| Photomixing antennas and photonic beamforming for near- and far-field mm-wave wireless communications (Antennes à photomélange et formateur de faisceaux photoniques pour les communications sans fil en ondes millimétriques en champ proche et lointain) Taillieu, Jérôme - (2025-03-10) / Université de Rennes Photomixing antennas and photonic beamforming for near- and far-field mm-wave wireless communications
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Langue : Anglais Directeur(s) de thèse: González Ovejero, David; Alouini, Mehdi Discipline : Photonique Laboratoire : FOTON Ecole Doctorale : MATISSE Classification : Sciences de l'ingénieur Mots-clés : Communications sub-THz, réseaux phasés, formateur de faisceaux photoniques, faisceaux de Bessel
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Résumé : Cette thèse traite du développement de systèmes de communication sub-THz, avec un focus sur des antennes en bande W et des sous-systèmes photoniques pour des applications en champ lointain et proche pour les futurs réseaux 6G. Deux antennes à réseaux phasés ont été conçues avec des circuits imprimés multicouches pour la formation de faisceaux dans le champ lointain. La première, fabriquée et testée, est un réseau phasé large bande (85–115 GHz) atteignant une directivité de 26 dBi et un gain de 21,5 dBi à 100 GHz, avec un balayage sur ±8°. Elle utilise une configuration à patchs empilés et des transitions optimisées avec des photodiodes UTC. La seconde, une antenne à métasurface linéairement modulée, offre un gain simulé de plus de 25 dBi avec seulement 1,2 dB de pertes. Compactes et directives, elles conviennent aux applications millimétriques pour l'auto-alignement. Pour des liens en champ proche, des faisceaux non diffractifs de Bessel ont été introduits. Côté photonique, un laser bifréquence a été développé pour générer des signaux sub-THz accordables et à faible bruit de phase pour des liaisons à haut débit. Un réseau de formation de faisceaux optiques à cristaux liquides a été conçu et validé, assurant un contrôle précis de la phase sub-THz pour le balayage. Enfin, ces travaux démontrent des liaisons sub-THz fiables utilisant des antennes à faisceaux de Bessel et à haut gain, capables de débits élevés sur courtes et longues distances, tout en relevant des défis comme le bruit de phase, l'efficacité et la scalabilité. Abstract : This thesis focuses on developing sub-THz communication systems, emphasizing W-band antennas and photonic subsystems for far- and near-field applications in future 6G networks. Two phased antenna arrays, featuring power combining and electronic beam steering, were designed for efficient far-field beamforming using multilayer printed circuit boards. The first antenna design, which has also been also manufactured and tested, consists in a broadband phased array (85-115 GHz) achieving a directivity of 26 dBi and a realized gain of 21.5 dBi at 100 GHz, with beam steering over a limited field of view of ±8°, serving self-alignment purposes. It features a stacked patch configuration, a compact feed network, and optimized transitions with UTC photodiodes. The second is a linearly modulated metasurface antenna with a simulated gain exceeding 25 dBi and only 1.2 dB losses. Compact and highly directive, it suits millimeter-wave applications. For near-field links, the use of nondiffractive Bessel beams is introduced. On the photonic side, an in-house widely tunable dual-frequency laser, generating in the sub-THz regime low-phase-noise signals essential for high-data-rate links. A liquid crystal-based optical beamforming network was designed and experimentally validated, enabling precise beam steering control. Finally, at the system level, this dissertation demonstrates reliable sub-THz links using non-diffractive Bessel beam antennas and high-gain antennas, supporting high data rates over short and long distances while addressing challenges such as phase noise, radiation efficiency, and scalability. | |||