Analyse et réalisation d'une antenne réseau-réflecteur reconfigurable de façon électronique en bande X

Le marché des systèmes satellitaires en orbite basse a connu une effervescence importante depuis la dernière décennie. Le coût de fabrication, la demande de service haut débit et le court temps de latence sont des aspects motivant la croissance de ce marché. Néanmoins, les satellites en orbite basse possèdent une vitesse angulaire élevée. Afin d'assurer le suivi du satellite, une antenne doit pouvoir orienter son faisceau rapidement. Couramment, les stations terrestres utilisent des antennes paraboliques pouvant s'orienter mécaniquement. Cependant, la vitesse de déplacement reste limitée. Une solution à ce problème serait d'utiliser les antennes réseau-réflecteurs reconfigurable. Afin de répondre à ce problème, la conception d'une antenne réseau-réflecteur est proposée. La géométrie retenue de la cellule élémentaire repose sur une antenne microruban rectangulaire couplée à un guide d'onde intégré sur un substrat (SIW) par l'entremise d'une fente. Une diode varactor est, à son tour, couplé au SIW par l'entremise d'une autre fente. Afin de valider cette géométrie, une première conception est effectuée à une fréquence d'opération en bande X et comparée en détail à une autre cellule élémentaire déjà existante. Tout d'abord, la cellule déjà existante développée par un stagiaire postdoctoral est analysée. La structure de la cellule élémentaire repose sur un anneau carré formé par des segments de lignes microrubans de largeur différente au-dessus d'un plan de masse conducteur. Afin de contrôler la phase de réflexion de l'onde incidente sur l'élément, deux diodes varactors sont installées au milieu de deux segments formant l'anneau carré. Afin de mesurer la performance de l'élément reconfigurable de façon expérimentale, deux éléments sont insérés dans un guide d'onde WR-90, simulant ainsi un réseau infini. Les résultats expérimentaux montrent une perte maximale de réflexion de 5,3 dB et une plage de phase de 262° à une fréquence de 11 GHz. L'élément reconfigurable présente des caractéristiques suffisantes pour être intégré dans un réseau-réflecteur. Cependant, la perte maximale observée à une fréquence de 11 GHz est élevée ce qui renforce la pertinence d'étudier une nouvelle géométrie d'élément reconfigurable. La solution de la deuxième cellule reconfigurable étant relativement complexe, une approche pas-à-pas et modulaire est adoptée pour la simulation et la fabrication de la cellule élémentaire. Tout d'abord, la partie de la cellule permettant la reconfigurabilité de la phase est fabriquée et caractérisée.

Abstract

The number of low-earth orbit (LEO) satellites has increased significantly over the last decades. The low manufacturing cost, the increasing demand for high data rate services with low latency motivated the growth of this market. However, the LEO satellites have a fast angular velocity. Then, an antenna must be able to move or orient its beam rapidly to communicate with the satellite. Currently, the earth ground stations use a parabolic antenna with a mechanical system to rotate the antenna. Unfortunately, the angular velocity of the antenna is limited. A solution for this issue could be the reconfigurable reflectarray antennas. To solve this issue, the design of a reflectarray antenna is proposed. The chosen solution is based on a rectangular microstrip antenna coupled to a substrate integrated waveguide (SIW) through a slot. A varactor diode is also coupled to the SIW through another slot. To validate this design, a unit cell is made and compared in detail with another existing unit cell. Firstly, the already existing unit cell designed by a postdoctoral student is analyzed. The unit cell is based on a square ring topology made of microstrip lines of varying width above a ground plane. In order to control the phase of the reflected wave on the unit cell, two varactor diodes are installed in the middle of two parallel edges of the square ring. To measure the performance of the reconfigurable unit cell, two elements are inserted in a WR-90 waveguide in order to simulate infinite array conditions. The experimental results show a maximum loss of 5.3 dB and a phase range of 262° at a frequency of 11 GHz. The reconfigurable unit cell is adequate to be integrated in a reflectarray. However, the maximum loss measured at 11 GHz is high, justifying the pertinence of designing another reconfigurable unit cell. Since the design of the second reconfigurable unit cell is complicated, this one is segmented in blocks for the simulations and the manufacturing. Firstly, the unit cell part allowing the phase reconfigurability is fabricated and characterized. This circuit is composed of a varactor diode coupled to a SIW through a slot. To extract the S parameters from the phase shifter circuit at the level of the slot, a calibration kit is made. Since the model of the diode is not perfect, the results are analyzed to modify the model of the diode. This modification allows a better correspondence between the simulation results and the measurements. After that, the reconfigurable unit cell is made with the new model of the diode. Two reconfigurables unit cells are inserted in a WR-90 waveguide to assess the performance. The results show a maximum loss of 3.26 dB, an average loss of 1.6 dB and a phase range of 249° at 11.8 GHz.