ANTENNE SPIRALE CARREE RECONFIGURABLE

Télécharger le fichier pdf d’un mémoire de fin d’études

L’antenne papillon

Il s’agit de la version planaire de l’antenne biconique [6]. L’antenne papillon est une structure symétrique, pour laquelle les courants sont concentrés principalement sur les bords. Elle présente une bande passante d’adaptation d’environ une octave. De plus, elle possède un rayonnement de type dipôle, omnidirectionnel dans le plan H. Le niveau de gain se situe entre 0 et 3dB. L’antenne papillon doit être alimentée par un balun afin de réaliser une adaptation d’impédance et de symétriser l’alimentation. Le fonctionnement des baluns progressifs sera détaillé dans la partie 1.4. Cette antenne est intéressante par sa compacité et son faible coût de réalisation. De plus, s’agit d’une antenne peu dispersive, c’est-à-dire que son centre de phase reste relativement fixe en fonction de la fréquence. La Figure 1.2 illustre une antenne papillon.

Monopôle planaire

Le monopôle peut avoir différentes formes. Il peut être circulaire, elliptique, triangulaire, trapézoïdale, rectangulaire, etc [7][8][9]. Le monopôle est imprimé sur une face substrat, le plan de masse est imprimé sur l’autre face comme l’illustre la Figure 1.3. Ce type d’antennes peut être également réalisé avec l’élément rayonnant perpendiculaire au plan de masse [10]. Les monopôles planaires possèdent une bande passante d’adaptation relative généralement supérieure à 120%. Ils possèdent un rayonnement omnidirectionnel dans le plan H, principalement aux fréquences basses de leur bande passante. Aux fréquences supérieures, le diagramme de rayonnement se déforme assez fortement. Ce type d’antennes est intéressant car elles sont faciles à réaliser, peu encombrantes et non dispersives.

Antennes directives

Une antenne directive est une antenne qui rayonne ou reçoit les ondes électromagnétiques plus efficacement dans certaines directions de l’espace. On distingue généralement deux types d’antennes ultra large bande directives : les cornets [11] et les antennes à fente à transition progressive (TSA Tapered Slot Antenna) [12][13]. Les antennes cornets n’étant pas planes, elles ne seront pas détaillées ici.
Les antennes TSA sont des antennes planes qui présentent une transition à partir d’une ligne de transmission. Cette ligne s’élargit suivant un certain profil permettant ainsi à la structure de passer progressivement de l’impédance caractéristique de la ligne à l’impédance caractéristique du vide. La transition de l’antenne peut avoir différents profils : constant (antenne CWSA), linéaire (antenne LTSA), linéaire par morceaux (antenne BLTSA) ou exponentielle (antenne Vivaldi). On distingue deux types d’antennes Vivaldi, les classiques, imprimées sur un seul plan (cf. Figure 1.4) et les antennes Vivaldi antipodales [14] (cf. Figure 1.5). Dans ces dernières, la transition est réalisée à partir d’une ligne micro-ruban ce qui permet de les alimenter par un câble coaxial classique. Pour cela, l’antenne est imprimée sur les deux faces du substrat. Les antennes TSA présentent une bande passante d’adaptation relative d’environ 150%. Elles possèdent un rayonnement longitudinal, une directivité qui augmente avec la fréquence et un niveau de gain qui peut atteindre environ 10dB. Les antennes TSA sont peu dispersives et sont donc bien adaptées pour des applications radar par exemple. Elles peuvent être également utilisées comme source primaire pour des réflecteurs large bande.

Antennes indépendantes de la fréquence et assimilées

En 1954, Rumsey a proposé la théorie de l’antenne « équiangulaire » [15], ce qui l’a conduit, quelques années plus tard, à donner une théorie générale sur les antennes indépendantes de la fréquence (AIF). Ces antennes possèdent une géométrie qui est définie uniquement par des angles. Les propriétés de l’antenne sont indépendantes de la fréquence si, par une transformation continue (de type homothétie), les dimensions relatives de l’antenne sont constantes vis-à-vis de la longueur d’onde. Pour être totalement indépendantes de la fréquence, et donc avoir une bande passante infinie, ces antennes devraient s’étendre jusqu’à l’infini. En pratique, elles sont limitées par des rayons interne et externe qui imposent respectivement les fréquences haute et basse de la bande passante. L’expression générale de la géométrie de ce type d’antennes est donnée par : = ( ) () Où ρ, θ, φ sont les paramètresθ des coordonnées sphériques, a et φ0 deux constantes et F une fonction ne dépendant que de .

Antenne log périodique

Les antennes log périodiques ont été introduites en 1959 par Duhamel et Isabell [16]. Elles sont constituées d’éléments rayonnants dont les dimensions sont liées par un facteur de proportionnalité τ. Ces éléments se répètent avec une période ln(τ), d’où l’appellation d’antennes « log périodiques ». Ces antennes sont considérées comme indépendantes de la fréquence car elles possèdent un phénomène de répétition dans leur structure. Idéalement, cette répétition doit être linéaire comme pour les antennes équiangulaires. Ici, elle est périodique ce qui implique une répétition périodique en fréquence des caractéristiques de l’antenne. De plus, la géométrie des antennes log périodiques n’est pas entièrement définissable par des angles, seule l’enveloppe de ces structures l’est. Ces antennes ne correspondent donc pas tout à fait à la définition d’une antenne indépendante de la fréquence. Il s’agit en fait d’un assemblage d’éléments rayonnants dépendants de la fréquence. Cependant, le fonctionnement de ce type d’antennes apparaît continu en fréquence, ces dernières sont donc considérées comme des antennes indépendantes de la fréquence.
Il existe principalement deux types d’antennes log périodiques, les circulaires et les trapézoïdales illustrées respectivement par la Figure 1.6 et la Figure 1.7.

Antenne spirale d’Archimède

La géométrie et les performances de l’antenne spirale d’Archimède sont relativement similaires à celles de l’antenne spirale logarithmique [21]. La principale différence est la largeur des brins qui est fixe pour l’antenne d’Archimède. L’antenne n’est donc plus indépendante de la fréquence car la géométrie de l’antenne n’est plus uniquement définie par des angles. Cependant les antennes d’Archimède sont classées dans cette catégorie car elles possèdent un comportement et des performances très similaires aux antennes indépendantes de la fréquence. L’antenne spirale d’Archimède est décrite par l’équation suivante : Où ρ0 est le rayon central et a le taux d’expansion de la spirale.
Les antennes spirales d’Archimède sont généralement constituées de deux brins auto-complémentaires. Le deuxième brin métallique est obtenu par une rotation de 180° du premier. L’auto-complémentarité est assurée si le taux d’expansion a satisfait la relation : a = 2w/π où w correspond à la largeur des brins. La Figure 1.9 illustre ce type d’antenne spirale.
Les antennes spirales d’Archimède possèdent globalement les mêmes performances que les antennes spirales logarithmiques. En effet, elles possèdent une bande passante d’adaptation supérieure à la décade, un rayonnement bidirectionnel dans le plan normal à celui de la spirale et une polarisation circulaire. De plus, la fréquence haute de fonctionnement est également déterminée par le plus petit diamètre (interne) et la fréquence basse par le plus grand diamètre de la spirale (externe). Les deux brins de l’antenne doivent être alimentés en opposition de phase grâce à un balun ultra large bande qui permet également de réaliser une adaptation d’impédance. Les antennes spirales d’Archimède sont généralement plus utilisées que les antennes spirales logarithmiques car elles sont moins encombrantes. En effet, la largeur des brins étant fixe, la spirale d’Archimède peut avoir plus de tours et donc une fréquence de fonctionnement plus basse que la spirale logarithmique pour un même espace donné.

Antenne spirale carrée

On considère dans cette partie une antenne spirale carrée auto-complémentaire à deux brins avec une largeur de brin constante [22] (cf. Figure 1.10). Ces antennes sont définies par des longueurs et non pas par des angles, elles ne sont donc pas indépendantes de la fréquence. Cependant, comme pour les antennes spirales d’Archimède, leur fonctionnement est très proche des antennes de cette catégorie.
Ce type d’antenne possède quasiment les mêmes caractéristiques qu’une antenne spirale d’Archimède, à savoir : une bande passante d’adaptation supérieure à la décade, un rayonnement bidirectionnel dans le plan normal à celui de la spirale et une polarisation circulaire. Cependant, à cause des angles droits présents dans la géométrie de l’antenne, la qualité de la polarisation se dégrade après la première octave et devient elliptique. Les antennes spirales carrées permettent de gagner en compacité par rapport aux antennes d’Archimède classiques. En effet, leur zone de rayonnement n’est plus déterminée par un cercle de diamètre d = λ/π mais par les brins de la spirale qui rayonnent lorsque leur longueur devient égale à λ/4.
Les antennes spirales carrées sont moins utilisées que les antennes spirales d’Archimède classiques. Cependant, il est plus aisé de modifier une structure carrée plutôt que circulaire afin de la rendre reconfigurable par exemple.

Antenne spirale d’Archimède

Dans cette partie nous revenons plus en détail sur le fonctionnement et les performances des antennes spirales d’Archimède. Ces antennes, dans leur version carrée, ont servi de base aux travaux de cette thèse car elles possèdent un très bon niveau d’adaptation et des caractéristiques qui restent stables en fonction de la fréquence. De plus, elles rayonnent une polarisation circulaire dans la direction normale au plan de la spirale, ce qui est imposé par le cahier des charges.

Principe de fonctionnement

Comme cela a été vu précédemment, le rayon interne de la spirale fixe la fréquence haute de fonctionnement de l’antenne et le rayon externe fixe sa fréquence basse. D’une manière générale, la zone contribuant au rayonnement d’une antenne spirale d’Archimède à deux brins se trouve sur un cercle de diamètre d = λ/π. Ceci correspond à la zone dans laquelle les courants circulant sur les deux brins de la spirale deviennent en phase. En effet, une antenne spirale à deux brins peut être considérée comme une ligne de transmission à deux brins avec un faible espacement. Ce type de lignes rayonne très peu car les courants présents sur les deux brins sont en opposition de phase. Par conséquent, le rayonnement d’un brin est annulé par celui de l’autre. Une antenne spirale à deux brins subit le même phénomène, mais grâce à l’enroulement des brins, les courants peuvent se retrouver en phase pour un certain rayon. Pour démontrer cela, considérons la spirale d’Archimède de la Figure 1.11.
Soit M un point situé sur le brin d’origine A et P, un point diamétralement opposé sur le brin d’origine B. M et P sont donc situés sur un même cercle de centre O. Soit M’, un point situé sur l’axe PM et sur le brin d’origine B et soit LPM’ la longueur de l’arc de cercle PM’. On a : LPM’ ≈ πLOM si on considère LMM’ << LOM. Les deux brins étant excités en opposition de phase, les courants sont donc également en opposition de phase en M et P. Lorsque LOM = λ/2π, on obtient donc LPM’ = λ/2. Le déphasage apporté par cet arc est donc de π. Les courants circulant sur les deux brins deviennent donc en phase aux points M et M’. La zone de rayonnement de l’antenne est donc bien contenue dans un anneau de circonférence λ. Dans cette zone, du fait de la géométrie de la structure, l’antenne rayonne deux polarisations circulaires, une RHCP et une LCHP dans la direction opposée, selon le sens d’enroulement des brins.
Le gain d’une antenne spirale croît avec la fréquence jusqu’à une valeur asymptotique lorsque d >> λ/π. En basses fréquences, lorsque le diamètre extérieur de la spirale devient petit devant la longueur d’onde, les courants ne sont pas atténués aux extrémités et sont donc réfléchis vers le centre de l’antenne. Une composante polarisée en sens inverse est donc créée et interfère avec le courant incident. Cela provoque donc une forte variation de l’impédance d’entrée de l’antenne et donc une désadaptation. De plus, ce phénomène implique une chute du gain ainsi qu’une polarisation elliptique voire linéaire. A l’inverse, si le diamètre devient grand par rapport à la longueur d’onde, une distorsion des diagrammes de rayonnement apparaît à cause de l’excitation des modes de rayonnement d’ordre supérieur. En effet, il a été montré que la zone de rayonnement de l’antenne correspond à un anneau de circonférence λ. Cette zone correspond au rayonnement du premier mode. Selon le même principe, les courants des deux brins seront à nouveau en phase dans un anneau de circonférence 3λ. Ainsi, si la spirale est assez grande tous les modes impairs supérieurs de rayonnement peuvent aussi être excités bien qu’atténués. En général, on désire exciter seulement le premier mode, la présence des autres modes de rayonnement perturbant le diagramme.

Caractéristiques de la structure

Panneau rayonnant

Cette section présente les différentes caractéristiques des deux configurations de l’antenne spirale reconfigurable présentées sur la Figure 2.5 et la Figure 2.6. Initialement, le cahier des charges de ce projet, proposé par le CNES et présenté dans l’introduction générale, imposait une fréquence basse de fonctionnement de l’antenne de 30MHz. Cependant, afin de ne pas avoir une antenne trop volumineuse et ainsi faciliter sa réalisation pour valider le concept proposé, cette fréquence basse a été remontée à 400MHz. Les antennes spirales de la deuxième configuration ont été dimensionnées afin d’occuper la plus grande surface possible et ainsi avoir une fréquence de fonctionnement la plus basse possible.
La largeur des brins et des fentes de l’antenne a été choisie de manière à ce que la spirale ait suffisamment de tours pour avoir un bon fonctionnement dans les fréquences basses de sa bande passante. Cette largeur ne doit cependant pas être trop faible pour éviter le couplage entre les brins. L’écart entre les éléments conducteurs et les parasites a été déterminé en envisageant l’intégration future d’interrupteurs de type MEMS par exemple.
Le substrat a été choisi avec une faible permittivité pour minimiser les perturbations. Son épaisseur a été déterminée parmi les dimensions standard pour ce type de substrat afin qu’il soit assez rigide pour supporter l’antenne. Un substrat de type Duroïd d’épaisseur 1,575mm et de permittivité 2,2 a donc été choisi. La présence d’un tel substrat modifie peu les performances d’une antenne spirale par rapport au cas idéal sur air. Il n’est donc pas nécessaire d’adapter les différentes dimensions de l’antenne après l’ajout du substrat.
La conception de la topologie de l’antenne et le cahier des charges proposé ont conduit aux dimensions suivantes (cf. Figure 2.5 et Figure 2.6) :
– Grande spirale : 207,5 x 207,5mm2 ;
– Petites spirales : 87,5 x 97,5mm2 ;
– Largeur des éléments conducteurs : 2,5mm ;
– Eléments parasites : 2,5 x 2mm2 ;
– Ecart entre un élément conducteur et un élément parasite : 0,25mm ;
– Substrat : 305 x 305mm2, Duroïd de permittivité 2,2 et d’épaisseur 1,575mm.
Les antennes spirales du réseau de la deuxième configuration sont mises en rotation séquentielle, chaque spirale est tournée de 90° par rapport à la spirale précédente. La Figure 2.7 illustre ce réseau avec les phases à établir au niveau des alimentations afin de compenser la rotation des sources. Cet agencement permet d’améliorer l’adaptation de l’antenne ainsi que la qualité de la polarisation circulaire [87]. Cette propriété sera vérifiée dans la section 2.4.2

Table des matières

NTRODUCTION GENERALE
1 INTRODUCTION SUR LES ANTENNES ULTRA LARGE BANDE ET LA RECONFIGURABILITE
1.1 INTRODUCTION
1.2 ANTENNES PLANES ULTRA LARGE BANDE
1.2.1 Antennes omnidirectionnelles
1.2.1.1 L’antenne papillon
1.2.1.2 Monopôle planaire
1.2.2 Antennes directives
1.2.3 Antennes indépendantes de la fréquence et assimilées
1.2.3.1 Antenne log périodique
1.2.3.2 Antenne spirale logarithmique
1.2.3.3 Antenne spirale d’Archimède
1.2.3.4 Antenne spirale carrée
1.2.3.5 Synthèse des caractéristiques des antennes ULB
1.3 ANTENNE SPIRALE D’ARCHIMEDE
1.3.1 Principe de fonctionnement
1.3.2 Performances
1.4 SYSTEMES D’ALIMENTATION EQUILIBRES
1.4.1 Balun Marchand
1.4.2 Balun progressif
1.4.2.1 Balun progressif coaxial
1.4.2.2 Balun progressif planaire
1.4.3 Coupleur hybride 180°
1.5 ANTENNE SPIRALE D’ARCHIMEDE AVEC PLAN DE MASSE
1.5.1 Présentation
1.5.2 Surface haute impédance
1.6 RECONFIGURABILITE
1.6.1 Principe
1.6.2 Reconfigurabilité en fréquence
1.6.3 Reconfigurabilité en rayonnement
1.6.4 Reconfigurabilité en polarisation
1.7 CONCLUSION
2 ANTENNE SPIRALE CARREE RECONFIGURABLE
2.1 INTRODUCTION
2.2 PRINCIPE
2.3 CARACTERISTIQUES DE LA STRUCTURE
2.3.1 Panneau rayonnant
2.3.2 Alimentation
2.4 RESULTATS DE SIMULATION
2.4.1 Première configuration
2.4.2 Seconde configuration
2.4.3 Conclusion
2.5 REALISATION
2.6 SOLUTIONS ALTERNATIVES
2.6.1 Superposition des configurations
2.6.2 Imbrication des configurations
2.7 INTEGRATION DES ELEMENTS DE RECONFIGURATION
2.8 CONCLUSION
3 AMELIORATIONS ET APPLICATION DE L’ANTENNE SPIRALE RECONFIGURABLE
3.1 INTRODUCTION
3.2 AMELIORATION DU FONCTIONNEMENT DE L’ANTENNE
3.2.1 Augmentation de la bande passante
3.2.1.1 Présentation de la solution
3.2.1.2 Reconfiguration de l’antenne spirale carrée en plan de masse
3.2.1.3 Validation par simulations
3.2.1.4 Etude sur la distance entre le plan de masse et l’antenne
3.2.1.5 Comparaison avec un plan de masse classique
3.2.1.6 Antenne spirale carrée non reconfigurée
3.2.1.7 Etude de la position de l’antenne sur le plan de masse
3.2.1.8 Structure complète
3.2.1.9 Perturbations introduites par les spirales d’Archimède
3.2.1.10 Conclusion
3.2.2 Réduction des lobes de réseau
3.2.2.1 Rappel sur la problématique des lobes de réseau
3.2.2.2 Nouvelle configuration
3.2.2.3 Fonctionnement simultané des deux premières configurations
3.3 RECONFIGURATION DU RAYONNEMENT
3.4 CONCLUSION
4 AMELIORATION DES PERFORMANCES DES ANTENNES SPIRALES EN PRESENCE D’UN PLAN DE MASSE
4.1 INTRODUCTION
4.2 PRESENTATION DU PROBLEME
4.3 PRESENTATION DE LA SOLUTION
4.4 EXPLICATION DU FONCTIONNEMENT
4.5 AMELIORATION DES PERFORMANCES
4.5.1 Placement de la croix au-dessus de l’antenne
4.5.2 Intégration d’anneaux métalliques
4.5.2.1 Utilisation d’un seul anneau
4.5.2.2 Ajout d’un second anneau
4.6 ETUDES DE L’INFLUENCE DES PARAMETRES DE LA STRUCTURE
4.7 REALISATION
4.7.1 Caractéristiques
4.7.2 Résultats de simulations
4.7.2.1 Spirale alimentée par un balun progressif
4.7.2.2 Spirale alimentée par un coupleur hybride 180°
4.7.3 Résultats de mesures
4.8 CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
ANNEXE
BIBLIOGRAPHIE

Télécharger le rapport complet