Étude et réalisation d'antennes millimétriques pour radar de détection d'obstacles

Study and design of millimeter antennas for obstacle detection radar

• Auteur / Autrice : Binh Duong Nguyen
• Direction : Christian Pichot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fresnel, Lentilles de

Démodulation (électronique)

Radar

Résumé

Ce mémoire porte sur la conception d’une antenne à réflecteur pour radar de détection d’obstacles fonctionnant à 94 GHz, appliquée à la détection des câbles électriques, implanté sur un hélicoptère. Cette antenne doit satisfaire différents critères : fort gain, ouverture à 3 dB étroite, faible encombrement et faible coût. Une solution consiste à proposer un réflecteur illuminé par une antenne non-directive. Dans un premier temps, le travail a porté sur la recherche de l’antenne comme source primaire, alimentée par le guide d’ondes WR-10. Cette source primaire doit satisfaire à la fois de bonnes caractéristiques radioélectriques (faible coefficient de réflexion, diagramme de rayonnement identique ou quasi identique dans les plans E et H, et faible masquage) et la fiabilité de fabrication. Dans un deuxième temps, le travail se focalise sur la conception d’un réflecteur plan imprimé qui allie une simplicité de fabrication et des performances en rayonnement correspondant au cahier des charges. La clé d’un tel réflecteur réside dans la capacité à trouver des cellules élémentaires constitutives de celui-ci qui permettent d’obtenir une plage de phase réfléchie la plus large possible tout en étant peu sensible aux tolérances de fabrication. Pour ce faire, nous utilisons un substrat épais et des éléments de forme circulaire, annulaire ou imbriquées. La plage de phase ainsi obtenue est supérieure à 360°. La correction du retard de phase est effectuée en zones de Fresnel. Le réflecteur combine 8 zones en son centre et 4 à la périphérie. Afin de réduire l’encombrement de ce système, nous proposons une autre solution basée sur l’association d’une grille polarisant et d’un réflecteur principal qui tourne la polarisation de 90°. Ce dernier est obtenu par une petite modification de la cellule de base du réflecteur qui est constituée d’un patch en C convenablement orienté. Enfin, une campagne de mesure a été effectuée pour valider la conception des réflecteurs proposés. Les réflecteurs préliminaires des réflecteurs ont montré de bonnes performances radioélectriques ainsi que la satisfaction du cahier des charges. Le réflecteur simple à zones de Fresnel possède un rendement d’ouverture de l’ordre de 34 % pour un diamètre de 130 mm et une distance focale de 70 mm. Bien que l’efficacité du réflecteur double de même diamètre mais de distance focale de 35 mm soit un peu inférieure au réflecteur initial, sa compacité ainsi que sa solidité en font un très bon candidat pour l’antenne du radar.

This report is dedicated to the design and the fabrication of a millimeter antenna for obstacle detection and collision avoidance radar and working at 94 GHz, application to power lines detection for helicopter. The characteristic requirements of antenna are : high gain, narrow beam width, low profile and low cost. The solution is to use a printed reflector illuminated by a low directive primary source. First, the work is concentred in the design of an antenna as primary source, fed by waveguide WR-10. This antenna should satisfy the good characteristics (low reflection coefficient, similar radiation pattern in the E and H planes and low shadower) and feasibility fabrication. The second work focuses on the design of a printer reflector satisfied the radar requirements, also the simplicity of fabrication. The key of such reflector resides in the capacity to find elementary patch constitutive of this one, they allow to obtain a phase range as broad as possible while assuring a suitable sensitivity to the tolerances of manufacture. For this reason, we use a thick substrate and elements of circular, annular form or overlapping. The range of reflection phase reaches over 360°. The compensation of phase delay is carried out by Fresnel zones. The antenna reflector is combined one full zone of 8 Fresnel zones in its center and the zones of 4 Fresnel zones in its periphery. Then, in order to reduce the profile of this system, we propose another solution based on the association of a grid polarizing and a reflector turning its polarization of 90°. The new reflector is obtained by a small modification of the basic patch. The annular patch is cut to be a patch of C. Finally, series of measurement were carried out to valid the design of reflectors suggested. The preliminary results showed good radioelectric performances as well as the satisfaction of radar requirements. The Fresnel zone reflector antenna of 8+4 Fresnel zones has an aperture efficiency of 34 % for a diameter of 130 mm and a focus length of 70 mm. The effectiveness of the double reflector antenna with same diameter but of focal distance of 35 mm, it is a little lower than the reflectors initial. Thanks to the compactness and solidity, the double reflector antenna is a very good candidate to be the antenna of obstacle detection radar.