Antenne réseau-réflecteur reconfigurable pour hautes puissances utilisant des actionneurs électromécaniques

Les satellites de télécommunication actuels utilisent majoritairement des antennes paraboliques, ce qui remplit correctement les objectifs de mission demandant souvent de hautes puissances de transmission, mais pose problème au lancement étant donné la taille et la masse des réflecteurs. De plus, ces antennes ne permettent que très peu de reconfiguration du diagramme de rayonnement une fois le satellite dans l'espace. Afin de tenter de régler ces problèmes, le présent mémoire expose un réseau-réflecteur à guide d'ondes dont le diagramme de rayonnement est ajustable mécaniquement et analogiquement tout en transmettant de hautes puissances et en ayant une bonne efficacité. Un déphaseur représentant une cellule du réseau-réflecteur est d'abord présenté. Le principe général de ce déphaseur est d'utiliser un court-circuit mobile afin de varier la longueur d'un guide d'ondes. Le premier prototype testé utilise une feuille de matériau ferromagnétique, du 2705M de la compagnie Metglas placée à l'intérieur d'un guide d'ondes de 18 mm de large par 6,669 mm de haut. Cette feuille crée un contact capacitif par le biais de rubans de polyimide insérés entre la feuille et les parois du guide d'ondes. En plaçant la feuille de 2705M de manière à court-circuiter ce dernier, ce qui réfléchit l'onde incidente, et en contrôlant la position du court-circuit ainsi créé à l'aide d'aimants, on arrive à changer la longueur du guide d'ondes, et donc le déphasage. Cependant, en pratique, cette méthode a donné de piètres résultats autant en amplitude (le 2705M étant un matériau assez résistif) qu'en déphasage (la position du court-circuit étant très difficile à contrôler). Une autre méthode de déphasage a donc été développée. Suivant le même principe de changement de longueur de guide d'ondes, un bloc d'aluminium comportant un aimant a été utilisé au sein du même guide d'ondes que précédemment plutôt qu'une feuille de matériau ferromagnétique et de rubans de polyimide. La position du court-circuit est contrôlée à l'aide d'un bloc ferromagnétique interagissant avec le champ magnétique de l'aimant. Ce bloc ferromagnétique est fixé à un moteur pas-à-pas à mouvement linéaire situé à l'extérieur du guide d'ondes. Le moteur est lui-même contrôlé par un étage de commande et un microcontrôleur. Cette manière de faire assure un contrôle analogique de la phase via le positionnement du curseur du moteur pas-à-pas, à condition d'utiliser des composants électroniques appropriés. De plus, une configuration appropriée des composants électroniques assure une consommation très faible de puissance d'environ 400 μW par cellule.

Abstract

Today's telecommunication satellites use mostly dish antennas, which correctly satisfies mission objectives that often require high transmission power, but are problematic at launch, given the size and mass of the parabolic reflectors. In addition, these antennas allow very little reconfiguration of the radiation pattern once the satellite is in orbit. In an attempt to solve these problems, the present master's thesis presents a waveguide reflectarray whose radiation pattern is mechanically and analogically adjustable while capable of transmitting high power and having good efficiency. A phase shifter representing a cell of the reflectarray is first presented. The general principle of this phase shifter is to use a mobile short circuit to vary the length of a waveguide. The first prototype tested uses a sheet of ferromagnetic material, Metglas 2705M placed inside an 18 mm wide by 6.669 mm high waveguide. This sheet creates a capacitive contact through polyimide tapes inserted between the sheet and the walls of the waveguide. By placing the 2705M sheet in such a way as to short the waveguide, which reflects the incident wave, and by controlling the position of the short circuit with magnets, one can change the length of the waveguide and therefore the phase shift. However, in practice, this method showed poor results both in magnitude (the 2705M being a fairly resistive material) and in phase shift (the position of the short circuit being difficult to control). Thus, another method of phase shift has been developed. Following the same principle of waveguide length change, an aluminum block having a magnet inside it was used within the same waveguide as before instead of a sheet of ferromagnetic material and polyimide tapes. The position of the short circuit is controlled by means of a ferromagnetic block interacting with the magnetic field of the magnet, and this ferromagnetic block is attached to a linear stepper motor located outside the waveguide. The motor itself is controlled by a driver and a microcontroller. This approach provides analogue phase control via the positioning of the stepper motor's slider, provided that appropriate electronic components are used. In addition, an appropriate configuration of the electronic components ensures a very low power consumption of about 400 μW per cell. The HFSS 18 software was subsequently used to simulate the waveguide with the mobile short circuit to evaluate losses and phase shift.