Study and design of new multibeam antenna architectures in Ku and Ka bands for broadband satellite applications

par Cheikh-Dieylar Diallo

Thèse de doctorat en Traitement du signal et télécommunications

Sous la direction de Ronan Sauleau.

  • Titre traduit

    Étude de nouvelles architectures d'antennes multifaisceaux en bande Ka pour les télécommunications par satellite à très haut débit


  • Résumé

    Les antennes multifaisceaux (AMFs) sont cruciales pour les applications de télécommunications par satellite modernes et futures, civiles et militaires. La partie basse du spectre électromagnétique est saturée alors que de larges bandes de fréquences sont disponibles dans la bande Ka, dans laquelle des missions à très-haut débit ont émergées au cours de la dernière décennie. La tendance consiste à réduire la taille des spots pour les couvertures multi-spots afin de diminuer le prix des satellites. Ainsi des antennes d’ouverture de plus en plus grande électriquement sont requises, induisant des ruptures technologiques majeures. Les lentilles de Luneburg insérées dans un guide d’ondes à plans parallèles (GOPP) deux plaques métalliques parallèles (PMPs) sont des solutions attractives pour illuminer les AMFs, puisqu’elles peuvent aboutir à des formateurs de faisceaux de bande et champ de visée larges, pertes et coûts faibles, et simples à concevoir, réaliser et intégrer. Les travaux de cette thèse portent sur le développement de nouvelles méthodes d’implémentation et sur la conception de AMFs à base de lentille de Luneburg. La réalisation de la lentille de Luneburg est connue pour être un défi technologique majeur. Un état de l’art des méthodes de réalisation est fourni. Ensuite, deux nouvelles méthodes sont proposées, ainsi qu’une méthode et des outils de conception. La première méthode de réalisation consiste en une matrice périodique et régulière de plots métalliques de taille inférieure à la longueur d’onde, et où la séparation du GOPP varie. La hauteur des plots et la séparation du GOPP contrôlent la valeur de l’indice de réfraction équivalente. L’antenne à 9 faisceaux tout métal conçue, fabriquée et mesurée, comporte 8314 plots et présente d’excellentes performances, notamment meilleures que sa version à séparation de plaques constante. La seconde méthode de réalisation consiste en une matrice périodique et régulière de trous circulaires de taille inférieure à la longueur d’onde réalisés sur un des deux revêtements cuivrés d’un substrat diélectrique plus une plaque métallique supérieure séparée du plan des trous par une couche d’air d’épaisseur fixe. L’antenne à 5 faisceaux conçue comporte 2696 trous et présente de très bonnes performances comparés à ces semblables dans la littérature.


  • Résumé

    Multi-beam antennas (MBAs) are crucial to modern and future, civilian and military satellite telecommunications applications. The low part of the electromagnetic spectrum is congested, while wide band of frequencies are available in the Ka-band, in which broadband missions have emerged in the last decade. The trend is reducing the size of spots in multi-beam coverage to reduce the cost of satellites, hence more electrically large antennas are needed, with major technological breakthrough as a consequence. Luneburg lenses in parallel-plate waveguide (PPW) are attractive solutions to excite MBAs, since they could lead to wide band and field-of-view, low loss and cost, easy to design, manufacture and accommodate Beam Forming Networks. This PhD deals with the development of novel implementations and the design of broadband, low loss and wide field-of-view Luneburg lens based MBAs. The implementation of the Luneburg lens is known as a major technological challenge. A state-of-the art of the implementation techniques is presented. Then two novel implementations of Luneburg lens in PPW environment are proposed, like design method, process and tools. The first implementation consists of a periodic and regular array of subwavelength vertical metal posts, where the PPW spacing is variable. The post height and PPW spacing modulate the equivalent refractive index. The all-metal 9-beams antenna designed, manufactured and measured, has 8314 posts and shows excellent performances, better than the traditional constant PPW spacing version. The second implementation consists of periodic and regular array of subwavelength circular holes etched on the copper cladding of a dielectric substrate with an air gap between the holes plane and the PPW top plate. The radius of the holes control the equivalent index. The 5-beams antenna designed has 2696 holes and shows very good performances as compared to similar devices in literature.


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