Nouvelle topologie d’antennes multi-bandes pour applications spatiales

Nouvelle topologie d’antennes multi-bandes pour
applications spatiales

 Etudes paramétriques sur l’antenne pyramidale 

Dans cette partie plusieurs études paramétriques ont été conduites sur l’antenne pyramidale (version à base de monopoles filaires). Ces études ont principalement comme but de voir l’influence de la présence ou non et des dimensions des différentes éléments constituant l’antenne sur ses performances (adaptation/ rayonnement). Le logiciel de simulation électromagnétique utilisé est IE3D de Zeland utilisant (Méthode des Moments). Il est à noter que pour des raisons de simplicité de simulation et temps de calcul, plusieurs hypothèses ont été faites sur l’antenne pyramidale, à savoir : • Fonctionnement mono-bande (fréquence aux alentours de 1.2 GHz) • Polarisation circulaire (excitation en quadrature de phase) • Substrat diélectrique : air • Métallisation sans pertes • Guide d’onde sous coupure d’épaisseur nulle Les lignes d’amenée 50 Ω (micro-rubans) ont les dimensions suivantes : Hauteur substrat : 0.762 mm Largeur des lignes : 3.737 mm Longueur des lignes : 20 m

Analyses sur les constituants de l’antenne 

Dans un premier temps il s’agit d’explorer l’impact des différents éléments constituants de l’antenne sur sa réponse fréquentielle et ses diagrammes de rayonnement. Ceci dit, quatre configurations ont été considérées (voir Figure II.10). Figure II.10 Les quatre configurations simulées sous IE3D (a) Configuration 1 (b) Configuration 2 (c) Configuration 3 (d) Configuration 4 Chapitre II : Nouvelle topologie d’antennes multi-bandes à base de trappes/interrupteurs 36 Les dimensions essentielles des quatre configurations simulées sont résumées dans le tableau II.3.   Les dimensions des quatre configurations de la figure II.10 Les coefficients de réflexion simulés des quatre configurations de la figure II.10 sont illustrés par la figure II.11. Le tableau II.4 donne les fréquences de résonance simulées (minimum de coefficient de réflexion) pour chaque configuration ainsi que le niveau d’adaptation correspondant. Aux fréquences de résonance de ces configurations, les diagrammes de rayonnement en copolarisation et cross-polarisation sont donnés sur la figure II.12.  configurations de la Figure II.10 On constate que l’adaptation en entrée est d’autant améliorée lorsque : (1) le plan de masse est fin et (2) le guide d’onde à la coupure est absent. Toutefois, dans ce cas, comme montré par la Figure II.12, la directivité du rayonnement arrière (correspond à un angle d’élévation de ±180° en polarisation circulaire gauche par symétrie) est relativement importante. Pour un niveau de rayonnement arrière donné, il est possible de déterminer l’épaisseur du plan de masse et la longueur du guide d’onde assurant un minimum du coefficient de réflexion à la fréquence d’intérêt. 

Analyses en fonction du rayon de l’évidement 

Considérons la configuration complète représenté sur la Figure II.10 (d) et effectuons une étude paramétrique sur le rayon de l’évidement pratiqué dans le plan de masse et, par conséquent, le rayon du guide d’onde cylindrique. En effet, ce dernier constitue la continuation du guide naturellement créé par l’évidement et l’épaisseur non nulle du plan de masse. Il s’agit d’explorer l’influence de ce rayon sur performances présentées par l’antenne pyramidale. Les dimensions de la structure sont celles déjà données par le tableau II.3 pour la configuration 4 à l’exception du rayon de l’évidement (noté Ri) qui prendra les valeurs suivantes : 35 mm, 32 mm, 30 mm 28 mm, 25 mm, et enfin 20 mm. Il est à noter que la valeur du rayon de l’évidement de 35 mm constitue la valeur maximale accessible. En effet cette valeur dépend des longueurs et de l’angle d’inclinaison des monopoles rayonnants. Chapitre II : Nouvelle topologie d’antennes multi-bandes à base de trappes/interrupteurs 38 La figure II.13 représente les coefficients de réflexion simulés pour différentes valeurs du rayon de l’évidement « Ri ». Pour ces différents rayons, le tableau II.5 donne les fréquences de résonance et les niveaux du coefficient de réflexion en entrée correspondants. Figure II.13 Coefficients de réflexion simulés de la configuration 4 pour différents rayons de l’évidement Ri=35 mm Ri=32 mm Ri=30 mm Ri=28 mm Ri=25 mm Ri=20 mm Fréquence de résonance (GHz) Tableau II.5 Fréquences de résonance et niveaux d’adaptation correspondants pour différents rayons de l’évidement Aux fréquences de résonance du tableau II.5, les diagrammes de rayonnement en copolarisation et cross-polarisation de l’antenne pyramidale sont donnés sur la figure II.14. On constate que l’adaptation est la meilleure lorsque le rayon intérieur prend sa valeur maximale à savoir 35 mm. De plus, avec ce rayon, les éléments rayonnants sont plus compacts qu’avec des rayons inferieur de l’évidement (décalage de 10 % de la fréquence de résonance entre un rayon de 35 mm et 25 mm). Les diagrammes de rayonnement sont assez semblables pour les différents rayons de l’évidement avec un léger gain de pureté de polarisation pour les rayons supérieurs (voir figure II.14). Chapitre II : Nouvelle topologie d’antennes multi-bandes à base de trappes/interrupteurs 39 Figure II.14 Diagrammes de rayonnement de la configuration 4 de la Figure II.10 et pour différents rayons de l’évidement 

Analyses en fonction du rayon du plan de masse

 Procédons maintenant à une étude paramétrique sur le rayon du plan de masse noté « Re ». Les dimensions de la structure sont celles déjà données par le tableau II.3 pour la configuration 4 à l’exception du rayon du plan de masse qui prendra les valeurs suivantes : 60 mm, 70 mm, 80 mm, 87 mm, 95 mm, et enfin 110 mm. Il est à noter que le fait de descendre au dessous de 60 mm engendrera des courants surfaciques relativement importants sur les bords de l’antenne. De plus, les diagrammes de rayonnement seront perturbés par des diffractions parasites sur les bords de l’antenne. La figure II.15 représente les coefficients de réflexion simulés pour différentes valeurs du rayon du plan de masse « Re ». Pour ces différents rayons, le tableau II.6 donne les fréquences de résonance et les niveaux du coefficient de réflexion en entrée correspondants. Figure II.15 Coefficients de réflexion simulés de la configuration 4 pour différents rayons de du plan de masse Chapitre II : Nouvelle topologie d’antennes multi-bandes à base de trappes/interrupteurs 40 Re=60 mm Re=70 mm Re=80 mm Re=87 mm Re=95 mm Re=110 mm Fréquence de résonance (GHz) Tableau II.6 Fréquences de résonance et niveaux d’adaptation correspondants pour différents rayons du plan de masse Aux fréquences de résonance du tableau II.6, les diagrammes de rayonnement en copolarisation et cross-polarisation de l’antenne pyramidale sont représentés sur la figure II.16. Figure II.16 Diagrammes de rayonnement de la configuration 4 de la Figure II.10 et pour différents rayons du plan de masse On constate que l’adaptation est d’autant meilleure que le rayon du plan de masse est petit. Cependant ceci est au détriment d’un rayonnement arrière beaucoup plus élevé pour les rayons faible du plan de masse. Par conséquent, la directivité axiale (angle d’élévation de 0°) est faible pour des rayons de plan de masse réduits.