CONFIGURATION DE SYSTEMES D’ANTENNES POUR L’IMAGERIE MICRO-ONDES

Généralités sur la technologie Ultra Large Bande

Historique Durant les 3 dernières décennies, et pour faire face à l’encombrement des bandes de fréquences utilisées pour la transmission d’informations, on a essentiellement cherché à réduire la largeur de bande nécessaire pour la transmission des informations avec un taux d’erreurs acceptable. Ce n’est que depuis une dizaine d’années que le concept de l’ultra large bande trouve un intérêt, suscité principalement par le développement des transmissions à courte distance. Si le terme « ultra large bande » est relativement récent, le concept lui-même est par contre bien plus ancien.  La grande majorité des techniques de transmission actuelles utilisent des modulations avec porteuses (Bluetooth, …). Dès la fin du 19ème siècle, Heinrich Hertz1 avait eu l’idée d’utiliser des décharges électriques pour produire des ondes électromagnétiques. C’était la base de la technique ultra large bande. Dans les années 60, Ross et Bennett [3] étudient pour la première fois la propagation d’ondes électromagnétiques d’un point de vue temporel plutôt que d’un point de vue fréquentiel. Dans leur publication, apparaissent pour la première fois, des applications liées à cette nouvelle technique: les communications et les radars. Durant les années 1970-1994, la majorité des travaux visent à améliorer certains soussystèmes de cette nouvelle technique. A cette époque, on lui donne plusieurs noms: technologie « sans porteuse », ou en « bande de base » ou encore technologie « impulsionnelle ». C’est en 1989 que le terme ultra large bande apparaît dans une publication du ministère de la défense aux Etats-Unis.Les travaux concernant cette technologie sont effectués, pour la plupart, dans le cadre de programmes confidentiels militaires américains. En 1994, la confidentialité des travaux liés à l’ultra large bande est levée: La recherche se développe de façon importante aussi bien dans l’industrie que dans les universités. Enfin, en 2002, la FCC (Commission Fédérale de Communication), l’organisme de régulation des communications américain, réglemente l’ultra large bande [4]. Elle en donne une définition précise, et définit les niveaux de puissance maximale autorisés. Comparaison entre les systèmes ULB et les systèmes à bande étroite La technique ultra large bande (ULB) transmet et reçoit des formes d’onde basées sur des impulsions de très courtes durées (1ns) alors que les techniques conventionnelles envoient et reçoivent des formes d’onde sinusoïdales étalées dans le temps ayant de ce fait une densité spectrale de puissance beaucoup plus étroite que celle des signaux ULB. La figure I.2 illustre l’équivalence d’une impulsion à bande étroite dans le domaine temporel à un signal de très large bande passante dans le domaine fréquentiel. En outre, elle montre l’équivalence d’un signal sinusoïdal dans le domaine temporel à une impulsion très étroite dans le domaine fréquentiel [5]. Le masque spectral de puissance de l’ULB est très faible (DSP maximale: -41.3 dBm/MHz) sur toute la bande de fréquences de l’ULB. Cette puissance très faible sur une très large bande passante permet à d’autres systèmes à bande étroite de cohabiter avec l’ultra large bande.

Impulsions rayonnées dans différentes directions

   L’étude fréquentielle nous a permis de concevoir des antennes ULB opérant dans la bande de fréquence (3.1-10.6 GHz)). Les caractéristiques classiques (adaptation, diagrammes de rayonnement et gain) sont des grandeurs qui doivent être constants sur toute leur bande de fonctionnement, cependant la grande largeur de bande occupée rend la réalisation plus difficile. Nous allons passer au domaine temporel afin d’étudier les distorsions apportées par ces antennes sur le signal émis. On va donc appliquer la cinquième dérivée de l’impulsion gaussienne représentée sur la figure II.42, sur les différentes antennes ainsi conçues afin de vérifier leurs comportements temporels dans différentes directions et dans les deux plans azimut et élévation. Il est donc important que l’antenne transmet ces impulsions avec le minimum de distorsion. En termes de diagramme de rayonnement, il devient nécessaire d’étudier la phase du champ rayonné en fonction de la fréquence. Les antennes doivent être non dispersives (centre de phase fixe) ce qui assure que chaque composante fréquentielle est rayonnée avec la bonne phase relative. Autrement dit, le temps de groupe doit être constant, ou dit d’une manière identique, la phase du champ rayonné de l’antenne émettrice ou réceptive doit varier linéairement en fonction de la fréquence. Cette linéarité de la phase permet de ne pas introduire de distorsion et donc de préserver la forme de l’impulsion rayonnée [18].

Imagerie Micro-ondes

   À l’heure actuelle, la technique la plus couramment utilisée pour la détection du cancer du sein est la mammographie aux rayons X. Cependant, cette technique présente plusieurs inconvénients. Récemment, des chercheurs ont proposé la technique d’imagerie micro ondes en tant qu’un scanner à faible coût pour le dépistage et la détection du cancer du sein au stade précoce et dans la plage de fréquences non ionisantes en utilisant des antennes ultra large bande opérant dans la bande de fréquence [3.1-10.6 GHz]. L’avantage de cette technique est qu’elle fonctionne sur une large gamme de fréquences, moins de risques pour la santé et moins coûteuse, et par conséquent, elle est considérée comme une technique d’imagerie alternative pour la détection du cancer du sein dans l’avenir [9].L’imagerie micro-onde a suscité un intérêt considérable au cours de la dernière décennie en vue d’applications dans différents domaines [3]. La possibilité d’utiliser les micro-ondes pour la détection des tumeurs du sein est basée sur le concept de tissu dépendant de la diffusion et l’absorption des micro-ondes dans le sein, et exploiter le contraste entre les propriétés diélectriques des tissus mammaires malignes et normaux [23]. Cependant, lorsque les patients sont exposés aux micro-ondes, le sein avec tumeur présente des propriétés électriques qui sont différentes de celui des tissus sains [24].Les tissus normaux d’un sein présentent une faible permittivité relative et de conductivité au niveau des bandes de fréquences micro-ondes, tandis que les lésions qui contiennent plus d’eau et de sang sont caractérisées par une forte permittivité relative et de conductivité au niveau des fréquences micro-ondes, par conséquent, ils provoquent une rétrodiffusion significative. Sur cette hypothèse, les systèmes d’imagerie micro-ondes sont conçus pour détecter la présence d’un petit objet à l’intérieur d’un sein provoquant une rétrodiffusion considérablement plus grande que le milieu alentour [23]. Les techniques de micro-ondes impliquent la propagation des niveaux très bas d’énergie micro-ondes à travers le tissu du sein (1000 fois moins d’un téléphone portable). La base pour la détection et la localisation des tumeurs correspond à la différence entre les propriétés électriques des tissus normaux et malignes du sein une fois que les signaux micro ondes seront diffusés. Ces signaux peuvent être captés par un ensemble d’antennes micro-ondes et analysés à l’aide d’un ordinateur. Le système radar pour imagerie micro-ondes (figure III.6) utilise la génération et la réception des courtes impulsions pour divers emplacements de l’antenne, ou encore par un réseau d’antennes. Les signaux traités pour divers emplacements d’une antenne ou d’un réseau d’antennes sont combinés pour former une image en deux ou en trois dimensions montrant l’emplacement de la cible. La configuration représentée sur la figure III.6 (a), est basée sur le principe du radar monostatique. Dans cette configuration, la même antenne est utilisée pour l’émission et la réception d’un signal micro-ondes.

Table des matières

Remerciements
Resume
Abstract
Table des matières
Liste des figures
Liste des tableaux
Liste des abreviations
Introduction Générale
CHAPITRE I : TECHNOLOGIE ULTRA LARGE BANDE (ULB)
I.1 Introduction 
I.2 Généralités sur la technologie Ultra Large Bande
I.2.1 Historique
I.2.2 Définition
I.2.3 Comparaison entre les systèmes ULB et les systèmes à bande étroite
I.2.4 Spécificités des signaux ULB
I.2.5 Caractéristiques principales de l’Ultra Large Bande
I.2.5.1 Communications protégées
I.2.5.2 Capacité de la technologie ULB
I.2.5.3 Simplicité relative des systèmes ULB
I.2.6 Intérêt des systèmes ULB
I.3 Différents types d’applications de l’Ultra Large Bande
I.3.1 Applications liées aux communications
I.3.1.1 Applications sans fils WLAN
I.3.1.2 Communications en bande basse
I.3.2 Applications liées au radar
I.3.2.1 Radars à pénétration du sol (Ground Penetrating radar GPR)
I.3.2.2 Système d’imagerie radar à travers les murs
I.3.2.3 Dispositifs de surveillance radar
I.3.2.4 Dispositifs d’imagerie radar médicale
I.3.2.5 Radars véhiculaires
I.4 Différents types d’antennes ULB
I.4.1 Antennes indépendantes de la fréquence
I.4.1.1 Antennes spirales
I.4.1.2 Antennes log-périodiques
I.4.2 Antennes omnidirectionnelles (élémentaires)
I.4.2.1 Antennes biconiques et leurs dérivées
I.4.2.2 Antenne papillon
I.4.2.3 Les dipôles et les monopoles électriques ultra large bande
I.4.3 Antennes directives
I.4.3.1 Cornet
I.4.3.2 Antennes à transition progressive (Vivaldi)
I.5 Antennes imprimées
I.5.1 Structure d’une antenne imprimée
I.6 Caractéristiques des antennes imprimées
I.6.1 Caractéristiques de rayonnement
I.6.1.1 Diagramme de rayonnement
I.6.1.2 Polarisation
I.6.1.3 Gain
I.6.1.4 Directivité
I.6.1.5 Résistance de rayonnement
I.6.2 Caractéristiques électriques
I.6.2.1 Impédance d’entrée
I.6.2.2 Adaptation d’une antenne
I.6.2.3 Le coefficient de réflexion S11
I.6.2.4 Le rendement
I.6.2.5 La bande passante
I.6.3 Le substrat
I.7 Avantages et inconvénients des antennes imprimées
I.7.1 Avantages
I.7.2 Inconvénients
I.8 Conclusion
RÉFÉRENCES CHAPITRE I
CHAPITRE II : ETUDE FREQUENTIELLE ET TEMPORELLE DE NOUVELLES STRUCTURES D’ANTENNES ULTRA LARGE BANDE
II.1 Introduction
II.2 Antenne monopôle
II.2.1 Conception de l’antenne
II.2.2 Résultats de simulation
II.2.2.1 Coefficient de réflexion, S11
II.2.2.2 Rapport d’ondes stationnaires (ROS)
II.2.2.3 Variation du gain
II.2.2.4 Diagramme de rayonnement
II.3 Antenne semi-circulaire à fente semi-circulaire
II.3.1 Géométrie de l’antenne
II.3.2 Résultats de simulation
II.3.2.1 Coefficient de réflexion, S11
II.3.2.2 Rapport d’ondes stationnaires (ROS)
II.3.2.3 Variation du gain
II.3.2.4 Diagrammes de rayonnements
II.4 Antenne microruban en forme demi-ellipse
II.4.1 Conception de l’antenne
II.4.2 Interprétations des résultats
II.4.2.1 Coefficient de réflexion, S11
II.4.2.2 Rapport d’ondes stationnaires (ROS)
II.4.2.3 Variation du gain
II.4.2.4 Diagrammes de rayonnements
II.5 Antenne microruban en forme de fourchette
II.5.1 Géométrie de l’antenne
II.5.2 Résultats de simulation
II.5.2.1 Coefficient de réflexion, S11
II.5.2.2 Variation du gain
II.5.2.3 Diagrammes de rayonnements
II.6 Antenne vivaldi antipodale a fentes rectangulaires
II.6.1 Conception de l’antenne
II.6.2 Résultats de simulation
II.6.2.1 Coefficient de réflexion, S11
II.6.2.2 Variation du gain
II.6.2.3 Diagrammes de rayonnements
II.7 Antenne vivaldi antipodale
II.7.1 Conception de l’antenne
II.7.2 Résultats de simulation
II.7.2.1 Coefficient de réflexion, S11
II.7.2.2 Rapport d’ondes stationnaires (ROS)
II.7.2.3 Variation du gain
II.7.2.4 Diagrammes de rayonnements
II.8 Caractérisation temporelle des antennes étudiées
II.8.1 Qu’est-ce qu’une antenne « idéale » en ULB ?
II.8.2 Génération d’une impulsion de type FCC
II.8.3 Impulsions rayonnées dans différentes directions
II.8.3.1 Interprétations des résultats
II.9 Récapitulatif des caractéristiques fréquentielles et temporelles des antennes ultra large bande proposées
II.10 Conclusion 
RÉFÉRENCES CHAPITRE II
CHAPITRE III : SYSTEMES D’IMAGERIE MICRO-ONDES
III.1 Introduction
III.2 Systèmes d’imagerie du corps humain
III.2.1 Les rayons X – Mammographie
III.2.1.1 Avantages
III.2.1.2 Inconvénients
III.2.2 L’échographie
III.2.2.1 Avantages
III.2.2.2 Inconvénients
III.2.3 Imagerie par résonance magnétique
III.2.3.1 Avantages
III.2.3.2 Inconvénients
III.3 Imagerie Micro-ondes
III.3.1 Micro-ondes
III.3.2 Imagerie Micro-ondes
III.4 Imagerie micro-ondes pour la détection du cancer du sein
III.4.1 Imagerie micro-ondes passive
III.4.2 Imagerie micro-ondes hybride
III.4.3 Imagerie micro-ondes active
III.4.3.1 Tomographie micro-ondes
III.4.3.2 Radar ULB pour imagerie micro-ondes
III.4.3.3 Systèmes et techniques Radar ULB pour imagerie micro-onde
III.4.3.4 Applications des radars ULB
III.5 Conclusion
RÉFÉRENCES CHAPITRE III
CHAPITRE IV : CONFIGURATION DE SYSTEMES D’ANTENNES POUR L’IMAGERIE MICRO-ONDES
IV.1 Introduction
IV.2 Système d’imagerie micro-ondes pour la détection d’objets à travers les murs
IV.2.1 Modèle du mur
IV.2.2 Choix des antennes
IV.2.3 Résultats de simulations
IV.3 Imagerie micro-ondes pour la détection du cancer du sein
IV.3.1 Modèle du sein
IV.3.2 Choix des antennes
IV.3.3 Résultats de simulations
IV.3.3.1 Cas d’une seule tumeur
IV.3.3.2 Cas de plusieurs tumeurs
IV.4 Conclusion 
RÉFÉRENCES CHAPITRE IV
Conclusion Générale
Annexe A
Annexe B

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