RF-MEMS BASED RECONFIGURABLE ANTENNAS
ANTENNES RECONFIGURABLES A BASE DE MEMS RF
Résumé
This thesis deals with the study of RF MEMS based reconfigurable antennas. The considered
approach is the radiation pattern diversity for mobile and base station. It reveals itself an
interesting diversity scheme especially in indoor conditions as it enables link budget optimization,
and provides a way to reduce fading in multipath environments, raise up data rate and meanwhile
the number of users by reducing interferences between them.
A state-of-the-art about reconfigurable antennas solutions along with an introduction to RF MEMS
is presented. These components show high RF performances, great linearity, along with much
reduced power consumption compared to their equivalent solid-state devices. These advantages
become even more obvious at millimeter-wave frequencies, where new applications are
emerging. In addition, they can be integrated with CMOS circuits on silicon or fabricated with the
antenna on various substrates.
The main developments in this study are the implementation of a modeling and optimizing
method of parasitic antenna arrays and the integration in these antennas, through equivalent
electrical models, of radiofrequency microelectromechanichal (MEMS RF) switches, in order to
reconfigure their radiation patterns.
It indeed reveals itself necessary to model these systems in order to have a reliable, efficient
design of switched parasitic array antennas. Beyond these modeling efforts, passive antenna
prototypes haves been realized and measured, validating the whole design method. An active
prototype, integrating RF MEMS devices have then be developed. The problem of modeling and
integrating these RF MEMS devices in antennas has then been tackled. Beam forming antennas
have eventually been developed, based on reconfigurable antenna cells, each forming a subarray
of a larger array.
approach is the radiation pattern diversity for mobile and base station. It reveals itself an
interesting diversity scheme especially in indoor conditions as it enables link budget optimization,
and provides a way to reduce fading in multipath environments, raise up data rate and meanwhile
the number of users by reducing interferences between them.
A state-of-the-art about reconfigurable antennas solutions along with an introduction to RF MEMS
is presented. These components show high RF performances, great linearity, along with much
reduced power consumption compared to their equivalent solid-state devices. These advantages
become even more obvious at millimeter-wave frequencies, where new applications are
emerging. In addition, they can be integrated with CMOS circuits on silicon or fabricated with the
antenna on various substrates.
The main developments in this study are the implementation of a modeling and optimizing
method of parasitic antenna arrays and the integration in these antennas, through equivalent
electrical models, of radiofrequency microelectromechanichal (MEMS RF) switches, in order to
reconfigure their radiation patterns.
It indeed reveals itself necessary to model these systems in order to have a reliable, efficient
design of switched parasitic array antennas. Beyond these modeling efforts, passive antenna
prototypes haves been realized and measured, validating the whole design method. An active
prototype, integrating RF MEMS devices have then be developed. The problem of modeling and
integrating these RF MEMS devices in antennas has then been tackled. Beam forming antennas
have eventually been developed, based on reconfigurable antenna cells, each forming a subarray
of a larger array.
Ce mémoire traite de l'étude d'antennes reconfigurables à base de MEMS RF. L'approche
retenue est la diversité de diagramme de rayonnement de la station de base et du mobile. Elle
peut être particulièrement intéressante dans un environnement indoor (à l'intérieur d'un bâtiment)
pour lutter contre les évanouissements provoqués par les réflexions multiples et augmenter la
portée des systèmes, ce qui optimise les bilans de liaison améliore les débits de transmission,
l'autonomie et permet par ailleurs d'augmenter le nombre d'utilisateurs en diminuant les
interférences entre eux.
Un état de l'art des solutions d'antennes reconfigurables ainsi qu'une introduction des MEMS RF
est présentée. Ces composants présentent à la fois des performances RF très élevées, une
linéarité accrue, pour un encombrement, un poids et une consommation de puissance bien plus
faible que leurs équivalents à semi-conducteurs. Ces avantages deviennent encore plus évidents
aux fréquences millimétriques où de nouvelles applications émergent. De plus, ils peuvent être
intégrés à des circuits en technologie CMOS sur du silicium ou encore fabriqués sur de nombreux
substrats avec l'antenne.
Les développements essentiels de cette étude sont la mise en oeuvre d'une méthode de
modélisation et d'optimisation de réseaux à éléments parasites afin de former des diagrammes
dépointés et l'intégration, via des modèles électriques équivalents, d'interrupteurs
microélectromécaniques radiofréquences (MEMS RF) afin de rendre ces antennes
reconfigurables en diagramme de rayonnement.
Il s'est en effet avéré qu'il était nécessaire de modéliser ces systèmes afin de développer une
démarche de conception efficace des réseaux à antennes parasites commutées. Suite à ces
efforts de modélisation, des prototypes d'antennes passifs ont été réalisés et mesurés,
permettant de valider la méthode de conception. Un prototype actif utilisant des composants
MEMS RF a ensuite été développé. Des antennes à formation de faisceaux ont également été
développées sur la base de cellules composées chacune d'une antenne reconfigurable
constituant un sous réseau d'un réseau plus large.
retenue est la diversité de diagramme de rayonnement de la station de base et du mobile. Elle
peut être particulièrement intéressante dans un environnement indoor (à l'intérieur d'un bâtiment)
pour lutter contre les évanouissements provoqués par les réflexions multiples et augmenter la
portée des systèmes, ce qui optimise les bilans de liaison améliore les débits de transmission,
l'autonomie et permet par ailleurs d'augmenter le nombre d'utilisateurs en diminuant les
interférences entre eux.
Un état de l'art des solutions d'antennes reconfigurables ainsi qu'une introduction des MEMS RF
est présentée. Ces composants présentent à la fois des performances RF très élevées, une
linéarité accrue, pour un encombrement, un poids et une consommation de puissance bien plus
faible que leurs équivalents à semi-conducteurs. Ces avantages deviennent encore plus évidents
aux fréquences millimétriques où de nouvelles applications émergent. De plus, ils peuvent être
intégrés à des circuits en technologie CMOS sur du silicium ou encore fabriqués sur de nombreux
substrats avec l'antenne.
Les développements essentiels de cette étude sont la mise en oeuvre d'une méthode de
modélisation et d'optimisation de réseaux à éléments parasites afin de former des diagrammes
dépointés et l'intégration, via des modèles électriques équivalents, d'interrupteurs
microélectromécaniques radiofréquences (MEMS RF) afin de rendre ces antennes
reconfigurables en diagramme de rayonnement.
Il s'est en effet avéré qu'il était nécessaire de modéliser ces systèmes afin de développer une
démarche de conception efficace des réseaux à antennes parasites commutées. Suite à ces
efforts de modélisation, des prototypes d'antennes passifs ont été réalisés et mesurés,
permettant de valider la méthode de conception. Un prototype actif utilisant des composants
MEMS RF a ensuite été développé. Des antennes à formation de faisceaux ont également été
développées sur la base de cellules composées chacune d'une antenne reconfigurable
constituant un sous réseau d'un réseau plus large.
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