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UNIVERSIT´ E DE MONTR´ EAL CONTRIBUTIONS AU CONTRˆ OLE DU FAISCEAU D’ANTENNE R´

UNIVERSIT´ E DE MONTR´ EAL CONTRIBUTIONS AU CONTRˆ OLE DU FAISCEAU D’ANTENNE R´ EFLECTEUR EN UTILISANT LES SURFACES S´ ELECTIVES EN FR´ EQUENCES ET LES R´ ESEAUX R´ EFLECTEURS RACHID EL HANI D´ EPARTEMENT DE G´ ENIE ´ ELECTRIQUE ´ ECOLE POLYTECHNIQUE DE MONTR´ EAL TH` ESE PR´ ESENT´ EE EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLˆ OME DE PHILOSOPHIÆ DOCTOR (G´ ENIE ´ ELECTRIQUE) MARS 2014 c ⃝Rachid El Hani, 2014. UNIVERSIT´ E DE MONTR´ EAL ´ ECOLE POLYTECHNIQUE DE MONTR´ EAL Cette th` ese intitul´ ee : CONTRIBUTIONS AU CONTRˆ OLE DU FAISCEAU D’ANTENNE R´ EFLECTEUR EN UTILISANT LES SURFACES S´ ELECTIVES EN FR´ EQUENCES ET LES R´ ESEAUX R´ EFLECTEURS pr´ esent´ ee par : EL HANI Rachid en vue de l’obtention du diplˆ ome de : Philosophiæ Doctor a ´ et´ e dˆ ument accept´ ee par le jury d’examen constitu´ e de : M. NERGUIZIAN Chah´ e, Ph.D., pr´ esident M. LAURIN Jean-Jacques, Ph.D., membre et directeur de recherche M. WU Ke, Ph.D., membre M. PAKNYS Robert, Ph.D., membre iii ` A la m´ emoire de mon p` ere, ` A ma m` ere, ` A mes enfants Adam et Anas, ` A toute ma famille, Merci pour votre soutien... iv REMERCIEMENTS Je tiens, tout d’abord, ` a remercier chaleureusement mon directeur de recherche, Monsieur Jean-Jacques Laurin, professeur ` a l’´ Ecole Polytechnique de Montr´ eal, pour son support et sa conﬁance. Toujours disponible et ouvert, ses conseils ont ´ et´ e indispensables pour la r´ eussite de ce travail. Je remercie ´ egalement l’´ equipe de soutien du laboratoire. Merci ` a Steve Dub´ e, Jules Gauthier, Maxime Thibaut et Traian Antonescu pour leurs conseils et leurs disponibilit´ e. Merci ` a Jean-S´ ebastien Decarie pour le soutien informatique, son d´ evouement et sa dis- ponibilit´ e. Merci ` a Ginette Desparois et ` a Nathalie L´ evesque pour leurs d´ evouements envers les ´ etudiants. Je tiens ` a remercier Farid Dawalibi, Directeur de SES & Technologies, pour son soutien et ses encouragements. Finalement, je remercie ma femme Karima qui m’a soutenu pendant tous le temps qu’a dur´ e cette th` ese. v R´ ESUM´ E Les satellites utilisent g´ en´ eralement des antennes construites ` a base de r´ eﬂecteurs para- boliques. Pour couvrir une seule zone de la Terre, on utilise deux antennes de taille diﬀ´ erente pour les bandes de transmission et de r´ eception. Le contrˆ ole des faisceaux de l’antenne r´ eﬂec- teur nous permettra de combiner les deux antennes tout en maintenant la mˆ eme largeur de faisceau dans chaque bande. Ce contrˆ ole de faisceaux pourra se faire en utilisant des surfaces s´ electives en fr´ equences (SSF) ou des r´ eseaux r´ eﬂecteurs (RR). Dans le but de pouvoir utiliser des SSF pour couvrir l’ouverture de l’antenne parabolique, nous avons montr´ e les ´ etapes de la conception d’une SSF bi-bandes multi-couches (` a 20 GHz et 30 GHz). Une modiﬁcation de la g´ eom´ etrie des ouvertures de la cellule est propos´ ee pour diminuer la taille de la cellule en modiﬁant l’imp´ edance de l’´ el´ ement. Ainsi, nous avons ´ eloign´ e les lobes discordants ` a des fr´ equences hors des bandes d’int´ erˆ et et ´ evit´ e des distorsions dans la bande de fr´ equences de 30 GHz. Par la suite. nous avons opt´ e pour une SSF en deux couches identiques pour garantir une stabilit´ e de la bande passante en fonction de l’angle d’incidence. Nous avons remarqu´ e des variations brusques des coeﬃcients de transmissions de la SSF ` a environ 23 GHz. Ces ﬂuctuations sont dues ` a une excitation d’ondes de surfaces par des modes d’ordres sup´ erieurs. Dans cette ´ etude nous avons suppos´ e que la SSF est de taille inﬁnie. Ce type d’´ etude nous permet de tenir compte de l’excitation de ces ondes de surfaces. Par ailleurs, l’excitation de ces ondes de surface guid´ ees par le r´ eseau (OSGR) d’´ el´ ements ne peut se manifester que lorsque nous ´ etudions une SSF de taille ﬁnie. La diﬀraction des OSGR aux extr´ emit´ es de la SSF peut modiﬁer le diagramme de rayonnement de l’antenne. Ainsi, nous avons pr´ esent´ e et ´ etudi´ e une m´ ethode num´ erique pour analyser les SSF de tailles ﬁnies en tenant compte des OSGR. D’un autre cˆ ot´ e, nous avons pr´ esent´ e les ´ etapes de la conception d’un r´ eseau r´ eﬂecteur (RR) bi-bandes dont le but est de r´ eﬂ´ echir le signal d’une bande de fr´ equences (dans ce cas 10 GHz) vers la direction sp´ eculaire et de r´ eﬂ´ echir le signal de l’autre bande de fr´ equences (dans ce cas 15 GHz) vers une direction non-sp´ eculaire. Les mesures montrent qu’` a 10 GHz le signal est r´ eﬂ´ echi vers la direction sp´ eculaire et qu’` a 15 GHz le faisceau principal est dirig´ e vers la direction d´ esir´ ee. Cependant, ` a 15 GHz, une partie du signal est r´ eﬂ´ echie vers la direction sp´ eculaire. Ainsi, nous avons pr´ esent´ e une ´ etude approfondie de ce ph´ enom` ene de la r´ eﬂexion dans la direction sp´ eculaire par un RR con¸ cu pour r´ eﬂ´ echir vers une direction non-sp´ eculaire. En se basant sur l’hypoth` ese que ce ph´ enom` ene est dˆ u ` a une erreur p´ eriodique des phases des ´ el´ ements du RR, nous avons montr´ e que quand nous ajoutons une erreur p´ eriodique lin´ eaire aux phases d´ esir´ ees des ´ el´ ements, nous obtenons un bon accord entre notre mod` ele vi et la simulation par HFSS. Ainsi, ce mod` ele simple nous a permis d’estimer les directions des lobes ind´ esirables dues ` a cette erreur. En plus, une ´ etude de l’amplitude de cette r´ eﬂexion sp´ eculaire en fonction de la couverture du RR par les patchs m´ etalliques est pr´ esent´ ee. vii ABSTRACT The antenna systems in satellites are generally based on parabolic reﬂectors. To cover a single region of the Earth with two distant frequency bands, two diﬀerent sized antennas are used. The beam control of the aperture antenna would let us use the two diﬀerent frequencies with the same parabolic antenna system and maintain the same beamwidth for the two frequency bands. This beam control can be done using frequency selective surfaces (FSS) or reﬂectarrays (RA). In order to be able to use frequency selective surfaces to cover the aperture of the parabolic antenna, we show the steps to study a dual-band and multi-layer frequency selective surface (at 20 GHz and 30 GHz). By decreasing the cell size by changing the geometry of the elements we have delayed in frequency the appearance of the grating lobes and we avoided distortions in the frequency band of 30 GHz. Thereafter, we chose a two-layer frequency selective surfaces to ensure stability of the bandwidth as function of angle of incidence. We noticed an abrupt variation of the transmission coeﬃcients of the frequency selective surface at about 23 GHz. These ﬂuctuations are the eﬀect of the surface waves excited by higher order modes. In this study, we assume that the frequency selective surface is periodic and has an inﬁnite size. This kind of study allows us to take into account the excitation of these surface waves. Furthermore, the excitation of the array guided surface wave can occur also when we study a ﬁnite size FSS. The diﬀraction of these surface waves at the edges of the ﬁnite frequency selective surface may modify the radiation pattern of the antenna. Thus, we are presenting a numerical method to analyze large ﬁnite size frequency selective surfaces taking into account the array guided surface waves. On the other hand, we also present the steps to design a dual-band RA to reﬂect the signal of a frequency band (at 10 GHz) to the specular direction and to reﬂect the signal of the other band frequencies (at 15 GHz) to an oﬀ-specular direction. The measurements show that the 10 GHz signal is reﬂected to the specular direction and the main beam at 15 GHz is reﬂected in the desired oﬀ-specular direction. However, at 15 GHz, part of the signal is still reﬂected in the specular direction. Thereby, we present a thorough study of the specular reﬂection by a RA designed to reﬂect to a non-specular direction. Based on the assumption that this phenomenon is given by a periodic error of the phases of the RA elements, we show that when we add a linear periodic error to the desired phases, we get a good agreement between our model and the HFSS simulation. Thus, this simple model allows us to estimate the directions of undesirable sidelobes. In addition we present a study of the magnitude of the specular reﬂection as a function of the coverage of the RA by metallic patches. viii uploads/Geographie/ contributions-au-controle-du-faisceau-d-x27-antenne-r-eflecteur-en.pdf