Conception et caractérisation fréquentielle et temporelle d’antennes réseaux planaires à très large bande passante

La technologie Ultra Large Bande

Généralités sur l’Ultra Large Bande

Le terme Ultra Large Bande (ULB) fait usuellement référence à un signal ou un système qui a une grande bande passante absolue ou relative. Une telle bande offre des avantages au niveau de la robustesse du signal et de la facilité de conception, mais il y a des différences fondamentales avec les systèmes à bande étroite conventionnels. Depuis la dernière décénie, les améliorations technologiques et les circonstances économiques et politiques ont permis l’utilisation de système ULB, par conséquent il y a une augmentation grandissante de l’intérêt porté au domaine de l’ULB.

Histoire et définitions

Depuis les années 2000, les communications par signaux ULB ont retenu toutes les attentions et ont été considérées comme une nouvelle technologie émergente[1]. Elle fut décrite comme l’une des technologies qui changerait notre monde. En réalité, cette technologie existe depuis plus d’un siècle [2, 3]. A la fin du 19eme siècle, la manière la plus facile de générer un signal électromagnétique était de générer une impulsion très courte : Hertz dans ses célèbres expériences avec des électrodes et Marconi pour la première communication de données sans fil. De même les recherches théoriques sur la propagation de signaux ULB ont plus d’un siècle. Néanmoins, après 1910, les communications à bande étroite ont été développées. La principale raison est que l’efficacité spectrale d’un signal généré par des électrodes est faible (le signal généré avait un trop faible taux de répétition, mais occupait une large bande passante ce qui lui conférait un fort facteur d’étalement). A cette période nous ne savions pas comment exploiter cet étalement spectral et cette propriété était perçue comme un inconvénient. En contre partie, les systèmes de communication à bande étroite permettent de communiquer sur différentes bandes de fréquence à la fois. Les recherches sur l’ULB ont donc été mises de coté. Pour des raisons militaires, il y eut un regain pour la technologie ULB dans les années 60, où l’efficacité spectrale n’était pas la caractéristique recherchée. La résolution spatiale fut la priorité : pour des raisons de localisation on désire connaître avec précision le temps de trajet entre un émetteur et un récepteur. En d’autres termes plus l’impulsion est courte, plus l’étalement spectral est grand et plus la précision est grande. L’intérêt pour ce travail coïncide avec l’invention de l’oscilloscope numérique, et permit l’analyse expérimentale de signaux de faibles durées dans le domaine temporel. Les communications ULB ont de nouveau suscité un engouement dans les années 70 grâce aux communications en bande de base dites communications sans porteuse. En 1973, on se rendit compte que de courtes impulsions qui occupent une grande bande de fréquence[4], n’interfèrent pas avec des signaux à bande étroite. Mais le problème d’interférences entre plusieurs utilisateurs subsiste. Ce problème d’interférences entre plusieurs utilisateurs fut résolu avec l’apparition du Time-Hoping Impulse Radio (TH-IR) au début des années 90. Win et Sholtz montrèrent que les communications impulsionnelles peuvent supporter un grand nombre d’utilisateurs en donnant un temps de transmission pseudo-aléatoire à chacun [5, 6]. Cette nouveauté couplée aux avancées en électronique, intéressa les entreprises commerciales privées pour l’ULB.

Un autre obstacle à l’utilisation commerciale fut de nature politique. Les autorités de régulations à travers le monde ont sélectionné certaines bandes de fréquence pour des utilisations spécifiques. Comme les communications ULB occupent un large spectre de fréquence, elles violent ces réglementations et occupent des bandes de fréquences déjà occupées par d’autres standards. Les partisans de l’ULB essayèrent de convaincre les autorités de régulations aux Etats Unis : la FCC -Federal Communications Commission- en assurant que la coexistence des standards à bande étroite et ULB était possible. En 2002 la FCC alloua pour les communications ULB la bande de fréquence 3.1-10.6 GHz, avec une densité spectrale de puissance bridée en émission [7]. La bande passante est définie comme étant la bande délimitée par les points qui sont 10dB au dessous de la plus petite émission rayonnée par le système de transmission (antenne incluse) .

Simplicité relative des systèmes ULB

Dans les systèmes de communications sans fils utilisant la technologie ULB impulsionnelle, l’information en bande de base peut moduler directement des impulsions de courtes durées au lieu de moduler une onde sinusoïdale. L’architecture de l’émetteur du récepteur ULB devient alors très simplifiée : les systèmes ne comportent ni synthétiseur à boucle à verrouillage de phase (PLL), ni mélangeur, ni oscillateur contrôlé en tension (VCO) et encore moins un amplificateur de puissance. Toutes ces simplifications se traduisent par une réduction du coût des systèmes RF qui en découlent.

La règlementation Ultra Large Bande

Lorsqu’on crée un système ULB, la première étape est de décider la bande de fréquence que l’on va occuper. Le signal transmis doit satisfaire les autorités de régulation dans le pays où l’appareil sera vendu. Au début du 21e siècle, les autorités de régulation ont interdit l’émission de signaux ULB, car ils pouvaient interférer avec d’autres standards de communication. Mais il a été démontré que les systèmes ULB minimisent les interférences en étalant la puissance spectrale sur une large bande de fréquence. En 2002 la FCC (USA) alloua une bande de fréquence aux systèmes ULB avec néanmoins une restriction sur la puissance d’émission. Le masque de fréquence dépend de l’application et de l’environnement dans lequel le système fonctionne. Pour une communication indoor, une densité spectrale de puissance de -41.3 dBm/MHz est autorisée entre 3.1 et 10.6 GHz. En dehors de cette bande aucune émission n’est autorisée. Et des restrictions sont prises pour les émissions parasites afin de protéger les communications GPS et GSM. Le même masque est utilisé pour les communications extérieures, celui pour les émissions parasites est différent.

L’Europe et le Japon ont commencé à établir les spécifications de leurs propres spectres d’émission pour les systèmes ULB. L’ETSI (le département européen des standards de télécommunication) a proposé des limites similaires à celles de la FCC; ce projet est aujourd’hui encore en discussion avec les entreprises impliquées dans le développement des systèmes ULB car le spectre d’émission proposé est plus restrictif que celui de la FCC. En juillet 2007, l’ETSI a proposé un standard pour les niveaux d’émission des signaux ULB (EIRP=-41.3 dBm/MHz) pour un spectre de fréquence allant de 6 à 9 GHz [17].

Activités de normalisation

Depuis la définition par la FCC, d’un signal ULB qui n’impose pas de forme d’onde particulière, il est possible de regrouper sous le vocable ULB des solutions qui ne sont plus nécessairement de nature impulsionnelle. Ainsi, afin de répondre à une demande réelle et de ne pas se retrouver avec des systèmes ULB incompatibles entre eux, car n’utilisant pas la même forme d’onde, il est important de mettre en place des normes ou standards pour les systèmes de communications utilisant la technologie ULB. L’IEEE s’est lancé dans l’élaboration de deux standards, le premier, pour les communications bas débit sous l’appélation IEEE 803.15.4a en 2004 et le second pour les communications haut débit sous l’appélation IEEE 802.15.3a en 2003. Nous allons à présent détailler ces deux standards.

Table des matières

Introduction Générale
1 Introduction sur la technologie Ultra Large Bande
1.1 La technologie Ultra Large Bande
1.1.1 Généralités sur l’Ultra Large Bande
1.1.2 Histoire et définitions
1.1.3 Comparaison système Ultra Large Bande / Système bande étroite
1.1.4 Caractéristiques principales de l’Ultra Large Bande
1.1.5 La règlementation Ultra Large Bande
1.1.6 Activités de normalisation
1.2 Les différents types de signaux Ultra Large Bande
1.2.1 Train d’impulsions pour les systèmes Ultra Large Bande
1.2.2 Système Ultra Large Bande impulsionnel
1.2.3 Systèmes Ultra Large Bande multi-bande
1.2.4 Comparaison entre les deux types de systèmes Ultra Large Bande
1.3 Différents types d’applications de l’Ultra Large Bande
1.3.1 Applications liées aux communications
1.3.2 Applications liées au radar
1.4 Conclusion
2 Etat de l’art sur les réseaux d’antennes ULB
2.1 Caractéristiques des antennes
2.1.1 Définition d’une antenne
2.1.2 Caractéristiques « classiques »des antennes
2.2 Problématiques générales des antennes ULB
2.3 Les besoins liés à l’utilisation de réseaux d’antennes Ultra Large Bande
2.4 Antennes omnidirectionnelles
2.4.1 Les antennes biconiques et leurs dérivées
2.4.2 Les antennes dipôles et monopôles
2.5 Les antennes à rayonnement directif et hémisphérique
2.5.1 Les antennes à transition progressive
2.5.2 Les antennes cornets
2.5.3 Les antennes Suspended Plate
2.5.4 Les antennes grandes fentes
2.6 Les antennes sur réflecteur
2.6.1 Les antennes sur réflecteur
2.6.2 Les antennes sur réflecteur à base de métamatériaux
2.7 Synthèse et conclusions de l’état de l’art
3 Théorie des réseaux d’antenne Ultra Large Bande
3.1 Théorie des points sources
3.1.1 Points sources équiamplitudes et équiphases
3.1.2 Points sources équiamplitudes et déphasées de 180◦
3.2 Principe de multiplication du diagramme
3.3 Théorie des réseaux linéaires de n éléments
3.3.1 Réseau linéaire à émission transversale
3.3.2 Réseau linéaire à émission longitudinale
3.3.3 Réseau linéaire à commande de phase
3.3.4 Effet de l’espacement d entre les éléments
3.3.5 Réseau linéaire de n éléments : représentation tridimensionnelle
3.4 Théorie des réseaux planaires de n × p éléments
3.5 Facteur de réseau multifréquence
3.6 Facteur de réseau ULB dans le domaine temporel
3.7 Eléments de conclusions sur le facteur de réseau
4 Mise en place et comparaison de bancs de caractérisation des antennes Ultra Large Bande
4.1 Modélisation et caractérisation d’une Antenne Ultra Large Bande
4.1.1 Fonctions de transfert des antennes ULB
4.1.2 Descripteurs fréquentiels et temporels d’une antenne ULB
4.2 Mesure de la fonction de transfert d’une antenne Ultra Large Bande
4.2.1 Banc de mesure de la fonction de transfert
4.2.2 Calibration de la chaîne de transmission fréquentielle
4.2.3 Mesures et résultats de l’antenne cornet de référence
4.2.4 Mesures et résultats de l’antenne sous test
4.3 Mesure de la réponse impulsionnelle d’une antenne Ultra Large Bande
4.3.1 Banc de Mesure de la réponse impulsionnelle
4.3.2 Calibration de la chaîne de transmission d’impulsion
4.4 Comparaison des résultats entre méthodes de caractérisation fréquentielle et temporelle
4.4.1 Choix du signal utilisé pour la mesure
4.4.2 Comparaison des gains réalisés calculés avec les différentes méthodes de caractérisation
4.4.3 Comparaison des réponses impulsionnelles
4.5 Conclusions sur les méthodes de caractérisation
Conclusion Générale

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