Antennes Reconfigurables

Antennes Reconfigurables

Polarisation de l’antenne

La polarisation d’une antenne est déterminée par celle de l’onde radiée dans une direction donnée, elle est identique à la direction du champ électrique, c’est à dire à celle des brins rayonnants de l’antenne. Le plan E (électrique) est parallèle au vecteur E de l’onde émise. On parle de polarisation verticale si le plan E est perpendiculaire au sol, s’il est parallèle au sol, on parle de polarisation horizontale. Aussi le vecteur du champ électrique instantané trace dans le temps une figure. On réfère à ce phénomène simplement la polarisation du champ électrique. La figure est généralement une ellipse qui présente des cas particuliers [9].
– Si le chemin du vecteur de champ électrique suit une ligne, l’antenne est dite linéairement polarisée.
– Si le vecteur champ électrique tourne selon un cercle, elle est dite à polarisation circulaire.

Méthodes d’analyse

Plusieurs méthodes sont utilisées pour l’analyse des antennes imprimées. La plupart de ces méthodes peuvent être classés dans une des deux catégories [10] :
– Méthodes approximatives.
– Méthodes rigoureuses (Full-wave).
Les méthodes approximatives sont basées sur des hypothèses simplificatrices donc elles ont des limitations et elles fournissent des solutions moins précises. Elles sont généralement utilisées pour la modélisation des antennes à élément unique à cause de la difficulté rencontrée dans la modélisation du couplage entre les différents éléments. Cependant, elles offrent un bon aperçu physique avec un temps de calcul généralement très petit.
Les méthodes rigoureuses tiennent compte de tous les mécanismes important de l’onde et s’appuient énormément sur l’utilisation d’algorithmes numériques efficaces. Lorsqu’elles sont appliquées convenablement, les méthodes rigoureuses sont très précises et peuvent être employées pour la modélisation d’une variété d’antenne y compris les antennes réseaux. Ces méthodes ont tendance à être plus complexes et fournissent moins d’aperçu physique.
Souvent, elles nécessitent plus de calculs et donc un temps de calculs élevé.

Méthodes approximatives (analytiques)

Les méthodes approximatives prennent en compte au départ la nature des phénomènes physiques, ce qui permet d’effectuer des approximations, permettant la modélisation du modèle en question. Parmi ces méthodes, on cite :
– Le modèle de la ligne de transmission.
– Le modèle de la cavité.

Modèle de la ligne de transmission

Ce modèle est le plus simple, il représente l’antenne par deux ouvertures rayonnantes séparées par une ligne de transmission de longueur L [5]. La méthode tient compte des réflexions aux extrémités de la ligne et permet une estimation des pertes dues à la présence des ondes de surface dans le substrat diélectrique. L’intérêt de cette méthode réside dans le fait qu’elle donne des résultats assez précis sans nécessiter de moyens de calcul importants car elle ramène l’antenne rectangulaire à une structure de propagation à une seule dimension.

Modèle de la cavité

La structure imprimée peut être assimilée à une cavité fermée par deux murs électriques en bas par un plan de masse en, en haut par une plaque conductrice en, et par des murs magnétiques verticaux. Une longueur et une largeur effective sont introduites pour prendre en compte les débordements des champs sur les bords de l’antenne. Pour l’excitation, on prend pour modèle un courant électrique J parallèle à l’axe (Figure I.8) et répartie uniformément [11].
Pour calculer le champ interne à la cavité, on utilise la méthode dite de raccord de mode. Elle consiste à diviser la cavité en deux régions I et II dépourvues de sources et ensuite à résoudre l’équation de Helmholtz (sans second membre) dans chaque région. Les champs lointains sont donnés par le rayonnement des ouvertures verticales et la puissance totale rayonnée est obtenue en intégrant le champ lointain dans tout le demi-espace supérieur.

 Méthodes rigoureuses (full-Wave)

Ces méthodes sont plus rigoureuses que les précédentes et font appel à un formalisme plus compliqué conduisant à des développements numériques souvent lourds. Elles s’appliquent dans le cas où l’antenne peut être décomposée en un ou plusieurs milieux homogènes : le champ électromagnétique peut alors s’exprimer sous forme d’une intégrale surfacique ou linéique. Les méthodes évoluées sont nombreuses, les plus utilisées sont :

Méthodes des différences finies

La méthode F.D.T.D (Finite Difference Time Domain) ou la méthode des différences finies dans le domaine temporel est une approche numérique permettant la résolution des équations différentielles dans le domaine temps. Elle consiste à approcher les dérivées ponctuelles spatiales et temporelles qui apparaissent dans les équations de Maxwell par des différences finies centrées [12]. Cette méthode aboutit à un ensemble d’équations linéaires qui, une fois résolues, donne une distribution approximative du champ.
Cette méthode permet d’avoir sans grand travail analytique et dans des temps relativement courts, des résultats assez précis. Cependant, elle ne s’applique qu’à des volumes restreints du fait de la puissance de calcul qu’elle nécessite.

Méthode de la matrice des lignes de transmissions

La TLM est une méthode temporelle qui simule une propagation d’onde électromagnétique dans un milieu quelconque. Elle s’appuie sur les similitudes qui existent d’une part, entre les équations de Maxwell vérifiées par les champs électromagnétiques d’une structure et d’autre part les équations de Kirchhoff vérifiées par les courants et tensions d’un réseau de lignes de transmission [13].
La méthode TLM discrétise les équations des télégraphistes appliquées de façon locale.
Grâce à la TLM, on appelle sources de rayonnement, les noeuds du domaine de calcul maillés.
On réalise la mise en équation du problème en considérant le réseau maillé comme une série d’intersections orthogonales de lignes de transmissions. Une cellule est reliée avec ses voisines par une matrice S. Son calcul est itéré dans le temps par incrémentation, ce qui permet de suivre la propagation d’un signal dans le réseau.
La méthode TLM ne présente pas de problème de convergence ni de stabilité. Elle est cependant exigeante en place mémoire et en temps de calcul pour deux raisons principales :
– L’étude de zones où les champs électromagnétiques présentent de fortes discontinuités nécessite un maillage plus fin, ce qui entraîne l’utilisation d’espace mémoire relativement important.
– Afin de limiter le phénomène dû à une réponse temporelle tronquée, on doit recueillir un grand nombre d’impulsions sur une longue durée. Ceci nécessite un nombre d’itérations important entraînant une augmentation du temps de calcul.

Méthode des éléments finis

La méthode repose sur une formulation variationnelle du problème aux limites, qui est une expression intégrale de la solution du problème de rayonnement [14].
La méthode des éléments finis est une méthode d’approximation nodale par sousdomaine.
La région de propagation est divisée en un nombre fini, généralement grand, de sous-domaines de formes triangulaires appelés éléments. Les fonctions approchées sur chaque élément doivent satisfaire des conditions de continuité entre les différents éléments du domaine. En assemblant toutes les équations obtenues sur chaque élément, on obtient un système linéaire avec autant d’inconnues que d’équations que l’on résout par des méthodes numériques appropriées, la taille de la matrice correspond au nombre total de noeuds.

Méthodes intégrales

La représentation intégrale des champs utilise des inconnues surfaciques, les densités de courant et les fonctions de green, solutions élémentaires des équations de Helmholtz [15].
Cette méthode est bien adaptée aux problèmes ouverts car le domaine de calcul est limité à l’antenne, le rayonnement dans l’espace environnant étant pris en compte dans l’utilisation des fonctions de green.

Avantages et inconvénients des antennes imprimées

Les antennes microbandes ont de nombreux avantages comparés aux antennes microondes classiques et par conséquent plusieurs applications dans la large gamme de fréquences allant de 100MHz à 50GHz sont réalisables. Parmi ces avantages, on peut citer :
• Faible poids, petit volume, configuration planaire, faible épaisseur ;
• Faible coût de fabrication, production en masse possible ;
• Ces antennes peuvent être placées sur les missiles, les fusées et les satellites sans modifications importantes ;
• Les antennes ont de petites aires de rayonnement ;
• La polarisation linéaire comme pour le cas des antennes plaques rectangulaire et circulaire (gauche ou bien droite) est possible avec de légers changements dans la position de l’alimentation ;
• L’utilisation de deux fréquences de travail est possible ;
• Les antennes microbandes sont compatibles avec les constructions modulaires (Composants monolithiques tels que les oscillateurs, les alternateurs variables, les interrupteurs, les modulateurs, les mélangeurs, les déphaseurs et peuvent être adaptées directement sur le substrat) ;
• Les lignes d’alimentation et les circuits d’adaptation d’impédance sont fabriqués simultanément avec la structure de l’antenne. Comme les antennes microbandes ont des avantages; elles ont aussi quelques inconvénients comparées aux antennes micro-ondes classiques tels que :
• Bande passante étroite;
• Gain plus faible dû aux pertes ;
• La plupart des antennes microbandes rayonnent par un demi-plan ;
• Limitations pratiques sur le gain (au maximum à 20dB) ;
• La performance du rayonnement longitudinal est faible ;
• L’isolation entre les éléments rayonnants et l’alimentation est faible ;
• Possibilité d’excitation des ondes de surface ;
• Capacité de manipulation à faible énergie.
Néanmoins il existe des moyens substantiels qui peuvent minimiser les effets de certains de ces inconvénients : par exemple l’excitation à onde de surface peut être éliminée, en prenant des précautions lors de la conception et de la fabrication.
L’insertion d’un trou métallisé entre l’élément rayonnant et le plan de masse permet d’élargir la bande passante et de remédier aux problèmes des décharges électrostatiques et d’écoulement thermique [16].

Les applications des antennes imprimées

Vu l’explosion technologique dans la télécommunication et les recherches scientifiques continues concernant les antennes imprimés, et vu les exigences multiples dans le domaine de communication, l’utilisation des antennes micro-ondes classiques devient incapable de répondre à ces exigences. Pour cette raison, les antennes microbandes remplacent les antennes classiques dans la plupart des applications [17]. Parmi ces applications on cite :
• Les télécommunications par satellites ;
• La commande et contrôle ;
• La télémesure par missile ;
• Les équipements portatifs ;
• Les éléments d’alimentation dans les antennes complexes ;
• Les antennes d’émission utilisées en médecine ;
• Les récepteurs satellite de navigation.

Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons présenté un bref historique sur les antennes imprimées et montré le rôle et l’évolution technologique des patches, ainsi que leurs avantages et leurs inconvénients.
Nous avons présenté également quelques techniques d’alimentation, ainsi que les méthodes d’analyse les plus utilisées à des structures microbandes de forme quelconque.

Table des matières

Dédicaces
Remerciements
Résumé
Table des Matières
Liste des Figures
Liste des Tableaux
Liste des abréviations
Introduction générale
Chapitre I : Généralités sur les Antennes Imprimées
I.1 Introduction
I.2 Définition et historique des antennes imprimées
I.3 Structure d’une antenne imprimée
I.4 Techniques d’alimentation
I.4.1 Alimentation par ligne microbande
I.4.2 Alimentation coaxiale directe
I.4.3 Alimentation par couplage électromagnétique
I.4.4 Alimentation au travers d’une ouverture dans le plan de masse
I.5 Les caractéristiques des antennes imprimées
I.5.1 La directivité
I.5.2 Coefficient de réflexion
I.5.3 Impédance d’entrée de l’antenne
I.5.4 Rendement de l’antenne
I.5.5 Le gain
I.5.6 Polarisation de l’antenne
I.6 Méthodes d’analyse
I.6.1 Méthodes approximatives (analytiques)
I.6.1.1 Modèle de la ligne de transmission
I.6.1.2 Modèle de la cavité
I.6.2 Méthodes rigoureuses (full-Wave)
I.6.2.1 Méthodes des différences finies
I.6.2.2 Méthode de la matrice des lignes de transmissions
I.6.2.3 Méthode des éléments finis
I.6.2.4 Méthodes intégrales
I.7 Avantages et inconvénients des antennes imprimées
I.8 Les applications des antennes imprimées
I.9 Conclusion
Chapitre II : Les Antennes reconfigurables
II.1 Introduction
II.2 Systèmes reconfigurables
II.3 Antennes reconfigurables
II.4 Techniques de reconfigurabilité
II.4.1 Diode varicap
II.4.2 Diode PIN
II.4.3 MEMS (Système Micro électromécanique)
II.4.4 Matériaux agiles
II.5 Classification des antennes reconfigurables
II.5.1 Antennes reconfigurables en fréquence
II.5.2 Antennes reconfigurables en diagramme de rayonnement
II.5.2.1 Utilisation des diodes PIN
II.5.2.2 Utilisation de MEMS
II.5.2.3 Utilisation de photoconducteurs
II.5.3 Antenne reconfigurable en polarisation
II.6 Conclusion
Chapitre III : Étude et Conception des Antennes Reconfigurables
III.1 Introduction
III.2 Conception d’une antenne carrée multi-bandes reconfigurable en fréquence
III.2.1 Géométrie de l’antenne
III.2.2 Résultat de simulation
III.2.3 Antenne à fente fractale reconfigurable en fréquence
III.2.4 Résultats de simulation de l’antenne à fente fractale reconfigurable en fréquen
III.3 Antenne dipôle reconfigurable en diagramme de rayonnement
III.3.1 Géométrie de l’antenne
III.3.2 Résultat de simulation
III.3.3 Antenne dipôle bi-faisceau reconfigurable en diagramme de rayonnement
III.3.4 Résultats de simulation de l’antenne dipôle bi-faisceau reconfigurable en diagramme de rayonnement
III.4 Conception d’une Antenne reconfigurable en Polarisation
III.4.1 Géométrie de l’antenne
III.4.2 Résultat de simulation de l’antenne patch circulaire reconfigurable en polarisation
III.5 Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographiques

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