Etude de Systèmes Micro-ondes d'Alimentation d'Antennes Réseaux pour Applications Multifaisceaux, Study of Microwave Beam Forming Networks for Multiple Beam Array Antennas

Nelson Jorge Gonçalves Fonseca

Description

Sous la direction de Hervé Aubert, Ke Wu
Thèse soutenue le 15 octobre 2010: INPT
Les réseaux d’alimentation d’antennes multifaisceaux sont un sous-système particulièrement important dans la mesure où ils permettent de réutiliser une même ouverture rayonnante pour l’ensemble des faisceaux à produire. Ces solutions trouvent naturellement application dans le spatial, l’espace disponible pour aménager des antennes étant fortement contraint sur les satellites. Plusieurs solutions de réseaux d’alimentation sont disponibles dans la littérature, incluant des structures quasi-optique ou lentilles et des structures guidées. Nous avons approfondie cette deuxième catégorie en étudiant différentes solutions, incluant les matrices de Blass, de Butler, de Nolen, ainsi que des structures à lois de phase uniformes. En particulier, un mode de dimensionnement des matrices de Nolen, défini comme un cas particulier asymptotique d’un algorithme de dimensionnement de matrices de Blass, a été proposé et validé expérimentalement en bande S. La flexibilité du dimensionnement des matrices de Nolen proposé a été exploitée pour concevoir une matrice à distribution d’amplitude non-uniforme, afin de réduire le niveau des lobes secondaires. Enfin, le caractère dispersif d’une alimentation en série a été utilisé pour rendre le pointage angulaire du faisceau produit par une antenne réseau linéaire indépendant de la fréquence de fonctionnement et pourrait être étendu à des matrices de Blass et Nolen. Des structures à lois de phase uniformes et à distribution d’amplitudes uniforme et gaussienne ont été approfondies, afin de mettre en évidence notamment le niveau de pertes intrinsèques. La structure à distribution d’amplitude gaussienne a été modifiée pour l’adapter à des applications d’antennes réseaux circulaires. L’ensemble des informations regroupées dans ce mémoire permet d’identifier la topologie de réseau d’alimentation la mieux adaptée à une application donnée. Une combinaison de différents concepts peut s’avérer une bonne solution dans certains cas.
-Antenne multifaisceaux
-Matrice orthogonale
-Matrice de Butler
-Matrice de Nolen
-Matrice de Blass
-Réseau d’alimentation cohérent
-Réseau focal
Beam forming networks for multiple beam antennas are a very important antenna sub-system as they enable to reuse the same radiating aperture to produce all the beams. These solutions naturally find application in space as stringent accommodation constraints on board of satellites ask for space saving. Several concepts are available in the literature, including quasi-optic solutions and guided wave solutions. We investigated on this second category, including namely Blass, Butler and Nolen matrices as well as beam forming networks producing uniform phase distribution. In particular, we proposed a designed method, defined as an asymptotic singular case of a more general Blass matrix design procedure. Experimental validation was carried out with a specific design in S-band. Flexibility on the design of Nolen matrix has been used to generate non-uniform amplitude distribution to reduce side-lobe level. Also, natural phase dispersion of a serial feeding network has been used to produce frequency independent beam pointing linear arrays with potential application to Blass and Nolen matrices. Beam forming networks with uniform phase distribution associated to uniform and Gaussian amplitude distributions were also investigated, in particular to highlight the level of the intrinsic losses. The structure with Gaussian amplitude distribution was also modified to be adapted to circular array antennas. All this information should help to identify the best suited beam forming network concept for a given application. In some particular cases, a combination of different concepts can even be considered.
-Multibeam antenna
-Orthogonal matrix
-Butler matrix
-Nolen matrix
-Blass matrix
-Beam forming network
Source: http://www.theses.fr/2010INPT0071/document

Sujets

• Matrice orthogonale

Informations

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• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

THÈSE

En vue de l'obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE
Délivré par l'Institut National Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Génie Electrique

Présentée et soutenue par Nelson Jorge Gonçalves Fonseca
Le 15 Octobre 2010

Titre : Étude de Systèmes Micro-ondes d'Alimentation d'Antennes Réseaux pour
Applications Multifaisceaux
JURY

Hervé Aubert, Professeur - LAAS, Toulouse, France (Directeur de thèse)
Ke Wu, Professeur - PolyGRAMES, Montréal, Canada (Co-directeur de thèse)
Jean-Jacques Laurin, Professeur - PolyGRAMES, Montréal, Canada (Rapporteur)
Thierry Monédière, Professeur - Xlim, Limoges, France (Rapporteur)
Ronan Sauleau, Professeur - IETR, Rennes, France (Rapporteur)
Jacques Sombrin, Ingénieur - CNES, Toulouse, France (Examinateur)
Philippe Lepeltier, Ingénieur - Thalès Alénia Space, Toulouse, France (Examinateur)
Cyril Mangenot, - ESTEC/ESA, Noordwijk, Pays-Bas (Examinateur)

École doctorale : Génie Électrique, Électronique et Télécommunications (GEET)
Unité de recherche : Laboratoire d'Analyses et d'Architecture des Systèmes (LAAS-CNRS)
Directeur(s) de Thèse : Hervé Aubert et Ke Wu
Rapporteurs : Jean-Jacques Laurin, Thierry Monédière, Ronan Sauleau

Remerciements

Compte tenu du format un peu particulier de cette thèse, qui regroupe un certain
nombre de travaux réalisés dans le cadre de mon poste d’ingénieur antennes au CNES, je me
dois de remercier tout d’abord l’école doctorale GEET et plus particulièrement son directeur,
le professeur Jacques Graffeuil, pour avoir accepté de m’accorder les dérogations nécessaires
à la valorisation de ces activités de recherche sous cette forme. Sans nuls doutes, cet
aboutissement viendra valoriser mon profil d’ingénieur chercheur et j’espère que mes activités
futures sauront en retour faire honneur à l’excellence de cette formation et plus
particulièrement de son personnel encadrant.
J’en viens donc naturellement à remercier le professeur Hervé Aubert, qui a su éveiller
mon intérêt pour les thématiques liées à l’électromagnétisme et la conception d’antennes en
particuliers au travers de ses cours très pédagogiques et ses travaux particulièrement
intéressants sur les antennes fractales. Son soutien très appuyé dans mes démarches pour
défendre cette thèse a également été très apprécié, ainsi que la confiance mutuelle qui s’est
forgée au court des nombreuses activités de recherche menées ensemble. Je remercie enfin le
professeur Hervé Aubert d’avoir accepté d’être directeur de cette thèse un peu particulière. Au
même titre, je remercie le professeur Ke Wu d’avoir accepté de figurer comme co-directeur de
cette thèse. Son apport sur la technologie SIW a été particulièrement apprécié sur la
thématique des matrices multifaisceaux.
Je remercie également les personnes qui ont su guider mon attention vers la
thématique des antennes spatiales et plus particulièrement des antennes réseaux dans le cadre
de ma formation précédente, nommément le professeur Jean-Jacques Laurin et le docteur Luis
Martins Camelo.
Je remercie également ceux qui m’ont fait confiance dans mon parcours professionnel
et notamment Philippe Lepeltier pour m’avoir proposé une première expérience
professionnelle particulièrement enrichissante. Je suis également très reconnaissant à Frédéric
Lemagner, et par son intermédiaire au CNES, pour m’avoir placé dès mon arrivée dans des
conditions favorables pour pleinement exprimer ma créativité et mener à bien les activités qui
me tenaient à cœur, et tout particulièrement celles que j’ai pu mener en interne et dont une
bonne partie des résultats est présentée dans ce mémoire de thèse.
ii Je remercie encore tous ceux avec qui j’ai travaillé ces dernières années et notamment
Ahmed Ali, Tarek Djerafi, Sami Hebib, Alexandru Takacs, Fabio Coccetti, Baptiste Palacin,
Nicolas Ferrando, Jacques Sombrin, José Da Benta, Daniel Belot et Lise Féat. Cette liste n’est
évidemment pas complète et je m’excuse auprès de tous ceux que je ne cite pas ici, mais qui
ont aussi contribué directement ou indirectement à soutenir mes activités de recherche,
notamment tous mes collègues du service antennes du CNES, Hubert, Isabelle, Thierry,
Cécile, Karine, Anthony, Jean-Marc… et plus globalement de la sous-direction Radio-
Fréquences, Caroline, Christine, Christophe, Luc, Daniel, Francis, Geoffrey, Laetitia... Je
remercie également Romain Desplats, du service valorisation du CNES, pour m’avoir
toujours soutenu dans les démarches relatives à la protection de la propriété intellectuelle.
Enfin, je remercie ma famille et plus particulièrement mes parents, mes amis et toutes
ces personnes qui ont un jour croisé mon chemin et m’ont encouragé à toujours aller plus loin.


iii





















iv
























In memoriam Luis Miguel Gonçalves Fonseca



v

vi


































Ce qui est incompréhensible,
C’est que le monde soit compréhensible.

Albert Einstein


vii Sommaire


Liste des Figures...................................................................................................xi
Liste des Tableaux.............................................................................................xvii
Introduction générale 1
Chapitre I - Rappels sur les antennes réseaux....................................................... 6
I. 1 Introduction...................................................................................................................... 6
I. 2 Réseaux linéaires ............................................................................................................. 6
I. 2. 1 Définition.............................................................................................................................. 6
I. 2. 2 Facteur de réseau................................................................................................................. 7
I. 2. 3 Pointage angulaire du faisceau principal ............................................................................ 9
I. 2. 4 Gain de réseau............ 9
I. 2. 5 Cercle unitaire de Schelkunoff et lobes de réseau.............................................................. 11
I. 3 Réseaux planaires.. 14
I. 3. 1 Cas du réseau planaire à forme rectangulaire................................................................... 14
I. 3. 2 Caire à forme circulaire......................................................................... 16
I. 3. 3 Autres cas de réseaux planaires.........................................................................................17
I. 4 Réseaux circulaires ........................................................................................................ 18
I. 5 Orthogonalité et matrices sans pertes ............................................................................ 19
I. 5. 1 Propriété des matrices sans pertes..................................................................................... 19
I. 5. 2 Orthogonalité et indépendance linéaire de faisceaux ........................................................ 22
I. 5. 3 Matrices multifaisceaux et transformée de Fourier ........................................................... 24
Chapitre II - Matrices de Blass 26
II. 1 Introduction .................................................................................................................. 26
II. 2 Description des matrices de Blass ................................................................................ 26
II. 2. 1 Composants de base.......................................................................................................... 26
II. 2. 2 Forme générique des matrices de Blass et mise en équations .......................................... 29
II. 3 Méthode de conception optimale dans le cas à deux entrées........................................ 35
II. 4 Mé