Beam Shaping and Beam Scanning of C-Band Circularly Polarized Dual Reflector Antenna Using Reconfigurable Subreflector

L'objectif général de ce projet est d'étudier des solutions pour réaliser la formation et le dépointage du faisceau pour les antennes satellites en vol. La plupart des satellites actuels ont des antennes à gain élevé conçues avec des réflecteurs paraboliques. Dans ces antennes, la reconfigurabilité est réalisée avec des structures mécaniques volumineuses (encombrant) et lentes, c'est-à-dire, avec des systèmes de cardan (support tournant) pour le dépointage du faisceau et la permutation du sous-réflecteur pour la formation du faisceau. Dans ce projet, notre objectif est de proposer une antenne à double réflecteur avec une parabole principale et une surface réfléchissante périodique reconfigurable comme sous-réflecteur qui permettra une modulation spatiale de phase (appelée sous-réseau réflecteur). Les avantages souhaités de l'antenne proposée par rapport aux systèmes existants seront la plus grande flexibilité de reconfigurabilité, c'est-à-dire permettant une couverture "arbitraire", une vitesse et une légèreté. Cependant, il existe de nombreux défis pour trouver une solution qui conservera les caractéristiques souhaitées des systèmes de réflecteurs existants, telles qu'une faible polarisation croisée, une bande passante suffisante, et une efficacité énergétique élevée. De plus, le système d'antenne proposé devra fonctionner en polarisation circulaire pour répondre aux exigences des systèmes satellitaires modernes. Cela nécessitera la conception de cellules réflectrices spéciales. Les éléments passifs conçus pour être entraînés par des micromoteurs réalisant la technique de rotation variable pour atteindre un réglage de phase complet de 360° sont sélectionnés pour le sous-réflecteur. La structure proposée dans ce travail balaye et forme le faisceau avec le petit sous-réseau réflecteur sans utiliser d'éléments électroniques de formation de faisceau RF, ce qui conduit à avoir la structure avec moins de perte d'insertion et moins de circuit de polarisation en courant continu (CC). Dans le système à double réflecteur proposé, le balayage du faisceau est fourni en appliquant les techniques de focalisation en champ proche (NFF) et de décalage de phase progressif (PPS). Dans la technique NFF, le balayage du faisceau est assuré en déplaçant la source virtuelle créée par le sous-réflecteur du point focal du réflecteur principal. En appliquant la technique PPS, le balayage du faisceau est fourni en appliquant un déphasage progressif sur la surface du réflecteur.

Abstract

The general objective of this project is to study solutions to allow beam steering and beam shaping for in-flight satellite antennas. Most current satellites have high gain antennas designed with parabolic reflectors. In these antennas, reconfigurability is accomplished with bulky and slow mechanical structures, e.g. gimbal systems for beam steering and sub-reflector permutation for beam shaping. In this project, our objective is to propose a dual-reflector antenna with a main parabolic dish and a reconfigurable periodic reflecting surface as the subreflector that will allow spatial phase modulation (so-called sub-reflectarray). Desired advantages of the proposed antenna over existing systems will be the greater flexibility in reconfigurability, i.e. allowing "arbitrary" coverage, speed, and lightweight. However, there are many challenges to find a solution that will keep the desired features of existing reflector systems, such as low cross-polarization, sufficient frequency bandwidth, sustainability in the harsh space environment, and high power efficiency. Furthermore, the antenna system proposed will have to operate in circular polarization to meet the requirement of modern satellite systems. This will require the design of special reflectarray cells. The passive elements with full phase adjustment of 360° using variable rotation technique are selected for the sub-reflectarray, which are designed to be driven by micromotors. The proposed structure in this work scans and shapes the beam with the small sub-reflectarray without using electronic RF beamformer elements, which leads to having the structure with less insertion loss and less DC biasing in the network. In the proposed dual-reflector system, beam scanning is provided by applying Near-Field Focusing (NFF) and Progressive Phase Shift (PPS) techniques. In the NFF technique, beam scanning is provided by displacing the virtual source created by the subreflector from the focal point of the main reflector. By applying the PPS technique, beam scanning is provided by applying progressive phase shift on the reflectarray surface. NFF technique has some advantages in terms of lower cross-polarization and wider scanning range compared to the PPS technique.