Réseau d'antennes microruban à 17.2 GHz et à double polarisation pour une application de radar à synthèse d'ouverture sur un CubeSat

Depuis le début des années 2000, les nanosatellites de type CubeSat redéfinissent les concepts de base des missions spatiales. Ces missions, qui étaient auparavant exclusives aux agences spatiales nationales, sont maintenant à portée de main des projets universitaires. En effet, par leurs faibles coûts de conception et de lancement, ces nanosatellites sont la plateforme idéale pour la démonstration de nouvelles technologies en orbite. Les CubeSats sur orbites basses sont propices aux missions de télédétection, car ils parcourent la Terre plusieurs fois par jour avec leur orbite de 90 minutes. La petite taille des nanosatellites apporte cependant un facteur très limitatif : la puissance disponible à bord. Il s'agit de l'un des facteurs qui limitent grandement le développement de missions CubeSat avec un radar. L'expertise en imagerie par radar à synthèse d'ouverture (RSO) est bien développée au Canada grâce aux missions canadiennes RadarSat-1 et Radarsat-2, et plus récement grâce à la Constellation Radarsat (MCR). Cette technologie se démarque car elle n'est pas limitée par la couverture nuageuse ni par l'absence de soleil comme certains instruments optiques. Contrairement aux missions de radiométrie, le radar RSO émet lui-même ses propres faisseaux et mesure la réflexion de ceux-ci sur la Terre. Il a été démontré qu'un radar RSO double polarisation linéaire fonctionnant à 17.2 GHz permettrait la mesure de la composition de la neige. Ces images radars de la neige seraient intéressantes pour mesurer et quantifier l'impact des changements climatiques sur les régions moins accessibles comme le Grand Nord canadien. La résolution spatiale du RSO est directement liée à la longueur de l'antenne. Dans les précédentes missions RSO à bord de satellite de taille moyenne, les antennes réseaux à alimentation directe étaient privilégiés car elles permettaient d'obtenir une longue antenne sans être limité par la puissance à bord. Dans les dernières années, les antennes réseaux réflecteurs ont commencé à être intégrées dans des CubeSat. Cette technologie permet de recréer les performances d'un réflecteur parabolique mais avec un réflecteur planaire. L'antenne est divisée en deux composantes : la source et le réflecteur passif. Toutefois, il n'y a pas encore eu de démonstration ni d'études de faisabilité sur une mission spatiale de RSO pour CubeSat. L'objectif de cette recherche est de développer un prototype d'antenne utilisée comme source d'un réflecteur réseau pour nanosatellite dans le but de faire de la télédétection. L'hypothèse est que les réseaux réflecteurs pourront fonctionner pour une application RSO. Le déploiement de la source et du réflecteur est un défi en soi, considérant les limites de puissance, de la stabilité mécanique et du volume d'un nanosatellite même si l'accent du projet est mis sur la fonctionnalité de l'antenne source servant à illuminer le réseau réflecteur.

Abstract

Space missions are now more and more accessible to university's projects with the low fabrication and launch cost of nanosatellites CubeSat which makes them the perfect platform for technology demonstration. These satellites, mostly located in low earth orbit, are suitable for earth observation missions with their 90 minutes orbits. Their small size brings multiple constraints including the power available on board. It is one of the critical constraints that limits the development of radar missions on board CubeSats. Canada has well-established expertise in synthetic aperture radar (SAR) with the RadarSat-1 and Radarsat-2 Canadians missions and more recently with the Radarsat Constellation Mission (RCM). Unlike optical sensors, this technology is not limited by the cloud clover nor by the absence of the sun. The SAR radar emits its own beam and measures the reflected signal on the earth. It has been demonstrated that a dual-polarized SAR at 17.2 GHz would allow making snow mass and snow water equivalent measurements. Theses measurements would be interesting to quantify the impact of climate change in less accessible regions as the northern region of Canada. The ground azimuth resolution is directly linked to the length of the antenna. In previous spaceborne SAR missions, phased array antennas were used because power was not a limitation on board medium sized satellite. Recently, reflectarray antennas (RA) on CubeSat have been demonstrated in orbit. This technology allows recreating the performances of a parabolic reflector but with a planar reflector. However, there has been no technology demonstration nor feasibility studies on a space-borne SAR mission for CubeSat. The objective of this research is to develop an antenna prototype as the feed of the reflectarray for an earth observation nanosatellite. The hypothesis is that reflectarray antennas can work for SAR applications. The deployment of the feed and the reflectarray is a challenge considering the limited power, the mechanical stability and the small volume available, but the focus of the project will be on the functionality of the feed antenna used to illuminate the RA. The design of the reflectarray is the covered in another master's student research. The antenna developed for this project is using the Ku-Band to obtain the optimal scattering response during SAR snow composition analysis. It was also necessary to adapt existing technologies to respect the constraints associated to the CubeSat, e.g., limited mass, power and size. A study of the size of the reflector for a hypothetical SAR mission allowed to determine the required beam widths of the source feed.