Etude de Systèmes Micro-ondes d'Alimentation d'Antennes Réseaux pour Applications Multifaisceaux

Study of Microwave Beam Forming Networks for Multiple Beam Array Antennas

• Auteur / Autrice : Nelson Jorge Gonçalves Fonseca
• Direction : Hervé Aubert, Ke Wu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 15/10/2010
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)

Mots clés

Mots clés libres

Antenne multifaisceaux

Matrice orthogonale

Matrice de Butler

Matrice de Nolen

Matrice de Blass

Réseau d’alimentation cohérent

Réseau focal

Multibeam antenna

Orthogonal matrix

Butler matrix

Nolen matrix

Blass matrix

Beam forming network

Résumé

Les réseaux d’alimentation d’antennes multifaisceaux sont un sous-système particulièrement important dans la mesure où ils permettent de réutiliser une même ouverture rayonnante pour l’ensemble des faisceaux à produire. Ces solutions trouvent naturellement application dans le spatial, l’espace disponible pour aménager des antennes étant fortement contraint sur les satellites. Plusieurs solutions de réseaux d’alimentation sont disponibles dans la littérature, incluant des structures quasi-optique ou lentilles et des structures guidées. Nous avons approfondie cette deuxième catégorie en étudiant différentes solutions, incluant les matrices de Blass, de Butler, de Nolen, ainsi que des structures à lois de phase uniformes. En particulier, un mode de dimensionnement des matrices de Nolen, défini comme un cas particulier asymptotique d’un algorithme de dimensionnement de matrices de Blass, a été proposé et validé expérimentalement en bande S. La flexibilité du dimensionnement des matrices de Nolen proposé a été exploitée pour concevoir une matrice à distribution d’amplitude non-uniforme, afin de réduire le niveau des lobes secondaires. Enfin, le caractère dispersif d’une alimentation en série a été utilisé pour rendre le pointage angulaire du faisceau produit par une antenne réseau linéaire indépendant de la fréquence de fonctionnement et pourrait être étendu à des matrices de Blass et Nolen. Des structures à lois de phase uniformes et à distribution d’amplitudes uniforme et gaussienne ont été approfondies, afin de mettre en évidence notamment le niveau de pertes intrinsèques. La structure à distribution d’amplitude gaussienne a été modifiée pour l’adapter à des applications d’antennes réseaux circulaires. L’ensemble des informations regroupées dans ce mémoire permet d’identifier la topologie de réseau d’alimentation la mieux adaptée à une application donnée. Une combinaison de différents concepts peut s’avérer une bonne solution dans certains cas.

Beam forming networks for multiple beam antennas are a very important antenna sub-system as they enable to reuse the same radiating aperture to produce all the beams. These solutions naturally find application in space as stringent accommodation constraints on board of satellites ask for space saving. Several concepts are available in the literature, including quasi-optic solutions and guided wave solutions. We investigated on this second category, including namely Blass, Butler and Nolen matrices as well as beam forming networks producing uniform phase distribution. In particular, we proposed a designed method, defined as an asymptotic singular case of a more general Blass matrix design procedure. Experimental validation was carried out with a specific design in S-band. Flexibility on the design of Nolen matrix has been used to generate non-uniform amplitude distribution to reduce side-lobe level. Also, natural phase dispersion of a serial feeding network has been used to produce frequency independent beam pointing linear arrays with potential application to Blass and Nolen matrices. Beam forming networks with uniform phase distribution associated to uniform and Gaussian amplitude distributions were also investigated, in particular to highlight the level of the intrinsic losses. The structure with Gaussian amplitude distribution was also modified to be adapted to circular array antennas. All this information should help to identify the best suited beam forming network concept for a given application. In some particular cases, a combination of different concepts can even be considered.