Soutenance mémoire
Ces dernières années ont vu l’émergence de nombreux standards tels que GSM (Global System for Mobile communications), UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access), Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee permettant de communiquer sans fil à l’aide de dispositifs mobiles. Un exemple significatif de l’évolution des systèmes radio peut être illustré par l’évolution très rapide de la téléphonie mobile dont la génération 4 a été illustrée par l’équation « 4G = CA5 » (Communication Anytime Anywhere with Anybody on Any device through Any network). Avec l’augmentation du nombre d’utilisateurs, des fonctionnalités, et du débit des transmissions, la radio cognitive a été proposée et le développement des architectures SDR (Software Defined Radio) ont conduit au besoin d’antennes intelligentes. Si le concept d’antenne reconfigurable n’est pas nouveau, l’intégration de composants sur les antennes dites « actives » remontant aux années 1960, il suscite un intérêt croissant dans ce contexte où des approches de radio flexible sont développées. Les antennes reconfigurables doivent être capables de s’adapter à leur environnement en modifiant leur fréquence de fonctionnement, et/ou leur polarisation et/ou leur diagramme de fonctionnement offrant alors la possibilité de réaliser une partie des fonctionnalités généralement réservées à l’étage radio ou aux traitements du signal numérique. Les travaux présentés dans ce manuscrit s’inscrivent dans ce contexte et ont pour objectif final de concevoir un prototype d’antenne reconfigurable intelligente.
Les antennes reconfigurables
Radio cognitive et antennes reconfigurables
Le développement et l’évolution rapide des technologies sans fil ont entraîné une forte demande en termes de ressources spectrales. La charte d’allocation des fréquences de l’organisme de régulation américain, la Federal Communications Commission (FCC),Le spectre radio est donc devenu aujourd’hui une ressource rare et très encombrée, au moins réglementairement. En contrepartie, des études récentes de la FCC [1] ont également montré que l’utilisation des fréquences attribuées variait beaucoup, de 15 % à 85 %, selon les zones géographiques et les moments de la journée.
Dans ce contexte, la radio cognitive est une technologie émergente en matière d’accès sans fil, visant à améliorer considérablement l’utilisation du spectre radio en permettant d’y accéder de manière opportuniste. Le concept de radio cognitive a été introduit en 1998 par Mitola [2, 3] qui le définit comme un système radio conscient de son environnement, capable de modifier son comportement pour suivre des stratégies complexes. Fin 2003, la FCC a validé ce concept en le redéfinissant avec de légères variations [4]. L’idée de la radio cognitive est de disposer d’un système qui peut interagir avec son environnement radio afin de s’y adapter, d’y détecter les fréquences libres et de les exploiter.
Plus généralement, une radio cognitive est un système radio qui opère selon le schéma suivant : observation (mesures), décision (sélection d’une configuration), exécution (reconfiguration), apprentissage (cognition). Ce cycle cognitif se réalise parallèlement avec la fonction principale du système, c’est-à-dire la communication. En matière de radio opportuniste, l’une des applications de la radio cognitive, le cycle est le suivant :
– Observation : informations sur l’état d’occupation du spectre ;
– Décision : en fonction de l’information recueillie, la radio choisit une bande de fréquence libre pour la poursuite de la communication ;
– Exécution : la radio change sa configuration (paramètres d’émission et de réception) afin de pouvoir utiliser la nouvelle bande ;
– Apprentissage : la radio tient compte de l’ensemble de ces observations et ces décisions pour anticiper, prédire voir corriger.
La radio cognitive est un domaine de recherche très vaste qui s’étend de chaque couche protocolaire jusqu’à l’interaction avec l’utilisateur. Elle tend à rendre les systèmes radio de plus en plus intelligents et autonomes. La radio cognitive est une évolution de la radio logicielle (SDR, Software Defined Radio), système complexe et reconfigurable permettant de mélanger adaptations matérielles et logicielles avec une grande flexibilité. Elle tend à y rajouter de l’intelligence artificielle et de conscience de l’environnement. Une radio cognitive peut éventuellement dialoguer avec une autre radio cognitive, optimiser les liaisons en limitant des interférences avec des utilisateurs proches, ou prendre en compte l’encombrement spectral à un instant donné, en « scannant » une large bande.
Au niveau de la couche physique, les systèmes dédiés à la radio cognitive doivent disposer à la fois d’une fonctionnalité de cognition et d’une fonctionnalité de reconfiguration. La fonctionnalité de cognition inclut la capacité à détecter des fréquences provenant de multiples bandes, de multiples normes ou de multiples canaux, afin de détecter et classifier l’occupation spectrale, et la capacité à décider des caractéristiques optimales pour établir le lien radio, cela à partir d’un certain apprentissage et raisonnement. La fonctionnalité de reconfiguration est la capacité à s’adapter à divers paramètres radio de communication tels que le standard, la fréquence porteuse, la puissance de transmission, la modulation, le codage, et cela sans avoir à changer la partie matérielle.
Dans un article invité récent [5] publié en ligne sur le site de l’IEEE Antennas and Propagation Society, le professeur Christodoulou pose la question suivante : « Pour nous antennistes, quel rôle peuvent jouer les antennes dans ce contexte ? ». Le premier constat est que l’antenne a un rôle encore plus déterminant que jamais à jouer dans ces nouveaux systèmes sans fil. Il est indispensable de disposer d’une antenne adaptée aux multiples bandes et supportant de multiples standards. L’antenne idéale doit permettre à la fois de scruter l’environnement sur une bande de fréquences large de manière isotrope, mais également de communiquer sur une bande de fréquence accordable et de largeur variable, éventuellement dans une direction précise, éventuellement en rejetant une certaine bande de fréquence, ceci afin de limiter les interférences. De plus, le système antennaire devrait être capable d’apprendre, de s’adapter et de se reconfigurer lui-même.
Rappel sur les antennes
Les antennes sont des dispositifs permettant de rayonner ou de capter les ondes électromagnétiques [7], ou, en d’autres termes, une structure de transition entre espace libre et onde guidée [8]. L’antenne d’émission transforme le courant modulé d’excitation en ondes électromagnétiques capables de se déplacer dans l’atmosphère. Tandis que l’antenne de réception convertit les ondes électromagnétiques reçues en courant susceptible d’être traité par le récepteur.
Il existe plusieurs types d’antennes qui diffèrent par leur fonctionnement, leur géométrie, et leur technologie. Il est possible d’identifier cinq familles à l’origine de l’ensemble des structures rayonnantes : les antennes filaires (comme le dipôle, le monopôle, l’antenne Yagi), les antennes à fentes, les antennes patchs (antennes à structures planaires), les antennes à ouverture (comme le cornet), et les antennes à réflecteurs (comme les paraboles).
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Table des matières
Introduction générale
CHAPITRE I : Les antennes reconfigurables
I.1. Radio cognitive et antennes reconfigurables
I.2. Rappel sur les antennes
I.2.1. Introduction
I.2.2. Les caractéristiques des antennes
I.2.2.a. Impédance, fréquence de fonctionnement et bande passante
I.2.2.b. Caractéristiques de rayonnement
I.2.2.c. Polarisation
I.3. Antennes reconfigurables : définition et technologies
I.3.1. Qu’est-ce qu’une antenne reconfigurable ?
I.3.2. Comment s’effectue la reconfigurabilité ?
I.4. Antennes reconfigurables en fréquence
I.4.1. Commutation de fréquences par diodes PIN
I.4.2. Commutation de fréquences par MEMS
I.4.3. Commutation de fréquences par photoconducteurs
I.4.4. Commutation à l’aide de charges réactives
I.4.5. Accord en fréquence à l’aide de varactors
I.4.6. Accord en fréquence par déformation mécanique
I.4.7. Accord en fréquence à l’aide de matériaux « intelligents »
I.5. Antennes reconfigurables en diagramme de rayonnement
I.5.1. Utilisation de diodes PIN
I.5.2. Utilisation de MEMS
I.5.3. Utilisation de photoconducteurs
I.6. Antennes reconfigurables en polarisation
I.6.1. Utilisation de diodes PIN
I.6.2. Utilisation de MEMS
I.6.3. Utilisation d’éléments parasites
I.7. Conclusion
CHAPITRE II : Application des algorithmes génétiques dans la conception d’antennes
II.1. Introduction
II.2. Les méthodes d’optimisation
II.2.1. Présentation générale
II.2.2. Présentation des principales métaheuristiques
II.2.3. Conclusion
II.3. Les algorithmes génétiques
II.3.1. Présentation du principe de l’algorithme
II.3.2. Représentation
II.3.3. Fonction d’évaluation (ou fonction de coût)
II.3.4. Génération de la population initiale
II.3.5. Opérateurs génétiques
II.3.6. Bilan
II.4. Premier cas d’étude : Conception et optimisation par algorithme génétique
d’une antenne Ultra Large Bande
II.4.1. Présentation de l’étude
II.4.2. Topologie de l’antenne
II.4.3. Optimisation de la topologie
II.4.4. Résultats de simulation et de mesure
II.5. Second cas d’étude : Conception et optimisation d’antennes PIFA à simple et
double accès
II.5.1. Présentation
II.5.2. Considérations sur l’optimisation par algorithme génétique
II.5.3. Antenne PIFA en forme de L à simple accès
II.5.4. Antenne PIFA en forme de L à double accès
II.6. Conclusion
CHAPITRE III : Conception d’antennes reconfigurables
III.1. Introduction
III.1.1. Présentation de la problématique générale
III.1.2. Spécifications des antennes reconfigurables développées
III.2. Rapide aperçu des structures rayonnantes principales
III.2.1. Les antennes filaires
III.2.2. Les antennes à fente
III.2.3. Les antennes patch
III.3. Étude de l’influence des diodes PIN dans la structure rayonnante de l’antenne
III.3.1. Modélisation des diodes PIN
III.3.2. Influence d’une diode PIN dans une ligne microruban
III.3.3. Influence des diodes PIN dans une fente
III.3.4. Bilan
III.4. Antenne PIFA reconfigurable à formes élémentaires
III.4.1. Structure et configuration de l’antenne PIFA proposée
III.4.2. Conception par simulation et optimisation
III.4.3. Résultats de mesure
III.4.4. Conclusion
III.5. Antenne PIFA reconfigurable en forme de 8
III.5.1. Structure proposée
III.5.2. Simulation et phase d’optimisation
III.5.3. Résultats de mesure
III.5.4. Conclusion
III.6. Conclusion
Conclusion générale
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