Antennes miniatures directives actives

Les antennes peuvent équiper des objets usuels de toutes sortes. Elles sont utilisées pour des applications diverses qui s’étendent des télécommunications à la médecine, en passant par les moyens de transport ou encore l’industrie manufacturière. Dans un contexte de généralisation des systèmes de communication sans-fil, le besoin de miniaturiser les antennes pour permettre leur intégration sur de petits objets aux fréquences UHF est croissant.

Les antennes électriquement petites, c’est-à-dire de petite taille comparée aux longueurs d’ondes de fonctionnement, font depuis de nombreuses années l’objet de travaux de développement. Les limites de leurs performances en termes de facteur de qualité, d’efficacité de rayonnement ou de bande passante ont été largement étudiées durant ces soixante dernières années. Très peu d’études portent sur la directivité des antennes miniatures et les limites physiques associées à cette propriété de rayonnement sont moins matures.

Le besoin d’établir un rayonnement directif est nécessaire dans le contexte actuel où l’évolution des objets communicants est importante. La multiplication des standards de communication peut amener à cohabiter plusieurs antennes dans le même environnement. Par exemple, de nos jours, près d’une dizaine d’éléments rayonnants peuvent cohabiter sur un même terminal mobile. Dans ce contexte, l’utilisation d’antennes miniatures directives, en focalisant le rayonnement dans les directions utiles, ouvre de nouvelles perspectives pour les applications sans-fil. Avec l’essor de l’internet des objets (IoT) et la multiplication des objets connectés ces dernières années, il est important de pouvoir réduire le rayonnement électromagnétique non-souhaité qui limite la cohabitation des systèmes sansfil.

Anténnés miniaturés diréctivés

Antennes miniatures à rayonnement directif

Antennes électriquement petites 

Les antennes miniatures font l’objet d’un intérêt particulier depuis ces 60 dernières années. Les travaux de Wheeler présentés en 1947 [1] sont à l’origine des travaux fondamentaux sur les antennes miniatures. Dans ces travaux, l’antenne est définie à l’intérieur d’un volume sphérique connu sous le nom de « radian sphere » ou sphère de Wheeler.

La sphère englobant l’antenne  permet de délimiter la transition entre l’intérieur de la sphère où l’énergie électromagnétique est stockée et l’extérieur de la sphère où celle-ci est rayonnée. Les investigations menées durant le demi-siècle passé sur les antennes électriquement petites sont essentiellement basées sur les travaux de Chu [2] et de Wheeler [1]. Ces travaux ont mis en évidence une limite fondamentale liée aux dimensions électriques des antennes miniatures. En effet, ces travaux montrent que la diminution de la taille de l’antenne a pour conséquence une bande passante étroite qui est due à un facteur de qualité ? de l’antenne élevé. Le facteur de qualité est défini pour une antenne comme le rapport entre la quantité moyenne dans le temps de l’énergie dans l’antenne (électrique We ou magnétique Wm) et la puissance rayonnée par l’antenne Pray.

Directivité des antennes miniatures 

Selon l’application considérée, le diagramme de rayonnement d’une antenne peut être décrit suivant trois catégories de rayonnement :
✦ Isotrope : le rayonnement isotrope est uniforme dans toutes les directions de l’espace et sert de référence pour calculer la directivité et le gain du rayonnement des antennes .
✦ Omnidirectionnel : rayonnement uniforme dans un plan de l’espace .
✦ Directif : éclairage localisé dans une partie de l’espace. Idéal pour des applications nécessitant une liaison point à point ou des applications exploitant une sélectivité spatiale .

Super directivité et limites associées

Dans le cadre des antennes miniatures directives, nous nous intéressons à la directivité maximale atteignable pour des antennes électriquement petites devant leur longueur d’onde. En 1958, Harrington [3] établit une limite de la directivité D maximale atteignable en fonction de la taille d’une antenne ?? :

???? = (??)² + 2(??)

Dans ce contexte de super directivité et des limites associées, les travaux [6] proposent une méthode de conception d’antennes électriquement petites à forte directivité. Cette méthode consiste à positionner des sources de dimensions infinitésimales sur une sphère dont le rayon est très faible devant la longueur d’onde et d’optimiser les courants de chaque source afin de maximiser la directivité du réseau.

Etat de l’art : antennes miniatures directives

Un état de l’art réalisé dans [7] depuis 1920 à nos jours, permet de d’identifier quatre techniques pour atteindre des directivités importantes avec des antennes compactes ou miniatures. Ces techniques sont identifiées par les antennes associées à un plan réflecteur, les sources de Huygens, les antennes chargées et les réseaux d’antennes compacts. Dans le cas des antennes miniatures avec réflecteur, on s’intéresse aux antennes associées à des surfaces méta-matériaux comme dans [8] et [9]. Ces antennes sont plus petites en épaisseur que les antennes associées à des réflecteurs métalliques. En effet une antenne sur plan métallique nécessite classiquement une distance de λ0/4 entre l’antenne et ce plan pour avoir des interférences constructives du champ ; alors que l’on peut en théorie se mettre aussi près que possible d’une surface méta-matériaux et avoir le même comportement [10]. Ce type d’antenne permet d’atteindre des directivités importantes mais restent assez volumineuses par comparaison aux autres types d’antennes miniatures directives qui n’intègrent pas de plan réflecteur.

Dans [9], l’auteur propose une structure d’antenne électriquement petite constituée d’un dipôle de type Egyptian Axe Dipole (EAD) positionnée sur un plan réflecteur magnétique à base d’Electromagnetic band-gap (EBG).

Table des matières

Introduction générale
1. Contexte de l’étude et problématique adressée
2. Objectif de l’étude
3. Organisation du mémoire
Chapitre I: Antennes miniatures directives
1. Antennes miniatures à rayonnement directif
2. Réseaux d’antennes compacts à éléments parasites super directifs
Chapitre II: Eléments Non-Foster et réalisations associées
1. Impédances négatives et éléments Non-Foster
2. Applications des éléments Non-Foster et propriétés des circuits associés
Chapitre III: Evaluation du circuit de Linvill
1. Conception et réalisation d’un circuit convertisseur d’impédance négative
2. Impacts technologiques sur les performances du NIC
Chapitre IV: Preuve de concept d’antenne miniature directive active
1. Proposition d’une architecture alternative
2. Conception et réalisation d’un circuit compact
3. Perspectives pour les antennes miniatures directives
Conclusion générale et perspectives
1. Conclusions
2. Perspectives
Annexes
Références Bibliographiques

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