complexité réduits pour les antennes réseaux réflecteurs large bande

Pour les réseaux réfléchissants passifs : l'irrégularité de la géométrie de la cellule à la surface du réseau. Cette limitation est principalement liée au comportement en bande basse de la cellule unitaire qui compose le réseau.

Introduction

Présentation d’une antenne réseau réflecteur

En revanche, la surface plane des éléments rayonnants présente l'avantage de pouvoir être réalisée en technologie imprimée, ce qui réduit le poids et l'encombrement de l'antenne et offre la possibilité d'assurer la reconfiguration du diagramme de rayonnement avec un simple contrôle de la phase introduite par chaque cellule. Cependant, cette limitation est souvent surmontée en utilisant la technologie multicouche [7] au détriment de la simplicité de mise en œuvre.

Champ incident provenant de la source primaire

La source primaire permet aux éléments du réseau réflecteur d'être excités à distance sans avoir besoin d'un séparateur de puissance, comme dans le cas des antennes à réseau phasé, ce qui entraîne une réduction de la complexité de fabrication et des pertes (qui deviennent normalement plus importantes à mesure que la taille du réseau augmente). En conclusion, le déphasage entre les ondes incidentes illuminant les différentes cellules du réseau est dû à la différence ASn observée entre le chemin vers la cellule de référence et le chemin vers la cellule d'intérêt.

Phase introduite et rayonnement

En conclusion, le déphasage entre les ondes incidentes éclairant les différentes cellules du réseau est dû à la différence ΔSn observée entre le chemin vers la cellule de référence et le chemin vers la cellule considérée gt lt ; (1.5) Trois grands types de rayonnement sont généralement recherchés, le premier est le rayonnement dans l'axe de la grille appelé rayonnement transverse (cf. Le calcul détaillé de la phase introduite par chaque cellule en fonction du rayonnement souhaité est présenté en annexe 1.

La cellule déphaseuse

Calcul de la phase introduite
Les réponses d’une cellule
Dispersion fréquentielle et bande passante d’une cellule déphaseuse
Catégories de cellules déphaseuses

Il renseigne sur la variation de la phase fixée par la cellule en fonction de la fréquence. La bande passante d'une antenne réseau à réflecteur ainsi que les pertes associées dépendent donc de la cellule de déphasage qui forme le réseau et sont liées à la répartition de ses réponses en fréquence.

Fig. 1.5 : Antenne réseau réflecteur avec les paramètres « F » et « D » définissant sa géométrie

Historique sur les antennes réseaux réflecteurs

Solutions passives
a Cellules à base de patch de taille fixe
b Cellules à base de patch de taille variable
c Cellules à base de patch chargé par une fente
d Cellules en technologie multicouche
e Cellules simple couche à résonateurs multiples
f Cellules à taille réduite
Solutions reconfigurables
a Cellules à phase discrète
b Cellules à phase continue

Le contrôle de phase de l'onde réfléchie est effectué via un stub (ligne à retard) de longueur variable attaché au patch [18]-[20]. Changer la capacité de la diode permet de changer la fréquence de résonance du patch et la phase de l'onde réfléchie.

Fig. 1.11 : Une première antenne réseau réflecteur à base de guides d’onde métalliques

Conclusion

Introduction

La problématique

Puis la taille de l'anneau est progressivement augmentée jusqu'à ce qu'elle atteigne sa taille maximale avant qu'elle ne disparaisse pour revenir à l'état initial de la seule lacune annulaire (cf. Dans une première phase (1ère ligne de la Fig. 2.3), le cycle consiste en la croissance de la taille d'un patch carré jusqu'à ce qu'il recouvre toute la surface de la cellule.

Fig. 2.1 : Evolution du cycle géométrique d’une cellule simple patch et transition à la surface d’un réseau

Présentation du cycle proposé

A l'inverse, l'ouverture carrée entourée par la grille métallique se comporte comme un résonateur LC parallèle [69] avec une phase de 0° à la résonance (cf. On bénéficie donc bien sûr de la variation douce de phase avec la fréquence.

Fig. 2.5 : Cellule unitaire à base de croix de longueur L et de largeur w (a) puis d’une grille métallique de largeur w (b)

Exploration des capacités de la cellule

Cette limitation de la plage de phase est due à l'effet inductif insuffisant du treillis métallique pour fournir une plage complémentaire de 180°, comme on le verra plus loin.

Schéma électrique équivalent et optimisation

Les valeurs de l'inductance L et de la capacité C pour les circuits LC (série et parallèle) de la fig. 2.11 : Valeurs de la capacité C et de l'inductance L pour la jonction (a) et pour l'ouverture carrée (b), pour différentes valeurs de Lc.

Fig. 2.9 : Schéma électrique équivalent de la cellule proposée.

Effet de la taille de la cellule sur la gamme de phases et la dispersion fréquentielle

2.14 : Distribution fréquentielle des réponses de phase en fonction de la phase assurée par la cellule pour différentes valeurs de Lc. 2.15 : Plage de phases assurée par le cycle proposé à la fréquence centrale f0=12,5 GHz pour différentes valeurs de la taille Lc de la cellule.

Fig. 2.13 : Dispersion fréquentielle des réponses en phase en fonction de w : pour la croix (a) et pour l’ouverture carrée (b), pour différentes valeurs de Lc

Cycle géométrique évolué pour un cycle de phase complet

Performances initiales
Cycle évolué
a Grille à méandres
b Interprétation du comportement obtenu
Comportement de la cellule sous incidence oblique

2.22 : Réponses en fréquence d'une grille métallique sans méandres et à méandres horizontaux de longueur variable l, pour un champ électrique polarisé verticalement. 2.28 : Réponses en fréquence en polarisation TM (selon x) pour θ=30° : (a) augmentation de la taille de la croix, (b) rétrécissement de la largeur de la grille, (c).

Fig. 2.16 : Réponses fréquentielles de la cellule en fonction de w, pour Lc=8mm, ε r =2,17 et h=3,175mm

Interprétation des résonances parasites

Les tailles sont choisies pour que, en temps normal, ces trois cellules, à quelques degrés près, aient la même réponse en fréquence le long de la bande considérée (cf. En réduisant la taille du maillage, pour n = 2,4, la résonance de fréquence la plus élevée est déplacée vers l'extérieur de la bande considérée, et la résonance la plus faible, initialement trouvée après 1 poussée 61 GHz.

Fig. 2.31 : Réponses fréquentielles quasiment identiques pour trois cellules de tailles différentes

Conclusion

En plus de la variation douce de la phase à la surface du réseau, les résonances inattendues des anomalies de Wood, qui se produisent souvent sous incidence oblique, sont retardées et décalées en dehors de la bande de fréquence utilisable, assurant ainsi un comportement large bande de l'antenne. Malheureusement, la réduction de la taille de maille n'est pas forcément compatible avec les cellules reconfigurables, notamment celles qui nécessitent l'introduction de plusieurs composants pour contrôler la phase de l'onde réfléchie, du fait de la surface occupée par ces composants à l'intérieur de la cellule.

Introduction

Topologie de la cellule et technologie utilisée

Ces éléments doivent être remplacés par des commutateurs MEMS dans une implémentation de cellule réelle. 3.2 : Réponses en fréquence de la cellule à doubles fentes concentriques chargées de capacités variant entre 10fF et 80fF [94].

Fig. 3.1 : Cellule à deux fentes concentriques, chargée par quatre capacités variables [94]

Analyse préalable du fonctionnement de la cellule

Par contre, au-dessus de la fréquence de résonance Ono de l'anneau métallique, le schéma électrique est celui de deux fentes concentriques (cf. 67p[uvr-, le résonateur série LeqC2 accepte un effet capacitif, on obtient donc un résonateur parallèle LCeq et la fente externe contribue au fonctionnement de la cellule.

Fig. 3.4 : Schéma électrique de la cellule : (a) schéma général, (b) schéma équivalent en dessous de la résonance de l’anneau, (c) schéma équivalent en dessus de la résonance de l’anneau

Optimisation des dimensions de la cellule

Etude en fonction de la taille Lp du patch
Etude en fonction de la position des connexions
Etude en fonction de la largeur W R de l’anneau métallique
Cellule optimisée

Figure 3.9 : Réponses en fréquence en fonction de la taille du patch Lp et de la largeur W1 et W2. Pour notre cellule, la variation de l'écart type de phase avec la fréquence de la Fig.

Fig. 3.6 : Quatre états assurés par la cellule en activant les MEMS deux à deux.

Exploration du fonctionnement de la cellule

Pour l'état « 01 », l'entrefer intérieur est court-circuité par le MEMS, et donc l'entrefer extérieur contribue principalement au fonctionnement de la cellule. A noter que l'entrefer de couplage charge la partie verticale de l'entrefer extérieur, ce qui perturbe la répartition du champ (le chemin résonant se referme partiellement dans l'entrefer intérieur).

Fig. 3.20 : Cartographies du champ électrique (à gauche HFSS, à droite simplifiée) pour les états : (a) « 00 » à 12,5GHz, (b) « 01 » à 11,5GHz, (c) « 10 » à 12,5GHz, (d) « 11 » à 13,5GHz

Investigation sur l’effet du multicouche et du circuit de commande des MEMS

3.22 : Cellule de pile de canaux : (a) vue de dessus, (b) vue 3D, (c) surfaces métalliques pour les capacités de filtrage. 3.23 : Performances d'une pile multicouche et directionnelle en fonction des états capacitifs du MEMS : (a) réponses en fréquence, (b) pertes.

Fig. 3.22 : Cellule avec l’empilement de routage : (a) vue de dessus, (b) vue en 3D, (c) surfaces métalliques pour les capacités de filtrage

Performances améliorées de la cellule

3.32 : Capacités de la cellule en fonction des valeurs des condensateurs C1 et C2 pour C3=10fF : (a) réponses en fréquence, (b) pertes. 3.33 : Ecart type de phase d'une cellule chargée du condensateur C3=10fF et de deux condensateurs variables C1 et C2.

Fig. 3.25 : Phase réfléchie à la fréquence centrale en fonction de la dispersion fréquentielle lorsque les capacités C 1 , C 2 et C 3 sont modifiées librement

Agencement de MEMS pour la synthèse des bonnes valeurs des capacités

3.36 : Capacités des cellules en fonction des valeurs de capacité C1 et C2 (C3=10fF) obtenues pour cet arrangement MEMS : (a) réponses en fréquence, (b) pertes. 3.39 : Performances des cellules à cinq états de phase obtenues pour cet arrangement MEMS : (a) réponses en fréquence, (b) pertes.

Fig. 3.35 : Variation de la phase réfléchie à 12GHz en fonction des valeurs des capacités C 1 et C 2 avec C 1 =C 2 et C 3 égale à 10fF

Comportement de la cellule sous incidence

3.42 : Performances de la cellule en polarisation TM (selon x) pour θ=15°, en fonction des valeurs des condensateurs C1 et C2 pour C3=10fF : (a) réponses en fréquence, (b) pertes. 3.46 : Performances de la cellule en polarisation TE (selon x) pour θ=30°, en fonction des valeurs des condensateurs C1 et C2 pour C3=10fF : (a) réponses en fréquence, (b) pertes.

Fig. 3.42 : Performances de la cellule en polarisation TM (suivant x) pour θ=15°, en fonction des valeurs des capacités C 1 et C 2 pour C 3 =10fF : (a) réponses fréquentielles, (b) pertes

Faisabilité d’une extension en double polarisation

3.49 : Phase réfléchie à la fréquence centrale en fonction de l'étalement de fréquence lorsque les condensateurs C1, C2 et C3 sont modifiés indépendamment. 3,50 : Phase réfléchie à la fréquence centrale en fonction de la dispersion de fréquence lorsque les condensateurs C1 et C2 sont changés indépendamment et que C3 est égal à : (a) 1pF, (b) 10fF.

Conclusion

Les simulations ont montré que le premier mode de fonctionnement génère des changements importants dans le comportement de la cellule, des résonances d'ordre supérieur, préjudiciables au rayonnement, apparaissent alors. Puis l'étude du comportement de la cellule sous incidence oblique a montré qu'elle était adaptée pour travailler en polarisation TE.

Introduction

Cellule à simple polarisation linéaire

Optimisation des dimensions de la cellule
Comportement de la cellule sous incidence
Performances dans un guide d’onde métallique
Cellule re-dimensionnée dans le guide
Validation expérimentale
a Dispositif de mesure
b Résultats de mesure

4.12 : Performances des cellules dans un guide d'ondes métallique : (a) réponses en fréquence, (b) écart-type de phase. 4.19 : Performances des cellules guides : (a) comparaison entre les réponses en fréquence simulées et mesurées, (b) les pertes mesurées.

Fig 4.1 : Topologie de la cellule proposée en simple polarisation linéaire.

Cellule à double polarisation linéaire

Performances de la cellule dans le guide métallique
Validation expérimentale

La variation de l'écart type de phase en fonction de la fréquence, illustrée à la Fig. Le changement de la longueur des condensateurs variables dans les fentes horizontales permet de contrôler la phase en fonction de cette polarisation.

Fig. 4.21 : Principe de l’extension de la cellule triple fentes de la simple polarisation linéaire à la double polarisation linéaire

Conclusion

Introduction

Cellule proposée et performances sous incidence normale

Optimisation des dimensions de la cellule
Cellule optimisée à capacités interdigitées
Indépendance du contrôle de la phase entre les deux polarisations
Intérêt des fentes sur les tranches verticales de la puce de silice

5.8 : Performances de la cellule avec des capacités interdigitées, sous incidence normale et pour une polarisation selon l'axe des abscisses : (a) réponses en fréquence, (b) pertes. Figure 5.9 : Écart-type de phase de la cellule optimisée, sous incidence normale, pour la polarisation selon l'axe des abscisses.

Cellule placée dans un guide d’onde métallique

5.15 : Réponses en fréquence des différents états de la cellule dans le guide, pour la polarisation selon l'axe des abscisses. 5.17 : Pertes des différents états cellulaires dans le guide, pour la polarisation selon l'axe des abscisses.

Validation expérimentale

5.20 : Pertes mesurées, pour une polarisation selon l'axe des abscisses, quelle que soit la configuration de polarisation orthogonale. 5.23 : Ecart type de la phase mesurée, pour la polarisation selon l'axe des abscisses, quelle que soit la configuration de polarisation orthogonale.

Comportement de la cellule sous incidence oblique

5.26 : Déphasage standard de la cellule, pour un angle d'incidence θ = 30° en polarisation TE selon l'axe des abscisses. 5.32 : Amplitude de réflexion en polarisation transversale de la cellule, éclairée avec un angle d'incidence (θ=20°, φ=30°).

Extension de la cellule proposée en actif

5.34 : Performances de la cellule active à base de diodes varicap, pour une polarisation selon l'axe des abscisses : (a) réponse en fréquence, (b) perte. 5.35 : Ecart type de phase de la cellule reconfigurable à base de diodes varicap, pour la polarisation selon l'axe des abscisses.

Conclusion

Cette dernière cellule est calquée sur la précédente cellule à double polarisation linéaire et fonctionne dans la bande Ku. Une possibilité immédiate serait la réalisation d'un démonstrateur d'antenne basé sur la cellule passive proposée au chapitre 2.

Rayonnement transversal

Rayonnement dépointé

Dans le cas le plus courant d'un désalignement selon θ et φ, deux déphasages doivent être pris en compte : un premier, noté αx, doit être appliqué entre deux cellules consécutives selon l'axe des abscisses de la grille, un second, noté αy, doit être appliqué entre deux cellules consécutives selon l'axe des ordonnées de la grille, avec

Rayonnement à lobe formé

Pour cette technique, contrairement à la technique classique d'optimisation dite "phase-only", les paramètres géométriques des éléments du réseau sont directement optimisés pour répondre aux besoins. Zornoza, «Réflecteurs imprimés à trois couches pour les applications spatiales à faisceau profilé», Transactions IEEE sur les antennes et la propagation, vol.

A2.3 : Performances selon "X" de la cellule réoptimisée, dans un réseau sous incidence normale, en fonction de la longueur L2 : (a) réponses en fréquence, (b) pertes. A2.5 : Ecart type de la phase, selon "X", de la cellule réoptimisée placée sur un réseau d'incidence normale.

3.50 : Phase de réflexion à fréquence centrale en fonction de la dispersion de fréquence lorsque les condensateurs C1 et C2 sont modifiés indépendamment et que C3 est égal à : (a) 1pF, (b) 10fF………91 Figure 4.1 : Topologie de la cellule proposée en simple polarisation linéaire………94 Fig. 5.9 : Ecart type de la phase de la cellule optimisée, à incidence normale, pour la polarisation selon l'axe des abscisses………..121.