The heavily congested condition at the existing radio frequency (RF)/microwave spectra allocated for the today’s wireless communications motivates and expedites the research work at millimeter-wave bands where more spectrum space is available for massive data rate delivery. Compared with other transmission line techniques, the substrate integrated waveguide (SIW) platform shows attractive advantages of low profile, low-cost, high Q-factor, and low insertion loss, etc. It has gained a lot of attention recently due to its favorable features in millimeter-wave circuit/system design.

The topic of this doctoral dissertation are concerned with two distinct research tasks:​ (1) investigating and designing innovative SIW components and antennas for possible millimeterwave applications;​ (2) developing and demonstrating geometry-compact, low cost, high level of integration and high performance millimeter-wave receiver systems.

Chapters 1 to 4 focus on the exploitation and investigation of individual SIW devices, in which a number of original concepts and innovative structures are proposed and demonstrated. In Chapter 5, generic architectures and parameters of receiver systems are discussed and used as a guideline for the millimeter-wave system design in the next chapters. From Chapter 6 to Chapter 8, submillimeter/millimeter wave systems based on SIW technique are demonstrated.

The major contributions of this thesis work can be highlighted as follows:​

• An inherent broadband balanced structure can be achieved by printing circuits on two opposite sides of an SIW substrate. According to this feature, a broadband SIW planar balun implemented on a single layer printed circuit board (PCB) is proposed and presented, following which another newly proposed broadband microstrip-to-broadside parallel stripline transition is demonstrated. With the proposed transition as the feeding network, a novel broadband printed quasi-Yagi antenna is developed.
• Half-mode substrate integrated waveguide (HMSIW) and quarter-mode substrate integrated waveguide (QMSIW) techniques are introduced for the purpose of miniaturizing SIW circuits and enhancing the bandwidth. The HMSIW and QMSIW structures are generated by bisecting SIWs with fictitious magnetic walls. A broadband HMSIW Wilkinson power divider is developed, which successfully integrates a resistor branch with the SIW structure to guarantee good output matching and isolation. Furthermore, two C-band QMSIW Chebychev filters are proposed and demonstrated for wide band applications.
• A broadband phase shifter that makes use of non-radiating longitudinal slots in the broad wall of an SIW is presented. The proposed broadband phase shifter is developed on the basis of a dispersive phenomenon of SIW and slotted SIW lines. The design concept is developed on different propagation constants of TE10 mode and quasi-TEM mode, which are the fundamental modes of SIWs and our proposed slotted SIWs, respectively.
• A novel sub-harmonic self-oscillating mixer (SOM) topology that makes use of the transmission characteristics of two operating modes in an SIW cavity is proposed. The SOM circuit consists of a dual-mode SIW band-pass filter, a common source hetero-junction FET and a low-pass filter. The fundamental mode (H101) of the SIW cavity is used for RF mode operation while the H202 mode is used for local oscillation.
• A broadband millimeter-wave single balanced diode mixer that makes use of an innovative SIW based 180-degree hybrid is presented. Furthermore, a receiver front-end that integrates a high-performance SIW slot array antenna and the proposed mixer is developed. Subsequently, a wireless communication system with M-ary quadrature amplitude modulation (M-QAM) is demonstrated for line-of-sight (LOS) channels.
• A novel SOM-based receiver front-end is proposed, which deploys an injection locking scheme in order to improve the frequency stability and phase noise of the oscillating signal. The proposed SOM makes use of the transmission characteristics of two operating modes in an SIW cavity. As such, the proposed receiver front-end has the advantages of low phase noise and decent isolation between RF and local oscillator (LO) signals.
• A 60 GHz substrate integrated transceiver system with a broad bandwidth up to 3 GHz is presented. The proposed integration technique of planar and non-planar structures allows the design of passive components and active devices within a single package. The passive circuits and high-gain antennas are integrated together with monolithic microwave integrated circuits (MMICs) by simple wire-bonding process.

La très forte congestion du spectre radiofréquence alloué aux fréquences RF et micro-ondes pour les communications sans fil d’aujourd’hui motive ce travail de recherche qui se consacre aux bandes millimétriques pour lesquelles d’avantages d’allocations spectrales sont disponibles, et qui est particulièrement intéressante pour le transfert à très haut débit. Comparé aux autres technologies de ligne de transmission, le Guide Intégré au Substrat (GIS) montre des avantages très attractifs comme un faible profil, un faible coût, un haut facteur de qualité (facteur Q), de faibles pertes d’insertion... Ce dernier a gagné beaucoup d’attention récemment grâce à ces caractéristiques favorables pour la conception de circuits et systèmes millimétriques.

Le sujet de ce doctorat concerne deux tâches de recherche distinctes :​ la première est dédiée à l’investigation et à la conception de composants et d’antennes GIS innovants pour une possible application en ondes millimétriques;​ la seconde se consacre à la mise au point et à la démonstration de systèmes de réceptions millimétriques de tailles compactes, faibles pertes, à haut niveau d’intégration et hautes performances.

Les chapitres 1 à 4 se concentrent sur l’exploitation et l’investigation, un à un, de composants GIS pour lesquels un nombre de concepts originaux et innovants de structures est proposé et démontré. Dans le chapitre 5, les architectures classiques et les paramètres des systèmes de réception sont introduits, puis utilisés pour la conception de systèmes de réceptions millimétriques dans les chapitres suivants. Du chapitre 6 au chapitre 8, des systèmes submillimétriques et millimétriques basés sur le GIS sont démontrés.

Les contributions majeures de cette thèse sont les suivantes :​

• Une structure balancée large bande inhérente peut être obtenue en imprimant un circuit sur deux faces d’un substrat GIS. Ainsi, un balun planaire large bande GIS implémenté sur un circuit imprimé (ou PCB, pour Printed Circuit Board) simple couche est proposé et présenté, suite auquel une nouvelle transition large bande de ligne microruban à ligne parallèle est démontrée. Avec cette transition proposée comme réseau d’alimentation, une nouvelle antenne large bande quasi-Yagi planaire est développée.
• Les techniques du Guide Intégré au Substrat à Demi-Mode (GISDM) et du Guide Intégré au Substrat à Quart de Mode (GISQM) sont introduites dans le but de miniaturiser les circuits GIS et d’améliorer la bande passante. Les structures GISDM et GISQM sont générées en bisectant les structures GIS avec des murs magnétiques fictifs. Un diviseur de puissance GISDM de type Wilkinson est mis au point avec l’intégration réussie d’une branche résistive avec la structure GIS, ce afin de garantir une bonne isolation ainsi qu’une bonne adaptation en sortie. De plus, deux filtres GISQM de type Chebychev sont proposés et démontrés pour des applications à large bande.
• Un décaleur de phase à large bande qui met à profit des fentes longitudinales non radiatives sur les murs larges d’un GIS est présenté. Le décaleur de phase à large bande est conçu sur la base d’un phénomène de dispersion du GIS et de la ligne GIS à fentes. Le concept est développé à partir de la différence des constantes de propagation du mode TE10 et du mode quasi TEM, qui sont les modes fondamentales respectifs de la ligne GIS et de notre ligne GIS à fentes proposées.
• Une nouvelle topologie de Mélangeur auto-Oscillant à Sous-harmonique (MOS) qui met à profit les caractéristiques de transmission de deux modes opérants dans une cavité GIS est proposée. Le MOS est constitué d’un filtre passe-bande GIS à deux modes, d’un transistor à effet de champ (ou FET, pour Field Effect Transistor) à source commune et d’un filtre passe-bas. Le mode fondamental H101 de la cavité GIS est utilisé comme mode RF alors que le mode H202 est utilisé pour générer l’oscillation locale.
• Un mélangeur large bande millimétrique basé sur une diode qui met en œuvre un circuit hybride 180 degrés GIS est présenté. De plus, un frontal (ou front-end) de réception qui intègre une antenne à haute performance constituée d’un réseau de fentes et du mélangeur proposé est conçu. Subséquemment, un système sans fil avec une modulation de type M-QAM (pour M-ary Quadrature Amplitude Modulation) est démontré pour un canal à vision direct (ou LOS, pour Line-Of-Sight).
• Un nouveau frontal de réception basésur un MOS est proposé. Il emploie une architecture à verrouillage par injection afin d’améliorer la stabilité en fréquence et le bruit de phase de l’oscillateur local. Le MOS proposé met à profit les caractéristiques de transmission de deux modes opérant dans une cavité GIS. Ainsi, le frontal de réception proposé a les avantages de procurer un faible bruit de phase et une bonne isolation entre l’entrée RF et le signal de l’oscillateur local (LO).

Un émetteur/récepteur GIS opérant à 60 GHz avec une large bande d’opérations de 3 GHz est présenté. La technique d’intégration proposée de structure planaire et non-planaire permet la conception de composants passifs et d’éléments actifs dans un même et unique boitier. Les circuits passifs et les antennes à haut gain sont intégrés ensemble avec des circuits monolithiques intégrés micro-ondes (ou MMICs pour Monolithic Microwave Integrated Circuits) par le procédé de câblage filaire (ou wire-bonding).