Études sur la reconfigurabilité d'antennes à réflecteur basée sur l'utilisation de réseaux transmetteurs

De nombreuses applications civiles et militaires des communications par satellite nécessitent des antennes à faisceau reconfigurable (dépointage de faisceau, faisceau formé, formation de zéros). La possibilité de changement de la forme du faisceau donnerait aux satellites une flexibilité de couverture, et la possibilité de se protéger contre certaines sources de brouillage. La reconfiguration n'est normalement possible qu'avec des sources multiples et des réseaux complexes et couteux de formation de faisceau. Le principal objectif de cette thèse est de démontrer la faisabilité de formation de faisceau par l'ajout de réseaux transmetteurs (RTs) passifs à une configuration traditionnelle d'antenne à réflecteur illuminé par une seule source. Bien que les concepts proposés ne soient pas restreints à une plage de fréquence particulière, les prototypes présentés sont conçus pour la bande Ka car celle-ci est envisagée pour de nombreuses applications de communication. Le réseau transmetteur est constitué de cellules élémentaires, illuminées par une source primaire. Chaque cellule applique un déphasage au rayon reçu. Le contrôle de la phase de l'onde transmise permet de former la distribution en phase et en amplitude sur le réflecteur parabolique. Le désavantage des réseaux transmetteurs est leur largeur de bande limitée. Dans le but de pouvoir utiliser les RTs dans des systèmes à large bande, il convient donc de concevoir des cellules élémentaires à large bande. Une méthode de conception de cellules de transmission est proposée qui permet une grande flexibilité sur le choix des géométries des éléments. Des cellules élémentaires à 4 couches ont ensuite été développées avec une largeur de bande améliorée. Les cellules choisies ont des comportements inductifs et capacitifs. Elles sont imprimées sur des couches de substrat flexibles, séparées par des couches d'air d'un quart et d'un huitième de longueur d'onde. La susceptance de chaque couche dépend de ses paramètres géométriques. Une base de données avec la susceptance de chaque élément pour différents paramètres géométriques, incidences et fréquences est formée. Un nombre limité d'états de phase des cellules (quantification de phase) a été utilisé afin de réduire la complexité de la conception. Ces cellules sont ensuite utilisées pour la conception de réseaux transmetteurs à focalisation de faisceau et à formation de faisceau. Un bon accord entre mesures et simulation a été trouvé et la largeur de bande visée a été obtenue. Nous avons présenté une étude approfondie sur les erreurs de phases et les tolérances de fabrication et leurs effets sur le diagramme de rayonnement et l'efficacité de l'antenne. Finalement, comme preuve de concept d'une configuration d'antenne avec cornet-sous réseau transmetteur-réflecteur parabolique, plusieurs prototypes de réseau transmetteurs ont été conçus et simulés pour l'obtention de faisceau focalisé, dévié et elliptique.

Abstract

The increase of on-orbit lifetime of telecommunication satellites combined with the rapid development of services offered in larger geographical areas creates a need for antenna systems which allow in-flight changes of radiation performances, such as beam re-pointing, beam shaping and nulling for interference canceling. The antenna system should have some flexibility to adapt to the changing performance requirements during the satellite lifetime, for the maximum use of the satellite's capacity. Phased array antennas and horn clusters connected to beamforming networks have usually given a satisfactory performance for reconfigurable beam applications. However, for applications where a limited number of reconfigurations are needed, these solutions are too costly, power consuming and bulky. This thesis presents a new configuration for in-flight changes of antenna radiation performances such as beam re-pointing, beam shaping and null forming in satellite applications. The hybrid solution combines mechanically reconfigurable phase filtering, namely replaceable transmitarrays (TA) with a parabolic reflector. The main drawback of transmit arrays being their limited bandwidth, a study is conducted on the sensitivity of TA unit cells made of multiple layers of printed circuit on a flexible substrate to frequency and spacing variations, using a very simple and effective analysis method. Wideband 4-layer unit cells are designed. These high performance novel transmitarray cells are then used in the design of a focused beam transmitarray antenna and demonstrate wider bandwidth and better efficiency than previously published designs made of printed circuit elements. We also demonstrate a shaped beam TA for the first time. A study on the effect of fabrication errors on performance degradation is also conducted. For the design of the proposed horn-TA-parabolic reflector setup for beam forming, first, an analysis based on physical optics surface current integration is used for the validation of the concept and the establishment of some guidelines as for the minimum distance of the TA with the horn and the minimum quantification to be applied. A center fed reflector was used for this preliminary analysis and blockage effects from the feed were not taken into consideration.