Design and realization of an auto-focus antenna array for satellite communications

• Auteur / Autrice : Haiyang Zhang
• Direction : Tchanguiz Razban-Haghighi, Yann Mahé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Télécommunication
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Nantes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Ribero
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tchanguiz Razban-Haghighi, Yann Mahé, Jean-Marc Ribero, Fabien Ndagijimana, Patrick Vaudon
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Fabien Ndagijimana, Patrick Vaudon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Communications par satellite

Antennes-réseaux

Mots clés libres

Réception TV

Double polarisation

Large bande

Résumé

Actuellement, la réception des signaux émis par les satellites géostationnaires s’effectue à l’aide d’antennes paraboliques. Cette antenne est largement utilisée en raison de ses performances et de son coût. Cependant, celle-ci souffre de défauts inhérents à sa conception (antenne 3D, faisceau fixe). Afin de trouver une alternative à l’existant, la conception d’une antenne planaire, large bande (20% de BP), bipolarisation, de gain élevé (29dBi), à pointage électronique et à faible coût est envisagée pour la réception TV par satellite (système DBS). Pour répondre aux critères de faible encombrement et de faible coût, la technologie microruban a été retenue. Deux topologies d’antennes élémentaires ont été étudiées, optimisées et mises en réseau pour répondre aux autres critères de ce projet : une antenne monopole alimentée par accès coplanaire et une antenne microruban à résonateurs couplés en croix. Ces travaux ont abouti à un certain nombre de résultats originaux. La mise en oeuvre d’une méthode simple a permis d’établir qu’il était possible de stabiliser le diagramme de rayonnement dans le demi-espace supérieur sur une large bande passante et d’atténuer le rayonnement arrière. Un autre apport de ces travaux réside dans le principe de partage des résonateurs lors de la mise en réseau de l’antenne croix. Cette technique permet de limiter la distance inter-éléments (limitation des lobes de réseau) mais aussi, pour un gradient de phase donné, de réaliser un dépointage plus important. Ces travaux prouvent qu’un tel réseau d’antennes est une alternative crédible aux antennes paraboles Actuellement, la réception des signaux émis par les satellites géostationnaires s’effectue à l’aide d’antennes paraboliques. Cette antenne est largement utilisée en raison de ses performances et de son coût. Cependant, celle-ci souffre de défauts inhérents à sa conception (antenne 3D, faisceau fixe). Afin de trouver une alternative à l’existant, la conception d’une antenne planaire, large bande (20% de BP), bipolarisation, de gain élevé (29dBi), à pointage électronique et à faible coût est envisagée pour la réception TV par satellite (système DBS). Pour répondre aux critères de faible encombrement et de faible coût, la technologie microruban a été retenue. Deux topologies d’antennes élémentaires ont été étudiées, optimisées et mises en réseau pour répondre aux autres critères de ce projet : une antenne monopole alimentée par accès coplanaire et une antenne microruban à résonateurs couplés en croix. Ces travaux ont abouti à un certain nombre de résultats originaux. La mise en oeuvre d’une méthode simple a permis d’établir qu’il était possible de stabiliser le diagramme de rayonnement dans le demi-espace supérieur sur une large bande passante et d’atténuer le rayonnement arrière. Un autre apport de ces travaux réside dans le principe de partage des résonateurs lors de la mise en réseau de l’antenne croix. Cette technique permet de limiter la distance inter-éléments (limitation des lobes de réseau) mais aussi, pour un gradient de phase donné, de réaliser un dépointage plus important. Ces travaux prouvent qu’un tel réseau d’antennes est une alternative crédible aux antennes paraboles.

Nowadays, receiving signals from geostationary satellites is performed using parabolic antennas composed of a metal reflector and a LNB (Low Noise Block) placed at the focus of the parabola. This antenna is widely used because of its performance and cost. However, this kind of antenna suffers from inherent shortcomings (3D antenna, fixed beam). To find an alternative to the existing, design of a planar, broadband (20% BP), dual-polarization, high gain (29dBi), electronically steerable and low cost antenna is proposed for the reception of TV signals from satellite (DBS system). To meet the criteria of compactness and low cost, microstrip technology is chosen. Two topologies of unitary antenna have been studied, optimized and arrayed to meet the requirements of this project: one coplanar fed monopole antenna and one cross-type multiresonator antenna. This work has led to numbers of original results. The development of a simple method shows that it is possible to stabilize the radiation pattern in the upper half space over a wide bandwidth and to decrease the rear radiation part. Another contribution of this work lies in the principle of sharing resonators when arraying cross shaped antenna. This technique not only reduces the inter-element distance (grating lobes appearance), but also, for a given phase gradient, achieves a greater beam steering. This proves the feasibility of such an antenna to be a credible solution