Étude de solutions pour la mise en œuvre d'une antenne à réflecteur bi-grille en polarisation circulaire

Les antennes à réflecteur bi-grille (dual-gridded reflector ou DGR) sont utilisées couramment sur les satellites. Elles sont faites de deux grilles paraboliques cascadées, tel un empilement de soucoupes, et constituent ainsi deux antennes en une. Les deux grilles fonctionnent dans des polarisations linéaires orthogonales et chacune est alimentée par sa propre antenne cornet. Elles occupent donc moins d'espace sur le satellite en plus d'offrir une excellente isolation entre les deux zones de couverture adjacentes. Le désavantage avec ces antennes DGR est qu'elles ne fonctionnent que pour la polarisation linéaire (verticale et horizontale). Dans ce projet, deux avenues permettant de concevoir une antenne bi-grille pour la polarisation circulaire (gauche et droite) sont explorées. La première est l'utilisation de polariseurs circulaires fixés sur la structure d'un DGR conventionnel. Ces polariseurs sont des surfaces qui font la conversion entre la polarisation linéaire et la polarisation circulaire. L'autre solution est l'utilisation de deux surfaces à sélection de polarisation circulaire (circular polarization selective surface ou CPSS) comme réflecteurs, au lieu des grilles orthogonales. Ces CPSS sont des structures qui réfléchissent les ondes incidentes polarisées circulairement selon un sens de rotation (circulaire gauche par exemple) et qui sont transparentes aux ondes polarisées selon l'autre sens de rotation (circulaire droite). De ces deux solutions, la première est celle sur laquelle la majorité de ce travail repose. Ainsi, une nouvelle méthode de conception de polariseurs circulaires est proposée. Celle-ci permet une plus grande flexibilité dans la conception que les techniques connues jusqu'à maintenant. La méthode est ensuite modifiée pour faire la conception de polariseurs optimisés pour des incidences obliques, ce qui est nécessaire dans l'application du réflecteur bi-grille. Quant à la solution utilisant les CPSS, elle n'est que brièvement explorée. Un nouveau type de CPSS, conçu avec une cascade de polariseurs circulaires et linéaire y est proposé. Ce CPSS cascadé démontre une plus grande largeur de bande que celles obtenues avec les structures résonantes connues jusqu'à maintenant. Les limites de cette structure sont aussi évaluées dans un contexte d'utilisation sur un DGR en polarisation circulaire. Finalement, comme preuve de concept d'une antenne bi-grille en polarisation circulaire, deux prototypes ont été fabriqués et validés expérimentalement. Le premier consiste en un polariseur circulaire et une grille métallique fixés sur un petit réflecteur. Le deuxième prototype est semblable, mais la grille est remplacée par un réseau réflecteur (reflectarray) qui joue le même rôle, mais qui augmente le gain dans la direction du lobe principal. Avec ce dernier prototype, les spécifications exigées par l'industrie des satellites sont respectées sur la bande 18-20 GHz, mais seulement pour une très faible variation de l'angle d'élévation.

Abstract

Dual-gridded reflector (DGR) antennas are widely used on satellites. They consist of a cascade of two parabolic grids operating in orthogonal linear polarizations, each one having its own feed. Therefore, DGRs are actually two antennas in one structure, so they use less space on the satellite. Moreover, they provide excellent isolation between adjacent coverage areas. The disadvantage with these DGRs is that they work only in linear polarization (vertical and horizontal). In this thesis, two different solutions to design a circularly polarized (right and left hand circular polarizations) DGR are explored. The first one consists in the use of circular polarizers that are fixed on a conventional DGR. Those polarizers are surfaces that make the conversion between linear and circular polarizations. The other solution uses circular polarization selective surfaces (CPSSs) as reflectors on the DGR instead of the orthogonal grids. These CPSSs are structures that are transparent to one sense of circular polarization (say right hand circular polarization for instance), but that reflect the other sense (left hand circular polarization). The major part of this work is based on the first solution. A new circular polarizer design method is proposed. It allows a greater flexibility in the polarizer design than existing designs. The proposed technique is also modified in order to implement polarizers optimized for an oblique incidence, which is required for DGR applications. The second solution using CPSSs is only briefly explored. A new type of CPSS, implemented with a cascade of circular and linear polarizers, is proposed. This cascade CPSS has shown a broader bandwidth than those obtained with the resonant structures known so far. Also, the limitations of CPSSs are identified as to their use on DGRs. Finally, as a proof of concept, two simple prototypes of circularly polarized DGRs are presented. The first design is implemented with a circular polarizer and a metallic grid attached to a small reflector. The second prototype is similar, but the planar grid is replaced by a reflectarray that plays the same role, but increases the gain in the direction of the main beam. The satellite industry requirements between 18-20 GHz are respected with this latter implementation, but only for a very low variation in the elevation angle.