Electromagnetic simulation of surrounded active cells - Application to the analysis and synthesis of a reconfigurable reflectarray with electronic beam scanning
Modélisation électromagnétique de cellules actives environnées - Application à l'analyse et la synthèse d'une antenne reflectarray à balayage électronique
Résumé
Reflectarray antenna is a promising solution for space communications and radar applications as it combines attractive features of reflector and array antennas. A reflectarray consists of an array of reflecting cells fed by a horn antenna. Each cell introduces an appropriate phase-shift to the incident wave to steer the main beam in a desired direction. Thanks to the primary feed horn, the complex feed network that characterizes phased array antennas is not required anymore. This thesis focuses on the electromagnetic simulation of reconfigurable reflectarrays (RRA) with electronic beam scanning. The current simulation approaches of RRA ignore or approximate the mutual coupling effects between cells which lead to prediction errors on the radiation pattern. The simulation of RRA generates complex treatments and requires significant computation time and memory resources. The simulation challenge is to reduce the computation time while preserving high accuracy so as to optimize the radiation performances and the design process. In this context, two innovative methods have been proposed: - The first method is dedicated to the thorough analysis of the field radiated by the reflectarray. It combines the 'surrounded-element' approach developed by M.-A. Milon and the compression technique which is generally used for circuit analysis. The extension of the compression technique to compute the field radiated by active cells in their actual environment is the key contribution of the method. - The second method computes the phase responses of an active cell taking into account mutual coupling from the surrounded cells. The responses are used to select the optimal configuration of the states of the cells so as to provide a pencil beam in a specific direction. Different test cases of active arrays with PIN diodes are considered to demonstrate the performance and the applicability of the two methods for solving the electromagnetic problems associated with RRA. The validation procedure has proved that the methods offer an interesting alternative to classical approaches. The methods are applied to an X-band RRA designed by Thales Systèmes Aéroportés and the space agency CNES. This study has shown that the two methods meet the scientific and industrial objectives in terms of prediction accuracy and short computation time.
Les antennes reflectarrays constituent une solution innovante pour des applications spatiales et radars étant donné leur capacité à combiner les atouts des antennes réseaux et des antennes à réflecteur. Un reflectarray est composé d'une source primaire placée devant un réseau de cellules contrôlant les propriétés du champ réfléchi. Cette unique source alimente le réseau et évite la mise en place d'un circuit de distribution complexe et dissipatif propre aux antennes réseaux. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la simulation électromagnétique des reflectarrays à balayage électronique. Les outils actuels de simulation des reflectarrays à balayage électronique négligent ou approximent les couplages mutuels entre cellules pouvant conduire à des erreurs sur le diagramme de rayonnement. La simulation d'un reflectarray engendre, par ailleurs, des traitements complexes et des temps de calcul importants. L'enjeu de la simulation est donc de réduire les temps de calcul en conservant un haut degré de précision dans l'optique d'optimiser les performances en rayonnement et les délais de conception. Dans cette perspective, deux nouvelles méthodes ont été proposées : - La première méthode est consacrée à l'analyse fine du champ rayonné par l'antenne. Elle combine l'approche de la cellule environnée, développée par M.-A. Milon, et la technique de compression, généralement utilisée dans un contexte d'analyse de circuits. L'apport essentiel de la méthode réside dans l'extension de la technique de compression au traitement du champ rayonné pour l'analyse de cellules actives dans leur environnement réel. - La seconde méthode permet de calculer les réponses en phase d'une cellule du réseau en prenant en compte les effets des couplages mutuels issus des cellules environnantes. Ces réponses sont ensuite utilisées pour sélectionner la répartition optimale des états des cellules afin d'assurer un dépointage dans une direction. L'applicabilité de ces deux méthodes est démontrée par la simulation de différentes configurations de réseaux de cellules actives à base de diodes PIN. La bonne précision des résultats entre les méthodes proposées et des simulations de référence a montré qu'elles constituent une alternative intéressante aux approches classiques. L'exploitation des méthodes est réalisée pour l'étude d'un reflectarray à balayage électronique développé par Thales Systèmes Aéroportés et le CNES fonctionnant en bande X. Cette étude a montré que les deux méthodes répondent à des objectifs industriels et scientifiques en termes de précision dans l'estimation des performances et de temps de calcul accessibles.
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