Analysis and design of compact antennas in cavity based on metasurfaces for multiband GNSS applications
Analyse et conception d’antennes compactes en cavités basées sur des métasurfaces pour des applications GNSS multi-bandes
Résumé
Global Navigation Satellite Systems (GNSS) are widely used today for a plethora of civil and defense applications, including navigation of flying or moving platforms. Galileo, GPS or Glonass are three of the GNSS constellations considered in this thesis. The aim of this work is to develop a compact antenna, which is able to cover multiple GNSS bands: three around 1578 MHz (L1, G1, E1) in a first time and the whole band ([1164-1610] MHz) in a second time. These antennas are intended to be integrated into projectiles mainly constituted of metal. For this reason, the antenna must be embedded in a metallic cavity to not affect the carrier aerodynamic properties and nor its mechanical stability. Integrating microstrip antennas in metallic cavities offers several advantages, like miniaturization, isolation or surface wave reduction; however, this leads to a drastic reduction of the antenna bandwidth. The most straightforward solution to circumvent this limitation consist in enlarging the metal cavity size. Nonetheless, this approach cannot be applied in many cases when the carrier imposes stringent dimensional limitations. Owing to the above-mentioned specifications, the use of a metasurface-inspired microstrip antenna is proposed and investigated, since previous results have demonstrated that classical antenna structures do not comply with the requirements. The objectives of the thesis are to design and characterize linearly-polarized and circularly-polarized antennas covering multiple bands of GNSS. Linear polarization is considered for the first studies, as these antennas are not intended to be used in an environment with multi-path signals. Circular polarization is addressed in a second time. Finally, the extension of the bandwidth to the whole GNSS bands is considered.
Les systèmes de navigation par satellites globaux (GNSS) sont aujourd'hui largement utilisés pour pléthore d'applications civiles ou pour la défense, incluant la navigation de plateformes volantes ou roulantes. Galileo, GPS ou Glonass sont trois des constellations GNSS considérées dans cette thèse. L'objectif de ce travail est de développer des antennes compactes capables de couvrir plusieurs bandes GNSS ; trois autour de 1575 MHz dans un premier temps (L1, G1, E1), puis la totalité de la bande GNSS ([1164-1610] MHz). Ces antennes sont destinées à être intégrées dans des projectiles, constitués principalement de métal. Pour cette raison, l'antenne doit être intégrée dans une cavité métallique pour ne pas affecter les propriétés aérodynamiques ni la stabilité mécanique du porteur. Intégrer des antennes imprimées dans des cavités métalliques offre plusieurs avantages : la miniaturisation, l'isolation ou la réduction des ondes de surface. Néanmoins, cela amène également une réduction importante de la bande passante. La solution immédiate pour limiter cet effet est d'agrandir la dimension de la cavité. Cependant, cette approche ne peut pas être appliquée aux nombreux cas où le porteur impose des limitations d'encombrement. Au vu des spécifications ci-dessus, l'emploi d'une antenne imprimée basée de métasurfaces est proposé et étudié, d'autant plus que des résultats antérieurs ont montré que des structures d'antennes classiques ne peuvent répondre aux spécifications demandées. Les objectifs de cette thèse sont de concevoir et de caractériser des antennes à polarisation linéaire et à polarisation circulaire couvrant plusieurs bandes GNSS. La polarisation linéaire est considérée pour les premières études, car ces antennes ne sont pas destinées à être utilisées dans un environnement souffrant de trajets multiples. La polarisation circulaire est considérée dans un second temps. Finalement, l'extension de la bande passante à la globalité de la bande GNSS est considérée.
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