Antennes en polarisation circulaire pour les applications de géolocalisation

Les récents progrès dans la miniaturisation d’objet communicants pour les systèmes de communications ont conduit à l’émergence d’une nouvelle catégorie de réseaux sans fil intelligent, tels que les réseaux sans fils de proximité (WPAN) ou les réseaux centrés sur la personne (WBAN). Ces réseaux permettent de créer un large éventail d’applications avec l’utilisation de capteurs pouvant communiquer et relever en temps réel des informations (localisation, paramètres physiologiques et environnementaux, gestion d’appel d’urgence…). Ces nouvelles applications peuvent être diverses et variées, aussi bien militaires que civiles.

LES VETEMENTS INTELLIGENTS

De la peau de bêtes aux vêtements d’aujourd’hui

Depuis des milliers d’années pour des raisons qui évoluent en fonctions des époques, les hommes ont ressenti le besoin de se vêtir avec des vêtements de toutes formes et conçus dans différents matériaux. A la préhistoire, les vêtements servaient à se protéger du froid, ils étaient confectionnés de peau de bêtes. Aujourd’hui le vêtement a évolué et est devenu un signe social et politique, et permet d’affirmer une fonction dans la société, comme par exemple les uniformes de policiers, des pompiers, des soldats, ou bien le fameux costume cravate que l’on porte lors de grandes occasions telles que la soutenance d’une thèse par exemple. Mais depuis une dizaine d’année, le mode d’utilisation a quelque peu évolué. Les vêtements admettent maintenant de nouvelles fonctions avec l’arrivée des réseaux centrés sur la personne (WBAN), telles que des applications prometteuses dans le domaine de la surveillance de la santé à distance, de la sécurité des personnes, des applications multimédia et bien d’autres. Ces applications ont une chose en commun c’est la communication à distance.

Les réseaux centrés sur la personne (WBAN)

L’augmentation de réseaux dédiés à la mobilité et la constante miniaturisation des appareils électriques a permis le développement des réseaux sans fil centrés sur la personne (WBAN). Dans ces réseaux, divers capteurs ou actuateurs sont insérés dans les vêtements, sur le corps ou sous la peau. La nature du réseau et la grande variété de capteurs offrent de nouvelles applications innovantes et pratiques cherchant à améliorer les soins de la santé ou la qualité de la vie. Les applications médicales consistent par exemple à mesurer des fonctions biologiques spécifiques (Figure I-2), comme la température, la pression artérielle, la pulsation cardiaque, l’électrocardiogramme, la respiration, … L’avantage est que le patient n’est pas obligé de rester immobile voire même alité, mais peut se déplacer librement dans sa chambre et même quitter l’hôpital.

Il existe également des applications multimédia ou de communication. Un projet d’écharpe numérique a par exemple été développé par France Telecom. Discrets, les webcams, les micros, les écouteurs, les écrans, les logiciels se fondent aux matières textiles… de la pointe du col jusqu’au cœur des boutons. Le vêtement devient donc une nouvelle interface de communication capable d’accéder à l’ensemble des services offerts par un opérateur (Internet, musique, vidéo, services 3G…). Ce concept révolutionnaire offre une continuité totale de la communication et des services audio et vidéo en situation de mobilité. Pour offrir une communication partout dans le monde, les réseaux de téléphonie mobile ne sont pas des candidats parfaits car il reste aujourd’hui plus de 85% de la surface terrestre non couverte par ces réseaux. Les communications par satellite offrent une couverture bien supérieure à travers notamment le standard Iridium.

En situation de mobilité, la géolocalisation est souvent une information cruciale. Celle-ci peut être obtenue approximativement par triangulation sur le réseau de téléphonie mobile. Cette méthode n’est cependant pas très précise à cause des multi-trajets. L’utilisation du standard GPS permettrait en revanche de connaitre avec exactitude la position en temps réel. Les réseaux centrés sur la personne sont divisés en trois catégories qui dépendent de la position des antennes par rapport au corps :

➤ Communications de systèmes ou appareil depuis l’extérieur du corps vers le corps ou communications Off-Body. Dans cette liaison le canal de propagation est l’espace environnant et une seule antenne est placée sur le corps humain,
➤ Communications sur le corps de réseaux et de systèmes portables ou communications Onbody. La plupart des canaux sont à la surface du corps et toutes les antennes sont sur le corps,
➤ Communications d’implants médicaux et de réseaux de capteurs à l’intérieur du corps ou communications In-body. Ces implants communiquent avec une antenne qui est sur le corps, le canal de propagation étant l’intérieur du corps humain.

LES ANTENNES POUR VETEMENTS COMMUNICANTS

Antennes en polarisation linéaire

Les antennes en polarisation linéaire sont les plus répandues pour les applications de vêtements communicants. Les bandes généralement visées sont les bandes du standard WIFI, ISM (930 MHz – 2,45 GHz), UHF-VHF, FM. En général, les antennes pour les bandes ISM sont destinées à extraire des propriétés physiologiques comme l’électrocardiogramme ou la température du corps. On distingue également pour ce type d’applications les antennes en deux catégories : celles dites à rayonnement directif comme par exemple les patchs, et celles à rayonnement omnidirectionnel, tel que les monopôles ou les dipôles. La différence entre ces deux est que dans le cas d’antennes directives, le corps ne va pas absorber d’énergie et ne risque pas de modifier les caractéristiques électriques des antennes (adaptation, diagramme de rayonnement, efficacité).

Les antennes monopôle ou dipôle
Les antennes dipôles ou monopôles sont caractérisées par leur diagramme de rayonnement omnidirectionnel et par leur faible facteur de qualité. Ces antennes admettent deux points faibles pour les applications textiles, à savoir leurs diagrammes de rayonnement omnidirectionnel et la proximité du corps humain. Cela peut devenir critique si l’antenne fonctionne en émission, le Débit d’Absorption Spécifique DAS pouvant devenir non négligeable. La taille des dipôles est de l’ordre de la demi-longueur d’onde, mais pour réduire les dimensions de l’antenne il est possible de faire des méandres. Dans les travaux de Psychoudakis [5], l’auteur a réalisé une antenne VHF-UHF pour une application de veste militaire. La longueur d’onde à ces fréquences étant très grande (λ0 = 1,3 m), des méandres sont ainsi réalisés pour diminuer la fréquence de résonnance. Les dimensions de l’antenne sont de λ0/4,3. Le diagramme de rayonnement mesuré à 300 MHz, présente des gains totaux de l’ordre de -15dBi, ce qui est très faible par rapport au gain obtenu avec des patchs.

Le rapport de stage ou le pfe est un document d’analyse, de synthèse et d’évaluation de votre apprentissage, c’est pour cela chatpfe.com propose le téléchargement des modèles complet de projet de fin d’étude, rapport de stage, mémoire, pfe, thèse, pour connaître la méthodologie à avoir et savoir comment construire les parties d’un projet de fin d’étude.

Table des matières

Introduction Générale
Chapitre I : ETAT DE L’ART
I.1. INTRODUCTION
I.2. LE PROJET ANR METAVEST
I.3. LES VETEMENTS INTELLIGENTS
I.3.1. De la peau de bêtes aux vêtements d’aujourd’hui
I.3.2. Les réseaux centrés sur la personne (WBAN)
I.4. LES ANTENNES POUR VETEMENTS COMMUNICANTS
I.4.1. Antennes en polarisation linéaire
I.4.1.1. Le patch
I.4.1.2. Les antennes monopôle ou dipôle
I.4.1.3. Les antennes Ultra Large Bande
I.4.1.4. Les antennes à base de Métamatériaux
I.4.2. Antennes en polarisation circulaire pour les applications de géolocalisation
I.4.2.1. Introduction
I.4.2.2. Antennes simple accès
I.4.2.3. Antenne double accès
I.5. LES SYSTEMES DE GEOLOCALISATION PAR SATELLITE
I.5.1. Généralités sur le fonctionnement des GNSS
I.5.2. Services ouvert des utilisateurs
I.5.3. Interopérabilité entre le GPS et Galileo
Chapitre II : MATERIAUX SOUPLES ET ELECTRO-TEXTILES
II.1. CARACTERISATION DE SUBSTRATS SOUPLES FAIBLES PERMITTIVITES
II.1.1. Introduction
II.1.2. Matériaux souples
II.1.3. Les propriétés des substrats diélectriques utilisés dans la fabrication d’antennes portables
II.1.3.1. Permittivité
II.1.3.2. Tangente de pertes tan δ
II.1.4. Techniques de mesure de permittivité sur des diélectriques
II.1.4.1. Technique des lignes en transmission/réflexion
II.1.4.2. Technique de mesure en espace libre
II.1.4.3. Technique par résonnance
II.1.4.4. Technique de la sonde coaxiale ouverte
II.1.5. Synthèse de la caractérisation des trois matériaux souples
II.2. CARACTERISATION DE MATERIAUX CONDUCTEURS TEXTILES
II.2.1. Les électro-textiles
II.2.2. Mesures d’électro-textiles pour des applications haute fréquence avec antenne de type patch
II.3. TECHNIQUE DE REALISATION D’ANTENNE SUR ELECTRO-TEXTILES
II.4. CONCLUSION
Chapitre III : ANTENNE DE TYPE PATCH
III.1. INTRODUCTION
III.2. LES ANTENNES EN POLARISATION LINEAIRE
III.2.1. Antenne mono-bande alimentée par ligne couplée en forme de T en polarisation linéaire
III.2.1.1. Présentation de l’antenne
III.2.1.2. Etudes paramétriques
III.2.1.3. Synthèse
III.2.1.4. Mesure du prototype
III.2.2. Antenne bibande à fentes
III.2.2.1. Alimentation par sonde coaxiale
III.2.2.2. Alimentation par ligne couplée en forme de T
III.3. LES CIRCUITS POUR L’OBTENTION DE SIGNAUX EN QUADRATURE DE PHASE
III.3.1. Les coupleurs hybrides
III.3.1.1. Le coupleur hybride mono-bande sur substrat textile
III.3.1.2. Le coupleur hybride 3 branches bibande
III.3.2. Diviseurs de puissance en quadrature à base de ligne composites main droite/main gauche
III.3.2.1. Diviseur de puissance à base de lignes CRLH réalisé avec des composants discrets
III.3.2.2. Diviseur de puissance à base de lignes CRLH réalisé avec des éléments imprimés
III.3.3. Conclusion
III.4. ANTENNES EN POLARISATION CIRCULAIRE
III.4.1. Antenne mono-bande avec alimentation par ligne couplée
III.4.2. Antenne bibande
III.4.2.1. Présentation de l’antenne
III.4.2.2. Association de l’antenne au coupleur hybride bibande
III.5. CONCLUSION
Chapitre IV : LES CONDUCTEURS MAGNETIQUES ARTFIFICIELS MULTIBANDES
IV.1. INTRODUCTION
IV.2. COEFFICIENT DE REFLEXION D’UN CONDUCTEUR MAGNETIQUE ARTIFICIEL CMA
IV.2.1. Simulation numérique par modes de Floquet
IV.2.2. Caractérisation expérimentale
IV.3. LE CMA MONO-BANDE PATCH CARRE
IV.3.1. Description de la cellule
IV.3.2. Etude modale du patch carré
IV.3.3. Influence des dimensions de la cellule sur les fréquences de résonnances
IV.3.3.1. Influence de la capacité équivalente C
IV.3.3.2. Influence sur la hauteur du substrat
IV.3.3.3. Influence des pertes du substrat sur le module de coefficient de réflexion
IV.3.4. Technique de réduction de taille du CMA
IV.3.4.1. Influence de la hauteur du substrat
IV.3.4.2. Influence de la largeur des brins de la spirale W
IV.3.4.3. Influence de l’écart g entre les brins de la spirale
IV.3.5. Conclusion
IV.4. LES CMA BIBANDES
IV.4.1. Les CMA monocouches
IV.4.1.1. Cellule de Langley
IV.4.1.2. Cellule de Langley modifiée utilisant la technique spirale de réduction de dimensions
IV.4.1.3. Cellule croix carrée
IV.4.2. Les CMA bicouches
IV.4.2.1. Cellule à deux patchs carrés superposés
IV.4.2.2. Cellule à deux spirales carrées superposées
IV.5. LE CMA TRI-BANDES
IV.6. CONCLUSION
Conclusion Générale