Le réseau réflecteur imprimée « Reflectarray »

Gain et rendement

    L’antenne satellitaire est un relais hertzien situé à 36000 Km de la terre (pour une orbite géostationnaire), il doit avoir un grand gain pour compenser l’affaiblissement des signaux hyperfréquences sur les trajets montants et descendants (figure1.1). Le signal reçu sur la terre devra être de puissance suffisante afin de limiter le coût des nombreux terminaux de réceptions dont le prix est classiquement défini par la puissance des amplificateurs) [2]. L’objectif majeur pour une antenne de télécommunications est donc de maximiser le gain dans une zone géographique de forme complexe. A l’interface entre l’espace libre et le répéteur, les antennes ont un rôle important pour obtenir la puissance isotrope rayonnée équivalente (PIRE) à l’émission et un rapport gain sur température de bruit (G/T) satisfaisant à la réception.A l’émission, pour une PIRE donnée, il est essentiel de maximiser le gain de l’antenne afin d’optimiser les bilans de consommations d’énergie et de dissipation du satellite. Une augmentation du gain permet la réduction de la puissance de sortie du répéteur et donc l’utilisation d’un satellite de taille réduite moins lourd et donc moins cher.

Le réseau réflecteur imprimé « Reflectarray »

   Dans de nombreuses applications terrestre et surtout par satellite le besoin d’antennes de haut gain est nécessaire pour satisfaire la directivité avec un faisceau principal à un certain angle. Une des solutions permettant la conception d’antennes à balayage électronique, principalement en technologie microruban, est la combinaison entre les antennes réseaux [4] et les antennes à réflecteurs[5], alimentées par une source primaire, une telle structure est dite antenne réseau réflecteur ou Reflectarray comme illustré par la figure1.6, ce réseau combine les avantages de chacune des antennes réseaux et à réflecteurs. Une antenne réseau est composée de sources élémentaires réparties sur une surface, généralement plane, formant un réseau d’éléments. Le contrôle de l’amplitude et de la phase de chaque élément permet de maîtriser le rayonnement de l’antenne. Le contrôle électronique autorise des vitesses de balayage très élevées. Cependant, le circuit d’alimentation est complexe et plus le nombre d’éléments est grand, plus les pertes induites deviennent importantes. L’antenne à réflecteur quand à lui, est constituée d’une source primaire qui illumine une surface réflectrice de forme courbe (parabolique par exemple). Elle a l’avantage d’utiliser une unique source réduisant ainsi les pertes et les coûts de fabrication. L’inconvénient est l’encombrement lié à la forme du réflecteur. Ces antennes nécessitent de coûteux mécanismes de pointage pour des applications radars et la reconfiguration mécanique de l’antenne est lente. Les Reflectarray ne disposent pas de circuit d’alimentation, et permettent d’avoir des gains presque comparables à ceux des antennes paraboliques. Le concept du Reflectarray apparaît en 1958 et est breveté par J. J. S. Duniam en 1961 [6]. D. G. Berry publie le premier papier sur les Reflectarrays en 1963 [7]. Par la suite, de nombreuses études lui ont succédé afin d’améliorer ses performances [8-17]. Un Reflectarray est constitué d’un réseau de cellules déphaseuses imprimées sur une surface plane et illuminé par une source externe. L’utilisation d’une source primaire évite l’implantation d’un réseau de répartition complexe et dissipatif, ce qui est un avantage indéniable pour les performances RF des reflectarrays. Plusieurs techniques peuvent être utilisées pour agir sur la phase réfléchie, à savoir l’ajout de stub microruban ou l’utilisation du patch à taille variable. Dans le chapitre suivant , nous présentons de nouvelles cellules pour réseau réflecteur imprimé.
Etat de l’art des Reflectarray La première antenne réseau réflecteur était un ensemble de guides d’onde métalliques terminés chacune par un plan de court-circuit (Figure 1.7), cette antenne était trop encombrante [7] , Le contrôle de la phase de l’onde réfléchie se faisait par la variation de la profondeur du guide . Ces structures ont évolué par la suite en intégrant des circuits intégrés permettant un contrôle dynamique de la phase de l’onde réfléchie [18]. L’inconvénient majeur de ces antennes c’est qu’elles ne peuvent pas être utilisées dans des applications par satellite à cause de leurs poids et leurs encombrement. Ce n’est qu’avec le développement de la technologie imprimée que les antennes réseaux réflecteurs ont évolué. En appliquant cette technologie, le poids et l’encombrement de ces antennes se trouvent alors réduits et leur utilisation dans le domaine spatial apparaît plus réaliste. Avec cette technologie, l’élément rayonnant de la cellule déphaseuse est imprimé sur un substrat au dessus d’un plan de masse. Dans les antennes réseaux réflecteurs, la source d’excitation est placée à une certaine distance de la surface réfléchissante, supprimant ainsi la caractéristique du volume réduit de la surface plane obtenue grâce à la technologie imprimée. Une autre solution a été proposée dans [19-21], qui est constituée d’une surface réfléchissante plane avec une source d’excitation intégrée à son centre (figure.1.8), cette configuration est appelée « folded reflectarrays ». La principale caractéristique de cette configuration est qu’une grille de polarisation est placée parallèlement à une certaine distance du réseau, et utilisée pour illuminer les différentes cellules déphaseuses. Elle se comporte comme un réflecteur pour une polarisation du champ électrique tandis qu’elle est transparente pour la polarisation orthogonale. Chaque élément de la surface réfléchissante doit donc rerayonner l’énergie réfléchie par la grille suivant la polarisation croisée.

Techniques de contrôles de la phase réfléchie

  Pour réaliser un Reflectarray, on doit fixer la position de la source qui l’illumine, le nombre d’élément, l’angle d’orientation du faisceau principal, ainsi que les paramètres habituels définissant un réseau: Positions des sources, fréquence de fonctionnement, caractéristique du substrat…A partir de cette étape, il faut calculer le déphasage à apporter sur chaque patch. Dans la littérature il existe plusieurs techniques qui permettent de contrôler la phase de l’onde réfléchie. Ces techniques peuvent êtres passives (présentées dans la suite), ou actives (présentées dans le chapitre4).

Contrôle par Variation de la longueur d’un stub L’antenne de base a une taille fixe, attachée par un stub qui est de taille variable, cette technique a été proposé en 1987 (figure 1.18) [27].L’énergie incidente est transmise au stub et se réfléchit sur l’extrémité de celui-ci. L’énergie réfléchie est rayonnée avec un déphasage proportionnel à la longueur du stub.

Contrôle par Variation de la taille de l’antenne élémentaire Cette technique de contrôle de la phase a été introduite par Pozar [29], puis développée par d’autres auteurs afin d’augmenter la plage de variation de la phase. Le changement de taille de l’antenne élémentaire peut faire varier la phase réfléchie, ce dernier provoque un décalage de la fréquence de résonance ce qui entraine une modification de la phase réfléchie. Cette méthode a l’avantage de s’affranchir des inconvénients de l’utilisation des lignes à retard qui pose des problèmes d’adaptation des impédances du patch et de l’élément déphaseur, ainsi que l’élargissement du lobe principal [30].

Contrôle par Variation de la hauteur du substrat Une autre solution consiste à placer des éléments rayonnants à une distance variable du plan de masse, donc d’utiliser des hauteurs de substrats différentes, afin de déphaser l’onde incidente. En effet, l’épaisseur du substrat influence fortement le déphasage de l’onde incidente. La phase va alors dépendre de la profondeur à laquelle est imprimé cet élément ce qui va permettre d’obtenir des gammes de phase importantes. La limitation de cette solution est principalement la difficulté de reconfigurabilité et de l’utilisation d’épaisseurs de substrats conséquentes.

Contrôle par chargement d’une fente au niveau du patch Une autre technique a été proposée dans [31]; c’est un patch chargé par une fente de dimensions variables, par exemple, quand la fente s’ouvre, les courants contournent la fente, ce qui permet de rallonger artificiellement la longueur résonnante de la cellule , ce qui permet de contrôler la phase de l’onde réfléchie. Cette technique permet d’augmenter la gamme de phase offerte par la cellule.

Contrôle par l’utilisation de la technologie multicouche Une autre solution a été proposée par [32] en technologie multicouche, qui améliore la gamme de phases assurée par la cellule déphaseuse et la bande passante. Il s’agit d’une superposition de patchs de dimensions différentes, imprimés au dessus d’un plan de masse, et séparés par des couches de diélectrique (figure 1.20). Ces patchs résonnent les uns après les autres assurant des gammes de phases très importantes une gamme de phases de 500° pour la cellule double couches [32,11], et une bande passante améliorée par rapport aux réseaux réflecteurs conventionnels en monocouche, et une gamme de phases de 800° est assurée avec la cellule triple couche [33]. L’inconvénient majeur de ces solutions réside dans la complexité de réalisation et le coût de fabrication relativement élevé.

Les antennes à réflecteur à source multiple

  Il est parfois impossible de former des couvertures complexes en jouant juste sur le profil du réflecteur. Il est alors nécessaire de modifier la section du faisceau primaire généré par la source. On utilise pour cela une source multiple constituée de plusieurs éléments rayonnants. Cette dernière, située à proximité du plan focal du réflecteur, fonctionne comme une antenne réseau. C’est la combinaison des signaux pondérés en phase (et éventuellement en amplitude) sur chacun des éléments qui forment le faisceau primaire (BFN analogique).

Table des matières

RESUME
ABSTRACT
REMERCIEMENTS
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES ABREVIATIONS
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE1: LES RESEAUX REFLECTEURS IMPRIMES REFLECTARRAY
I.1 Introduction
I.2 Caractéristiques électromagnétiques des antennes satellitaires
I.2.1 Gain et rendement
I.2.2 Directivité d’une antenne
I.2.3 La Bande passante
I.2.4 Couverture et faisceaux
I.2.5 Diagramme de rayonnement
I.3 Le réseau réflecteur imprimée « Reflectarray »
I.3.1 Etat de l’art des Reflectarray
I.3.2 Présentation d’un Reflectarray
I.3.3 Principaux paramètres du Reflectarray
I.3.3.1 L’alimentation
I.3.3.2 L’efficacité de débordement et de cône
I.3.3.3 Les pertes
I.3.3.4 La Bande passante
I.3.3.5 La cellule élémentaire
I.3.4 Techniques de contrôles de la phase réfléchie
I.3.4.1 Contrôle par Variation de la longueur d’un stub
I.3.4.2 Contrôle par Variation de la taille de l’antenne élémentaire
I.3.4.3 Contrôle par Variation de la hauteur du substrat
I.3.4.4 Contrôle par chargement d’une fente au niveau du patch
I.3.4.5 Contrôle par l’utilisation de la technologie multicouche
I.4 Conclusion
RÉFÉRENCES CHAPITRE 1
CHAPITRE 2: ETUDE ET CONCEPTION DE CELLULES POUR RESEAU REFLECTEUR IMPRIME
II.1 Introduction
II.2 Approches d’analyse de cellules déphaseuses
II.3 Outil de simulations de la cellule
II.3.1 Caractéristiques techniques du solveur
II.3.2 Caractéristiques du maillage
II.3.3 Excitation
II.3.4 Champ lointain rayonné
II.4 Cellules déphaseuses en technologie imprimée
II.4.1 Cellule 1: Le patch carré
II.4.1.1 Patch carré à quatre coins tronqués
II.4.1.2 Variation des longueurs des quatre coins tronquées
II.4.1.3 Patch carré avec fente sur la cellule
II.4.1.4 Patch carré avec fente dans le plan de masse
II.4.1.5 Patch carré avec fentes débouchantes
II.4.2 Cellule 2: l’antenne tapis de Sierpinski
II.4.3 Cellule 3: L’antenne étoile de Koch
II.4.4 Cellule 4: L’antenne Bowtie
II.4.4.1 Etudes de la variation des longueurs et largeurs du Bowtie
II.4.4.2 Ajout de fentes inclinées sur les côtés du Bowtie
A. Bowtie modifiée 1 : Ajout d’une fente selon le coté droit du Bowtie
B. Bowtie modifiée 2 : Ajout de deux fentes symétriques par rapport à l’axe y
C. Bowtie modifiée 3 : Ajout de deux fentes selon la diagonale
D. Bowtie modifiée 4: Ajout de deux fentes symétriques par rapport à l’axe x
II.4.4.3 Ajout de fentes carrées sur le Bowtie
A. Bowtie avec une fente carrée
B. Bowtie avec deux fentes carrées
II.4.4.4 Bowtie avec fentes aux extrémités
II.5 Conclusion
RÉFÉRENCES CHAPITRE 2
CHAPITRE 3: CONCEPTION DE REFLECTARRAYS
III.1 Introduction
III.2 Choix de la source primaire
III.3 Obtention du diagramme de rayonnement du Reflectarray
III.4 Différents types de rayonnement
III.4.1 Rayonnement transversal
III.4.2 Rayonnement dépointé
III.4.3 Rayonnement à lobe formé
III.5 Exemples de conception de Reflectarrays
III.5.1 Reflectarray 1: cas de patchs carrés avec fentes débouchantes
III.5.2 Reflectarray 2: cas de cellules de formes étoile de Koch
III.5.3 Reflectarray 3: cas de cellules de formes Bowtie simple
III.5.4 Reflectarray 4: cas de cellules Bowtie avec fentes inclinées
III.5.5 Reflectarray 5: cas de cellules Bowtie avec fentes aux extrémités
III.5.6 Résumé des différents résultats
III.6 Reflectarray bidimensionnel de 37*29 éléments
III.7 Dépointage du faisceau d’antenne
III.8 Conclusion
REFERENCES CHAPITRE 3
CHAPITRE 4: ETUDE ET CONCEPTION DE CELLULES RECONFIGURABLES POUR RESEAU REFLECTEUR IMPRIME
IV.1 Introduction
IV.2 Qu’est-ce qu’une antenne reconfigurable ?
IV.2.1 Reconfiguration en fréquence
IV.2.2 Reconfiguration en diagramme de rayonnement
IV.2.3 Reconfiguration en polarisation
IV.3 Présentation des Reflectarray reconfigurables
IV.3.1 Contrôle à l’aide de diode PIN
IV.3.2 Contrôle à l’aide de MEMS
IV.3.3 Contrôle à l’aide de diode varicap
IV.4 Domaine d’application des Reflectarrays reconfigurables
IV.5 Simulation de quelques cellules rayonnantes
IV.5.1 Intégration de diodes Pin
IV.5.1.1 Modèle électrique de la diode
IV.5.1.2 Intégration d’une diode pin
IV.5.1.3 Intégration de deux diodes Pin
IV.5.2 Intégration de diodes Varicaps
IV.5.2.1 Modèle électrique de la diode varicap
IV.5.2.2 Intégration d’une diode varicap dans une antenne Bowtie
IV.5.2.3 Intégration de deux diodes varicap dans un patch carré
IV.6 Conception d’un Reflectarray reconfigurable
IV.7 Conclusion
REFERENCES CHAPITRE 4
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE A
ANNEXE B
LISTE DES PUBLICATIONS
LISTE DES COMMUNICATIONS

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