theory of reflectarray and its design. A brief summary of previous work and current research status is also presented. The inherent advantages and drawbacks of the reflectarray are discussed. In chapter 2, a novel theoretical approach to extract the reflection coefficient of reflectarray unit cells is developed. The approach is applied to single-resonance unit cell elements under normal and waveguide incidences. The developed theory is also utilized to understand the difference between the TEM and TE10 mode of excitation. Using this theory, effects of different physical parameters on reflection properties of unit cells are studied without the need of full-wave simulations. Detailed analysis is performed for Ka-band reflectarray unit cells and verified by full-wave simulations. In addition, an approach to extract the Q factors using full-wave simulations is also presented. Lastly, a detailed study on the effects of inter-element spacing is discussed. Q factor theory discussed in chapter 2 is extended to account for the varying incidence angles and polarizations in chapter 3 utilizing Floquet modes. Emphasis is laid on elements located on planes where extremities in performance tend to occur. The antenna element properties are assessed in terms of maximum reflection loss and slope of the reflection phase. A thorough analysis is performed at Ka band and the results obtained are verified using full-wave simulations. Reflection coefficients over a 749-element reflectarray aperture for a broadside radiation pattern are presented for a couple of cases and the effects of coupling conditions in conjunction with incidence angles are demonstrated. The presented theory provides explicit physical intuition and guidelines for efficient and accurate reflectarray design. In chapter 4, tunable reflectarray elements capacitively loaded with Barium Strontium Titanate (BST) thin film are shown. The effects of substrate thickness, operating frequency and deposition pressure are shown utilizing coupling conditions and the performance is optimized. To ensure minimum affects from biasing, optimized biasing schemes are discussed. The proposed unit cells are fabricated and measured, demonstrating the reconfigurability by varying the applied E-field. To demonstrate the concept, a 45 element array is also designed and fabricated. Using anechoic chamber measurements, far-field patterns are obtained and a beam scan up to 25o is shown on the E-plane. Overall, novel theoretical approaches to analyze the reflection properties of the reflectarray elements using Q factors are developed. The proposed theoretical models provide valuable physical insight utilizing coupling conditions and aid in efficient reflectarray design. In addition, for the first time a continuously tunable reflectarray operating at Ka-band is presented using BST technology. Due to monolithic integration, the technique can be extended to higher frequencies such as V-band and above.

De nos jours, les antennes à réseaux transmetteurs attirent un grand intérêt pour de nombreuses applications civiles et militaires aux bandes de fréquence comprises entre 10 et 110 GHz (réseaux de communication 5G, liens point à point, radars, etc.).Le travail de thèse vise à faire des innovations dans la modélisation et la conception d'antennes à réseaux transmetteurs pour des applications en bande Ka (28-40 GHz). Il porte plus précisément sur le développement d'outils numériques pour l’analyse théorique des réseaux transmetteurs, la conception et la démonstration de plusieurs prototypes avec des fonctionnalités avancées, telles que des réseaux transmetteurs passifs (larges bandes ou à multifaisceaux) et actifs (à reconfiguration électronique).La première partie des travaux consiste en une analyse théorique des réseaux transmetteurs. Dans un premier temps, l’impact de la méthode de compensation de phase sur les performances des réseaux transmetteurs est étudié. La loi de compensation de phase de l’onde quasi-sphérique incidente sur l’ouverture du réseau transmetteur est calculée en utilisant deux méthodes nommées compensation à phase constante et compensation par ligne à retard, et nous montrons que cette dernière permet d’augmenter la bande passante du réseau transmetteur et de corriger les erreurs de dépointage du faisceau. Dans un second temps, le principe de fonctionnement des réseaux transmetteurs facettés est décrit en détail. La simulation numérique du réseau transmetteur à trois facettes est validée au travers de simulations électromagnétiques 3-D. Pour un certain angle d’inclinaison, nous montrons que la bande passante et la capacité de dépointage du réseau transmetteur sont améliorées au détriment du gain.La suite des travaux porte sur la conception et le prototypage de deux réseaux transmetteurs passifs, dont l’un à faisceau collimaté et très large bande et l’autre à quatre faisceaux fixes. Les deux réseaux transmetteurs sont basés sur une cellule élémentaire à 3bits qui assure une double fonction à savoir la compensation de phase et la conversion de la polarisation linéaire en circulaire. Le réseau passif à faisceau collimaté présente un gain mesuré de 33,8 dBi (correspondant à une efficacité d'ouverture de 51,2%) et une bande passante à -3 dB supérieure à 15,9%. La distribution de phase du réseau transmetteur à quatre faisceaux a été optimisée par un algorithme génétique afin d’avoir des faisceaux dépointés à ± 25° dans le plan horizontal et le plan vertical à la fréquence d’optimisation.La dernière partie des travaux vise la conception d’un réseau transmetteur reconfigurable à 27-31 GHz. Dans un premier temps, une cellule élémentaire active à quatre états de phase (2 bits) en polarisation linéaire a été conçue et validée expérimentalement. Elle est composée de six couches métalliques imprimées sur trois substrats. Les éléments rayonnants sont des antennes patch rectangulaires comprenant chacun deux diodes PIN pour contrôler la phase de transmission. Le principe de fonctionnement de la cellule élémentaire a été validé expérimentalement avec des pertes d’insertion minimales de 1.6-2,1 dB et une bande passante en transmission (à 3 dB) de 10-12,1% pour les quatre états de phase 0 °, 90°, 180° et 270°. Cette cellule a ensuite été utilisée pour la conception d’un réseau transmetteur reconfigurable comprenant 14 × 14 cellules unitaires et 784 diodes PIN. Un prototype a été réalisé et caractérisé, il présente un gain maximum mesuré de 19,8 dBi, correspondant à une efficacité d'ouverture de 23,5%, et une bande passante à 3 dB de 4,7 GHz (26,2-30,9 GHz). Malgré quelques éléments défaillants, ce prototype valide le principe de fonctionnement et la faisabilité de réseaux transmetteurs en bande Ka avec une quantification de phase de 2 bits et constitue une des premières réalisations de ce type dans l’état de l’art actuel. / Nowadays, transmitarray antennas are of great interest for many civil and military applications in frequency bands between 10 and 110 GHz (5G mobile networks, point-to-point communication systems, radars, etc.).This thesis aims to make major innovations in modeling and design of transmitarray antennas for Ka-band applications (28-40 GHz). It focuses on the development of numerical tools, and the design and demonstration of several prototypes with advanced functionalities, such as passive (broadband or multibeam) and active (at electronic reconfiguration) transmitarrays.The first part of the work consists of a theoretical analysis of the transmitarray antenna. In a first step, the impact of the phase compensation method on the performance of the transmitarray is studied. The phase compensation law of the quasi-spherical wave incident on the array aperture is calculated using two methods called constant phase compensation and true-time delay (TTD) compensation. The numerical results show that TTD compensation allows an increase of the transmitarrays bandwidth and a reduction of the beam squint as compared to constant phase-shift compensation. In a second step, the operating principle of facetted transmitarrays is described in detail. The numerical simulation of a 3-facet transmitarray is validated through 3-D electromagnetic simulations. For a certain facet angle, the bandwidth and the beam scanning capability of the TA are improved at the expense of the gain.The next step of the work concerns the design and prototyping of two passive transmitarray antennas, one with a collimated and a large bandwidth, and the other with four fixed beams. The two transmitarrays are based on a 3-bit unit-cell providing two functions, namely the phase compensation and the polarization conversion from linear to circular. The passive beam-collimated transmitarray exhibits a measured gain of 33.8 dBi (corresponding to an aperture efficiency of 51.2%) and a 3-dB gain-bandwidth larger than 15.9%. The quad-beam transmitarray phase distribution has been optimized by a genetic algorithm code coupled with an analytical tool. The array is designed to radiate four beams at ±25° in the horizontal and vertical planes at the optimization frequency.The last part of the work aims to the design of a 27-31 GHz reconfigurable transmitarray antenna. Initially, an active unit-cell with four phase states (2 bits) in linear polarization was designed and validated experimentally. It consists of six metal layers printed on three substrates. The radiating elements are rectangular patch antennas, each of them including two PIN diodes to control the transmission phase. The operating principle of the unit-cell has been experimentally validated with a minimum insertion loss of 1.6-2.1 dB and a 3-dB transmission bandwidth of 10-12.1% for the four phase states. 0°, 90°, 180° and 270°.Then, this unit-cell was used for the design of a reconfigurable transmitarray antenna comprising 14 × 14 unit cells and 784 PIN diodes. A prototype was realized and characterized, it presents a measured maximum gain of 19.8 dBi, corresponding to an aperture efficiency of 23.5%, and a 3-dB bandwidth of 4.7 GHz (26.2% at 30.9 GHz). Despite some faulty elements, this prototype validates the operating principle and the feasibility of Ka-band transmitarray antennas with a 2-bit phase quantization. It is one of the first demonstration of such an antenna in the current state of the art.

Dual band (K and Ka) electronically scanning reflectarray with RF MEMS switches is designed, implemented and measured. Unit cell of the reflect array is composed of conductor backed split-ring elements. In order to steer the beam, the phase of the incident circularly polarized wave is controlled by RF MEMS switches that modify the angular orientation of split-rings individually. Reflectarray is designed using unit cell approach with periodic boundary conditions. The antenna is fabricated by using surface micromachining process developed in METU MEMS Center. Radiation patterns of the antenna are measured and compared with the simulations. It has been shown that the reflectarray is capable of beam switching to 35&deg / in Ka band, 24&deg / in K band.

Cette thèse démontre la faisabilité de l'utilisation de la technologie Nitrure de Gallium (GaN) dans les systèmes RF / micro-ondes reconfigurables. Les principales caractéristiques de ce type de technologie des semi-conducteurs se résident dans ses capacités de supporter des puissances élevées avec un rendement aussi élevé. En outre, la technologie GaN est un candidat très prometteur pour la réalisation des applications haute puissance/haute fréquence. Le travail de cette thèse est divisé en deux parties principales. La première est consacrée au développement, à l’analyse et à la caractérisation en DC et en RF jusqu'à 20 GHz des circuits actifs réalisés à base de la technologie GaN, tels que les diodes varicap et les commutateurs. Les diodes varicap fabriquées ont été modélisées en petit et grand signal par des équations analytiques contenant des coefficients empiriques ainsi un modèle en circuit a été développé, tandis aux commutateurs, un modèle de circuit en petit signal a été proposé. Ces composants actifs ont été réalisés en utilisant les processus GaN HEMTs de fabrication offerts par le Conseil National de Recherches du Canada (CNRC). La deuxième partie aborde les aspects de l'intégration de ces dispositif actifs GaN et de la conception des circuits reconfigurables proposés, tels que déphaseur reconfigurable, -3dB 90° coupleur hybride reconfigurable, oscillateur accordable en fréquence, commutation de faisceau et accordabilité en fréquence d’un réseau d'antennes patch tout en utilisant ces diodes varicap et commutateur GaN développées au fil de cette thèse. A travers cette thèse, l'utilisation de la technologie GaN pour la conception des designs RF reconfigurables en fréquence pour les applications fonctionnant au-dessous de 10 GHz a été démontrée. / This thesis demonstrates the feasibility of using the Gallium Nitride (GaN) technology in reconfigurable RF/microwave systems. The main features of this type of semiconductor technology being its high power with high efficiency. In addition, GaN technology is a very promising candidate for realizing high power/high frequency applications. The thesis work is divided in two main parts. The first one is devoted to active GaN devices, such as varactor diodes and switches, development, analyze and characterization via DC and RF up to 20 GHz. The fabricated varactor were modeled by analytic equations containing empirical coefficients and also a physic circuit model was developed, while for the switches only a small signal physic circuit model was proposed. These GaN devices was manufactured by using the Canadian National Research Council (NRC) GaN HEMTs processes. The second part addresses the integration and design aspects of the reconfigurable proposed circuits, such as tunable phase shifter, reconfigurable 3-dB 90° hybrid coupler, tunable frequency oscillator, beam switching antenna array and matching reconfigurable patch antenna based on these developed GaN varactors and switches devices. The use of GaN on highly efficient reconfigurable designs for broadband RF/microwave applications operating below 10 GHz was demonstrated.

No description available.

General Secretariat of Education and Scientific Research, Libya. / The only available copy is the print version kept in the J.B.Priestley Library for reference.

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.