New Circularly Polarized Matrix Antenna For Space Applications

International audiencethis paper presents a new electromagnetic approach of matrix antenna, specialized for circularly polarized space applications. The design of the proposed antenna matrix is based on small pixels which generate circular polarization field. The concept of the pixels is well demonstrated as a patent and verified for the use in antenna arrays. The design will be used for several space applications with directive and wide angle beams. Index Terms—antenna array, axial ratio, beam forming, Isoflux, Electromagnetic band gap material EBG, Frequency selective surface FSS

An agile electronically scanned EBG matrix antenna for monitoring target activity

International audienceTelecommunications, civil and military radars, RFID (Radio Frequency IDentification) and all the radiating systems are evolving towards the spatial agility that associates « range » and « coverage ». In this context, this article describes and demonstrates an experimental prototype to show the reliability and efficiency of the EBG matrix antenna theoretical aspect, for beam forming and beam steering applications

Optimisation des antennes MARPEM (Matrice agile rayonnantes à pixel élaborés en Meta‐matériaux) par l’utilisation de formes d’ondes spécifique

This thesis is based on a patent done at XLIM RF-Systems. Previous thesis focuses on the ARMA theoretical part and some validation in linear polarization. In this thesis we aimed to introduce the system ARMA to the circular polarization applications in general and to space applications especially. In the entire thesis circularly polarized ARMA with different architecture are achieved with the design of polarization circuits and power dividers. Beam forming of the wide Isoflux pattern with the axial ratio are presented, also scanning beams are achieved for far angles with good axial ratio. All the results are compared with the classical array antenna AESA. Manufacturing of circularly polarized ARMA and the polarization circuits and the power divider are done and the corresponding measurements are presented. Then in the perspectives different challenges are expected to be in a future work for enhancement of the whole ARMA system.Cette thèse est basée sur un brevet réalisé chez XLIM Systèmes RF. La thèse précédente se concentre sur la partie théorique MARPEM et une certaine validation en polarisation linéaire. Dans cette thèse, nous avons visé à introduire le système MARPEM aux applications de polarisation circulaire en général et aux applications spatiales en particulier. Dans toute la thèse, MARPEM à polarité circulaire avec une architecture différente est réalisée avec la conception de circuits de polarisation et de diviseurs de puissance. On présente la formation de faisceau du motif Isoflux large avec le taux d'ellipticité, ainsi que des faisceaux de balayage sont réalisés pour grand azimut angles avec un bon taux d'ellipticité. Tous les résultats sont comparés à l'antenne réseau classique AESA. La fabrication de MARPEM à polarité circulaire et les circuits de polarisation et le diviseur de puissance sont effectués et les mesures correspondantes sont présentées. Ensuite, dans les perspectives, on s'attend à des défis différents dans un travail futur pour l'amélioration de système MARPEM

Optimization of Antenna ARMA (Agile Matrix Antenna radiating by pixel elaborated with Meta-material) For beam forming for the RFID and Radar Applications

Cette thèse est basée sur un brevet réalisé chez XLIM Systèmes RF. La thèse précédente se concentre sur la partie théorique MARPEM et une certaine validation en polarisation linéaire. Dans cette thèse, nous avons visé à introduire le système MARPEM aux applications de polarisation circulaire en général et aux applications spatiales en particulier. Dans toute la thèse, MARPEM à polarité circulaire avec une architecture différente est réalisée avec la conception de circuits de polarisation et de diviseurs de puissance. On présente la formation de faisceau du motif Isoflux large avec le taux d'ellipticité, ainsi que des faisceaux de balayage sont réalisés pour grand azimut angles avec un bon taux d'ellipticité. Tous les résultats sont comparés à l'antenne réseau classique AESA. La fabrication de MARPEM à polarité circulaire et les circuits de polarisation et le diviseur de puissance sont effectués et les mesures correspondantes sont présentées. Ensuite, dans les perspectives, on s'attend à des défis différents dans un travail futur pour l'amélioration de système MARPEM.This thesis is based on a patent done at XLIM RF-Systems. Previous thesis focuses on the ARMA theoretical part and some validation in linear polarization. In this thesis we aimed to introduce the system ARMA to the circular polarization applications in general and to space applications especially. In the entire thesis circularly polarized ARMA with different architecture are achieved with the design of polarization circuits and power dividers. Beam forming of the wide Isoflux pattern with the axial ratio are presented, also scanning beams are achieved for far angles with good axial ratio. All the results are compared with the classical array antenna AESA. Manufacturing of circularly polarized ARMA and the polarization circuits and the power divider are done and the corresponding measurements are presented. Then in the perspectives different challenges are expected to be in a future work for enhancement of the whole ARMA system

Caractérisation magnétique basse fréquence par la méthode de nappe de courant (conception et fabrication d'un prototype composé de couches minces de Cu et de YIG élaborées par pulvérisation cathodique RF)

Les matériaux type ferrite sont largement utilisés de nos jours dans les composants électromagnétiques de nature très diverse (inductances, transformateurs, têtes d'enregistrement...). Dans un contexte permanent de réduction de dimensions des composants et d'amélioration de leurs performances, les nouveaux matériaux magnétiques notamment en couche mince attirent l'attention. Ce travail s'intéresse donc à la réalisation d'une micro-inductance à base de couches minces de ferrites (YIG) et à sa caractérisation magnétique basse fréquence (f<1MHz) dans le but de déterminer la valeur de la perméabilité relative initiale r de ces couches. L'étude présentée débute par un état de l'art sur les différentes techniques d'élaboration de couches minces et les méthodes de détermination de r. Un choix d'une méthode de caractérisation (méthode de nappe de courant) est par la suite adopté. Avant de réaliser les échantillons, un banc de mesure 4 pointes est mis en œuvre et validé sur des composants passifs du commerce L et C. Ce banc a mené à un protocole des mesures et un protocole d'évaluation des incertitudes de mesure. Un travail consacré à l'élaboration des couches minces (association de Cu et de YIG sur un substrat) et à leur caractérisation par diverses méthodes, est réalisé. Après avoir étudié l'influence des différents paramètres sur les propriétés morphologiques, magnétiques et cristallographiques des couches, un protocole de réalisation permettant d'obtenir des multicouches présentant de bonnes propriétés magnétiques et mécaniques est mis en place. Deux types de prototypes sont fabriqués (un avec des couches épaisses commerciales et un autre avec des couches minces élaborées au laboratoire DIOM). La comparaison entre les résultats de simulations et expérimentaux dans le cas avec des couches épaisses a permis de valider et d'analyser les limites de la méthode adoptée. Cette étude a permis de définir les caractéristiques dimensionnelles des micro-inductances à couches minces de YIG et d'extraire une valeur r (autour de 32) après la comparaison entre les simulations et les expérimentationsThe ferrite materials are widely used today in the electromagnetic devices of different applications (inductors, transformers, recording heads...). In a permanent context of reduction in size of components and improving their performance, new magnetic materials including thin films makes interest. Therefore this work concern the realization of a micro-inductor based on ferrite thin film (YIG) and its magnetic characterization at low frequency (f<1MHz) to determine the value of the initial relative permeability r of these films. This study begins by presenting the different elaboration techniques of thin films and the methods to determine r. A choice of characterization method (current sheet method) is then adopted. Before preparing the samples, a bench of 4 probes is employed and verified for passive components on L and C. This bench has led to a protocol of measurements and a protocol for evaluating the uncertainty measurement. A work devoted to the elaboration of multilayer (Cu and YIG on substrate) and their characterization by various methods is made. After studying the influence of various parameters on the morphological, crystallographic and magnetic layers, a protocol of developping a sample to obtain multilayers with good magnetic and mechanical properties is established. Two types of prototypes are produced (with a commercial thick layer and with thin films prepared in the DIOM laboratory). The comparison between simulation and experimental results in the case of thick layers is needed to validate and analyze the limitations of the adopted method. This study has identified the dimensional characteristics of micro-inductors, thin films of YIG and extracts a value of r (around 32) after the comparison between simulations and experimentsST ETIENNE-BU Sciences (422182103) / SudocSudocFranceF

Etude des potentialités de couches minces sol-gel dopées par des nanoparticules magnétiques pour la réalisation de composants magnéto-optiques intégrés

Le travail de thèse est consacré à l'étude des potentialités magnéto-optiques de couches minces élaborées par voie sol-gel organique-inorganique et dopées par des nanoparticules magnétiques dans le but de réaliser des composants à effet non réciproque en configuration guidée tel que l'isolateur optique. Le choix de la voie sol-gel se justifie par sa qualité de chimie douce et son aptitude à élaborer des guides de faible indice pour une épaisseur ajustable. L'intérêt porté aux nanoparticules magnétiques s'explique par l'effet magnéto-optique intéressant qu'elles présentent. La finalité de la thèse consiste à réaliser la conversion entre les modes TE-TM. Deux paramètres doivent donc être contrôlés finement pour obtenir un guide d'onde planaire ayant des effets magnéto-optiques intéressants : la biréfringence modale et la rotation de Faraday. Les résultats obtenus montrent une très forte potentialité de la matrice sol-gel dopée. Il s'agit d'une rotation Faraday spécifique de 250/cm et une biréfringence modale de 10-4 ce qui permet de prévoir potentiellement un taux de conversion s'élevant à 80 %. De plus, l'application d'un champ magnétique pendant la gélification des couches induit une forte diminution de la biréfringence ce qui permet de prévoir un accord de phase. Une conversion de mode totale est donc potentiellement réalisable. D'autre part, la courbe de la rotation Faraday présente un cycle d'hystérésis caractérisé par une rotation rémanente de 40 % de la valeur de la rotation à saturation, soit r = 100/cm. L'existence d'une telle rotation sans aucun champ appliqué ouvre la voie à la réalisation de composants auto-polarisésThe thesis is devoted to the study of the magneto-optical potentiality of thin films made of magnetic nanoparticles embedded in organic-inorganic sol-gel matrix, which can be used to develop components that have a non reciprocal effect such as optical isolator. Sol-gel gateway allows the fabrication of waveguides of low refractive index and controlled thickness. Its soft chemistry quality made the compatibility with classical integrated technology easier and especially the technology on glass. Concerning the magnetic nanoparticles, they are used to give to the sol-gel matrix an interesting magneto-optical effect. The purpose consists to realize the TE-TM mode conversion. Therefore, two parameters must be controlled : the modal birefringence and the Faraday rotation of the material. Results show that the sol-gel matrix doped with magnetic nanoparticles have an interesting potentiality illustrated by a specific Faradray rotation around 250/cm and a modal birefringence of 10-4. The combination between these two values allows a conversion rate up than 80 %. In addition, the application of an orthogonal magnetic field during the sol-gel gelation phase induces a decrease of the mode birefringence which allows the possibility to realize a phase matching and a totally efficient mode conversion. Furthermore, the Faraday rotation curve possess a hysteresis phenomena which is characterized by a spontaneous effect around 40 % of the magnitude of the saturated Faraday rotation, that is r = 100/cm. The existence of the residual Faraday rotation without any applied magnetic field opens the way to realize auto-polarized componentsST ETIENNE-BU Sciences (422182103) / SudocSudocFranceF

Caractérisation basse fréquence de ferrofluides et de couches minces magnétiques entourées par une nappe de courant, selon un design original

Au cours de cette thèse j'ai d'abord étudié les propriétés magnéto-diélectriques de ferrofluides (essentiellement les variations de leur permittivité en présence d'un champ magnétique continu) puis la perméabilité de ces liquides magnétiques en utilisant la méthode du tore fendu. Parmi les objectifs du DIOM figure la réalisation de composants passifs hyperfréquences en couches minces. Celles-ci peuvent être obtenues au Laboratoire par pulvérisation cathodique radio-fréquence. Il est nécessaire de connaître leur perméabilité. Les méthodes décrites jusqu'ici dans la littérature sont bien adaptées à la mesure de couches à perméabilité élevée. La boucle de mesure, entourant la couche magnétique avec son substrat, est sensible à la contribution des deux milieux. Je propose une technique de mesure inductive ne prenant en compte que les caractéristiques de la couche déposée où la boucle de mesure n'entoure que la couche. Cette technique a été validée à plus grande échelle et des mesures préliminaires ont été effectuées sur des couches minces de BaM et de YIG déposées sur un substrat d'alumine. Ces mesures m'ont permis de détecter les différentes difficultés et sources d'erreurs et de les résoudre. Les dimensions du prototype sont relativement grandes (2cm X 5cm) ce qui, étant données les dimensions de la cible dont le diamètre est de 75mm, entraîne une certaine variation du profil de l'épaisseur des couches ; mais des essais n'utilisant que quelques rubans proches d'un bord de l'échantillon ont montré que cela n'entraînant pas d'erreur prohibitive. Ainsi une perméabilité relative voisine de 25 (YIG) est mesurable avec une précision de l'ordre de plus ou moins 10%During this thesis I initially studied the magneto-dielectric properties of ferrofluids (primary variations of their permittivity in the presence of a d-c magnetic field) then the permeability of these magnetic liquids by using the method of the split torus. Among the objectives of DIOM laboratory is the realization of ultra high frequencies passive components with thin layers. Those can be obtained at the Laboratory by radio frequency cathodic sputtering. It is necessary to know their permeability. The methods described up to now in the literature are well adapted to measurement of layers with high permeability. The measurement loop, surrounding the magnetic layer with its substrate, is sensitive to the contribution of both media. I propose an inductive measurement technique taking into account only the characteristics of the layer desposited where the loop surrounds exclusively the layer. This technique was validated on a large scale and preliminary measurements were carried out on thin layers of BaM and YIG deposited on alumina substrate. These measurements enabled to detect the various difficulties and sources of error and to solve them. The prototypes dimensions are relatively large (2cm X 5cm) involving, being given the dimensions of the target (75 mm diameter), a certain variation of the layers' thickness profile. However some tests involving close the edge strips showed that it didn't lead to prohibitary errors. Finally, I could measure a relative permeability of 25 for thin film of YIG, with a precision of about 10%ST ETIENNE-BU Sciences (422182103) / SudocSudocFranceF

Experimental validation of an isoflux Earth coverage with a bimode ARMA antenna on a nanosatellite

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Original design for a micro-inductance prototype characterized using a new technique of inductive measure

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