Réseaux d'antennes en ondes millimétriques à base de guides à bande interdite réalisés par fabrication additive

RÉSUMÉ La demande satellitaire mondiale est en constante augmentation. Le modèle actuel de cou-verture terrestre, soit l’utilisation de constellation, requiert un nombre très élevé de satellites placés en orbite basse autour de la Terre. À titre d’exemple, la constellation Starlink, appar-tenant à la compagnie américaine Space X, comptera à termes plus de 10 000 satellites. Afin de répondre à cette nouvelle demande du marché, les fabricants de satellites font face à un changement majeur de leur procédé manufacturier : passer d’une capacité de fabrication de quelques satellites par année à plusieurs dizaines par mois. Ce mémoire propose l’étude d’une technologie manufacturière novatrice, soit la fabrication additive (ou impression 3D), pour la fabrication d’antennes et de circuits radiofréquences. Afin de vérifier les capacités de cette technique manufacturière, une antenne réseau large bande a été conçue, fabriquée et mesurée. Cette antenne a un faisceau de type lame. Le milieu de propagation choisi pour le circuit d’alimentation du réseau est le guide d’onde à bande interdite de type crête, car celui-ci présente certaines caractéristiques qui se prettent bien à la fabrication additive. L’antenne proposée par nos travaux a été conçue en bande Ka, afin d’avoir une bande passante double allant de 25.4GHz à 28.8 GHz et de 32GHz à 36.6 GHz. De plus, afin de pousser les limites de la précision du procédé manufacturier, une mise à l’échelle géométrique a été effectuée, déplaçant ainsi la double bande visée en bande V, soit de 37.5GHz à 42.5GHz et 47.2GHz à 52.4GHz pour la première mise à l’échelle en plus de 47.4GHz à 53.8GHz et 59.8GHz à 66.4GHz pour la deuxième mise à l’échelle. Nos travaux ont démontré la limite de la fabrication additive pour la seconde mise à l’échelle, celle-ci a dû être abandonnée après les premiers prototypes car les défauts de fabrication affectaient trop les performances. Dans ce cas particulier, les pertes de réflexion ne montraient aucune corrélation entre celles simulées et celles des deux prototypes identiques fabriqués. Par contre, pour les 2 autres mise à l’échelle, soit l’échelle de conception et la première mise à l’échelle, le procédé manufacturier a permis la qualification de circuit et d’antenne viable. Pour l’échelle de conception, cela se traduit par un gain entre 19 et 21dB pour un réseau de 8 éléments et des pertes de retour au port du circuit d’alimentation au pire de 15dB mais surtout autour de 20dB. Le plus grand défaut du diagramme de rayonnement est la présence d’importants lobes discordants, soit des lobes secondaires dus à un espacement non-optimal des éléments du réseau. Ces lobes discordants sont situés entre 44 et 33 degrés de part et d’autre du lobe principal.

Abstract

ABSTRACT Global satellite demand is in constant increase. Today’s modern problem is the industry shift toward constallations instead of the old geostationary approach, which requires a very large number of satellites placed in low orbit around the Earth. As an example, the Starlink constellation, belonging to the American company Space X, will eventually have more than 10,000 satellites. In order to meet this new market demand, satellite manufacturers are facing a major change in their manufacturing process: going from a manufacturing capacity of a few satellites per year to several dozens per month. This thesis proposes the study of an innovative manufacturing technology, namely additive manufacturing (or 3D printing), for the manufacture of antennas and radio frequency cir-cuits. In order to verify the capabilities of this manufacturing technique, a broadband array antenna was designed, fabricated and measured. This antenna has a fan beam. The chosen propagation medium for the network feed circuit is the ridge bandgap waveguide because it has certain characteristics that lend themselves well to additive manufacturing. The antenna proposed by our work was designed in Ka band, in order to have a double bandwidth ranging from 25.4GHz to 28.8 GHz and from 32GHz to 36.6 GHz. In addition, in order to push the limits of the precision of the manufacturing process, a geometric scaling was carried out, thus moving the double band targeted in the V band, i.e. from 37.5GHz to 42.5GHz and 47.2GHz to 52.4GHz for the first scaling in addition to 47.4GHz to 53.8GHz and 59.8GHz to 66.4GHz for the second scaling. Our work demonstrated the limit of additive manufacturing for the second scaling, thus it had to be abandoned after the first prototypes. This decision is due to manufacturing defects affecting the performance too much. In this particular case, the simulated and measured reflection losses showed no correlation for the two identical prototypes manufactured. On the other hand, for the 2 other scalings, i.e. the design scale and the first scaling, the manufacturing process allowed the qualification of circuits and fabrication of viable antennas. For the design scale, this translates to a gain between 19 and 21dB for an 8-elements array and return losses, measured at the circuit port, of at worst 15dB, but mostly around 20dB. The biggest flaw in the radiation pattern is the presence of large grating lobes, or sidelobes due to non-optimal spacing of array elements. These grating lobes are located between 44 and 33 degrees on either side of the main lobe.