Nouvelles Architectures d’Antennes avec Système Simplifié d’Alimentation – NA²S²A

Le projet NA²S²A se positionne sur le développement d’une nouvelle architecture d’antenne reconfigurable à circuit d’alimentation simplifié. Il s’inscrit dans le contexte des systèmes de communications de type 5G et SATCOMs où les besoins de formation de faisceaux sont associés à des problématiques d’efficacité énergétique, d’encombrement et de coût. Ces secteurs sont amenés à se développer, et dans le cas des SATCOMs, une forte dualité civile et militaire existe par l’intermédiaire des drones et des véhicules pouvant embarquer des antennes reconfigurables sur leur toit.
L’état de l’art montre que la complexité des antennes reconfigurables électroniquement réside essentiellement dans la mise au point du circuit de formation de faisceaux (BFN). Il est connu que les couplages impactent le niveau de TOS actif de ces antennes. Pour éviter ce problème, la solution la plus courante consiste à intercaler un circulateur entre chaque élément rayonnant et le circuit d’alimentation pour dissiper les ondes réfléchies et éviter une détérioration de la chaîne RF en amont. Cette solution implique néanmoins plusieurs inconvénients majeurs :
- L’efficacité globale du système est amoindrie étant donné que le problème est contourné, sans être résolu. Le système est souvent surdimensionné pour compenser les pertes, en fonction de l’application ;
- Le BFN est alors très complexe, avec des éléments supplémentaires qui augmentent sa masse, sa consommation et son encombrement.
Pour lever ces verrous, l’architecture proposée dans NA²SA² consiste à ne pas alimenter l’ensemble des voies RF comme dans les réseaux conventionnels. L’idée repose sur l’hybridation de concepts issus des antennes à éléments parasites et des réseaux lacunaires, afin d’optimiser la surface effective de l’antenne, tout en minimisant le nombre d’éléments connectés au BFN. Cette stratégie de réduction du nombre de contrôles existe déjà sur les réseaux lacunaires. A la différence de ceux-ci, nous proposons une approche où les lacunes (absences d’éléments) sont remplacées par des éléments alimentés par couplages électromagnétiques, de la même façon que pour une antenne à éléments parasites. L’originalité de ce concept repose sur les éléments parasites, qui sont chargés par des impédances réactives, passives ou pilotables, et qui contribuent à la formation d’un ou plusieurs diagrammes de rayonnement, fixes ou reconfigurables, ou bien à la génération de fonctions avancées (orthogonalité de faisceaux, fonctionnements bibandes). Les charges associées à ces éléments parasites sont synthétisées pour contribuer simultanément à l’optimisation d’un objectif de rayonnement et à une contrainte de TOS actif.
Cette approche offre la possibilité de s’affranchir des circulateurs par une connexion directe sur les chaînes amont du BFN (amplificateurs, filtres). Il est de plus possible d’optimiser conjointement les points de fonctionnement des amplificateurs et les performances de l’antenne pour obtenir un compromis très intéressant entre efficacité globale (antenne + BFN), encombrement, et coût final du système. Cette réduction du nombre d’éléments actifs connectés au panneau rayonnant et l’appauvrissement de leur densité devraient simplifier la gestion thermique du réseau. Ce compromis inédit pour de telles fonctionnalités ouvre alors de nombreuses perspectives applicatives.
Un objectif du projet consiste à développer un démonstrateur de ce type, reconfigurable et bibande, pour réaliser simultanément des liens émission-réception (TX-RX) en bande Ku. Pour cela l’architecture antennaire devra s’appuyer sur des charges réactives pilotables bibandes et sur la possibilité d’optimiser le rayonnement, tout en limitant les TOS actifs sur les accès alimentés par des amplificateurs de puissance (PA) sachant fonctionner sur des impédances de charges complexes et variables.