Conception d'un sous-réseau d'antennes à résonateur diélectrique pour radar à synthèse d'ouverture destiné à la mesure de masse de neige

Le réchauffement global entraîne une réduction de la couverture de neige dans l'Arctique canadien et éventuellement à une hausse du niveau des océans. La recherche proposée s'inscrit dans le développement d'un système de télédétection pour mesurer l'épaisseur de neige. Le principe de la mesure est basé sur la réponse différentielle de rétrodiffusion de la neige à 13.5 et 17.2 GHz (bande Ku). Le projet consiste à développer un sous-réseau linéaire qui ferait partie d'une antenne de radar à synthèse d'ouverture (RSO) montée sur un satellite en basse orbite. Le défi consiste à concevoir un sous-réseau qui pourra fonctionner sur deux bandes de fréquences et deux polarisations linéaires orthogonales. Le défi technique le plus important de ce projet est de faire coexister sur un même élément deux ports d'excitation de l'élément de base, soit un port par polarisation, et d'obtenir une réponse à double-bande ou large bande stable sur chaque port. Une excellente isolation entre les polarisations est requise pour maintenir les bonnes performances du radar. En plus, cet élément et son réseau d'alimentation devront demeurer compacts pour limiter l'apparition de lobes discordants lorsque le faisceau du radar sera balayé. Dans ce mémoire, la conception d'un réseau d'antennes à résonateurs diélectriques est proposée pour répondre au cahier des charges. D'abord, une analyse mathématique des modes excités permet la conception d'une antenne à résonateur diélectrique fonctionnant à une seule polarisation et étant à bande duale. Un sous-réseau 2x2 est fabriqué et testé afin de valider la conception de cet élément. Par la suite, une antenne à résonateur diélectrique à bande et polarisation duale est conçue et fabriquée. La fabrication de l'antenne pose des défis techniques importants. Des défauts de fabrication causent une détérioration des résultats mesurés. Par la suite, la simulation des performances d'un réseau 32x32 est abordée. Pour y arriver, le patron d'un élément dans l'environnement du réseau est calculé afin de tenir compte du couplage mutuel. Les performances de ce réseau dépassent les attentes du cahier des charges, sauf lorsque le faisceau est balayé en élévation. Dans ce cas, le requis sur les lobes discordants n'est pas respecté et des solutions sont envisagées.

Abstract

Global warming is leading to a reduction in snow cover in the Canadian Arctic, and eventually to a rise in sea levels. The proposed research is part of the development of a remote-sensing system to measure snow depth. The principle of the measurement is based on the differential backscatter response of snow at 13.5 and 17.2 GHz (Ku-band). The project consists in developing a linear sub-array that would be part of a Synthetic Aperture Radar (SAR) antenna mounted on a low orbiting satellite. The challenge is to design a subarray that will be able to operate on two frequency bands and two orthogonal linear polarizations. The most important technical challenge of this project is to have two excitation ports coexisting on the same element, one port per polarization, and to achieve a stable dual-band or broadband response on each port. Excellent isolation between polarizations is required to maintain good radar performance. In addition, this element and its power dividing network must be kept compact to limit the occurrence of grating lobes when the radar beam is scanned. In this thesis, the design of an antenna array with dielectric resonators is proposed to meet the specifications. First, a mathematical analysis of the excited modes allows the design of a dielectric resonator antenna operating at a single polarization and being dual band. A 2x2 subarray was fabricated and tested to validate the design of this element. Subsequently, a dual-band and dual-polarization dielectric resonator antenna is designed and fabricated. The fabrication of the antenna poses significant technical challenges. Manufacturing defects cause a deterioration of the measured results. Next, the simulation of the performance of a 32x32 array is discussed. To achieve this, the pattern of an element in the array is calculated to account for mutual coupling. The performance of this array exceeds the specifications, except when the beam is scanned in elevation. In this case, the requirement on grating lobes is not respected and solutions are considered. It is shown that the array must be designed with a differential feeding to respect the port isolation and cross-polarization discrimination requirements.