fiche résumé R. PEREIRA

Roger Pereira
Université de Rennes 1
Campus de Beaulieu, Bât. 11D
35042 Rennes Cedex, France
Tél : 02.23.23.65.83
[email protected]
Conception de cellules unitaires actives pour
antennes à réseaux réflecteurs à balayage
électronique en bande EHF
Contexte et motivations
Les opérations militaires en réseau et l’accroissement des besoins résultants en
télécommunications, nécessitent des supports de transmission à plus haut débit. Ceci
impose de décaler les informations à transmettre vers des fréquences de plus en plus
élevées. A bande de fréquence fixée, en utilisant la polarisation du champ
électromagnétique, il est également possible de doubler la quantité d’information qu’un
dispositif antennaire est capable d’émettre. Enfin la technologie du balayage électronique
permet de réaliser des antennes agiles sans nécessiter de déplacement mécanique.
Les travaux menés durant la thèse doivent permettre de proposer une cellule unitaire de
réseau réflecteur permettant de résoudre ces différents points.
Cellules unitaires proposées
La cellule proposée est formée de deux dipôles placés au fond d’un guide d’onde métallique
(Fig. 1-a). Des éléments de commutation placés sur ces deux dipôles permettent de
contrôler la phase du champ réfléchi. Les objectifs que doivent atteindre la cellule unitaire
sont une résolution en phase supérieure à 1,75 bit (soit presque 4 états/polarisation), une
bande passante de 5% autour de 8,2GHz, une isolation entre polarisation supérieure à 20dB
et enfin des pertes d’insertion inférieures à 1dB. Les éléments de commutation utilisés sont
des diodes PIN.
L’état de la cellule est défini par l’état de ses diodes comme décrit au Tableau 1. La
dénomination des états prend la forme Vd1d2d3-Hd1d2d3 où di=0 ou 1 (i=1,2 ou 3) selon que la
diode est bloquée ou passante respectivement. V est associé à l’état du dipôle vertical et H à
celui du dipôle horizontal.
Fig. 1-a Principe de la cellule
Fig. 1-b Cellule passive
* Seulement 4 états parmi les 16 possible
sont donnés dans ce tableau. Dans le cas
H000, toutes les diodes du dipôle horizontal
sont dans l’état bloqué
Fig. 1-c Cellule active
Tableau 1 Définition des états des diodes
Diodes sur le dipôle vertical
Nom des états*
d1
d2
d3
V000-H000
0
0
0
V010-H000
1
0
0
V101-H000
0
1
1
V111-H000
1
1
1
Pour valider ces concepts expérimentalement, dix cellules passives ont été réalisées et
mesurées (Fig. 1-b). Ces cellules permettent de remonter expérimentalement, grâce aux
symétries, aux 16 états de phase de la cellule. Les différents états sont réalisés en insérant
des courts-circuits/circuits ouverts en lieu et place des commutateurs. Les mesures sont
réalisées en guide d’onde métallique, un jeu de court-circuit étant utilisé pour le calibrage de
l’analyseur de réseau vectoriel (Fig. 2). Le coefficient de réflexion Svv de la cellule est mesuré
dans le plan de la discontinuité ; il correspond au coefficient de réflexion obtenu pour la
polarisation verticale quand la cellule est éclairée selon une polarisation également verticale.
On peut remarquer le très bon accord entre les simulations et les mesures aussi bien en
amplitude qu’en phase (Fig. 3). La cellule unitaire possède ainsi quatre états de phase
distincts autour de 8,2GHz, et ceci sur une bande passante de l’ordre de 5%. Le nombre de
bits équivalent atteint 1,97. Les pertes d’insertion restent faibles : elles sont inférieures à 0,3
dB. L’isolation entre les deux polarisations orthogonales est assurée par la symétrie de la
cellule. Ces résultats valident nos travaux.
Fig. 2 Dispositif expérimental de mesure
Fig. 3 Réponse fréquentielle en phase et
amplitude de la cellule passive (état du brin
horizontal - H000)
Travaux en cours
Le passage d’une cellule passive à une cellule active impose de modifier en partie la
topologie de la cellule (Fig. 1-c). Le problème du croisement des diodes centrales est résolu
en insérant un trou métallisé au centre de la cellule ; le nombre de diodes par polarisation est
ainsi passé de 3 à 4. Le découplage des tensions de polarisation est assuré par l’ajout d’une
coupure sur les patchs triangulaires (Fig. 1-c). Cette coupure – nécessaire en régime continu
(DC) – est masquée en HF par l’ajout de motifs triangulaires métalliques situés au-dessous
(à 38µm). Enfin, les tensions de polarisation des diodes sont appliquées par l’intermédiaire
de lignes fines (100µm) à méandres connectées aux deux angles inférieurs des triangles
métalliques. Les méandres permettent d’augmenter la taille électrique de la ligne tout en
maintenant une taille physique faible. L’ensemble des paramètres géométriques de cette
nouvelle cellule a enfin été optimisé.
La réalisation de la maquette active devrait permettre de confirmer les résultats attendus en
simulation.
Perspectives
Pour permettre un balayage de +/- 60° dans les deux plans orthogonaux de l’antenne, la
taille de la maille de la cellule unitaire doit être réduite. Ceci peut être réalisé en insérant
dans le guide d’onde un diélectrique de permittivité élevée.
L’utilisation d’éléments de commutation de type MEMS peut également permettre de réduire
les pertes de la cellule unitaire active et également la consommation.