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LES DIFFERENTES GENERATIONS DE TELEPHONIE MOBILE
Les premières générations de téléphonie cellulaire étaient de type analogique. Ces systèmes tels Radiocom2000 en France ou l’AMPS (Advanced Mobile Phone System) aux Etats-Unis n’offraient comme service que le transport de la voix et n’étaient pas très fiables : coupures fréquentes, qualité médiocre, etc. De plus les systèmes analogiques se sont heurtés à des problèmes de capacité de réseaux et à un coût relativement important. La numérisation du signal va apporter une solution à ces obstacles. On parlera alors de système cellulaire de deuxième génération (2G). Les principaux avantages de ce dernier sont:
-Une confidentialité des communications,
-Une non émission des blancs d’une communication vocale qui permet de réduire la consommation des portables et d’augmenter le nombre d’utilisateur potentiel dans une même cellule,
-La possibilité de transmission de données de toute nature (fax, video texte, fichier…),
-Les puissances d’émissions du mobile et de la station de base sont contrôlées en fonction des conditions réciproques de propagation. Trois principes de codage furent développés :
-Le TDMA (Time Division Multiple Access) permettant des capacités trois à sept fois plus importantes sur la même portion du spectre de fréquence, grâce à une répartition des accès multiples dans le temps.
-Le FDMA (Frequency Division Multiple Access) proposant une répartition multiple en fréquence.
-Le CDMA (Code Division Multiple Access) qui multiplie par vingt les capacités par rapport aux méthodes analogiques en utilisant des codes orthogonaux entre eux pour la répartition
WPAN
Le réseau personnel sans fil (appelé également réseau individuel sans fil ou réseau domestique sans fil et noté WPAN [18] pour Wireless Personal Area Network) concerne les réseaux sans fil d’une faible portée : de l’ordre de quelques dizaines mètres. Ce type de réseau sert généralement à relier des périphériques (imprimante, un agenda électronique, une souris sans fil, téléphone portable, appareils domestiques,…) ou un assistant personnel (PDA) à un ordinateur sans liaison filaire ou bien à permettre la liaison sans fil entre deux machines très peu distances. Il existe plusieurs technologies utilisées pour les WPAN : La principale technologie WPAN est la technologie Bluetooth, lancée par Ericsson en 1994, proposant un débit théorique de 1 Mbps pour une portée maximale d’une trentaine de mètres. Bluetooth, connue aussi sous le nom IEEE 802.15.1, possède l’avantage d’être trèspeu gourmande en énergie, ce qui la rend particulièrement adaptée à une utilisation au sein de petits périphériques.
TYPES D’ANTENNES POUR LES TELEPHONES MOBILES
Beaucoup de types d’antennes ont été employées dans les téléphones mobiles. Dans le passé la plupart du temps « Fouet (Whip) » et « Hélice (Helical) » (fil ou imprimé) ont été employée. Cependant, en raison des aspects esthétiques, pratiques et de vente, les antennes intégrées sont employées actuellement. Ceci est particulièrement vrai pour les petites antennes. En fait, les antennes intégrées sont plus agréable à l’œil, elles sont moins enclines aux dommages accidentels, et elles peuvent être conçue pour rayonner moins dans la direction de l’utilisateur [27]. Les éléments et les rangées d’antennes imprimées sont particulièrement appropriés à l’intégration dans les téléphones mobiles. Plusieurs types des éléments et des rangées d’antennes imprimées seront considérés. Deux approches peuvent être adoptées : La première approche mène à des antennes petites et compactes. Les types suivants d’antennes imprimées à deux bandes ou de tri-bande ont été considérés :
– Antenne monopole à trois quart de la longueur d’onde.
– Antenne branchée de monopole.
– Antenne fractale.
– Antenne à fente.
– Antenne intégrée de F inversée (IIFA).
– Antenne encochée de patch microruban.
– Antenne planaire de F inversée (PIFA).
La deuxième approche est très flexible car elle permet l’assurance de n’importe quel standard déjà existant ou future mais les antennes ne sont pas petites. Cette approche ne peut pas être employée pour concevoir des antennes pour des petits combinés. Les types suivants d’antennes imprimées ultra large bande ont été considérés :
– Antenne log-périodique.
– Antenne nœud de papillon (bowtie).
– Monopole plat anneau.
– Antenne spirale.
CARACTERISTIQUES DES ANTENNES MINIATURES
Les antennes miniatures ont cependant la particularité de présenter des performances très médiocres qui se dégradent en même temps que leurs dimensions se réduisent. En effet, la réduction de la taille d’une antenne se traduit généralement par une adaptation délicate, une réduction importante de la bande passante et une diminution de son efficacité en rayonnement.L’explication physique de ce phénomène est que la réduction des dimensions du dispositif rayonnant entraîne une augmentation de l’intensité des champs électromagnétiques au voisinage de la structure. Les phénomènes de résonance qui s’y produisent présentent alors un fort coefficient de qualité qui rend délicat l’adaptation de l’aérien et interdit l’obtention de larges bandes de fonctionnement. De plus, l’intégration de l’antenne dans un terminal de téléphonie mobile la rend sensible aux éléments constituant son environnement proche. Les matériaux métalliques et diélectriques (plan de masse de type PCB, boîtier plastique, batteries, composants) et les éléments corporels de l’utilisateur (main, tête également considérés comme des matériaux diélectriques inhomogènes sont susceptibles de perturber le fonctionnement de l’antenne en modifiant ses performances radioélectriques (impédance d’entrée, bande passante, rayonnement, efficacité). De manière générale:
-Les éléments métalliques tels que la batterie vont d’une part participer au rayonnement global de l’antenne [33] et d’autre part créer des effets capacitifs susceptibles de perturber son impédance d’entrée (réduction des bandes passantes et des fréquences de résonance, adaptation rendue plus difficile) ;
-Les éléments diélectriques, tels que le boîtier plastique constituant le terminal portatif et recouvrant complètement l’antenne, ou tels que les éléments corporels de l’utilisateur [34], ajoutent des pertes. Le rendement de l’antenne en sera réduit et les conséquences sur son impédance d’entrée seront du même type que précédemment ;
-de manière à rendre possible l’intégration d’une antenne dans un boîtier de terminal mobile, la réduction des dimensions globales de la structure rayonnante s’accompagne obligatoirement d’une diminution de la taille du plan de masse. Or les courants présents à la surface d’un plan de masse réduit ne s’atténuent plus suffisamment, créant ainsi des courants de retour importants sur la partie extérieure du câble d’alimentation. Le câble devient ainsi un élément rayonnant à part entière et si des dispositifs limitant ces courants de retour ne sont pas mis en oeuvre [35], cela peut provoquer des modifications sur le rayonnement et l’impédance d’entrée de l’antenne. Tous ces phénomènes s’expliquent de nouveau par la présence de forts champs électromagnétiques au voisinage de l’antenne miniature qui sont susceptibles de se coupler fortement avec les proches structures environnantes.Cependant, l’obligation d’utiliser un plan de masse réduit dans les applications en téléphonie mobile présente tout de même des avantages. En effet, la réduction des dimensions du plan de masse vis-à-vis de la longueur d’onde, rend le rayonnement de la structure beaucoup plus omnidirectionnel [36]. D’autre part, les performances d’une antenne en termes de bande passante, sont largement définies par le fonctionnement combiné de l’antenne et du plan de masse : en particulier, la largeur de bande dépend de la position et de l’orientation de l’antenne sur le plan de masse et de la longueur de celui-ci. Si ces trois facteurs convergent vers le meilleur choix, l’ensemble antenne – PCB limité possèdera alors la bande passante la plus large possible. Dernier point essentiel, une antenne intégrée à un terminal de téléphonie mobile doit présenter une sensibilité aussi bien à la polarisation verticale qu’à la polarisation horizontale des ondes électromagnétiques. En effet, en milieu urbain, un terminal et son antenne sont rarement en vue directe d’une station de base. Ainsi, lors de leur propagation, les ondes électromagnétiques émises par une station fixe subissent plusieurs phénomènes physiques avant d’être reçues par un téléphone portable : il s’agit de réflexions multiples sur les parties métalliques (carrosseries de voitures, armatures métalliques d’immeubles…) et de la diffraction par les arrêtes vives (toits d’immeubles, angles de mur…). Ces phénomènes engendrent, en environnement urbain, une dépolarisation des ondes électromagnétiques, c’est-à-dire la coexistence des deux types de polarisation, verticale et horizontale. Le fait qu’une antenne ait un niveau de polarisation croisée assez élevé constitue donc un avantage car cela permet de maintenir un niveau de puissance reçue toujours optimal au niveau du terminal mobile, les deux types de polarisation devant toujours être pris en compte dans le bilan de puissance [37].
Courts-circuits verticaux entre élément et plan de masse
Les courts circuits peuvent être de type filaires, plans ou languette [45]. Ils sont utilisés pour réduire les dimensions de l’antenne. Alors que les antennes utilisées en téléphonie mobile sont de plus en plus amenées à être large et multistandards, le principal inconvénient des courts-circuits est malheureusement d’éliminer certains modes de cavité. L’ajout d’un court-circuit entraîne l’addition d’une inductance, dont la valeur est directement liée aux dimensions de celui-ci. L’inductance différente créée par chaque type de court-circuit et la position de ceux-ci par rapport à l’alimentation permet de contrôler à la fois l’impédance d’entrée de l’antenne et sa fréquence de résonance. Au niveau du rayonnement, les antennes possédant des courts-circuits présentant une sensibilité aussi bien à la polarisation verticale qu’à la polarisation horizontale car elles sont composées d’élément (le pavé et les courts circuits) rayonnant suivant les deux types de polarisation coexistent en milieu urbain. Les principales applications de l’insertion de courts-circuits sont les antennes PIFA et les antennes fils-plaques. Les premières présentent un rayonnement quasi-omnidirectionnel avec un niveau assez élevé de polarisation croisée, les deuxièmes, présentent un rayonnement de type dipolaire à symétrie de révolution (champ rayonné à grande distance nul dans l’axe de l’antenne).
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Table des matières
GENERALITES SUR LES ANTENNES MINIATURES PIFA
II.1. INTRODUCTION
II.2. DEFINITION DE L’ANTENNES
II.3. CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES DE L’ANTENNE
II.3.1. Impédance d’entrée de l’antenne
II.3.2. Coefficient de réflexion et R.O.S
II.3.3. Bande passante
II.4. TYPES D’ANTENNES POUR LES TELEPHONES MOBILES
II.5. ANTENNE INTERNE
II.6. ABSORPTION HUMAINE DE RAYONNEMENT
II.7. DEFINITION DES ANTENNES MINIATURES
II.8. MINIATURISATION
II.9. CARACTERISTIQUES DES ANTENNES MINIATURES
II.10. ANTENNE PIFA
II.10.1. Quelques formes des antennes IFAs dans la pratique
II.10.2. Présentation de l’antenne F inversé (PIFA)
II.11. CARACTERISTIQUES RADIOELECTRIQUES DE PIFA
II.11.1. Distribution de champ électrique
II.11.2. Distribution courante
II.11.3. Effets des paramètres de substrat
II.12. MODELE DE LIGNE DE TRANSMISSION DE L’ANTENNE PIFA
II.13. TECHNIQUES DE MINIATURISATION
II.13.1. Courts-circuits verticaux entre élément et plan de masse
II.13.2. Modification de la forme de l’élément
II.13.3. Résonateurs parasites
II.13.4. Fentes dans les éléments rayonnants
II.13.4.1. Création de nouvelles résonances
II.13.4.2. Allongement des longueurs électriques
II.13.4.3. Création de nouveaux résonateurs
II.13.5. Chargement capacitive
II.14. TECHNIQUES POUR AUGMENTER LA LARGEUR DE BANDE
II.15. CONCLUSION
CONCEPTION D’ANTENNES PIFAS MONOBANDE ET LARGE BANDE
III.1. INTRODUCTION
III.2. ANTENNE PIFA
III.3.CONPARAISON DES RESULTATS AVEC LA LITTERATURE
III.3.1. Antenne PIFA pour la norme DCS
III.3.2. Antenne PIFA pour le Bluetooth
III.4. ANTENNES PROPOSEES
III.4.1. Antenne large bande pour la technologie UMTS
III.4.2. Structure PIFA pour les normes GSM et DCS
III.4.2.1. Description de l’antenne
III.4.2.2. Antenne PIFA pour GSM
III.4.2.3. Antenne PIFA pour DCS
III.4.3. Antenne PIFA simple pour GSM
III.4.4. Antenne fil-plaque pour la norme DCS
III.4.5. Conception d’une antenne PIFA large bande
III.4.5.1. Introduction
III.4.5.2. Géométrie de l’antenne PIFA
III.6. CONCLUSION
CONCEPTION D’ANTENNES PIFAS BI‐BANDES ET TRI‐ BANDES
IV.1. INTRODUCTION
IV.2. CONCEPTION DES ANTENNES PIFA BI-BANDES
IV.2.1.Comparaison des antennes PIFA entre les logiciels de conceptions
IV.2.1. 1. Antenne bi-bande pour les deux normes GSM/WiMAX
IV.2.1.2. Antenne PIFA bi-bande proposé
IV.2.2. Antennes proposées pour les téléphones mobiles
IV.2.2.1. Antenne PIFA bi-bande pour les normes MBWA et U
IV.2.2.2. Antenne bi-bande pour les normes MBWA et Wi-MAX
IV.2.2.3. Conception d’une antenne PIFA bi-bande à fente en U
IV.3. CONCEPTION DES ANTENNES PIFA TRI-BANDES
IV.3.1. Comparaison des resultats
IV.3.1.1. Comparaison des résultats avec ceux de la littérature
a- Antenne tribande pour les normes GSM/DCS/WiMAX
IV.3.1.2. Comparaison des résultats entre les logiciels
a- Antenne tri-bandes proposée pour les normes GSM/UMTS/WiMAX
b- Antenne PIFA tri-bandes propose
IV.3.2. Autres antennes proposes
IV.3.2.1. Conception d’une antenne PIFA Tri-bandes à fente
IV.3.2.2. Antenne pour les nomes UMTS/ WiMAX/ U
IV.4. CONCLUSION
CONCEPTION DES ANTENNES PIFAS QUADRIBANDES ET MULTIBANDES
V.1. INTRODUCTION
V.2. CONCEPTION DES ANTENNES PIFA QUADRIBANDES
V.2.1. Comparaison des antennes PIFA entre les logiciels de conceptions
V.2.1.1. Antenne quabribandes pour les normes GSM/DCS/UMTS/WiMAX
V.2.1.2. Antenne PIFA quadribande pour les normes GSM/ WiMAX/UWB/Wi-Fi
V.2.2. Antennes proposées
V.2.2.1. Antenne quadribande pour les nomes GSM/PDC-P/UMTS/ WiMA
V.2.2.2. Conception d’une antenne PIFA quadribandes à deux patchs alimentés par une ligne microruban
a. Structure d’antenne initiale
b. Structures proposes
V.3. CONCEPTION DES ANTENNES PIFA MULTIBANDES
V.3. 1. Antenne PIFA multibandes à fente
V.3.2. Autre antenne PIFA multibandes
V.4. CONCLUSION
CONCEPTION D’ANTENNES PIFAS FRACTALES
VI.1. ANTENNES FRACTALES
VI.1.1. Introduction
VI.1.2. Définitions des fractals
VI.1.3. Différents géométries d’antennes fractales
VI.1.3.1. La géométrie de Waclaw Sierpinski
a. Le triangle de Sierpinski « Sierpinski Gasket »
b. Le tapis de Sierpinski « Sierpinski Capet »
VI.1.3.2. Fractales de Helge Von Koch
a. La courbe de Von Koch
b. L’étoile de Koch
VI.1.3.3. Les fractales d’ Hilbert et Peano
a. La fractales de Hilbert
b. La fractales de Peano
VI.2. CONCEPTION DES ANTENNES F-PIFA
VI.2.1. Introduction
VI.2.2. Antenne proposée
VI.2.3. Etude paramétrique de l’antenne à la 3ème itération
VI.2.3.1. Variation de la largeur du plan de court-circuit
VI.2.3.2. Variation de la position d’alimentation
VI.2.3.3. Variation du plan de masse
VI.2.3.4. Variation de la forme de l’élément rayonnant
VI.2.4. Antenne fractale F-PIFA Multibande proposée
VI.3. CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
ANNEXE
REFERENES BIBLIOGRAPHIQUES
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