Study and design of compact quasi optical beam forming lens antennas in a parallel plate waveguide technology for on boards satellite constellation missions

par Petros Bantavis

Thèse de doctorat en Électronique

Sous la direction de Ronan Sauleau et de George Goussetis.

Soutenue le 04-02-2021

à Rennes 1 , dans le cadre de MATHSTIC , en partenariat avec Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes) (laboratoire) .

Le président du jury était Thierry Monédière.

Le jury était composé de Ségolène Tubeau.

Les rapporteurs étaient Thierry Monédière, Ashraf Uz Zaman.

mots clés

• Antenne à Lentille Gutmnan
• Index gradué
• Métasurfaces
• Cellule
• Missions deconstellation
• Antennes à lentille
• Guides d'ondes

Titre traduit

Étude et conception d'antennes à lentilles compact formant un faisceau quasi optique dansune technologie de guide d'ondes à plaques parallèles pour les missions de constellation de satellites embarquées

Résumé

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la conception d'antennes de formation de faisceaux quasi optiques dans une technologie de guide d'ondes à plaques parallèles et trouvent des applications dans les missions de constellation de satellites. La technologie d'antenne qui a été est l’antenne à lentille Gutman à indice gradué dans une technologie PPW. Dans la première partie de la thèse, la lentille Gutman métallique à arc focal f= R / 2 a été analysée, conçue, fabriquée et testée expérimentalement. En outre, un GRIN Gutman lentille tout en métal plus compact avec un arc focal plus petit égal à f = R/2. 85 a été conçu. Les deux lentilles, tout métal Gutman fonctionnent en bande Ku et ont été comparés avec l’antenne à lentille GRIN Luneburg métallique. Ensuite, les lentilles diélectriques équivalentes, la lentille de Luneburg, la lentille Gutman avec un arc focal f = R / 2 et la lentille Gutman avec l'arc focal f = R / 2.85 ont été conçues en utilisant des couches diélectriques non dispersives. Une comparaison entre les antennes métallique et diélectriques a été présentée. La dernière partie de la thèse porte sur l'optimisation de l'antenne de lentille à ligne à retard continue métallique dans une technologie PPW. Une méthodologie de conception de la cavité transversale de la lentille a été proposée sur la base de l'inversion d'axe de l'ellipse avec une technique d'optimisation multi-objectif. L’antenne optimisée fournit un masque d'enveloppe isoflux et a un large champ de vision.

mots clés

• Gutmnan lens antenn
• Graded index
• Metasurfaces
• Unit-Cell
• Constellation missions

Résumé

The activities presented in this Ph. D thesis focus on the design of Quasi Optical Beam Forming (QOBF) antennas in a parallel plate waveguide (PPW) technology and find applications in satellite constellation missions. The antenna technology that has been investigated is the graded index Gutman lens antenna in a PPW technology. In the first part of the thesis the all-metal Gutman lens with focal arc f=R/2 has been analysed, designed, manufactured and experimentally tested. Besides, a more compact all-metal GRIN Gutman lens with smaller focal arc equal to f=R/2.85 has been designed. Both all-metal Gutman lenses operate at Ku-band and have been compared to the all-metal GRIN Luneburg lens. Next, the equivalent dielectric lenses, Luneburg lens, Gutman lens with focal arc f=R/2 and Gutman lens with focal arc f=R/2.85 have been designed using non-dispersive dielectric layers. A comparison between all-metal and dielectric lenses has been presented. The last part of the thesis focus on the optimization of the all-metal continuous delay line lens antenna in a PPW technology. A design methodology of the transversal ridge of the lens has been proposed based on the axis inversion of the ellipse together with a multiobjective optimization technique. The optimized lens antenna provides an isoflux envelope mask and has a wide field of view.