Soutenance mémoire
Les antennes filaires
Une antenne monopole est constituée d’un brin conducteur en forme de fil ou de tige, souvent placé au-dessus et perpendiculairement d’une surface conductrice, constituant le plan de masse. Le signal d’excitation (en mode d’émission) ou la tension de sortie (en mode de réception), se situent entre l’extrémité inférieure du monopole et le plan de masse. La fréquence de résonance est inversement proportionnelle à la longueur du conducteur. En plaçant à sa base une charge, par exemple une capacité variable, il sera possible de faire varier la longueur électrique du monopole et ainsi de modifier sa fréquence de fonctionnement.
Une antenne dipôle est constituée de deux conducteurs métalliques, en forme de fil ou de tige, reliés aux deux bornes de l’émetteur. Ces deux brins conducteurs peuvent être en ligne, parallèles (partiellement), à angle droit ou quelconque, égaux ou inégaux, libres ou réunis (par exemple une boucle). L’alimentation est le plus souvent placée au centre de la structure ce qui conduit à un système symétrique. Pour ce type d’antennes, lareconfiguration peut être réalisée grâce à des changements de la longueur des éléments conducteurs via l’utilisation d’éléments locaux tels que des diodes PIN, des varactors, ou des MEMS,etc [11].
Pour les antennes dérivées de l’antenne dipôle, telles que les antennes Yagi-Uda, les antennes log périodiques, etc, la reconfiguration peut être obtenue par l’ajustement des éléments discrets les composant [12].
Une antenne hélice est une antenne constituée d’un fil enroulé (type solénoïde) dont une extrémité est masquée par un écran métallique, le plan de masse. La ligne d’alimentation est connectée entre le bas de l’hélice et le plan de masse. La fréquence opérante de l’antenne hélice est fonction des dimensions et de l’espacement entre les spires. Cela permet d’offrir des possibilités de reconfiguration en fréquence. En outre, la longueur de la bobine détermine la directivité de l’antenne et son gain permettant alors d’obtenir une combinaison de reconfiguration en fréquence et en diagramme de rayonnement [13].
Une antenne spirale est constituée d’un ou plusieurs bras en forme de spirale. Il existe plusieurs variantes comme la spirale carrée, la spirale logarithmique, etc. Les caractéristiques de l’antenne dépendront de l’espacement entre les spires, de la largeur des bras, du rayon intérieur et du rayon extérieur [14]. Un placement judicieux de composants actifs permet de modifier la géométrie initiale et d’obtenir des possibilités de reconfiguration.
Les antennes à fente
Une antenne à fente est composée d’une surface métallique, généralement une plaque plane, avec un trou ou une fente. L’alimentation est placée au milieu de la fente qui rayonne de façon semblable à une antenne dipôle. La forme et la taille de la fente déterminent les Caractéristiques de rayonnement. Comme pour un dipôle, la reconfiguration d’une antenne à fente peut donc être réalisée en modifiant la longueur des encoches à l’aide de diodes PIN, varactors, MEMS [15].
Antenne imprimée ou patch
Le concept d’antennes patch est apparu dans les années 50, mais le véritable développement ne s’est fait que dans les années 70 [16]. Les antennes imprimées ou micro ruban, ou « patch » en anglais sont des éléments rayonnants planaires. Elle présente l’avantage du faible poids sur certaines antennes décrites précédemment. L’antenne est réalisée par gravure d’un circuit imprimé. De par leur technologie de fabrication, ceux-ci peuvent être intégrés au plus près des circuits électroniques en occupant un volume réduit et se conformant à différents types de surface. Leur principal avantage réside dans leur faible coût de fabrication. Les antennes patch sont utilisées dans de nombreuses applications à partir des bandes VHF.
Structure de l’antenne
En général, une antenne imprimée est constituée d’un plan de masse, d’une ou de plusieurs couches de substrat pouvant avoir des permittivités ( ) égales ou différentes. La surface contient un élément rayonnant de géométrie quelconque (rectangulaire, circulaire, à fente, ou formes plus élaborées). Il existe plusieurs mécanismes d’excitations équipermettent d’avoir des diagrammes de rayonnement en polarisations linéaire ou circulaire.
Les substrats diélectriques ont généralement une faible permittivité ( < 3) pour faciliter et favoriser le rayonnement, tout en évitant le confinement des champs dans la cavité comprise entre l’élément imprimé et le plan de masse [17].
Principe de fonctionnement
Dans sa configuration originale, le comportement de l’antenne est contrôlé à l’aide d’une sonde de courant connectée entre le patch rayonnant et le plan de masse, ce qui va provoquer l’apparition et la distribution de charges qui s’établit au-dessus et en dessous de l’élément, entre le plan de masse et le substrat [17].
Le champ présent entre les bords du patch et le plan de masse va déborder et contribuer à générer le champ électromagnétique rayonné : ceux généré par les bords séparés par L étant maximum et en opposition de phase vont avoir tendance à s’additionner de manière constructive et optimale, et générer un rayonnement inscrit dans le plan YZ. Ces 2 bords sont donc appelés bords rayonnants.
Techniques d’alimentation
L’alimentation des antennes patches est l’une des parties les plus importantes dans le processus de la conception, plusieurs techniques ont été alors considérées dans ce but, on peut classer ces techniques en deux grandes catégories [18] :
Alimentation par contact :
Alimentation par une ligne micro ruban.
Alimentation coaxiale directe.
Alimentation par proximité :
Alimentation par couplage électromagnétique.
Alimentation par couplage à ouverture (fente) dans le plan de masse.
Les applications des antennes imprimées
Vu l’avancé technologique dans la télécommunication et les recherches scientifiques continues concernantles 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 imprimées remplacent les antennes classiques dans un bon nombre d’applications parmi lesquelles on peut citer :
Les télécommunications par satellites.
La commande et le contrôle.
La télémesure par missile.
Les équipements portatifs.
Les antennes d’émission utilisées en médecine.
Les récepteurs satellite de navigation.
Avantages et limitation des antennes patch
Les antennes patches présentent de nombreux avantages et leurs utilisations couvrent un large domaine de fréquences allant de l00 MHz à 100 GHz, Parmi ces avantages [19] :
Un faible coût de fabrication.
Légères et peu encombrantes.
La possibilité de mise en réseaux pour améliorer la directivité et pour des applications de balayage électronique de l’espace,
Compatibilité avec les circuits hybrides et MMIC (Microwave Monolithic Integrated Circuit),
Les réseaux d’alimentation et d’adaptation sont fabriqués simultanément avec l’antenne.
La polarisation de l’onde électromagnétique linéaire ou circulaire en ajustant la géométrie et l’excitation de l’élément rayonnant.
Malgré les avantages précédemment cités, ces antennes ont des inconvénients de limitation d’utilisation tels que :
Une bande passante limitée (de 1 à 5 %).
Un faible gain (de l’ordre de 5 dB).
Rayonnement limité à un demi-plan d’espace.
Supportent uniquement les faibles puissances.
Pertes de rayonnement par des ondes de surface.
Une pureté de polarisation difficile à obtenir.
Ce dernier augmente considérablement avec l’augmentation de la puissance utilisée, ce qui rend les antennes patches incompatibles avec la bande millimétrique. Les études menées afin de pallier ces inconvénients ont permis d’améliorer jusqu’à 70% en utilisant une configuration multicouche et leur gain pouvant s’accroître de 30% si on met en réseau plusieurs antennes.
Une des solutions proposées est 1’utilisation des résonateurs diélectriques comme élément rayonnant offrant de bonnes performances et fournissant une solution de rechange face à la technologie micro ruban en termes de largeur de bande, de compacité et d’efficacité de rayonnement due à l’absence de pertes métalliques.
La ligne de transmission coplanaire CPW
Introduction
La ligne de transmission coplanaire, communémentappelée ligne CPW (i.e. « Coplanar Wave Guide »), est une ligne pour laquelle tous les conducteurs sont situes sur un même plan.
Elle est constitue d’un conducteur central de largeur G localise entre deux plans de masse via des fentes de dimension S, le tout imprime sur un substrat de permittivité et d’épaisseur h. Le tableau I.1 montre une ligne coplanaire conventionnelle.
Dans ce type de ligne de transmission [20], les deux premiers modes de propagation sont le mode commun et le mode différentiel (mode CPW). Pour utiliser la ligne coplanaire dans des conditions normales de fonctionnement, il faut s’assurer que seul le mode différentiel soit propage. En effet, la propagation de deux modes cause une dispersion du signal due à la différence des constantes de propagation pour chaque mode. De plus, le mode commun va résonner le long de la ligne, ce qui cause beaucoup de pertes d’énergie par rayonnement. Pour utiliser la ligne en fonctionnement différentiel, il faut maintenir les deux plans de masse au même potentiel. Ceci est généralement obtenu par des ponts à air (air bridge), qui sont des contacts électriques reliant les deux plans de masse en passant par-dessus du conducteur central. Ceci va permettre de conserver un fonctionnement monomode pour la ligne de transmission. Le mode propage est donne le mode différentiel (mode CPW) qui est un mode de propagation quasi-TEM a symétrie pour le champ électrique tel qu’illustre par la figure I.10.
Application de la ligne CPW aux antennes plaques
La structure de l’antenne plaque alimentée par une ligne CPW est plus simple que celle alimentée par couplage via une ouverture. Cette antenne est constituée seulement d’un seul substrat, l’élément rayonnant (plaque) se trouve sur le cote supérieure et la ligne CPW se trouve sur le cote inferieur. Ceci permet d’avoir une intégration facile des dispositifs actifs avec les lignes d’alimentation. Les avantages de cette structure sont: efficacitéaméliorée, bande passante élargie et meilleure isolation entre le circuit d’alimentation et l’élément rayonnant.
Les figures I.11 (a) et I.11 (b) montrent la structure de l’antenne plaque alimentée par une ligne CPW pour les deux types d’excitation capacitive et inductive respectivement [23].
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Table des matières
Introduction Générale
Chapitre I : Généralités sur les antennes
I.1 Introduction
I.2 Définition d‟une antenne
I.3 Caractéristiques générales d’une antenne
I.3.1 Diagramme de rayonnement
I.3.2 La directivité
I.3.3 Gain
I.3.4 Polarisation
I.3.5 Angle d’ouverture
I.3.6 Ouverture rayonnante et Rendement
I.4 Différents types d’antenne
I.4.1 Les antennes cornets
I.4.2 Les antennes filaires
I.4.3 Les antennes à fente
I.4.4 Antenne imprimée ou patch
I.4.4.1 Structure d‟antenne
I.4.4.2 Principe de fonctionnement
I.4.4.3 Techniques d’alimentation
I.4.4.4 Les applications des antennes imprimées
I.4.4.4 Avantages et limitation des antennes patch
I.5 La ligne de transmission coplanaire CPW
I.5.1 Application de la ligne CPW aux antennes plaques
I.6 Exemples des antennes à plan de masse partielle
I.6.1 Largeur des plans de masse latéraux
I.7 Conclusion
Chapitre II : Conceptions des antennes multi bandes alimentées par DGS
II.1 Introduction
II.2 Structure à défaut dans le plan de masse (DGS)
II.3 Élément DGS
II.4 Caractéristiques de DGS
II.4.1 Effets de la bande d’arrêt
II.4.2 Arrêter les effets de la bande
II.4.3 Impédance des caractéristiques élevées
II.4.4 Effet d’onde lente
II.5 Etude de la structure DGS sur une ligne micro ruban
II.6 Antenne alimentée par proximité sans et avec DGS
II.6.1 Antenne alimentée par proximité
II.6.2 Antenne alimentée par proximité avec DGS
II.7 Réalisation et mesure de l‟antenne
II.8 Exemples sur les antennes mono-bandes et multi-bandes
II.8.1 Premier exemple („P‟)
a- Géométrie de l‟antenne
b- Variation du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence
II.8.2 Deuxième exemple („U‟)
a- Géométrie de l‟antenne
b-Variation du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence
II.8.3 Troisième exemple („OT‟)
a- Géométrie de l‟antenne
b- Variation du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence
II.8.4 Quatrième exemple („ 2‟)
a- Structure de l‟antenne
b- Variation du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence
II.8.5 Cinquième exemple („EF‟)
a- Géométrie de l‟antenne
b- Variation du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence
II.8.6 Sixième exemple („G‟)
a- Géométrie de l‟antenne
b- Variation du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence
II.9 Conclusion
Chapitre III : Présentation des résultats de simulations
III.1 Introduction
III.2 Une antenne circulaire ultra large bande (UWB) avec un plan défectueux (DGS)
III.3 Conception d‟une antenne microstrip circulaire ultra large bande avec DGS
III.4 Un nouveau filtre passe-bas avec bande d’arrêt ultra-large et amélioration du facteur Q par l‟utilisation d‟une structure (DGS) de forme H
III.5 Modification
III.5.1 Premier exemple
III.5.1.1 Premier modification
III.5.1.2 Deuxième modification
III.5.1.3 Troisième modification
III.5.1.4 Quatrième modification
III.5.2 Deuxième exemple (filtre passe-bas avec bande d’arrêt ultra-large bande avec DGS
III.5.2.1 Premier modification
III.5.2.2 Deuxième modification
III.5.2.3 Troisième modification
III.6 Conclusion
Conclusion générale
Annexe IV : Présentation de CST MICROWAVE STUDIO
IV. 1 Qu‟est-ce que CST MICROWAVE STUDIO ?
IV.2 Le déroulement dans un projet
IV.3 Résultat de simulation
Références
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