Les communications numériques à haut débit exigent toujours plus de fiabilité et de performance et ce dans un environnement souvent hostile. Le développement de technologies toujours de plus en plus performantes pour les communications sans fil est donc de mise et nos intérêts sont particulièrement orientés vers la transmission par voie hertzienne de l'information à haut débit. Il existe plusieurs solutions qui peuvent être envisagées pour parer aux multiples problèmes rencontrés au niveau du lien radio, particulièrement la propagation par trajets multiples, l'interférence entre usagers et autres. L'antenne intelligente ou adaptative s'avère d'une utilité évidente lorsque vient le temps de faire une discrimination spatiale des signaux reçus. L'antenne intelligente est essentiellement une antenne réseau qui, par le biais d'une boucle de rétroaction, asservit son diagramme de rayonnement en temps réel et ce en optimisant un ou des critères tels que le rapport signal à bruit, le rapport signal à interférence, etc. Plusieurs facteurs affectent la performance de cette antenne adaptative et plus particulièrement l'espacement des antennes formant le réseau, la technique de traitement de signal utilisée, la corrélation des données ainsi que les interférences toujours présentes dans un environnement à large bande. La bande EHF (Extremely High Frequency) est particulièrement convoitée pour ce type d'application et réfère dans ce cas-ci aux fréquences au-dessus de 30 GHz. Pour cette partie du spectre électromagnétique où les caractéristiques de propagation sont particulièrement difficiles, des largeurs de bande considérables sont toutefois disponibles. Les travaux dont il est question ici font partie intégrante d'un projet qui consiste en la conception et la réalisation d'une antenne intelligente à bande de fréquences étendue fonctionnant en ondes millimétriques. Celle-ci sera très certainement un élément fondamental d'un système de communications robuste aux perturbations, interférences et autres. Ainsi, le système dans son ensemble pourra assurer un service de qualité à de multiples usagers tout en maintenant un rapport coût vs rendement optimal. L'ensemble des développements et technologies de pointe est considéré lors de la conception afin de développer un produit pouvant servir à des applications telles que les réseaux locaux sans fil, la distribution vidéo et les radars. Notre projet a consisté à concevoir et à mettre au point la partie radiofréquence de l'antenne comprenant les éléments rayonnants formant le réseau ainsi que le répartiteur de faisceaux. Une revue de la littérature scientifique nous a permis de constater que très peu de réalisations de ce genre à l'aide de lignes microruban en ondes millimétriques existent à ce jour. Une méthode de modélisation analytique de la matrice de Butler est d'abord proposée et une étude de sensibilité de cette matrice a été menée afin de mieux comprendre l'effet des imperfections des coupleurs hybrides formant le réseau sur la performance finale de l'antenne. Plusieurs composants microruban (coupleurs hybrides, coupleurs 0 dB, éléments rayonnants et autres) ont aussi été réalisés et testés individuellement pour parvenir à la réalisation du répartiteur de faisceaux ainsi que l'antenne à faisceaux multiples. Le répartiteur de faisceaux est une matrice de Butler et c'est sous ses formes 4 x 4 et 8 x 8 qu'elle a été réalisée et testée. En terminant, un survol des technologies alternatives est fait en vue d'améliorer les prototypes obtenus. / There is a growing need for broadband wireless communications and the requirements in terms of reliability as well as performance are high. These Systems have to deal with a hostile propagation environment and this context makes the development of the latest technologies of wireless communications on the highest priorities of the designers. Multipath propagation, inter-user interference, and imperfections of the communication equipment are among the most severe perturbations encountered throughout the signal path. A smart antenna is certainly a key component of such a system and its ability to adapt its spatial response is definitively a good solution, which can be used to mitigate ail these impairments. The smart antenna (also known as intelligent or adaptive array) is an antenna array which, by way of a feedback loop, adapts its radiation pattern in real time in order to optimize a criteria such as the signal to noise ratio, the signal to interference ratio or the minimum mean squared error of the received signal. The performance of this antenna is affected by the correlation between the signals at the antenna elements, the algorithm used for the adaptation, and the unavoidable interference usually present in such a broadband environment. The EHF (Extremely High Frequency) band is under the current scope of possible frequencies that may be used for the 4th generation of wireless communication Systems. The EHF band frequencies exceed 30 GHz and this means wavelengths in the order of a few millimeters. Large frequency bandwidths are available for this band at the expense of a significantly more difficult propagation. An ambitious project which consists in the design and realization of a wideband millimeter-wave smart antenna is currently underway and the work presented here is a part of it. This antenna will definitely be a fondamental element of a communication system achieving a good performance even though the wireless link is affected by ail kinds of channel induced perturbations. The achieved system will be able to provide an improved link quality to its multiple users by using the latest technological enhancements. Possible applications of this concept include wireless local area networks and video distribution. The RF section of this smart antenna comprising the antenna elements used to make the array, the array itself as well as the beamforming network has been designed and physically realized. As concluded after an intensive literature survey, realizations of this kind at millimeter waves are scarce and a lot a work has to be done to build components for this application. An analytical modeling method applicable to the Butler matrix as well as other beamforming networks has been derived and described. This tool was then used to conduct a sensitivity analysis of the Butler matrix and see how the performance of its constituting components is modifying the properties of the generated beams. Many microstrip components such as hybrid couplers, 0 dB couplers, and antennas operating at 36 GHz were designed and realized. Finally, two variations of the 4x 4 Butler matrix and one 8x 8 Butler matrix were designed and realized. An overview of possible alternatives which should be considered in order to improve the performance of the obtained networks is also made.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/18989 |
| Date | 25 April 2022 |
| Creators | Néron, Jean-Sébastien. |
| Contributors | Grenier, Dominic, Delisle, Gilles Y. |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | ix, 169, [42] f., application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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