Modélisation et conception de formateurs de faisceaux quasi-optiques reconfigurables pour les futures constellations de satellites

Reconfigurable quasi-optical beamformers for next generation satellite applications : electromagnetic modeling and design

• Auteur / Autrice : Thomas Ströber
• Direction : Mauro Ettorre, George Goussetis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 11/12/2020
• Etablissement(s) : Rennes 1 en cotutelle avec Heriot-Watt university (Edimbourg, GB)
• Ecole(s) doctorale(s) : MATHSTIC
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement terahertz

Méthode asymptotique numérique

Antennes (électronique)

Mots clés libres

Antennes multifaisceaux

Méthodes asymptotiques

Optique de guide d'ondes à plans parallèles

Systèmes quasi-Optiques

Gap waveguide technology

High-Frequency techniques

Multiple-Beam antennas

Parallel-Plate optics

Quasi-Optical systems

Résumé

La nécessité d'avoir un large secteur angulaire et la possibilité d'utiliser des plus larges bandes de fréquence dans les futures constellations de satellites ont créé de nouveaux défis dans la conception d’antennes. De plus, des solutions à bas coût sont nécessaires. L'objectif de cette thèse est d'étudier et de développer des antennes quasi-optiques en bande millimétrique offrant des performances de balayage élevées et une reconfiguration du faisceau pour répondre à les besoins cités au-dessus. Des modèles asymptotiques pour l'analyse des formateurs de faisceaux en guide d'ondes à plans parallèles en réception sont présentés. Il est démontré que ces modèles permettent la conception efficace de systèmes d'alimentation avec des exigences strictes en termes de couverture. Deux nouveaux formateurs de faisceau fonctionnant en bande Ka sont présentés. Le premier est une lentille en guide d'ondes à plans parallèles comprenant un système d'alimentationen technologie gap waveguide qui permet un balayage mécanique rapide du faisceau. Le second correspond à un formateur de faisceaux à lentille réalisé en technologie PCB multicouche. L'outil numérique présenté est employé pour la synthèse des clusters superposés. Les deux solutions présentent des avancées importantes en termes de performances de balayage et réalisations faible coût.

The requirements of wide field of view and the availability of larger bandwidths for emerging satellite constellations have opened new challenges in antenna design. At the same time, highly cost-effective solutions are needed. The main objective of this dissertation is to investigate and develop quasi-optical millimeter-wave antennas with enhanced beam scanning and beam reconfiguration capabilities that answer these needs. High-frequency models are developed for the analysis of different parallel-plate beamformers in reception. It is shown that these models can be used efficiently for the design of feed systems with stringent requirements on scanning range. Two novel lens beamformers, operating in the uplink and downlink Ka-band, respectively, are presented. The first is a shaped parallel-plate lens combined with a mechanical scanning feed based on gap waveguide technology. Equivalent circuit models which aid in the design of the feed structure are addressed. The resulting design and experimental results from an all-metal demonstrator are reported. The second corresponds to a lens beamformer implemented in multilayer PCB technology. The developed numerical procedure is applied to the synthesis of overlapping feed clusters. Both designs represent significant advances in terms of scanning performance and low-cost implementation.