Étude des antennes compactes et multibandes à réseau de guides d'ondes pour les applications spatiales

Thème : Les réseaux non terrestres (NTN) sont fortement encouragés pour la prochaine génération de solutions à haute connectivité en 2030, notamment à travers l'initiative IRIS², la nouvelle constellation européenne de satellites. Ces liaisons multi-orbitales ouvriront de nouveaux paradigmes pour les infrastructures mondiales, offrant des débits de données améliorés avec une consommation d'énergie et un impact environnemental contrôlés. De grands défis apparaissent donc pour cette connectivité multi-liaisons, exploitant des liaisons multi-bandes et multi-faisceaux simultanées. La conception de modules d'antennes miniaturisés reconfigurables devrait donc proposer des technologies et des concepts disruptifs pour des solutions hautement intégrées destinées aux microsatellites haute performance. Les solutions doivent être adaptables aux systèmes de télémétrie des satellites à haut débit et en orbite basse (LEO) (bandes S à Ka) utilisés pour la détection atmosphérique (Carb-Chaser, MERLIN, MicroCarb, etc.).

Objectifs scientifiques : Les antennes multibandes, en particulier celles fonctionnant dans deux bandes, sont adaptées aux systèmes satellitaires utilisant des fréquences de liaison montante et descendante uniques pour une meilleure connectivité terrestre. Les antennes doivent être compactes, directives, présenter moins de pertes et être capables de supporter une puissance élevée. Une antenne à réseau de guides d'ondes à fentes (SWA) entièrement métallique répondant à ces exigences pose des défis importants en termes de polarisation, de couplage mutuel et de règles de conception de fabrication.

Caractère innovant : nous proposons de développer de nouvelles configurations d'antennes multibandes à port d'accès unique prenant en charge les modes large bande et multipolarisation. L'innovation portera principalement sur la technique permettant de modifier les champs des guides d'ondes afin qu'ils soient adaptés au rayonnement multibande avec la polarisation souhaitée et un minimum de ports d'excitation. Ces modifications nécessitent une modélisation unique des champs des guides d'ondes par profilage géométrique de la structure de guidage ou par perturbation innovante des géométries à l'intérieur du guide d'ondes. Une antenne SWA à port unique capable de rayonner deux fréquences ou plus à l'aide d'une architecture d'antenne simple et compacte sera étudiée en utilisant des arêtes ou des modifications géométriques conformes, qui semblent réalisables grâce à des procédés avancés de fabrication additive (impression 3D).

Positionnement par rapport à l'état de l'art : Les solutions d'antennes SWA [1] à double bande utilisent des réseaux d'alimentation complexes [2, 3, 4], rayonnant généralement dans différentes directions qui sont imparfaitement contrôlées [5, 6] avec d'importants goulots d'étranglement, pour gérer simultanément un ou plusieurs guides d'ondes d'alimentation [7, 8, 9]. La dernière solution à la pointe de la technologie [9] offre une polarisation unique pour les deux bandes et utilise un guide d'ondes large qui affecte les performances des lobes latéraux. Ce projet se concentrera sur la limitation du couplage mutuel et des niveaux de lobes latéraux de ces antennes et étendra la solution double bande au régime multibande. La diversité de polarisation sera également prise en compte.

Approche proposée : Nous proposons d'étudier la conception de structures d'antennes multibandes et multipolarisées innovantes et hautement intégrées pour les liaisons satellites ascendantes et descendantes dans les bandes S-Ku-Ka. Nous nous concentrerons sur la limitation du couplage mutuel et des niveaux des lobes latéraux, et étendrons les solutions bibandes au régime multibande, en tenant compte de la diversité de polarisation. De nouvelles structures de guides d'ondes prenant en charge un ou plusieurs modes seront étudiées, en exploitant des arêtes 3D avec des motifs géométriques. Le positionnement des fentes rayonnantes en tenant compte du couplage mutuel, du niveau des lobes latéraux et des tolérances de fabrication sera également étudié. Des études analytiques, une modélisation numérique et le prototypage pour la validation expérimentale seront envisagés pour des publications évaluées par des pairs.

Résultats attendus

1. Prototypes technologiques (guide d'ondes rayonnant à double/multiple bande avec différentes polarisations, solutions compactes à base de crêtes pour les bandes doubles/multiples, géométrie conforme à base de crêtes pour améliorer le couplage mutuel entre les fentes rayonnantes)

2. Diffusion lors de conférences internationales (IEEE APs, IMS) et d'ateliers spécialisés (avec l'ESA et le CNES)

3. Manuscrit de doctorat et soutenance de thèse

Perspectives d'avenir : Les solutions sont intégrables pour des applications spatiales, mais peuvent également être envisagées pour les communications par ondes millimétriques et sub-THz, comme dans les systèmes de détection embarqués dans les véhicules. Les arêtes ou les fentes rayonnantes peuvent être remplacées par des géométries sensibles à la fréquence inspirées de l'idée des métasurfaces.