Validation expérimentale

Dans un premier temps, nous avons cherché à valider ce concept sur les réflecteurs de Fresnel décrit au chapitre 1 afin d'améliorer le niveau des lobes secondaires dans la perspective de réaliser, à terme, des antenne à balayage. Pour cela nous avons tout d'abord conçu et réalisé un cornet circulaire dont le diagramme se superpose à la fonction prolate dans le lobe principal comme indiqué en figure 2.18.a. La figure 2.18.b représente la géométrie et les performances de la source dans toute la bande W. L'avantage du cornet prolate est sa simplicité puisqu'il ne possède que trois corrugations pour une bonne stabilité en réflexion, ainsi que sa petite ouverture (9mm). Cependant, la variation de l'ouverture à -3 dB est assez importante, en partie à cause de la dépendance fréquentielle des corrugations. Ces dernières servent à corriger le mode dominant TE11 du guide en ajoutant le mode d'ordre supérieur TM11 afin de créer un champ électrique à polarisation bien linéaire semblable à celui des guides rectangulaires [33-34]. Le cornet est optimisé autour de la fréquence de 94 GHz.

(a) -diagrammes dans le plan E à 94 GHz -Comparaison avec la fonction prolate

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

angle (degrés)

efficacité (%)

eff_cosinus^5 eff_prolate eff_cosinus^38

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

angle (degrés)

amplitude relative (dB)

prolate (dB) cos^19 cos^2,5

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

angle (degrés)

amplitude realative (dB)

source prolate fonction prolate

(b) - caractéristiques de la source prolate -simulations entre 75GHz et 111GHz

Figure 2.18: source prolate, f/D=0,5

La figure 2.19.a représente la comparaison des mesures avec le réflecteur de Fresnel hybride illuminé successivement par le cornet prolate et le guide standard ouvert. Conformément aux simulations, les lobes secondaires sont abaissés et le lobe principal élargi. Le cornet prolate possède une bride de 21 mm de diamètre, nécessaire à sa connexion, située « derrière » son ouverture. Cette dernière augmente le masquage. Notre technologie de fabrication ne nous permet pas de couder le guide circulaire de sortie du cornet pour décaler la bride afin de réduire le masquage qu'elle occasionne. C'est pourquoi nous choisissons un guide ouvert WR-10 standard non coudé dont la bride est aussi derrière l'ouverture du guide. La mesure du plan E avec le guide ouvert est différente de celle obtenue au chapitre 1 en raison du masquage de la bride. Ce dernier dégrade d'ailleurs les performances du réflecteur avec la source prolate, comme le confirment les simulations de la figure 2.19.b. La loi d'illumination utilisée en simulations est le fichier de points correspondant au diagramme de rayonnement mesuré du cornet prolate.

(a) plan E – mesure à 94 GHz (b) influence du masquage ')( simulation)

Fig. 2.19: réflecteur de Fresnel hybride alimenté par une source prolate

-50 -40 -30 -20 -10 0

-30 -20 -10 0 10 20 30

angle (degrés)

amplitude relative (dB)

cornet prolate guide ouvert

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0

-30 -20 -10 0 10 20 30

angle (degrés)

Gain (dB)

source prolate_masquage 21mm source prolate

Afin de pallier au masquage et de mettre en évidence l'amélioration apportée par des sources primaires dont le diagramme correspond à une fonction prolate spheroidal, nous étudions une antenne à lentille.

5.3.2. Lentilles diélectriques

La lentille, à profil hyperbolique, est conçue au laboratoire et réalisée en PVC à l'Université d'Ulm. Son diamètre est de 200 mm. Nous avons choisi de travailler à focale relativement longue, f/D=1, car cela limite la quantité de matériau utilisé, donc les pertes mais aussi la courbure de la lentille. Cet aspect est important car il assure un meilleur état de surface.

Les simulations de ces structures posent moins de problèmes que celles des réseaux réflecteurs et peuvent être conduites à l'aide de plusieurs approches dont celles qui reposent sur l'optique physique [35-36] ou sur l'optique physique rapide [37], sur les logiciels de simulation électromagnétique rigoureuse comme HFSS ou encore SRSRD [21] que nous choisissons pour effectuer ces simulations. Ce dernier est fondé sur la formulation des équations intégrales des courants à une dimension, résolue numériquement par la Méthode des Moments utilisant des fonctions de base sinusoïdales. Il est conçu pour les dispositifs à symétrie de révolution ce qui le rend très performant aussi bien en temps de simulation qu'en termes de résultats.

Le changement du rapport f/D, nécessite l'optimisation d'un second cornet dont les performances sont données en figure 2.20. Le rapport f/D=1 correspond à un demi-angle d'ouverture de 27°, ce qui explique l'arrêt de la fonction prolate pour cette valeur.

(a) - cornet équivalent à la fonction prolate (b) -mesures à 94 GHz

-50 -40 -30 -20 -10 0

0 5 10 15 20 25 30

angle (degrés)

amplitude relative (dB)

cornet prolate - plan E prolate

-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

-90 -60 -30 0 30 60 90

angle (degrés)

amplitude relative (dB)

plan E - mesures plan H - mesures plan E - simulations plan H - simulations

Caractéristiques de la source prolate -simulations entre 75 GHz et 111 GHz

Fig. 2.20: source prolate, f/D=1

Les résultats de mesure, reportés en figure 2.21.a, concordent avec les simulations, figure 2.21.b, qui indiquent une amélioration de 16 dB des lobes secondaires. D'autre part, le bruit

«hors lobe principal» est réduit d'environ 10 dB. Le gain en simulation est supérieur de 3,5 dB avec un guide ouvert. Cet écart n'est pas aussi important en mesure, probablement à cause des pertes dans le diélectrique. Le gain mesuré avec la source prolate est de 39,4 dBi alors que la directivité calculée par l'intégration du diagramme est de 42,7 dBi. Les pertes sont ainsi estimées à 3 dB.

(a) - plan E, mesure à 94 GHz (b) - influence du masquage(simulations)

Fig. 2.21: lentille à profil hyperbolique associé à une source prolate

L'ensemble de cette étude a mis en évidence les bénéfices d'une source prolate. Plusieurs sources ont été réalisés en tenant compte des critères de compacité et de simplicité de fabrication.

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0

-30 -20 -10 0 10 20 30

angle (degrés)

amplitude relative (dB)

guide ouvert cornet prolate

16 dB

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0

-30 -20 -10 0 10 20 30

angle (degrés)

amplitude relative (dB) guide ouvert

cornet prolate 16 db

Gain: 39.5 dB Gain: 43 dB

6. Lentilles millimétriques large bande