Conception d'une antenne réseau réflecteur pour une mission de radar à synthèse d'ouverture en bande Ku sur plateforme nanosatellitaire

Les changements climatiques évoluent de plus en plus rapidement et ces phénomènes climatiques requièrent une fréquence de surveillance élevée. En effet, une prise de données régulière permet d'anticiper et de réagir aux problèmes reliés au climat instable. Les régions boréales sont particulièrement touchées. Les accumulations de neige parsemant ces zones représentent des apports d'eaux très importants pour la faune et les populations humaines environnantes. L'anticipation de ces quantités de neige est donc critique. Depuis plusieurs années, le développement des technologies radar sur plateforme satellite est en plein essor. Les missions de radar à synthèse d'ouverture (RSO) en orbite basse possèdent notamment beaucoup d'héritage dans le secteur spatial, car elles permettent une acquisition de mesures quotidiennes. Les missions RSO actuelles opèrent majoritairement dans les bandes de fréquence C (4 GHz à 8 GHz) et X (8 GHz à 12 GHz) pour l'observation des zones urbaines et agricoles ainsi que pour l'observation des voies de navigation maritimes. De nouvelles missions RSO en bande Ku (12 GHz à 18 GHz) sont en développement pour la télédétection des caractéristiques de la neige. Cette dernière technologie ne possède aucun héritage dans le domaine spatial à ce jour. Un second progrès dans le secteur spatial est la miniaturisation des plateformes satellitaires. Le CubeSat, considéré comme un nanosatellite, est une plateforme dont les dimensions mécaniques représentent des multiples d'une unité cubique 1U équivalente à 10 cm x 10 cm x 10 cm. Ils sont très populaires pour les projets de recherche académiques et gouvernementaux pour des raisons de coûts et des délais de développement, mais ils gagnent aussi en popularité dans l'industrie commerciale spatiale. L'objectif de ce projet de recherche et de concevoir une antenne réseau réflecteur pour une mission de radar à synthèse d'ouverture en bande Ku pour l'étude des caractéristiques de la neige, et ce sur un satellite de type CubeSat 12U. L'application nécessite une opération double bande de fréquence centrée à 13.6 GHz et 17.2 GHz, et ce pour des polarisations linéaires horizontale et verticale. La plateforme nanosatellitaire présente des défis pour la conception de l'antenne.

Abstract

Climate changes are evolving rapidly and require a continuous monitoring. In fact, regular data collection makes it possible to anticipate and react quickly to problems related to an unstable climate. The northern boreal regions are particularly affected. The accumulations of snow covering these areas represent very important water supplies for the surrounding fauna and human populations. Assessment of snow mass is therefore critical. For several years, the development of radar technologies on satellite platforms has been emerging. Synthetic Aperture Radar (SAR) missions in low orbit have a lot of legacy in the space sector, as they allow daily measurements of a specific area. Current SAR missions mainly operate in the C (4 GHz to 8 GHz) and X (8 GHz to 12 GHz) frequency bands for observation of urban and agricultural areas as well as for ocean maritime navigation. New Ku-band SAR missions (12 GHz to 18 GHz) are being developed for the remote sensing of snow characteristics. Up to now, this latest technology has no legacy in the space field. A second progress in the space sector is the miniaturization of satellite platforms. The CubeSat, considered as a nanosatellite, is a platform whose mechanical dimensions represent multiples of a 1U cubic unit equivalent to 10 cm x 10 cm x 10 cm. CubeSats are very popular for academic and government research projects due to low cost and development time, but they are also gaining popularity in the commercial space industry. The objective of this research project is to design a reflectarray antenna for a Kuband SAR mission on a 12U CubeSat satellite. Snow mass sensing requires dual frequency band operation centered at 13.6 GHz and 17.2 GHz, with horizontal and vertical linear polarizations in each band. The nanosatellite platform presents challenges for the design of the antenna. Indeed, the dimensions of the satellite limit the quantity of stored energy, hence the power generated by the radar signal. To meet SAR sensitivity requirements, a very high gain antenna is therefore necessary. A two-dimensional reflectarray technology is proposed for this mission. The advantage of this antenna is to produce very high gain in similar way as a common dish reflector antenna while maintaining low stowed volume during launch which is ideal for a nanosatellite.