Antenne réseaux à commande de phase avec une réduction significative du nombre d'éléments

Phased array antenna with significant reduction of active controls

• Auteur / Autrice : Francesco Scattone
• Direction : Mauro Ettorre, Ronan Sauleau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement du signal et télécommunications
• Date : Soutenance le 15/12/2015
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : PRES : Université européenne de Bretagne (2007-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antennes-réseaux à commande de phase

Mots clés libres

Antennes

Reseaux d'antennes

Ondes de fuite

Antennas

Antenna arrays

Leaky-Waves

Résumé

L'objectif de cette thèse est d'exploiter les phénomènes des ondes de fuite pour améliorer les performances des antennes classiques à ouverture pour les applications spatiales. Ici, nous considérons des configurations planaires où les ondes de fuite sont excitées entre un plan de masse et un superstrat partiellement réfléchissant. Des réseaux de petites ouvertures sur le plan de masse sont utilisés pour alimenter les antennes considérées. Les structures avec superstrat sont développées en configuration réseaux simples ou réseaux à commande de phase, considérées intéressantes en termes de flexibilité du système pour des liens satellitaires de nouvelle génération.Pour étudier efficacement ces antennes, nous avons développé un outil d'analyse basé sur une approche spectrale avec fonction de Green. Cet outil permet d'analyser les structures proposées en prenant en compte l'impact du couplage mutuel entre les éléments sur les performances de rayonnement avec une réduction du temps de calcul et d'utilisation de mémoire.L'augmentation du gain des structures à ondes de fuite peut ouvrir la voie à la réduction du nombre d'éléments des réseaux associés, et donc des commandes en amplitude et phase. Dans une configuration à ondes de fuite, chaque élément du réseau rayonne avec une ouverture équivalente plus grande, augmentant ainsi l'espacement entre les éléments sans affecter le gain global de la structure. Comme largement expliqué dans le manuscrit, les solutions à ondes de fuite représentent par conséquent un avantage majeur pour les antennes du segment utilisateur.En plus de l'amélioration du gain, la technologie à ondes de fuite peut être efficacement exploitée pour synthétiser le diagramme de rayonnement, en choisissant correctement les paramètres de conception de l'antenne. Cette caractéristique peut être utilisée dans les réseaux à commande de phase, pour produire un diagramme d'élément qui minimise les pertes par dépointage et qui filtre les lobes de réseaux. Une procédure de synthèse pour des antennes réseaux raréfiés à ondes de fuite est ainsi présentée dans le manuscrit, ainsi qu'une nouvelle configuration de réseaux avec superstrat irrégulier. Ce dernier permet de réduire les lobes secondaires de l'antenne en utilisant une excitation uniforme. Cette dernière configuration montre clairement que la capacité de modifier le diagramme de rayonnement est la caractéristique la plus attrayante des antennes planaires à ondes de fuite, pour être utilisée dans des solutions de réseaux à commande de phase.

The objective of this thesis is to exploit the leaky-wave phenomena to enhance the performance of classical aperture antennas for space applications. Here, we consider planar configurations where the leaky modes are excited between a ground plane and a partially reflective superstrate. Arrangements of small apertures opening on the ground plane are used to feed the antennas under study. The superstrate-like leaky-wave structures are developed in array or phased array configurations, considered of interest in terms of flexibility of the system for next generation satellite links. In order to efficiently study planar leaky-wave arrays, we have developed an analysis tool based on a Green's function spectral approach. The developed tool allows to precisely analyze the proposed structure by taking into account the impact of the mutual coupling among the elements on the radiation performance of the whole antenna. In addition, it can handle extremely large structures in terms of wavelengths with a small computational effort with respect to commercial tools. In particular, the gain enhancement of leaky-based structures can pave the way to the reduction of the number of elements of the associated phased arrays. In a leaky-wave configuration each element of the array will radiate with a larger equivalent aperture allowing a larger spacing among elements without affecting the final gain of the whole structure. This aspect is particularly important in the case of phased arrays, where phase shifters and control cells are, typically, the most expensive components of the system. As extensively explained in the manuscript, antennas for user segment might find the highest benefit by using leaky-wave solutions. Besides the gain enhancement, the leaky-wave technology can be effectively exploited to conveniently shape the radiation pattern by properly engineering the design parameters of the antenna. This capability can be used in phased arrays to generate a convenient element pattern to minimize the scan losses and filter the grating lobes appearing in the visible space when dealing with periodicities larger than a wavelength. Therefore, a synthesis procedure for thinned leaky-wave arrays is presented in the manuscript. Also, a novel array configuration, the irregular superstrate array, is presented. The irregular superstrate allows the reduction of the side lobes of the antenna below -20 dB in the considered 2.5 % band, using a uniform excitation. This last configuration clearly shows that the shaping capability of leaky-wave antennas is the most appealing feature to be used in phased array solutions.