Conception d'antennes à réseau transmetteur à double couvertures orthogonales en polarisation circulaire gauche et droite

Les applications dans les communications par les satellites (télécommunications mobiles, radars, radiométrie et télédétection spatiaux) exigent d’assurer une liaison radiofréquence continue et fiable, mais aussi à haut débit partout. Les antennes multifaisceaux (AMFx) ou spots directifs sont préférées afin d’assurer un plus grand gain sur l’ensemble de la zone couverte, en utilisant de spots contigus à grand gain et ensuite qu’elle permet la réutilisation de fréquence dans plusieurs zones couvertures géographiques différentes pour augmenter la capacité. Une technique de conception d’AMFx est exploitée le principe de la diversité de polarisation pour générer un ou plusieurs des faisceaux dans chacune des polarisations orthogonales. Dans cette thèse, nous avons développé un système d’antenne à double faisceaux orthogonaux en polarisation circulaires (ADFO-PC) fonctionnant en bande K centrée à 20 GHz. Les performances du concept proposé seront validées par des prototypes fabriqués et mesurés expérimentalement en bande K (bande d’intérêt de 18 à 22 GHz) et centrée à 20 GHz. Cet ADFO-PC qui est un cas particulier d’AMFx, transmet deux faisceaux indépendant, un en polarisation circulaire droite et l’autre en circulaire gauche. L’ADFO-PC comprend deux métasurfaces transmissives. La première métasurface est un réseau transmetteur holographique (RTH) qui est bipolarisé, transmettant deux faisceaux orthogonaux et indépendamment en champ lointain dans les directions différentes en polarisation linéaire horizontale et verticale respectivement. La seconde métasurface est un polariseur circulaire qui convertit les deux faisceaux polarisés linéairement en deux faisceaux polarisés circulairement. Pour ce faire, nous avons d’abord développé au chapitre 3 une cellule élémentaire présentant des propriétés d’anisotropie (CEA) dont le motif est à base de croix de Jérusalem en grille (CJG) avec une plage de susceptance suffisante pour notre application. Ces CEAs ont permis de développer des cellules unitaires déphaseuses bipolarisées à quatre couches appropriée pour la conception du RTH. À partir de ces cellules nous avons conçu et mesuré d’abord un système d’antenne à double faisceaux orthogonaux en polarisation linéaire (ADFO-PL) et ensuite le polariseur circulaire (PC), développé au chapitre 4. L’ADFO-PC est finalement une association de ces deux métasurfaces. Une source primaire de référence qui est une antenne cornet à double polarisations linéaires connecté à un transducteur orthogonal de mode (OMT : Orthomode Transducer) transmettra deux ondes en polarisation linéaire le long des axes x et y.

Abstract

Applications in satellite communications (mobile communications, radar, spaceborne radiometry and remote sensing) require a continuous and reliable radio frequency link with high throughput everywhere. Multi-beam antennas (MBA) or directional spots are preferred to ensure a higher gain over the entire coverage area, using contiguous high gain spots and secondly it allows frequency reuse in several different geographical coverage areas to increase capacity. One design technique of MBA is to exploit the principle of polarization diversity to generate one or more beams in each of the orthogonal polarizations. In this thesis, we have developed a circularly polarized orthogonal dual beam antenna system (CP-ODBA) operating in K-band centered at 20GHz. The performances of the proposed concept will be validated by prototypes manufactured and experimentally measured in K-band (band of interest from 18 to 22 GHz) and centered at 20GHz. This antenna system, which is a special case of MBA, transmits two independent orthogonal beams, one in right-hand circular polarization (RCHP) and the other in left-hand circular polarization (LCHP). The CP-ODBA is made of two main transmitting metasurfaces. The first one is a holographic transmitarray antenna (HTA) which is a bipolarized metasurface, transmitting two orthogonal and independently beams in different directions in horizontal and vertical linear polarization respectively. The second metasurface is a circular polarizer that converts the two linearly polarized beams into two circularly polarized orthogonal beams. In order to do so, we first developed in Chapter 3 an elementary anisotropy unit-cell (CEA) based on a Jerusalem cross-grid (CJG) pattern having sufficient susceptance range to allow the development of bipolarized four-layer cells capable of 360° phase-shift suitable for HTA design. We then designed and measured first a dual orthogonal beam antenna system in linear polarization (PL-ODBA) using those BUCs and the circular polarizer (PC-CJG) as well. The CP-ODBA is finally a combination of these two metasurfaces. A dual linearly polarized horn antenna connected to an orthogonal mode transducer (OMT) will illuminate the CP-ODBA which will transmit two orthogonal beams with shaped, independent and directed radiation patterns with the left and right circular polarizations. The Holographic Transmittarray Method (or HTAM) developed in Chapter 5 is an iterative phase-only synthesis technique.