Conception d'une cellule d'antenne réseau-réflecteur reconfigurable à large bande

Avec l’avènement des nouvelles technologies, des défis scientifiques et industriels sont relevés tous les jours. Les satellites en orbite basse sont une source d’innovation pour les télécommunications, la télédétection, la météorologie ou encore l’imagerie terrestre mais imposentsimultanément le défi de leur vitesse angulaire élevée, nécessitant une orientation rapide des antennes terrestres pour les suivre. Les antennes réseau-réflecteurs reconfigurables émergent comme une solution. Ces dernières se basent sur l’utilisation de résonances qui est un phénomène à bande étroite, limitant ainsi la gamme de fréquences permettant le contrôle du faisceau. Des recherches innovantes s’efforcent d’élargir ces possibilités pour répondre aux besoins complexes de communication et de suivi. Afin de répondre à la limite de la gamme de fréquences utilisable, la conception d’une antenne réseau-réflecteur reconfigurable suivant un concept innovant de mélange de technologies est proposée. La géométrie de la cellule de réseau présentée s’articule autour de quatre surfaces cuivrées reliées entre elles par une diode varactor au centre et deux diodes PIN, une de chaque côté. Les diodes varactor sont utilisées dans le milieu des antennes réseau-réflecteurs reconfigurables pour leur changement de phase continu via la variation de leur capacité, permettant ainsi un déplacement de la fréquence de résonance fin et continu. Les diodes PIN sont quant à elles utilisées pour offrir un décalage fréquentiel à grande échelle. L’utilisation de deux diodes PIN donne naissance à quatre fréquences de résonance éloignées les unes des autres, dont le spectre sera comblé par le déplacement fréquentiel fin qu’offre la diode varactor. La combinaison de ces deux technologies a pour potentiel d’offrir une très large bande d’utilisation en fréquence. La cellule élémentaire développée a une forme rectangulaire de dimensions 10.16 mm x 10.16 mm. Les quatre surfaces cuivrées sont placées sur un substrat RO4003 fin, lui-même séparé du plan de masse par une couche d’air. Cette couche d’air permet de réduire les pertes de retour de la cellule élémentaire. Une optimisation du compromis entre la plage de phase, la bande de fréquence et les pertes du coefficient de réflexion est proposée. Une première géométrie ignorant la problématique de la polarisation des éléments électroniques est retenue afin de valider le fonctionnement théorique de la cellule dans la bande de fréquence visée, à savoir la bande X se situant entre 8 GHz et 12 GHz. Ce modèle permet de valider les avantages que présentent cette géométrie en terme de performances par rapport aux autres cellules de ce genre présentées dans la littérature, notamment en terme de bande fréquentielle et de largeur de plage de phase.

Abstract

With the advent of new technologies, scientific and industrial challenges are being met every day. Low-Earth orbit satellites are a source of innovation for telecommunications, remote sensing, meteorology and earth imagery, but at the same time impose the challenge of their high angular velocity, requiring rapid orientation of ground-based antennas to track them. Reconfigurable reflectarray antennas are emerging as a solution. These are based on the use of resonance, which is a narrowband phenomenon that limits the range of frequencies that can be used to control the beam. Innovative research is striving to extend these capabilities to meet complex communication and tracking requirements. In order to respond to the limit of the usable frequency range, the design of a reconfigurable reflectarray antenna following an innovative concept of mixing technologies is proposed. The geometry of the presented network cell is based on four copper surfaces connected by a varactor diode in the centre and two PIN diodes, one on each side. Varactor diodes are used in reconfigurable reflectarray antennas for their continuous phase change by variation of their capacitance, thus allowing a fine and continuous shift of the resonant frequency. PIN diodes are used for large-scale frequency shifting. The use of two PIN diodes results in four widely spaced resonant frequencies, the spectrum of which is filled by the fine frequency shift provided by the varactor diode. The combination of these two technologies has the potential to offer a very wide frequency bandwidth. The elementary cell developed has a rectangular shape with dimensions of 10.16 mm x 10.16 mm. The four copper surfaces are placed on a thin RO4003 substrate, itself separated from the ground plane by a layer of air. This air layer reduces the return losses of the elementary cell. An optimisation of the trade-off between phase range, frequency band and reflection coefficient losses is proposed. An initial geometry that ignores the problem of DC biasing of the electronic elements is adopted to validate the theoretical operation of the cell in the target frequency band, i.e. the X-band between 8 GHz and 12 GHz. This model is used to validate the performance advantages of this geometry compared to other cells of this type presented in the literature, particularly in terms of bandwidth and phase range width. The simulated topology offers a maximum phase range of 279°, with 270° accessible between 9.5 GHz and 12 GHz, 225° accessible between 8.25 GHz and 15.25 GHz, maximum losses of 5.9 dB between 8 GHz and 12 GHz, maximum losses of 4.0 dB between 9 GHz and 12 GHz and an average loss of 0.98 dB between states and from 8 GHz to 12 GHz. The performance of the elementary cell is sufficiently advantageous to continue its design.