Antenne à balayage de faisceau angulaire avec faible variation de la fréquence

Partout dans le monde, les météorologues utilisent des systèmes radars pour leur fournir certaines informations afin qu'ils soient capables de faire des prédictions. L'exactitude de ces prédictions dépend donc fortement de l'efficacité du système radar utilisé. Les radars actuellement utilisés au Canada sont couvrent de vastes régions ce qui affecte leur précision car cette dernière diminue avec la distance. De plus, le balayage du radar s'effectuant mécaniquement, ils ne sont pas assez rapides dans l'assimilation des données et ne permettent pas un certain contrôle sur des régions spécifiques à étudier.L'objectif de ce projet est d'explorer de nouvelles possibilités sur la conception d'un système radar moins coûteux, plus précis et plus rapide pour capter les données météorologiques afin de faire de meilleures prévisions et anticiper les événements climatiques extrêmes. Parmi toutes les conditions requises d'un système radar météorologique, celle qui nous intéresse le plus dans cette étude est celle du balayage angulaire de l'antenne. En se basant donc sur des concepts déjà existants de balayage de faisceau, des solutions nouvelles plus simples et moins couteuses sont présentées. Pour le balayage en élévation, la première approche étudiée est basée sur le principe de configuration d'alimentation série en méandre. Pour cette configuration, deux différents systèmes sont présentés : le premier système étant un guide d'onde couplant un circuit micro-ruban sur lequel est monté des lignes de transmission alimentant des antennes et le deuxième quant à lui est une ligne micro-ruban alimentant des antennes « patchs » se trouvant sur un circuit différent. Pour les deux cas, l'intervalle angulaire balayé est d'environ 20degrés dans une largeur de bande aux alentours de 2%. En terme de balayage, cette solution est meilleure comparée aux systèmes actuels de balayage de faisceau avec la fréquence car ces derniers utilisent une largeur de bande beaucoup plus élevée pour obtenir un balayage angulaire équivalent. La seconde proposition pour le balayage en élévation repose sur le principe de structure CRLH comme système d'alimentation à un réseau d'antennes. La structure CRLH en question est un guide d'onde rectangulaire dont le mur inférieur est rempli périodiquement de guides à double rainure court-circuités. Cette configuration a le grand avantage d'avoir des pertes négligeables par rapport aux autres types de structure CRLH. En utilisant dans un premier temps 8 antennes fente puis 8 connecteurs coaxiaux alimentant des antennes « patchs », le déplacement du faisceau est d'environ 30° pour une variation de fréquence entre 8GHz et 8.5GHz. Par la suite, pour diminuer la largeur du faisceau dans le but de se rapprocher d'un système de radar réel, le nombre d'éléments du réseau est augmenté à 24. Les résultats obtenus sont très satisfaisants en simulation mais à cause des erreurs de fabrication, on note une certaine discordance avec les résultats de mesure et les résultats simulés. Pour diminuer l'effet de cette erreur, un nouveau système ayant des transformateurs d'impédance sur un circuit micro-ruban est proposé et validé par simulation. Une configuration de balayage (en azimut ou élévation) basée sur les antennes à réflecteur est aussi présentée. Le principe de balayage repose sur le déplacement du centre de phase de l'antenne source illuminant le réflecteur. La source primaire utilisée pour déplacer latéralement le faisceau devant le réflecteur est un multiplexeur doté de différents filtres pour guider le signal entrant vers un seul parmi huit cornets de sortie. La sélection du cornet de sortie est faite en variant la fréquence du signal entrant.. Le signal provenant de chaque sortie (qui dépend de la fréquence) est réfléchi par la parabole dans une direction angulaire spécifique. Le fonctionnement du système est vérifié à l'aide de simulation et de mesures. Les résultats obtenus démontrent un balayage autour de 50 degrés pour un changement de fréquence de 2%. Ce système n'implique aucun balayage mécanique et n'utilise aucune composante active, ce qui lui donne un grand avantage comparé à la plus part des systèmes d'antennes à réflecteur actuels conçus pour effectuer un balayage de faisceau.Pour le balayage dans le plan en azimut, nous proposons un système d'alimentation configuré pour alimenter un réseau d'antennes circulaire. Bien que la position du faisceau soit balayée mécaniquement avec ce système, il est tout de même plus agile comparé aux solutions actuelles car il est constitué de deux parties distinctes (une partie tournante et une partie fixe) pouvant être traitées séparément. La partie immobile étant celle qui supporte les antennes, le poids supporté par le joint rotatif servant à faire tourner le système diminue énormément. Le système permet de couvrir assez rapidement une certaine région désirée. Ainsi, bien que les approches présentées soient basées sur des prototypes à petite échelle, elles constituent tout de même des preuves de concept pour utilisation sur un système de radar réel.

Abstract

All around the world, the meteorologists use radar systems to collect information so that they are capable to make predictions. The accuracy of these predictions thus depends strongly on the efficacy of the system radar used. The radars currently used in Canada cover vast regions which affects their precision because the latter decreases with the distance. Moreover, the scanning of the radar being carried out mechanically, they are not fast enough in the assimilation of the data and do not allow control over specific regions to study. The objective of this project is to investigate new possibilities on the design of a less expensive, more precise and faster radar system to collect the weather data in order to make better forecasts of the extreme climatic events. Among all the requirements of a weather radar system, the one which interests us the most in this study is the beam scanning. While being thus based on already existing concepts of beam scanning, innovative solutions simpler and less expensive are presented.For the elevation beam scanning, the first approach is based on the principle of meander line array configuration. For this configuration, two various systems are presented. The first system is a meander waveguide coupling a microstrip circuit having transmission line feeding some antennas. The second is a microstrip meander line feeding some patches antennas on a different circuit. For both cases, the covered region is around 20degrees in a 2% bandwidth (the number of elements is only 8 for financial limits reasons. In term of scanning, this solution is better compared to other existing frequency scanning antenna systems because they need a much higher bandwidth to obtain such scanning angle. The second proposal for scanning in the elevation plane is based on a CRLH structure as a feeding system to an antenna array. The CRLH structure consists of a main rectangular waveguide loaded periodically with shorted sections of double-ridge waveguides transverse to one side of the main waveguide broad walls. . This configuration has the advantage of having negligible losses compared to the other types of CRLH structure. By using at first 8 slot antennas then 8 coaxial connectors feeding some patches antennas, the beam is scanned of approximately 30° for a variation of frequency between 8GHz and 8.5GHz. Afterward, to decrease the beamwidth with an aim of approaching a real radar system, the number of elements of the array is increased to 24. The obtained results are very satisfactory in simulation but because of manufacturing errors, we observe certain disagreements with the measurement results. To decrease the effect of this error, a new system having impedance transformers on a microstrip circuit is proposed and validated by simulation. A beam scanning reflector antenna (in azimuth or elevation plane) is also presented since this kind of antenna is very popular for the weather applications. The scanning principle is based on the phase centre displacement of the source illuminating the reflector with frequency. The primary source used to laterally move the beam in front of the reflector is a manifold-coupled multiplexer having various filters which separate the input signal into several outputs with different frequencies. The signal coming from each output port (which depends on the frequency) will be reflected by the parabola in a specific angular direction. The functionality of the system is verified by means of simulation and of measurements. The obtained results show a scanning of around 50 degrees for a 2% frequency change. This system does not require mechanical rotation and uses no active component which is an advantage compared to existing beam scanning reflector antenna systems. For the azimuth scanning, we propose a circular array feeding system. Although the beam is steered mechanically with this system, it is more agile compared to current solutions because it consists of two distinct parts (a rotating part and a fix part) being able to be treated separately. The motionless part being the one which supports the antennas, the weight supported by the rotary joint serving for making the system to turn decreases enormously. This system makes it possible to quickly cover a specific area. Although the presented approaches are demonstrated with small scale prototypes, they however constitute a proof of concept for use on real system radar.