Innovative 3-D printed Ku- and Ka- band antenna solutions targeting cost effective satellite on the move and 5G phased arrays
Solutions innovantes d'antennes en bande Ku- et Ka- en technologie d’impression 3-D pour la réalisation des réseaux phasés visant des applications 5G et des communications mobiles par satellite
Résumé
The increasing use of mobile applications leads to a growing demand for higher data-rates and low-cost mobile telecommunication solutions. While 5G networks are still at their early stages, a central role can be played by the mobile satellite telecommunications (Sat-Com-On-The-Move). The frequency bandwidth available at Ku- (10.75-14.5 GHz) and Ka- (18-31 GHz) bands for these applications can be leveraged in order to provide worldwide, high-speed and low-cost internet connections. Companies like SpaceX are actually deploying large satellite constellations required to work at Low Earth Orbits and offer such services. Nevertheless, the price and the form factor of the traditional motorized reflector-based user terminals remain the main bottlenecks in order to make these technologies affordable to the mass-market consumers. The limited operational bandwidth of the radiating elements integrated in their low-profile alternatives (i.e. slotted waveguide antenna arrays) actually obliges to split transmission (Tx) and reception (Rx) in two different panels, keeping a relatively high cost for the end-users. The objective of this thesis is to develop innovative low-cost and wideband antenna solutions, notably microstrip aperture coupled patch and double ridged waveguide antennas, to be respectively realized by standard Printed Circuit Board (PCB) and metal 3-D printing. These antennas are meant to cover the whole Ku- and Ka- band in order to allow the creation low-profile Sat-Com-On-The-Move user terminals able to perform both Rx and Tx using a single antenna panel. A particular attention is given to the possibility to integrate these radiating element in small arrays to be used as unit cell for the realization of larger ones, envisaging the possibility to achieve the levels of gain required by this kind of telecommunications.
L'utilisation exponentielle d’applications mobiles entraîne une demande en constante croissance pour des débits de données de plus en plus élevés associées à des solutions de télécommunications mobiles à faible coût. Alors que les réseaux 5G en sont encore à leur début, les télécommunications mobiles par satellite (Sat-Com-On-The-Move) peuvent jouer un rôle central dans cette problématique. La bande passante disponible dans les bandes de fréquences Ku- (10,75-14,5 GHz) et Ka- (18-31 GHz) pour ces applications peut être exploitée afin de fournir une connexion internet globale à haut débit et faible coût. Des entreprises comme SpaceX déploient actuellement de grandes constellations de satellites positionnées sur des orbites terrestres basses et pouvant répondre à ces besoins. Néanmoins, le prix et le facteur de forme des terminaux utilisateurs à réflecteur motorisé existants restent les principaux goulots d'étranglement pour rendre ces technologies abordables à une grande partie de consommateurs. La bande passante opérationnelle atteignable par les éléments rayonnants intégrés à faible profil (i.e. réseaux d’antennes à fentes) étant limité, la plupart des solutions existantes divisent la transmission (Tx) et la réception (Rx) dans deux panneaux rayonnants différents ce qui impose un coût relativement élevé pour les utilisateurs finaux. L'objectif de cette thèse consiste à développer des solutions d'antennes innovantes à faible coût et à large bande, notamment des antennes patch à couplage par fente et des antennes à guides d'ondes nervurés fabriqués avec des circuits imprimés standard (PCB) et par impression 3D en métal. Ces antennes sont censées couvrir la totalité de la bande Ku et Ka afin de permettre la création de terminaux utilisateur Sat-Com-On-The-Move à faible encombrement capables d'effectuer à la fois les fonctions Rx et Tx à l'aide d'un seul panneau antennaire. Une attention particulière est accordée à la possibilité d'intégrer ces éléments rayonnants dans de petits réseaux à utiliser comme cellule unitaire pour la réalisation de plus grands, en envisageant la possibilité d'atteindre les niveaux de gain requis par ce type de télécommunications.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|