Contribution to the design of compact X-band linear and circular polarization transmit-arrays. - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Contribution to the design of compact X-band linear and circular polarization transmit-arrays.

Contribution à la conception de transmit-arrays compacts en polarisation linéaire et circulaire en bande X

Résumé

The objectives of this thesis work are to propose innovative technological solutions to improve the radiation performance of transmit-array antennas in millimeter and submillimeter bands, and to develop a fast and efficient tool to help design and dimensioning. Transmit-array allows rapid and precise beam deviation (passive and active, mechanical and electronic). However, its simulation is very long because of the large number of cells to take into account. This is why the first part of this thesis was devoted to the realization of a numerical simulator allowing to dimension and to study very quickly the desired performances of a transmit-array. The procedure consists of designing and simulating the unit-cell alone in its environment, taking into account the impact of neighboring cells, then the primary source, taking care to choose its phase center and extracting their complex radiation patterns as well as their S parameters from these models. These elements, once imported into the simulator, allow obtaining the performance of the antenna very quickly. To make the link between the primary source and the first array in reception, the code is based on the Friis formula. Certain phenomena are neglected in particular the diffraction on the edges, which implies a slightly different result than those obtained with an electromagnetic simulation software based on exact methods. However, the time saved is very important. In an unfavorable Ka-band case for our hybrid simulator, the calculation times were compared for HFSS: 25h of simulation, CST: 6h of simulation, and our hybrid digital simulator that obtained a very close result in just 5 minutes. Each transmit-array design parameter is adjustable in our hybrid simulator, so carrying out a parametric study makes it possible to determine the impact of the various parameters on the radiation performance and thus to find the right compromise and the optimal configuration of the antenna. Once the simulator validated, we designed with CST a new unitary cell in X-band operating in linear polarization. This cell is made up of two patches connected by a metal via placed in its center. The optimization of this cell shows a gain of 5 dB and a bandwidth of nearly 900 MHz around 10 GHz, so about 9%. Our simulator was then used to create a transmit-array from this cell, as part of a 20x20-cell array associated with a rectangular horn primary source with 15-dBi gain. The phase compensation chosen is 1-bit, so two phase states, in order to simplify the design. In fact, phase compensation is managed by the orientation of the electric field on the free space side, in other words by the rotation of the upper patch of the cell (90° or 270°). Thanks to our simulator, a parametric study made it possible to find the compromise between focal ratio and performance, allowing the selection of a focal ratio of 0.75 so a focal length of 225 mm separating the primary source from the array. Finally, the simulated gain of our transmit-array is equal to 21.8 dB. A first realization was thus launched and the measurements in an anechoic chamber showed good results with encouraging performances: 21 dBi of gain and -21 dB of side lobe level (SSL). The rest of the thesis was devoted to improve the primary source to make the system more compact. A new source was thus designed as part of a Master internship that I supervised. The choice we have made is to use four printed circuit patches. These patches have the particularity of being very far from each other since they are separated by a distance of 5λ, making it possible to simulate four sub-arrays, each essentially illuminated by a patch. This new primary source is promising because it allows getting considerably closer to the array by reducing the focal length by a factor of two. Henceforth, the array is therefore located at a distance of 112.5mm from the source while maintaining good performance. This source and its dedicated array were thus produced. The measurement of the source alone shows a shape very similar to the simulations with, however, an offset of about 2dB on the gain, which is being analyzed. Once associated with the array, the radiation pattern is coherent and proves the correct functioning of the transmit-array. A new cell was then designed to be depolarizing. This depolarization is possible thanks to the geometry of the cells as much polarized vertically and horizontally, demonstrating a good purity of the circular polarization. The total gain at the output of the cell is 6.1 dB over a bandwidth of 700 MHz to 10 GHz (approximately 7%). Two new arrays were thus designed using the hybrid simulator. The first is associated with the horn with a distance of 225mm and the second is associated with the new primary source and placed 75mm from this source. The production of these prototypes is in progress. The measurement processes are now well mastered, the experimental validation will thus be carried out quickly and will allow verifying the performance of these new prototypes.
Les objectifs de ces travaux de thèse sont de proposer des solutions technologiques innovantes pour améliorer les performances en rayonnement des antennes de type réseau transmetteur en bandes millimétriques et submillimétriques, et de développer un outil rapide et performant d’aide à la conception et au dimensionnement. Le réseau transmetteur, ou transmit-array, permet un dépointage rapide et précis du faisceau (passif et actif, mécanique et électronique). Cependant sa simulation est très longue en raison du grand nombre de cellules à prendre en compte. C’est pourquoi la première partie de cette thèse a été consacrée à la réalisation d’un simulateur numérique permettant de dimensionner et d’étudier très rapidement les performances recherchées d’un transmit-array. La procédure consiste à concevoir et simuler la cellule élémentaire seule dans son environnement en prenant en compte l’impact des cellules voisines, puis la source primaire en prenant soin de bien choisir son centre de phase et d’extraire de ces modèles leurs diagrammes de rayonnement complexes ainsi que leurs paramètres S. Ces éléments, une fois importés dans le simulateur, permettent d’obtenir très rapidement les performances de l’antenne. Pour faire le lien entre la source primaire et le premier réseau en réception, le code se base sur la formule de Friis. Certains phénomènes sont négligés notamment la diffraction sur les bords, ce qui implique un résultat légèrement différent que ceux obtenus avec un logiciel de simulation électromagnétique basé sur des méthodes exactes. Cependant le gain de temps réalisé est très important. Dans un cas défavorable en bande Ka pour notre simulateur hybride, ont été comparés les temps de calcul de HFSS : 25h de simulation, de CST : 6h de simulation, et de notre simulateur numérique hybride qui a obtenu un résultat très proche en seulement 5 minutes. Chaque paramètre de conception du transmit-array étant réglable dans notre simulateur hybride, la réalisation d’une étude paramétrique permet de déterminer l’impact des différents paramètres sur les performances en rayonnement et ainsi de trouver le bon compromis et la configuration optimale de l‘antenne. Une fois le simulateur validé, nous avons conçu avec CST une nouvelle cellule unitaire en bande X fonctionnant en polarisation linéaire. Cette cellule est constituée de deux patchs reliés par un via métallique placé en son centre. L'optimisation de cette cellule montre un gain de 5 dB et une bande passante de près de 900 MHz autour de 10 GHz soit d’environ 9%. Notre simulateur a ensuite été utilisé pour créer un transmit-array à partir de cette cellule, dans le cadre d’un réseau de 20 x 20 cellules associé à une source primaire cornet rectangulaire de 15 dBi de gain. La compensation de phase choisie est de 1-bit, soit deux états de phase, afin de simplifier la conception. En effet, La compensation de phase est gérée par l’orientation du champ électrique du côté espace libre, autrement dit par la rotation du patch supérieur de la cellule (90° ou 270°). Grâce à notre simulateur, une étude paramétrique a permis de trouver le compromis entre rapport focal et performances, permettant la sélection d’un rapport focal de 0.75 soit une distance focale de 225 mm séparant la source primaire du réseau. Finalement le gain simulé de notre transmit-array est égal à 21,8 dB. Une première réalisation a ainsi été lancée et les mesures en chambre anéchoïque ont montré de bons résultats avec des performances encourageantes : 21 dBi de gain et -21 dB de niveau de lobes secondaires (SSL). La suite de la thèse a été consacrée 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 Master que j’ai encadré. Le choix que nous avons fait est l’utilisation de quatre patchs en circuit imprimé. Ces patchs ont la particularité d’être très éloignés les uns des autres puisqu’une distance de 5λ les sépare, permettant de simuler quatre sous-réseaux de cellules, chacun essentiellement éclairé par un patch. Cette nouvelle source est prometteuse car elle permet de se rapprocher considérablement du réseau en réduisant la distance focale d’un facteur deux. Dorénavant le réseau se situe donc à une distance de 112,5mm de la source tout en conservant de bonnes performances. Cette source et son réseau dédié ont ainsi été fabriqués. La mesure de la source seule montre une allure très similaire aux simulations avec toutefois un offset d’environ 2dB sur le gain, qui est en cours d’analyse. Une fois associée au réseau, le diagramme de rayonnement est cohérent et prouve le bon fonctionnement du transmit-array. Une nouvelle cellule a ensuite été conçue dans le but d'être dépolarisante. Cette dépolarisation est possible grâce à la géométrie des cellules également polarisées verticalement et horizontalement, démontrant d’une bonne pureté de la polarisation circulaire. Le gain total en sortie de la cellule est de 6,1 dB sur une bande passante de 700MHz à 10 GHz (environ 7%). Deux nouveaux réseaux ont ainsi été conçus à l’aide du simulateur hybride. Le premier est associé au cornet avec une distance de 225mm et le second, lui, est associé à la nouvelle source primaire et placé à 75mm de cette source. La fabrication de ces prototypes est en cours. Les processus de mesure étant maintenant bien maitrisés, la validation expérimentale sera réalisée rapidement et permettra de vérifier les performances de ces nouveaux prototypes.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-03552662 , version 1 (02-02-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03552662 , version 1

Citer

Jeanne Pages-Mounic. Contribution to the design of compact X-band linear and circular polarization transmit-arrays.. Engineering Sciences [physics]. UNIVERSITE DE TOULOUSE, 2021. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03552662⟩

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