Réalisation d'une antenne réflecteur reconfigurable basée sur l'utilisation de réseaux transmetteurs

Les avancées technologiques ont permis un développement important du secteur spatial, et le nombre de satellites artificiels lancés dans l'espace ne cesse de croître. Cet essor est accompagné de l'augmentation de la durée de vie des satellites et de leurs performances, induisant un besoin de reconfigurabilité de la part des antennes. Effectivement, la flexibilité de couvertures des systèmes d'antennes permettant le dépointage, la création de zéros ou la formation de toute forme de couverture, est désormais très recherchée pour de nombreuses applications dans les communications par satellite. Actuellement, la technique la plus répandue est la modification spatiale ou structurelle des réflecteurs ou des sous-réflecteurs qui peut être effectuée grâce à des petits rotors. Les réseaux à commande électronique de phase et les réseaux d'illumination sont également employés, cependant, ces 3 systèmes nécessitent une grande complexité et un coût important. Récemment, des systèmes prometteurs tels que les réseaux réflecteurs et les réseaux transmetteurs, système apparentés de par leurs fonctionnements, sont apparus. Néanmoins, bien que les réseaux réflecteurs aient démontré de bonnes performances, des réflexions incontrôlées de la puissance pour certains angles d'incidence peuvent apparaître. Conséquemment, les réseaux transmetteurs offrant de nombreux avantages tels qu'un gain élevé, une forte efficacité de rayonnement, ou une fabrication légère et simple, ce système est particulièrement attrayant depuis plusieurs années. L'objectif de ces recherches est donc d'aboutir à la fabrication d'un système d'antenne à réflecteur reconfigurable basé sur l'utilisation de réseaux transmetteurs pour des applications satellites en bande K, constituant la suite des recherches entreprises par le docteur Nematollahi. Un système mécanique permettant l'interchangeabilité des réseaux transmetteurs assurerait alors la reconfigurabilité passive visée, et par conséquent la formation de tout diagramme de rayonnement. Un cornet diagonal illumine la surface de cellules du réseau transmetteur, qui applique alors une modulation de phase sur le signal qui est ensuite réfléchi vers le réflecteur placé en offset du système. Néanmoins, ces réseaux transmetteurs reposent sur l'utilisation de cellules unitaires dont la largeur de bande est un facteur limitant. Dans un premier temps, il était donc nécessaire de procéder à la création, et plus exactement à l'optimisation, de la librairie des cellules unitaires.

Abstract

Nowadays, with the increase of satellite on-orbit lifetime, reconfigurable antennas with high gain are needed for satellite telecommunications applications. Indeed, having flexibility in antenna system could allow in-flight changes of radiation performance, such as beam-shaping or null forming, and consequently allow more possibilities for satellites missions. Recently, reflectarrays and transmitarrays have been proposed as an alternative to shaped reflectors, phased array or illumination array control, that require high complexity and high cost. However, even if reflectarrays have shown good performances, they still exhibit uncontrolled power reflection for certain angles of incidence. In addition, transmitarrays do not suffer from blocking problem, which has made the system particularly attractive for several years. Transmitarrays, also called discrete lenses, constitute one of the most attractive areas in terms of high gain antennas thanks to the numerous advantages they offer: high radiation gain, high efficiency, flexibility of radiation characteristics, low-profile, lightweight and simple manufacturing. They can be used for beam reconfiguration by changing the phase distribution, either with tunable elements, such as PIN diodes, varactors, or MEMS, or with passive elements, more reliable and less lossy. Nonetheless, the main limitation is the bandwidth, limited by the unit cells topology. This research continues the work undertaken by doctor Hoda Nematollahi and seeks to prove that a reconfigurable reflector antenna can be realized by the use of transmitarrays. The proposed solution is then composed by a horn illuminating a transmitarray, the reconfigurable phase filtering, transmitting the signal to an offset parabolic reflector. A mechanical system would allow the changes of transmitarrays surfaces, thus ensuring the reconfigurability of the antenna radiation performance in the K band. As mentioned above, the actual main drawback of transmit-array is the limitation of the cells bandwidth. This is why the first step of this study has been the creation, and more exactly the optimization, of a broadband unit cell library. Nine states of four-layer unit cells allowing a transmission phase range of 360� with minimum losses at 19GHz have been achieved. The presented unit cells have larger bandwidth than the designs proposed in literature, with a 1 dB and 3 dB transmission bandwidths respectively of 8.5% and 14.7%. The effect of oblique incidence has also been studied for these cells. Then the fabrication of a Beam-tilt array and its measurements enabled the validation of the cells performance.