Soutenance mémoire
La téléphonie connaît son taux de croissance le plus fort depuis dix ans. Dans ce secteur des télécommunications, les communications mobiles et sans fil représentent actuellement des domaines extrêmement porteurs.
Notre statut de citoyen du monde a induit des changements profonds dans nos habitudes et notre consommation. L’apparition de nouvelles technologies (GSM, DCS, UMTS,…) nous permet désormais de vivre et de travailler autrement. Communiquer de façon quasi instantanée, partager, échanger des informations grand public ou confidentielles, personnelles ou professionnelles d’un bout à l’autre de la planète font partie de notre quotidien. Grâce à un ensemble de services associés à la téléphonie permettant la transmission et la gestion de données tels les communiqués de presse et les mails, les réservations et les achats en ligne, les transactions bancaires et le système de géolocalisation…, la logistique d’une grande partie de notre vie tient désormais dans notre main.
Voilà pourquoi la téléphonie mobile doit s’adapter à la transformation de notre monde. Ainsi, une nouvelle norme quatrième génération 4G LTE (Long Term Evolution), dérivée des normes 3G UMTS, comprenant de nombreuses améliorations portant sur le débit de transmission des données, est en cours de déploiement. Aujourd’hui le réseau 4G est utilisé sur deux bandes de fréquences, 800MHz et 2600MHz. Il apparaît incontournable de concevoir un système de communication répondant à l’ensemble des normes présentes et des normes à venir. Dans ce cadre bien précis des besoins de la téléphonie, l’objectif de notre laboratoire de recherches consiste à réaliser une antenne aux dimensions réduites, conforme aux standards actuels, capable de répondre aux nouvelles exigences liées à la 4G et d’autoriser son intégration dans l’architecture d’un terminal mobile. Optimiser les dimensions et les performances radioélectriques des antennes utilisées dans le domaine des liaisons sans fil (téléphonie mobile, RFID, communications WLAN, Wifi, Bluetooth, communications de type ULB), concevoir des antennes multi ou large bande voire ultra large bande, généralement omnidirectionnelles en termes de rayonnement, demeure l’une des orientations principales fixées par notre laboratoire.
Antennes élémentaires pour la téléphonie mobile
Dans ce chapitre, nous présenterons les structures de base utilisées dans la téléphonie mobile. L’augmentation du nombre des services proposés aujourd’hui rend légitime la recherche et la réalisation d’antennes très large bande et multi bandes. Elle rend aussi incontournable la miniaturisation des mobiles et la réduction des coûts de fabrication. Cependant les antennes régies par les lois de l’électromagnétisme ne peuvent bénéficier des mêmes procédés de miniaturisation et des mêmes principes d’évolution que ceux appliqués dans la fabrication des transistors. Le gain et l’efficacité atteindraient en effet vite leurs limites théoriques.
L’avènement de la nouvelle norme 4G nécessite de fait de reconsidérer la conception et la réalisation des antennes dans leur ensemble. Dans ce sens, nous présenterons succinctement les antennes filaires (l’antenne dipôle servant très souvent de référence), l’antenne monopôle, les antennes patchs et les antennes de faibles dimensions, chacune d’elles offrant des caractéristiques intéressantes aussi bien sur l’intégration dans le terminal mobile que sur les performances large bande ou ultra large bande.
Les antennes filaires
Les antennes filaires, antennes de référence, sont les plus anciennes des antennes. La dimension de ces conducteurs est faible par rapport à la longueur d’onde. Les densités de courant à la surface de ces éléments sont considérées comme linéaires. La distribution du courant le long du fil est relative à la dimension de la structure et à la longueur d’onde du signal. A partir de ce constat ont été élaborées les théories du dipôle demi-onde et du monopôle quart-d’onde. L’antenne dipôle (demi-onde) dont la longueur est sensiblement égale à la moitié de la longueur d’onde du signal à émettre est un cas particulier. En effet, si nous considérons la distribution du courant le long d’un dipôle de longueur d en fonction du rapport d/λ, nous constatons que l’intensité maximale du courant se retrouve dans ce cas-là (et pour ses multiples impairs) au niveau des points de l’excitation puis décroît jusqu’à ses extrémités .
L’antenne demi-onde est une antenne simple à réaliser. Ses propriétés théoriques font d’elle une antenne dite de référence. Elle a aussi l’avantage de présenter un diagramme de rayonnement omnidirectionnel. Cependant, du fait de sa longueur importante, cette antenne est très rarement utilisée dans les objets communicants contrairement à l’antenne quart-d’onde fréquemment retrouvée dans les applications mobiles. Cette dernière est référencée par rapport à un plan de masse métallique parfaitement conducteur qui introduit un effet d’image, laquelle permet aux dimensions de l’antenne de passer du dipôle (λ/2) au monopôle (λ/4) . En théorie, les gains sont égaux entre les deux antennes quand le plan de masse est infini. Or, en pratique dans la téléphonie mobile, le plan de masse est considérablement réduit et le diagramme de rayonnement est ainsi légèrement modifié quand bien même il reste omnidirectionnel.
Les antennes patchs
Les antennes patchs (ou antennes imprimées) sont des antennes planaires généralement réalisées sur circuits imprimés. Elles sont couramment employées dans les communications mobiles étant donné leurs faibles dimensions et leur facilité d’intégration. Elles se composent d’un élément rayonnant, d’un plan de masse et d’un substrat diélectrique de permittivité ɛr et de perméabilité µr .
Techniques de miniaturisation et d’élargissement de la bande passante
Les antennes utilisées pour la téléphonie mobile ont subi bien évidement des transformations pour s’adapter aux nécessités du marché. Comme nous l’avons vu précédemment, ces améliorations ne cessent de se parfaire parallèlement au déploiement des normes 2G ; 2,5G ; 3G et 4G. Du fait de l’accroissement des standards à couvrir, les contraintes sur l’encombrement des antennes sont de plus en plus lourdes et les méthodes pour les minimiser de plus en plus exigeantes pour conserver ou donner aux antennes une taille réduite. Cet accroissement a eu pour corollaire la réalisation d’antennes large bande et multi-fréquences. La bande attribuée au LTE est de 61MHz pour la bande basse entre [790 – 821MHz] et [832 – 862MHz] et de 140MHz pour la bande haute entre [2500 – 2570MHz] et [2620 – 2690MHz]. Dans cette application, les antennes doivent être large bande et multi bandes, et de rayonnements contrôlés. L’objectif majeur étant de trouver un compromis acceptable entre les performances (adaptation, rayonnement), l’encombrement et le coût. En effet, la réduction de la taille d’une antenne se traduit par une adaptation difficile et une baisse de l’efficacité, une réduction importante de la bande passante et une dégradation du diagramme de rayonnement.
Caractéristiques des antennes miniatures – facteur de qualité
A la différence des composants électroniques, les performances d’une antenne dépendent de ses dimensions par rapport à la longueur d’onde. Pour une application donnée, plus l’antenne est petite, moins elle est efficace. En théorie, une antenne est définie comme électriquement petite si elle est contenue dans une sphère de rayon inférieur à la distance λ/2π [I.6]. Comme nous l’avons évoqué précédemment, lors de la définition des différentes régions du champ électromagnétique, cette distance λ/2π correspond à la transition entre le champ proche et le champ lointain. En pratique, une antenne est qualifiée de petite si ses dimensions sont inférieures à λ/4 .
Dans les années 1940, Wheeler et Chu ont établi, pour une antenne électriquement petite, une relation liant le facteur de qualité, caractérisant la sensibilité d’une antenne à la réception, à la taille maximale de l’antenne. Une antenne électriquement petite a par définition un coefficient de qualité élevé et donc une bande passante étroite (quelques %).
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Table des matières
Introduction
Chapitre I: Les antennes et leurs paramètres fondamentaux
I.1. Définition d’une antenne
I.2. Les caractéristiques radioélectriques
I.2.1. L’impédance d’entrée
I.2.2. Le coefficient de réflexion
I.2.3. Le rapport d’onde stationnaire
I.2.4. La fréquence de résonance et la bande passante
I.2.5. Les régions du champ électromagnétique
I.2.6. Le diagramme de rayonnement, le gain et la directivité
I.2.7. L’efficacité de rayonnement et l’efficacité totale d’une antenne
I.3. Antennes élémentaires pour la téléphonie mobile
I.3.1. Les antennes filaires
I.3.2. Les antennes patchs
I.4. Techniques de miniaturisation et d’élargissement de la bande passante
I.4.1. Introduction
I.4.2. Caractéristiques des antennes miniatures – facteur de qualité
I.4.3. Techniques de miniaturisation
I.4.3.1. Substrat à haute permittivité
I.4.3.2. Les métamatériaux
I.4.3.3. Ajout de court-circuit – antennes PIFA
I.4.3.4. Repliement des éléments
I.4.3.5. Ajout de fentes dans l’élément rayonnant
I.4.3.6. Utilisation de structures fractales
I.4.4. Création de nouvelles résonances et techniques d’élargissement de bande
I.4.4.1. Ajout de fentes rayonnantes dans l’élément
I.4.4.2. Insertion d’éléments parasites
I.5. Généralités sur les antennes Ultra Large Bande (ULB)
I.5.1. Antennes indépendantes de la fréquence
I.6. Conclusion
I.7. Références
Chapitre II: Théorie et principes des antennes auto-complémentaires
II.1. Principes mis en œuvre
II.1.1. Principe de Babinet
II.1.2. Principe transposé sur les antennes
II.1.3. Impédance d’entrée des structures complémentaires
II.1.4. Techniques pour améliorer la bande passante sur structure finie
II.2. Application sur une antenne monopôle
II.2.1. Outil de simulation
II.2.2. Principe de fonctionnement
II.2.3. Géométrie
II.2.4. Etude du monopôle sur plan de masse infini
II.2.4.1. Impédance d’entrée du monopôle simple sur PCB infini
II.2.4.2. Coefficient de réflexion du monopôle simple sur PCB infini
II.2.4.3. Efficacité totale du monopôle simple sur PCB infini
II.2.4.4. Impédance d’entrée du monopôle AC sur PCB infini
II.2.4.5. Coefficient de réflexion du monopôle AC sur PCB infini
II.2.4.6. Efficacité totale et rayonnée du monopôle AC sur PCB infini
II.2.5. Etude du monopôle sur plan de masse fini
II.2.5.1. Analyse du monopôle simple – Cas (a)
II.2.5.2. Analyse du monopôle AC – fente fermée sur PCB fini – Cas (b)
II.2.5.3. Analyse du monopôle AC – fente débouchant sur PCB fini – Cas (c)
II.2.6. Etude de la non parfaite auto-complémentarité sur PCB fini
II.3. Conclusion
II.4. Références
Chapitre III: Antennes IFA et IFA-AC
III.1. Antenne IFA
III.1.1. Géométrie de l’antenne IFA étudiée
III.1.2. Etudes paramétriques sur l’antenne IFA
III.1.2.1. Distance entre le court-circuit et l’alimentation
III.1.2.2. Largeur du court-circuit
III.1.2.3. Largeur du brin au-dessus de l’alimentation
III.1.2.4. Largeur du brin rayonnant
III.1.3. Caractéristiques radioélectriques de l’antenne IFA de référence
III.1.3.1. Impédance d’entrée de l’antenne IFA simple optimisée
III.1.3.2. Coefficient de réflexion de l’antenne IFA simple optimisée
III.1.3.3. Efficacité totale de l’antenne IFA simple optimisée
III.1.3.4. Diagrammes de rayonnement de l’antenne IFA simple optimisée
III.2. Antenne IFA Auto-Complémentaire (IFA-AC)
III.2.1. Techniques d’alimentation
III.2.2. Excitation entre le brin d’alimentation de l’antenne IFA et les parties B et C reliées – Cas (a)
III.2.3. Excitation entre le brin d’alimentation de l’antenne IFA et la partie C du PCB – Cas (b)
III.2.4. Excitation entre le brin d’alimentation de l’antenne IFA et la partie B du PCB – Cas (c)
III.3. Conclusion
III.4. Références
Conclusion
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