Suppression des directions aveugles d’une antenne réseau grâce aux métamatériaux

18/01/2016
Publication REE REE 2015-5
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2015-5:14956
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Suppression des directions aveugles d’une antenne réseau grâce aux métamatériaux

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REE N°5/2015 83 RADARS À ANTENNES ÉLECTRONIQUES RADAR 2014 Suppression des directions aveugles d’une antenne réseau grâce aux métamatériaux Par Thomas Crepin1 , Cedric Martel1 , Benjamin Gabard1 , Fabrice Boust1 , Jean-Paul Martinaud2 , Thierry Dousset2 , Pablo Rodriguez-Ulibarri3 , Miguel Beruete3 , Claudius Loecker4 , Thomas Bertuch4 , Jose Antonio Marcotegui5 , Stefano Maci6 Onera, France1 , Thales Systemes Aeroportes, France2 , Universite De Navarre, Pampelune, Espagne3 , Fraunhofer Hfr, Wachtberg, Allemagne4 , Tafco Metawireless, Noain, Espagne5 , Universite De Sienne, Italie6 In this work, a metaradome based on a fakir’s bed of nails has been designed and tested in order to suppress the blind directions of a 100-element antenna array. The antenna is a microstrip array designed to operate in X-band. The fakir’s bed metamaterial-like was first approximated using analytical formulas before a full-wave numerical optimization. Experimental results are presented and confronted to numerical results. They show a significant reduction of the blind spot subsequent to the metaradome addition. ABSTRACT Introduction Les directions aveugles sont des phé- nomènes bien connus dans les antennes réseau. Le phénomène physique res- ponsable de cet effet est une interaction entre les modes de Bloch du réseau et les ondes de surface (ou de fuite). Cela se traduit par un creux prononcé dans le diagramme de gain (figure 1) pour un angle proche de celui du lobe de réseau. Simultanément, apparaît une forte désa- daptation d’impédance aux ports de l’an- tenne, rendant impossible l’émission et la réception de signaux dans cette plage an- gulaire. Les conditions de résonance ont été étudiées par de nombreux auteurs [1, 2]. A noter que ce phénomène est à rap- procher [3] des anomalies de Wood bien connues des opticiens. Ces travaux sont issus du projet METALESA, soutenu par l’EDA dans le but de développer les applications des métamatériaux pour les antennes actives (AESA). Une tâche de ce projet était consacrée à la réduction des directions aveugles et aux désadaptions d’impé- dance à fort dépointage. De fait, deux voies ont été étudiées : BIE (Bande Interdite Electromagnétique), entre les cellules du réseau pour interdire ou bloquer la propagation des ondes de surface (OS) ; - tation d’impédance aux grands angles d’incidence, l’ajout d’un métaradome dont les motifs recouvrent l’intégralité du réseau [4]. Seule la première approche est ici exposée. Une première partie présente la configuration étudiée et expose la pro- blématique des directions aveugles. La deuxième partie est consacrée au di- mensionnement et à l’optimisation de la structure empêchant la propagation des OS. Les résultats expérimentaux et leur dis- cussion font l’objet de la troisième partie. Directions aveugles Le réseau antennaire est un réseau à maille carrée de période 19 mm soit 0,63 au centre de la bande. Cette dimension est imposée par la taille des modules T/R. Chaque élément rayonnant est constitué d’une cavité incluant deux patchs métalliques. Le patch inférieur est relié à un connecteur coaxial tandis que le patch supérieur est purement passif. Figure 1 : Diagramme de rayonnement d’un élément pour un réseau infini (orange), pour une ligne de 20 éléments (élément n°10, en vert) et pour un réseau de 5x20 éléments (élément n°50) en bleu (simulations réalisées avec le logiciel Antenna Design développé par Thales Systèmes Aéroportés). RADARS À ANTENNES ÉLECTRONIQUESRADAR 2014 84 REE N°5/2015 Deux types de simulations fullwave ont été réalisées : des calculs considé- rant un seul élément assorti de condi- tions de périodicité simulant ainsi un réseau infini et des simulations considé- rant n lignes de 20 éléments. Tout d’abord, nous constatons que le réseau doit être au moins constitué de cinq lignes pour que le phénomène soit visible (figure 1). Les simulations à 10 GHz font apparaître un angle de dépoin- tage aveugle proche de 34,5° dans le plan E. Dans ce cas, les vecteurs de Poynting à proximité de l’antenne sont parallèles à l’axe x. La cartographie des champs présente alors toutes les caractéristiques d’une onde de surface de type TM. En s’éloignant du réseau, l’amplitude de l’onde de surface décroît et la direction de propagation tend à s’approcher de la direction de rayonnement souhaitée. La figure 2 montre le coefficient de réflexion calculé au niveau du port de l’antenne (S11) et l’énergie rayon- née par les modes 0 et -1 du réseau (simulation du réseau infini obtenu grâce à COMSOL Multiphysics®). Le phénomène de direction aveugle se traduit par un coefficient S11 qui tend vers 0 dB tandis que le mode principal (mode 0) décroît fortement. Juste après, le premier lobe de réseau (ordre -1) apparaît. Au cours de l’étude nous nous sommes attachés à limiter l’apparition des ondes de surface TM dans la bande 9-11 GHz. Néanmoins, deux objectifs secondaires ont été ajoutés : de l’antenne pour des fréquences ou des angles éloignés des directions aveugles ; après l’ajout du métamatériau. Design du metaradome Première approche du tapis de fakir De nombreux métamatériaux et BIE sont capables d’empêcher la propagation des OS. De nombreux exemples sont basés sur des résonateurs en anneaux fendus (SRR) ou dérivés des surfaces à haute impédance (HIS). Ces technologies ont été utilisées avec succès pour réduire les couplages entre antennes imprimées ou entre ouvertures rayonnantes. Dans le cas présent, la forte contrainte sur la largeur de bande nous oriente vers des métamatériaux conduisant à des bandes interdites plutôt qu’à des struc- tures engendrant un pic d’impédance (ex. HIS). Toutefois, pour obtenir les per- formances souhaitées, les deux effets ont dû être combinés. En fait, les contraintes d’encombrement ont été déterminantes pour le choix de la technologie. En effet, la période de 19 mm et la taille de la cavité de chaque élément rayonnant ne laisse que 7 mm d’espace libre pour le matériau artificiel. C’est une des princi- pales raisons qui nous a amené à sélec- tionner un tapis de fakir [5]. Par ailleurs, ce métamatériau est compatible avec l’architecture de l’antenne. Il est consti- tué d’un réseau d’aiguilles métalliques (orientées selon z) interconnectées par l’intermédiaire d’un plan métallique. Un modèle d’homogénéisation a été pro- posé dans la littérature [6, 7]. Il permet de déterminer les caractéristiques des modes attachés à cette surface et fournit une relation décrivant l’évolution du vec- teur d’onde kx dans le plan en fonction des grandeurs géométriques. Ce modèle donne ainsi deux indications utiles à l’op- timisation du métaradome (figure 3) : détermine la fréquence de coupure ( ) ; kx fréquences proches de la fréquence de coupure, il faut chercher à maximiser la fréquenceplasma.Celle-ciestdéfiniepar [8] où r est le rayon des aiguilles et a l’espacement. Figure 2 : S11 (pertes par réflexion au port d’alimentation) d’un réseau infini ; énergie portée par le lobe principal (ordre 0) et le premier mode diffracté (mode -1). f = 10 GHz. Figure 3 : Evolution de la composante selon x du vecteur d’onde de l’OS TM se propageant sur le tapis de fakir pour L = 4,75 mm, a = 2,38 mm et r = 0,2 mm. REE N°5/2015 85 Suppression des directions aveugles d’une antenne réseau grâce aux métamatériaux Optimisation du métamatériau La figure 4 montre la cellule du mé- taradome optimisée à l’aide du logiciel commercial ANSYS HFSS®. Le métama- tériau est constitué d’une double rangée de tiges métalliques parallèles à l’axe x pour empêcher la propagation des ondes selon l’axe y. La géométrie a été opti- misée pour réduire l’effet de direction aveugle tout en maintenant un niveau d’adaptation d’impédance acceptable sur toute la bande de fréquence visée. Le ré- sultat final résulte aussi d’un compromis dicté par les contraintes de fabrication. La longueur des aiguilles et leur rayon sont respectivement L = 4,75 mm et r = 0,2 mm. Pour atteindre une fré- quence plasma fp de 30 GHz, la distance entre les tiges a été fixée à a = 2,38 mm. Par conséquent, la fréquence de coupure est d’environ 10,6 GHz. De fait, le blocage des ondes de surface résulte autant d’une résonance de l’impédance que d’un effet de bande interdite. Pour faciliter l’adaptation d’impédance sur une large bande de fréquence, nous avons choisi des substrats de basse permittivité ( r = 2,2). De plus, toujours pour amé- liorer l’adaptation, un superstrat supplé- mentaire a été ajouté sur le multicouche (de 1,57 mm d’épaisseur). Les améliorations attendues sont il- lustrées par la figure 5 qui est à compa- rer à la figure 3. Elle montre d’une part la suppression de la remontée à 0 dB du coefficient S11 et un ralentissement de la montée en puissance du lobe de réseau. Résultats expérimentaux Les antennes à 100 éléments, avec et sans métaradome, ont été mesurées dans une chambre anéchoïque. Chaque élément rayonnant a été caractérisé entre 9 et 11 GHz. Les diagrammes de rayonnement de l’antenne sont obtenus dans une seconde étape en sommant les signaux mesurés pour chacun des élé- ments. Chaque mesure est effectuée en connectant à l’analyseur de réseau l’élé- ment à caractériser, tous les autres étant chargés par 50 . La figure 6 montre les diagrammes de rayonnement de l’élément central. En l’absence de métaradome, la direction aveugle est clairement matérialisée par deux lignes de faible gain, symétriques par rapport à l’axe thêta = 0°. Après l’ajout du métaradome, les directions aveugles sont réduites de manière signifi- cative. En outre, le gain a été légèrement accru pour les fréquences au-dessus de 10 GHz. Les diagrammes de rayonnement de l’antenne, pour un dépointage donné, sont obtenus après sommation des 100 diagrammes unitaires, pondérés par le déphasage correspondant à la direction visée. La figure 7 montre une comparaison pour différents angles, à 10 GHz, entre les diagrammes obtenus avec et sans métaradome. Le métara- dome fait bien disparaître la direction Figure 4 : a) Cellule élémentaire du métaradome et de l’élément rayonnant. b) Détails de la structure du métaradome. a) b) Figure 5 : S11, lobe principal (ordre 0) et lobe de réseau (ordre -1) pour un réseau infini recouvert du métaradome. RADARS À ANTENNES ÉLECTRONIQUESRADAR 2014 86 REE N°5/2015 aveugle proche de 35°. Par ailleurs, le gain total mesuré a légèrement aug- menté (par exemple, à dépointage nul, il est de 23,8 dBi en présence de méta- radome pour 25,3 dBi sans). On note aussi que les gains des lobes de réseaux ont fortement diminué pour les dépoin- tages compris entre 35° et 40°. Conclusion Au cours de cette étude, un réseau de 5 x 20 éléments rayonnants en bande X (espacement de 0,63 ) a été fabriqué et caractérisé. Pour supprimer l’effet des directions aveugles, un méta- radome de type WAIM a été placé sur le réseau. Nous avons observé une réduction significative du phénomène. Le niveau des lobes de réseaux a sensiblement diminué (presque 10 dB pour des dé- pointages de 35 à 40°) et le gain a aug- menté de 1,5 dB (dans l’axe). Au final, l’antenne réseau est capable d’effectuer un balayage jusqu’à 55° de l’axe normal avec une bande passante de 1 GHz. Néanmoins, plusieurs points négatifs peuvent être mentionnés. Tout d’abord, le gain diminue aux fréquences infé- rieures à 10 GHz. En outre, une dégra- dation du diagramme de rayonnement dans le plan H a été observée pour cer- tains dépointages (mais ce problème n’a pas été approfondi lors de cette étude). Figure 6 : Diagramme de rayonnement (gain dans le plan E) de l’élément central environné (sans et avec le métaradome). Figure 7 : Diagramme de rayonnement du réseau à 10 GHz avec (lignes continues) et sans métaradome (pointillés). LES AUTEURS Les auteurs de l’article constituent l’équipe réunie à l’occasion du projet METALESA (METamaterials for Active ELEctronically Scanned Arrays) sur le poste visant à la ré- duction des directions aveugles et à l’amélioration des performances à fort dépointage. L’étude des aspects théoriques liés à l’apparition des ondes de surface a été conduite par les équipes des universités de Na- varre et de Sienne, les simulations numériques par celles de l’Onera et Thales Systèmes Aéroportés. La fabrication et la mesure des diffé- rents prototypes ont été réalisées par les équipes du Fraunhofer FHR et de l’Onera. La coordination des travaux a été assurée par Tafco Metawireless. REE N°5/2015 87 Suppression des directions aveugles d’une antenne réseau grâce aux métamatériaux Des améliorations pourraient être apportées en procédant à une optimi- sation combinée de l’élément rayonnant (taille du patch et dimensions de la cavi- té) et du métaradome. L’ajout de méta- matériaux dans le plan H pourrait aussi accroître les performances de l’antenne. D’ores et déjà, ces résultats sont in- téressants pour le développement des nouvelles générations de radars à an- tennes actives. Remerciements Ces travaux ont été financés par l’Agence européenne de défense (AED) au cours du projet METALESA (A-1089- RT-GC). Celui-ci a été financé par 11 états membres (Allemagne, Chypre, Espagne, France, Grèce, Hongrie, Italie, Norvège, Pologne, Slovaquie, Slovénie) au sein du Joint Investment Programme on Innovative Concepts and Emerging Technologies (JIP-ICET). Références [1] G.H. Knittel, A. Hessel and A. Oliner, Element pattern nulls in phased arrays and their relation to guided waves, Proceedings of the IEEE, vol. 56, n°111, pp. 1822-1836, 1968. [2] D.M. Pozar and D. Schaubert, Scan blindness in infinite phased arrays of printed dipoles, Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol. 32, n° 16, pp. 602-610, 1984. [3] A. Hessel and A.A. Oliner, A new theory of Wood’s anomalies on optical gratings, Appl. Opt. vol 4, no 10, 1975-1297, 1965. [4] P. Rodriguez-Ulibarri & al., Metara- dome for Blind Spot Mitigation in Phased-Array Antennas, Antennas and Propagation (EuCAP), 2014 8th European Conference on. [5] R.J. King, D.V. Thiel and K.S. Park, The synthesis of surface reactance using an artificial dielectric, Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol. 31, no 3, pp. 471-476, 1983 [6] M.G. Silveirinha, C.A. Fernandes and J.R. Costa, Electromagnetic Characterization of Textured Surfaces Formed by Metallic Pins, Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol. 56, no 2, pp. 405-415, 2008. [7] A.B. Yakovlev et al., Characterization of Surface-Wave and Leaky-Wave Propagation on Wire-Medium Slabs and Mushroom Structures Based on Local and Nonlocal Homogenization Models, Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol. 57, no11, pp. 2700-2714, 2009. [8] S. A. Tretyakov, Analytical Modeling in Applied Electromagnetics, Boston, MA: Artech House.