La complexité des architectures RF des charges utiles de satellite entraine l’utilisation de structures parallèles afin de transporter et amplifier les signaux. Cela nécessite l’utilisation de déphaseurs afin de pouvoir contrôler le comportement du signal sur chacune des voies et faire une recombinaison sans perte des signaux. Ces déphaseurs sont constitués d’une ligne de transmission uniforme servant de référence pour le déphasage et d’une ligne ajustée afin de pouvoir contrôler le déphasage avec la première ligne. Le déphasage peut être obtenu par l’ajustement de la longueur de la ligne, ou bien par le rajout de lignes couplées ou de stubs, ce qui permet de rajouter des degrés de liberté pour ce contrôle.
Les métamatériaux, des structures composées de plusieurs éléments très petits devant la longueur d’onde et qui ont pour particularité d’avoir des propriétés qui ne se retrouvent pas dans la nature, pourraient permettre la maîtrise de la phase du signal avec plus de degrés de liberté. Il existe des structures à métamatériaux utilisées à ce but, et notamment en lignes de transmissions des structures telles que les lignes composites. Cependant un cas particulier de ligne, la ligne équilibrée est nécessaire pour concevoir des déphaseurs.
L’objectif de la thèse est de concevoir des déphaseurs à métamatériaux exploitant au maximum leurs degrés de liberté, c’est-à-dire sans se restreindre aux cas des lignes équilibrées. Pour cela, nous avons mis en œuvre une méthode de conception dédiée permettant d’obtenir à partir du cahier des charges d’un déphaseur des solutions aux performances suffisantes à leur intégration dans des systèmes industriels très contraints.
Nous avons construit cette méthode en trois étapes. La première étape consiste à obtenir les paramètres du circuit équivalent de plusieurs solutions de ligne équilibrée et non-équilibrées à partir d’une contrainte en phase à l’aide de calculs analytiques. Lors de la deuxième étape, les circuits équivalents des différentes solutions sont convertis en lignes 3D composées d’éléments équivalents aux éléments électriques du circuit. Dans la troisième étape, une optimisation est effectuée en menant une étude paramétrique autour des solutions initiales de lignes 3D obtenues précédemment.
Nous avons appliqué cette méthode à un cas de déphaseur 180° de largeur de bande 20% en bande C [4.95GHz -6.05GHz]. Cette application nous a permis de démontrer la rapidité d’exécution de la méthode ainsi que la possibilité d’obtenir des performances satisfaisant un cahier des charges correspondant à des contraintes industrielles. Nous avons en particulier fabriqué un déphaseur avec une erreur de déphasage inférieure à 9° sur toute la bande, avec une adaptation (S11) inférieure à -14dB et des pertes d’insertions de 1dB, et une compacité de 0.3λgx0.1λg.
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In complex communication systems as RF payload, parallel structures are used to carry and amplify received signal. In order to control single on each channel of the structure and minimize losses in signal recombination, differential phase shifters are used. The DPS is generally composed of a uniform transmission line (TL) used as a reference for the phase shift, and another TL adjusted to get the targeted phase shift. This phase shift can be obtained through line length adjustment, or by integrating elements such as coupled lines or stubs, thus inducing more degrees of freedom for this phase shift.
Metamaterials, which are known as structures composed of several small elements, with unique properties, could enable phase shift control with more degrees of freedom. To this end, metamaterials such as composite lines have already been investigated. However they exploit a particular case of metamaterial, the balanced line, to design phase shifters.
These thesis aims at designing metamaterial phase shifters by exploiting as much as possible their degrees of freedom, namely without limiting the phase shift design to balanced lines. For this purpose, we have implemented a dedicated design method to obtain from phase shifter specifications solutions with adequate performances for integration on very constrained industrial systems.
This method is developed in three steps. The first step is to get, from phase shift specifications, equivalent circuit parameters of several solutions of balanced and unbalanced lines. The second step as for aim to convert the equivalent circuit of each line in a 3D geometry. In the third step, an optimization is carried out by conducting a parametric study around the initial solutions of 3D lines obtained previously.
This method has been applied to a case of 180 ° phase shifter with a 20% bandwidth in C band [4.95GHz -6.05GHz]. This application allowed us to demonstrate the speed of execution of the method as well as the possibility of obtaining solutions with performances adequate for industrial constraints. In particular, we have manufactured a phase shifter with a phase shift error of less than 9 ° over the entire band, with an adaptation (S11) of less than -14dB and insertional loss of 1dB, and a compactness of 0.3λgx0.1λg. |