Unit-cell for reflectarrays operating with independent dual-circular polarizations - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2013

Unit-cell for reflectarrays operating with independent dual-circular polarizations

Conception d’une cellule déphaseuse pour réseau réflecteur reconfigurable à deux polarisations circulaires indépendantes

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Abstract

This thesis done in partnership with the French Space Agency (CNES) and the French Defense Agency (DGA) is placed in a very active international context on reflectarrays antennas. A reflectarray consists of a primary source located above microstrip elements on a grounded substrate. The microstrip elements are designed to reradiate the incident wave. A reconfiguration of the radiation pattern can be electronically achieved by introducing switches in each element. In this context, for space applications in X-band, the objective of this thesis is to propose a dual-circular polarization (CP) unit-cell able to separate at the same frequency, the two incident circular polarizations. This unit-cell, made of two layers with reconfigurable capabilities, is based on a circular polarization selective surface (CPSS) and on a single polarization cell. After intensive electromagnetic simulations, the unit-cell in dual-circular polarization with reconfigurable capabilities has been experimentally validated using a specific waveguide measurement. In fact, the unitcell reflects independently and simultaneously the two incidents circular polarizations for a phase resolution around 2 bits in LHCP and in RHCP. A feasibility study of the reconfigurable cell was also carried out to identify the most relevant technologies. Then, a reflectarray in X-band has been designed, fabricated and measured. Made up of 97 cells, it has demonstrated the potentialities of the structure for a realistic space application: scan angle up to 26 °, bandwidth of 800MHz in X-band, cross-polarization rejection>20dB and good polarization purity (AR<2dB). This is the first time that a dual circular polarization reflectarray with reconfigurable capabilities has been validated with the unique capability to reflect independently and simultaneously the two incident circular polarization at the same frequency.
Cette thèse, menée en partenariat avec le CNES et la DGA s’inscrit dans un contexte international très actif sur les réseaux réflecteurs ou reflectarrays. Un reflectarray est constitué d’une source primaire placée au-dessus d’un réseau de cellules contrôlant les propriétés du champ réfléchi. Une reconfiguration du diagramme de rayonnement peut être réalisée de manière électronique en introduisant des éléments actifs dans chacune des cellules. Dans ce contexte, le travail réalisé a consisté à étudier une nouvelle topologie de cellule permettant de réfléchir indépendamment deux ondes incidentes, en polarisations circulaires gauche et droite, en bande X. Cette cellule, basée sur la superposition d’une cellule sélective en polarisation et d’une cellule simple polarisation, est conçue de façon à être compatible avec une reconfiguration électronique à l’aide de commutateurs. Après un important travail de simulation électromagnétique, une première validation expérimentale, menée à l’échelle de la cellule unitaire, a mis en évidence de très bonnes performances dans les deux polarisations (pertes inférieures à 1dB, déphasage atteignant 2 bits de résolution). A cette occasion, un banc de caractérisation spécifique a été développé. Une étude de faisabilité de la cellule reconfigurable a également été menée afin d’identifier les technologies de commutateur les plus pertinentes et de quantifier les perturbations apportées par la circuiterie de commande. Finalement, un démonstrateur de réseau à états figés a été réalisé et mesuré. Constitué de 97 cellules, il a permis de démontrer les potentialités de la structure développée, pour une application spatiale réaliste : dépointage jusqu’à 26°, bande passante de 800 MHz en bande X, réjection de polarisation croisée>20dB correspondant à une pureté de polarisation circulaire satisfaisante (TE<2dB). Il s’agit de la première antenne à réseau réflecteur qui permette de gérer indépendamment et simultanément les deux orientations de la polarisation circulaire à la même fréquence tout en offrant des capacités de reconfigurabilité.
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Dates and versions

tel-00957819 , version 1 (11-03-2014)

Identifiers

  • HAL Id : tel-00957819 , version 1

Cite

Simon Mener. Conception d’une cellule déphaseuse pour réseau réflecteur reconfigurable à deux polarisations circulaires indépendantes. Autre. INSA de Rennes, 2013. Français. ⟨NNT : 2013ISAR0028⟩. ⟨tel-00957819⟩
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