Antenne à réflecteur multifaisceaux illuminée par des sources focales entrelacées produites par une antenne à résonateur multisources BIE 1D

11/10/2017
Publication REE REE 2005-6-7
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2005-6:20237
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Antenne à réflecteur multifaisceaux illuminée par des sources focales entrelacées produites par une antenne à résonateur multisources BIE 1D

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. Dossier) LES ANTENNES Antenne à réflecteur a multifaisceaux illuminée par des sources focales entrelacées produites par une antenne Ir à%resonateur multoisources BIE 1D Mots clés BtE(Bande interdite électromagnetique), Antenne multifaisceaux, Satellite, Source Par Régis CHANTALAT', Thierry MONÉDIÈRE', Marc THÉVENOT', Bernard JECKO', Patrick DUMON 'IRCOM-CREAPE, UMR CNRS n6615 1 CNES Introduction Pour les applications multimédias, les antennes satellitaires ont fait l'objet de très nombreux dévelop- pements depuis quelques années. La couverture mono- faisceau a évolué vers des concepts à plusieurs faisceaux plus efficaces et plus flexibles. Plusieurs types d'antennes multifaisceaux ont été imaginés comme le concept à ouvertures multiples avec une source par faisceau qui est limitée par son surdimensionnement et son coût, celui des réseaux de formation de faisceaux ou encore des systèmes d'imagerie. Dans cet article, nous analysons un système multifais- ceau simple composé d'une ouverture unique (réflecteur en offset ou lentille) et d'un lot de sources positionné sur le plan focal. Ce dispositif avec un concept « une source par faisceau » a un rendement limité provenant de fortes pertes qui peuvent être par débordement (énergie rayonnée par les sources non captées par le réflecteur ou la lentille), ou par recoupement de faisceaux (faisceaux trop éloignés an (yulairei-nent) [2] [3]. En effet, si l'on utilise de petites sources focales peu espacées, les faisceaux émergents du réflecteur sont suffisamment proches angulairement pour obtenir un niveau de recoupement satisfaisant. Cependant, les petites sources à diagrammes de rayonnement larges conduisent à de fortes pertes par débordements. A contrario, de grandes sources focales avec des dia- grammes de rayonnement plus étroits génèrent moins de pertes par débordement (spillover) et de lobes secon- daires, mais conduisent à des niveaux de recoupement de faisceaux trop faibles. Dans le but de réduire ces pertes, des concepts coûteux où chaque faisceau provient non plus d'une source mais d'un bouquet de sources ont été ESSENTIE SYNOPSIS Dans cet article, nous présentons une application originalede la structure EBG. Une antenne à résonateur EBG à plusieurs sources peut être placée au foyer d'une antenne à réflecteur satellitaire multifaisceaux pour applicationsmultimédias. Eneffet, les traditionnelles sources focales d'une antenne à réflecteur paraboliqueen offset comme les cornets conduisent à des pertes excessivesqui sont soientdes pertes pardébordements ( (spillo- ver losses ») ou des pertes par recoupement entre faisceaux ( crossover losses ») Certaines propriétés particulières de l'antenne EBG, comme l'entrelacement des ouvertures rayon- nantes,se prêtentà l'améliorationdes performancesd'uneantenne multifaisceaux passive. En effet, l'antenne à résonateur BIE permet de créer des sources focales entrelacées afin d'obtenir pour l'antenne à réflecteur un rendement maximum et des fais- ceaux peu espacésangulairement.Il n'est donc plus nécessaire avec ce système passif BIE d'utiliser un réseau de formation de faisceaux(BFN)coûteuxet lourd In this paper,we describe anotherapplicationfor the EBGstruc- ture. An EBGresonator antennawith several feeds can be used at the focal of a multibeam reflector antennaaboardsatellite for multimedia application. Indeed,hornsasfocal structure of an off- set paraboloc reflector antenna leads to excessive losses by spillover or beam crossover. Some particular properties of the EBG antenna as radiating aperture interlacing are adapted to improve the performances of the satellite multibeam antenna. The 1-Ddielectric resonnatorEBGantenna letsto generatedirec- tive and interlaced focalfeeds in order to obtain in the sametime maximum reflector efficiency and closely spaced beams. Consequently,it is not necessarywith our passivesystem to use a complex, costly and heavy BeamFormingNetwork (BFN). REE N°6,7 JLiiii/liiillet 2005 Antenne à réflecteur multifaisceaux uminée par des sources focales entrelacées... élaborés. Cette technique exige d'alimenter les sources focales à travers un réseau de formation de faisceau (BNF) complexe, coûteux et lourd [3]. 2. Principe La configuration idéale pour une structure focale, qui est impossible à obtenir avec des sources classiques (des cornets par exemple) sans BFN à cause de contraintes géométriques (la dimension D de la source fixe l'espacement entre sources inférieur à D (figure 1), serait d'avoir des grandes sources (faibles pertes par débordements) avec l'espacement de petites sources (haut niveau de recoupe- ment des faisceaux). L'intérêt de l'antenne à résonateur BIE multisources ID [4-6] réside dans la possibilité d'entrelacer sur sa surface de grandes ouvertures rayonnantes (une source élémentaire étant à l'origine de chacune des ouvertures rayonnantes). Le matériau BIP devra être correctement choisi pour générer sur sa surface des ouvertures rayon- nantes suffisamment grandes en fonction du réflecteur (< sources focales directives) pour limiter les pertes par débordements de l'antenne à réflecteur. La distance centre à centre entre les ouvertures rayonnantes entrelacées D (= distance entre les sources élémentaires) sera choisie suffisamment petite de manière à ce que l'antenne à réflecteur émette des faisceaux faiblement espacés qui se recoupent à une valeur idéale (proche de -4 dB) (figure 1). 1 1,, i 1, r, ; i , Li Pl,-- Il 1, 1 7 1 1 " - e le) 2>1) 1 - 1 dow Idir U - 2>I) - - (44,9 ). Sur le plan focal, il est placé un groupe de sources espacées de 1,2 A. (figure 2). Cet espacement entre sources a été choisi pour obtenir un niveau de recoupement des faisceaux proche de -4 dB qui est un bon compromis entre pertes de recoupement et pertes par redondance [11. .\ivr ;uiI : rcoupcnnucnt ..Im I;i.m ;m i n n n n n -1I13 1 cc o LI Ill] Il cil t lk'" lai: -'L'L'ILl_\ , [(,[ 1. "'. \'f ''. \ ' (0 1- - - - - - - - - % \'-' O.. " 111 F= 1(1. III onsctH " -J\ Figure 1. Structure focale c-Icissicli avec cornets et structure focale EBG. Figitr ( 2. Réflectetti- pci) - (iboliqiie eiz off.Sel. Le rendement total pFdun réflecteur parabolique en offset dépend du diagramme de rayonnement des sources. Il est maximal lorsque la différence d'illumination entre les bords et le centre du réflecteur (feed taper) est d'envi- ron - 11 dB (figure 3). Cette valeur représente le meilleur compromis entre pertes par débordement (facteur de gain pl) et pertes par apodisation (facteur de gain p2). Les ouvertures rayonnantes des cornets sont au maxi- mum de 1,2 À à cause des restrictions géométriques et de l'espacement imposé de 1,2 . Par conséquent, la directivité maximum des cornets est proche de 10,5 dBi et conduit à une valeur restrictive d'apodisation en bords de réflecteur de -4 dB (figure 3). Le rendement de l'antenne à réflecteui@ n'est donc pas optimal du fait du « large » rayonnement du cornet et donc des fortes pertes par débordement. 3. Démonstration Dans le but de mettre en évidence les avantages d'une structure BIE comme source focale d'une antenne à réflecteur parabolique en offset, une comparaison entre deux systèmes va être effectuée : le premier avec un réflecteur parabolique illuminé par un groupe de cornets et le second avec le même réflecteur illuminé par une structure focale BIE. 3.1. Présentation Le diamètre D du réflecteur parabolique en offset est de 2,2 m (61 ) et la distance focale F est de 1,625 m >. u c QI (J w -25 .20 -15 -10 Feed taper (dB) r 0 1,0 0,9 0.8 c -7 - ( i,l 0.6 C ", 0,4 Figure 3. Retideiiieiit de 1'tiiite ; iiie à i-éflecteiir eii.foiictioii de 1'tipodisation. REE N 6/7 Jtiiii/) tiillet 2005 ssier LES ANTENNES g w t ç... .rviiav '' : I - re, - 11- £77fr î$ » u.H :_ :v rv i4 -- Ê Il ï't ! m L rt _ a * t < . Figure 4. Strticttire.focale BIE. 3u 28 I, rp'. i.'$- ' 14 / *' 24 ''' !/ ' : S 'V ' ?o' 7V 7P'^ m. 18 . : :....--' .... " ' :'-. ' 16 ! !'... * ' ...... ..,........ - -......--. --. 14 r------......---.-.-.---......-. 2 4 6 13 10 12 14 16 ...'" "' ; f ilate I ? dates '-,- phares - 4 p/'aes Figure 5. Directivité fonction de la composition de l'antenne EBG. Pour obtenir une apodisation idéale de -11 dB en bords de réflecteur, il faut que la structure BIE génère des c ouvertures rayonnantes d'une dimension D2 égale à 2,1 qui correspondent à 15 dB de directivité (fig.1). Ces ouvertures rayonnantes, qui doivent avoir une distance centre à centre de l2 ; afin de générer des faisceaux en sortie du réflecteur parabolique qui se recoupent à -4 dB, seront donc entrelacées sur la surface du matériau BIE. 3.2. Conception du résonateur diélectrique EBG 1-D La structure BIE se compose d'un demi-matériau BIE et d'un plan métallique sur lequel reposent des sources élé- mentaires indépendantes distantes de 1,2 À qui excitent alternativement la cavité définie ente le plan de masse et la première plaque du demi-matériau BIE [4-6]. Chaque sour- ce élémentaire fonctionne dans un canal spécifique de la bande de fréquence 7,9-8,2 GHz afin de découpler les fais- ceaux et de limiter le facteur de STEIN (figure 4). Chaque source élémentaire de l'antenne BIE est constituée de deux fentes distantes de .,,/2 (en opposition de phase à l'horizon) excitées par le mode fondamental d'un guide d'onde. En effet, une fente unique ne peut exciter correctement le maté- riel BIE en raison de son diagramme de rayonnement omni- directionnel dans le plan E. Afin de limiter le couplage, les sources élémentaires ont des polarisations différentes. Comme le montre la figure 5, la directivité désirée de 15 dBi qui entraîne une apodisation idéale de - 11 dB en bords de réflecteur, peut être obtenue avec un demi matériau BIE composé d'une plaque diélectrique de permittivité égale à 6. Le réflecteur parabolique en offset est illuminé par l'an- tenne à résonateur BIE 1-D sous un angle de 64,6°. L'apodisation en bords du réflecteur est donc déterminée par les diagrammes de rayonnement mesurés de la structure BIE mesurés pour 4 canaux de fréquences et donc 4 positions de sources élémentaires (figure 6). Ces valeurs d'apodisa- tion sont comparées avec celles des cornets sur la figure 7. u -5 -10 III -15 u -20 -25 -30 - ----- ----- ------- ----- ----- t ,, l, - - - - -- '/''\' - - - - - - - - - - - - - - - - - r-- --- l' 11--11-----'_H_'_- l'-- ---- ,.,,-/'1 -90 -60 -30 0 30 Angle (deg) 60 90 Figure 6. Diagrammes de rayonnement de la structure BlE iiieszirés poiir 4 cajiaiix le fréqtiences et 4 positioiis de sources élémentaires. . ... 7.9 Ghz 8 Gi,,z 8 1 8.2 Gf-.z 8 5 Gil- Figure 7. Apodisatioii. REE W6/7 Juiii/juillet 2005 Antenne à réflecteur multifaisceaux uminée par des sources focales entrelacées... 3.3. Les faisceaux de l'antenne parabolique en offset La figure 8 permet de comparer 3 faisceaux adjacents générés par l'antenne à réflecteur (diamètre 61 À et distance focale 44 , voir figure 2) illuminé par les deux structures focales : cornets et structure BIE. Quelle que soit la structure focale utilisée, la position angulaire des faisceaux est identique car la distance inter source est la même. Le gain maximum des faisceaux est augmenté de 1 dB avec la structure BIE du fait de pertes par déborde- ments amoindris. Avec la structure BIE, les faisceaux sont élargis angulairement car la répartition de champ est plus apodisée sur la surface du réflecteur. Par conséquent, le niveau de recoupement des faisceaux qui correspond à la différence entre le gain maximum et le gain à l'inter- section des faisceaux, est augmenté (- 3,5 dB par rapport à - 4,3 dB). La variation du gain sur la zone couverte sera donc réduite de 0,8 dB. Enfin, le gain minimal sur la couverture qui est traduit par le gain à l'intersection des faisceaux, est augmenté d'une valeur conséquente de 1,8 dB (41 dB par rapport à 39,2 dB). ,. i.. Fccyi.etrqolqtc F.T3..,... I Yocal sti-uctui-e 445 - " " T : " " L ? :" ---,-,--,-- ...... 41 - ---.--.----- ------'---- --. .-.-.'---.-..-.--------'' " cl, i horns liorii.- , - Figccre 8. Diagraiiiiiie de rci,oiiiieiiieiit de 1'tiiiteiiiie -éflectetit- en offset éclairée par deux structures focales : comets et structure /E. 4. Conclusion Les performances de l'antenne à réflecteur sont nettement améliorées avec une structure BIE simple et innovante utilisée en lieu et place de cornets. Seuls des systèmes complexes coûteux et lourds tels que les concepts à multiples réflecteurs, les concepts avec des réseaux de formation de faisceaux (BFN) donnent des résultats égaux voire supérieurs. Références [1] RAO K. SUDHAKAR, G.A MORIN, MQ TANG, S. RICHARD, "Development of a 45 GHz Multrple-Beam Anteina for Military Satellite Communications ", IEEETrans, On Antennas and propagation, Vo. 43, N'I 0, Oct 1995 [2] A.G ROEDERER, " Review of advanced multiport antennas ", ESTEC Workshop on advanced Beam forming Networks, Nov 1991. [31 S.H. HUYNH, A. HO. C. HARRY CHEN, " A Septet Beam forming Network for Reflector Multibeam Antennas ", Antenna Prop. Soc. Int Symposium Montreal, July 1997, Vol 2, pp. 1394-1397 [41 M. THEVENOT, C. CHEYPE, A. REINEIX, B. JECKO, "Directive Photonic Bandgap Antenna ", IEEE Transactions on microwave theory and technics, vol. 47, N'11, Nov 1999, in press. [5] C. SERIER, C. CHEYPE, R CHANTALAT, M. THEVENOT, T. MONEDIERE, A REINEIX and B. JECKO, " ID Photonlc Band Gap Resonator Antenna ", Microvuave and Optical Technol Lett, Vol. 29, n'5, June 2001, pp 312-315, in press. [61 L. LEGER, C. SERIER, R CHANTALAT, M.THEVENOT, T. MONEDIERE, B JECKO, " ID Dielectric Electronic Band Gap (EBG) Resonator Antenna Design ", Annales des télé- communications, mars-avril 2004. [7] YT LO, SW LEE, " Antenna Handbook-Theory, Aplications and design ", pp. 15-42. mm offl En Régis Chantalat est né à Brive laGaillarde le 28 juin 1976. Il a obtenu le diplôme de docteur en électronique des hautes fré- quences et optoélectroniques à l'université de Limoges en 2003. Il est actuellement ingénieur de recherche CNRS rattaché au laboratoire IRCOM dans l'équipe « électromagnétlque et rayonnement " CREAPE.Son domaine de recherche concerne l'utilisation des matériaux BIE dans le domaine des antennes spatiales multifaisceaux. Thierry Monédière est né le 26 Juin 1965. Il a obtenu le diplôme de docteur en électronique des hautes fréquences et optoélec- troniques à l'université de Limoges en 1990 Il est depu s 1999 professeur à l'université de Limoges. Marc Thèvenot est né à Limoges le 23 février 1971. Il a obtenu le diplôme de docteur en élecïronique des hautes fréquences optoélectroniques à l'univers,té de Limoges en 1999. Il est actuellement chercheur CNRS rattaché au laboratore IRCOM dans l'équipe « électromagnétique et rayonnement » CREAPE. Son domaine de recherche concerne l'utilisation des matériaux BIE appliqués aux antennes dans le domaine des microondes. Bernard Jecko est né à Trélissac en France le 18 mai 1944. Il a obtenu le diplôme de docteur de sciences physiques en élec- tronique en 1979 à l'université de Limoges. Il est actuellement professeur à 'université de Limoges et il dirige l'équipe électro- magnétique du laboratoireIRCOM Patrick Dumon est né le 4 mai 1959 à Toulouse. Il a obtenu le diplôme d'ingénieur au conservatoire des Arts et Métiers de Toulouse. Il est actuellement expert ingénieurau service antenne du CNES REE ? 6/7 Jiiiii/jtiillet 2005