L’objectif de ces travaux de thèse est de proposer des solutions technologiques innovantes pour améliorer les antennes de type réseau transmetteur, aussi appelées transmit-array, en bande X en les rendant plus compacts en optimisant notamment la source primaire utilisée. Les transmit-array permettent un pointage rapide et précis des faisceaux, ce qui est recherché dans le spatial. Cependant, leur simulation est longue du fait du grand nombre de cellules, c'est pourquoi la 1ère partie de cette thèse a été consacrée à la réalisation d'un outil hybride permettant de simuler rapidement les performances d'un transmit-array. Les besoins de ce simulateur sont peu contraignants, il suffit de lui fournir les diagrammes de gain et de directivité d'une cellule élémentaire et d’une la source primaire obtenus à l'aide d'un logiciel de simulation électromagnétique. A partir de ces données et de la direction souhaitée du lobe principal du réseau, le simulateur calcule la loi de phase et les principales caractéristiques de l'antenne en quelques minutes seulement. Une fois cet outil validé, nous avons conçu à l'aide du logiciel CST une nouvelle cellule unitaire 3 couches en bande X en polarisation linéaire. La cellule est composée de 2 patchs identiques reliés par un via métallique placé au centre de la cellule. La rotation du patch supérieur permet de créer un déphasage sur le coefficient de transmission et ainsi d’obtenir la loi de phase voulue. L'optimisation a permis d'obtenir une bande passante de près de 900MHz autour de 10GHz, soit environ 9%. Notre simulateur hybride a ensuite été utilisé pour définir la loi de phase sur un réseau carré de 400 cellules avec 2 états de phase (90° ou 270°). Le rapport focal est de 0,75, soit une distance de 225mm séparant la source (cornet 15 dBi) du réseau. Les résultats obtenus ont été comparés à des résultats full-wave et le système a été validé avec un gain simulé de 21,8dB pour le simulateur contre 20,81dB pour la méthode full-wave. Une 1ère réalisation a ainsi été lancée et les résultats montrent, pour la cellule, un gain de 4,8dBi et une bande passante de 800MHz à 10GHz. Les mesures du transmit-array ont montré de bons résultats avec des performances prometteuses en termes de gain (21,01dBi) et de niveaux de lobes secondaires (environ -20,9dB). Le reste de la thèse a été consacré à l'amélioration de la source primaire pour rendre le système plus compact. Une nouvelle source a ainsi été conçue dans le cadre d'un stage de Master que j'ai encadré. Cette source est très prometteuse car elle permet de se rapprocher du réseau en réduisant la distance focale d'un facteur deux. Désormais, le réseau sera situé à une distance de 112,5mm tout en conservant de bonnes performances. Ce réseau et sa source ont ainsi été réalisés. La mesure de la source montre une allure similaire aux simulations avec toutefois un offset de 2dB sur le gain, qui est en cours d’analyse. Une fois associée au réseau, le diagramme de rayonnement est aussi impacté par un décalage tout en ayant un aspect très similaire aux simulations, prouvant le bon fonctionnement du réseau. La résolution du problème de la source nous permettra donc d'obtenir les mêmes résultats en simulation et en mesure. Une nouvelle cellule dépolarisante a ensuite été conçue. La simulation montre une grande pureté de polarisation circulaire avec un gain total de 6,1dB et une bande passante de 700MHz à 10GHz. Deux réseaux de 400 cellules ont ainsi été conçus. Le 1er est associé au cornet avec une focale toujours de 225mm. Le 2nd est associé à la nouvelle source et, grâce à une nouvelle loi de phase, sera placé à 75mm de la source, soit un rapport focal de 0,25. La fabrication de ces prototypes est actuellement en cours. Les procédés de mesure étant désormais bien connus, la validation expérimentale sera effectuée rapidement et permettra de vérifier les performances de ces nouveaux prototypes en termes notamment de gain et de pureté de la polarisation circulaire. |
The objective of this thesis work is to propose innovative technological solutions to improve transmit-array in X-band by making them more compact by optimizing in particular the primary source used. Transmit-arrays allow rapid and precise pointing of beams, which is sought after in space. However, their simulation is long due to the large number of cells, which is why the 1st part of this thesis was devoted to the realization of a hybrid tool allowing to quickly simulating the performances of a transmit-array. The needs of this simulator are not very restrictive, it suffices to provide it with the gain and directivity diagrams of an elementary cell and of a primary source obtained using electromagnetic simulation software. From this data and the desired direction of the main lobe of the array, the simulator calculates the phase law and the main characteristics of the antenna in just a few minutes. Once this tool was validated, we designed using CST software a new 3-layer unit-cell in X-band with linear polarization. The cell is made up of 2 identical patches connected by a metal via placed in the center of the cell. The rotation of the upper patch allows to create a phase shift on the transmission coefficient and thus to obtain the desired phase law. The optimization made it possible to obtain a bandwidth of nearly 900MHz around 10GHz, so about 9%. Our hybrid simulator was then used to define the phase law on a square array of 400 cells with 2 phase states (90 ° or 270 °). The focal ratio is 0.75, ie a distance of 225mm separating the source (15 dBi horn) from the array. The results obtained were compared with full-wave results and the system was validated with a simulated gain of 21.8dB for the simulator against 20.81dB for the full-wave method. A first realization was thus launched and the results show, for the cell, a gain of 4.8dBi and a bandwidth of 800MHz to 10GHz. Transmit-array measurements showed good results with promising performance in terms of gain (21.01dBi) and sidelobe levels (around -20.9dB). The rest of the thesis was devoted to improving the primary source to make the system more compact. A new source was thus designed as part of a Master's internship that I supervised. This source is very promising because it makes it possible to get closer to the array by reducing the focal length by a factor of two. From now on, the array will be located at a distance of 112.5mm while maintaining good performance. This array and its source have thus been created. The source measurement shows a similar pace to the simulations with, however, an offset of 2dB on the gain, which is currently being analyzed. Once associated with the array, the radiation pattern is also impacted by an offset while having an appearance very similar to the simulations, proving the correct functioning of the array. Solving the source problem will therefore allow us to obtain the same results in simulation and in measurement. A new depolarizing cell was then designed. The simulation shows a high purity of circular polarization with a total gain of 6.1dB and a bandwidth of 700MHz to 10GHz. Two arrays of 400 cells were thus designed. The 1st is associated with the horn with a focal length still of 225mm. The 2nd is associated with the new source and, thanks to a new phase law, will be placed at 75mm from the source, i.e. a focal ratio of 0.25. The production of these prototypes is currently underway. As the measurement methods are now well known, the experimental validation will be carried out quickly and will make it possible to verify the performance of these new prototypes in terms in particular of gain and purity of the circular polarization. |