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État de l’art sur la mesure de l’efficacité d’antenne en chambre réverbérante
Le fonctionnement des antennes est décrit à l’aide de plusieurs indicateurs que sont l’adaptation, le diagramme de rayonnement, l’efficacité, etc… Un des paramètres importants pour optimiser le bilan de liaison dans le contexte des antennes miniatures est l’efficacité de rayonnement. Les antennes peuvent être caractérisées en utilisant différentes méthodes de mesure. Il existe des méthodes classiques fondées sur la mesure du rayonnement en CA, des mesures basées sur la mesure de l’impédance d’entrée de l’antenne, notamment la méthode Wheeler cap pour déterminer l’efficacité de rayonnement de l’antenne, mais aussi des mesures d’antennes en CR. Ce dernier environnement est devenu la référence pour la caractérisation de l’efficacité de rayonnement en raison de ses avantages, par rapport à la CA, notamment sa facilité d’utilisation et sa précision. Dans la deuxième partie de ce chapitre on présentera les propriétés de ces chambres ainsi que leurs caractéristiques. On s’intéressera par la suite aux techniques de mesure de l’efficacité d’antenne en chambre réverbérante.
Antennes
C’est en 1888, que Heinrich Hertz utilisa pour la première fois des antennes, confirmant ainsi les prédictions de la théorie de Maxwell. Depuis, la diversité des antennes n’a cessé de croître afin de s’adapter au mieux aux applications et environnements variés. En particulier, dans tout système de communication sans fil, l’antenne est considérée comme un élément fondamental de la chaîne de transmission.
Définition et caractéristiques
Une antenne est définie comme un élément passif transducteur qui assure la conversion des grandeurs électriques en grandeurs électromagnétiques et vice versa ; elle peut être utilisée en émission ainsi qu’en réception. Dans le cas de l’émission, on fournit à l’antenne un courant électrique dont l’énergie est ensuite rayonnée sous forme d’onde électromagnétique. En réception, l’antenne intercepte l’énergie électromagnétique dans le but de générer un courant électrique qui sera amplifié par la suite. Une caractéristique remarquable des antennes est leur réciprocité. Ainsi, les différentes caractéristiques électriques et de rayonnement sont les mêmes lorsque l’antenne est utilisée en émission ou en réception. On détaille dans la partie suivante quelques-unes de ces caractéristiques.
Coefficient de réflexion
Le coefficient de réflexion est un paramètre qui décrit la quantité d’onde électromagnétique réfléchie par une discontinuité d’impédance dans le milieu de transmission. Ce paramètre est très utile dans l’étude de la désadaptation entre un générateur et une charge par exemple. Dans le cas des antennes, ce paramètre peut être défini comme le rapport entre les amplitudes complexes de l’onde réfléchie et de l’onde incidente.
Gain et directivité
La directivité d’une antenne dans une direction (θ, φ) notée D(θ, φ) est le rapport entre l’intensité de rayonnement U(θ, φ) de cette antenne dans cette direction spécifique et l’intensité de rayonnement moyennée sur toutes les directions. Cette dernière est égale à la puissance totale rayonnée par l’antenne et notée Pray divisée par 4π. La directivité d’une antenne isotrope est donc égale à l’unité.
Diagramme de rayonnement
Le diagramme de rayonnement d’une antenne est une représentation spatiale de la distribution de la puissance rayonnée par cette antenne en fonction de la direction. Il est généralement représenté en échelle logarithmique et en coordonnées sphériques dans le cas d’un diagramme de rayonnement en 3D. La représentation en 2D en utilisant les coordonnées polaires est également utilisée, et dans ce cas les deux plans de polarisation E et H sont considérés. En dehors du cas des antennes isotropes, la puissance rayonnée par une antenne n’est pas uniforme dans toutes les directions de l’espace. Il y a en général, une direction de rayonnement maximal autour de laquelle se trouve concentrée une grande partie de la puissance rayonnée, des directions de rayonnement secondaires autour desquelles se répartit la fraction de la puissance restante et des directions où la puissance rayonnée est presque nulle. Même si chaque antenne a son propre diagramme de rayonnement, ces diagrammes sont regroupés en trois catégories relatives à des formes typiques : isotrope , omnidirectionnel (rayonnement uniforme dans un plan donné) et directif (rayonnement concentré dans une direction donnée).
Efficacité de rayonnement
Lors de son fonctionnement, une antenne ne transmet pas la totalité de la puissance qui lui est fournie par l’alimentation. En effet, une partie de cette puissance est perdue sous forme de pertes par réflexion et de pertes ohmiques et diélectriques. Selon la norme IEEE 145-1993 [16], [17], on définit l’efficacité de rayonnement d’une antenne notée ηray par le rapport entre la puissance rayonnée par l’antenne Pray et la puissance acceptée par l’antenne Pa. Par ailleurs, l’efficacité totale d’une antenne (ηtot) est définie par le rapport entre la puissance totale rayonnée par l’antenne Pray et la puissance fournie au niveau de son entrée Pin et qui inclue donc la puissance dissipée dans l’antenne et celle liée à sa désadaptation .
Antennes électriquement petites
Une antenne électriquement petite peut être définie comme une antenne dont la longueur est très inférieure à la longueur d’onde du signal qu’elle transmet. Ces antennes se caractérisent généralement par une faible efficacité (elles stockent une grande partie de l’énergie qui leur est fournie et n’en rayonnent qu’une partie) [3]. Néanmoins, leur utilisation est très répandue en raison de leur volume compact et de leur faible coup de fabrication. Dans la littérature, la définition donnée par Wheeler est la plus répandue [18]. Il définit l’antenne électriquement petite comme étant une antenne dont la plus grande dimension est plus petite que λ/2π où λ est la longueur d’onde. Cette plus grande dimension est le diamètre de la sphère minimale contenant l’antenne, souvent appelée la sphère de Wheeler ou la sphère de Chu. La sphère définie par le rayon λ/2π correspond donc à la limite entre la zone où l’énergie est emmagasinée dans l’antenne et celle où l’énergie est rayonnée. Par ailleurs, la miniaturisation d’antenne nécessite de faire des compromis entre les dimensions de l’antenne, sa bande passante et son efficacité. Wheeler fut parmi les premiers à travailler sur les limites théoriques de la miniaturisation des antennes et le lien entre la taille de l’antenne et son facteur de qualité (donc sa bande passante) ainsi que son efficacité. Des études ont été faites par la suite dans la même optique en proposant des relations plus générales que celles proposées dans les premiers travaux sachant que ces premières études supposaient que l’antenne ne supportait qu’un seul mode caractéristique TE (transverse électrique) ou TM (transverse magnétique). Dans [19], McLean propose une relation entre la limite basse du facteur de qualité de l’antenne, son efficacité de rayonnement et ses dimensions.
Les antennes miniatures ne sont généralement pas très efficaces, et leur taille rend leur caractérisation plus délicate. En effet, la présence d’un câble connecté à l’antenne lors de sa mesure avec une taille comparable à celle de l’antenne peut modifier son rayonnement [12], [15]. Le câble ne peut donc être considéré comme étant transparent vis-à-vis des mesures effectuées et pour l’efficacité de l’antenne en particulier. Ainsi, une mesure sans contact (non-invasive) est requise afin de pallier ce problème.
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Table des matières
Introduction générale
Contexte et motivation
Objectifs
Organisation de la thèse
1 État de l’art sur la mesure de l’efficacité d’antenne en chambre réverbérante
1.1 Introduction
1.2 Antennes
1.2.1 Définition et caractéristiques
1.2.1.1 Coefficient de réflexion
1.2.1.2 Gain et directivité
1.2.1.3 Diagramme de rayonnement
1.2.1.4 Efficacité de rayonnement
1.2.1.5 Antennes électriquement petites
1.2.2 Techniques de mesure de l’efficacité d’antenne
1.2.2.1 Chambre anéchoïque
1.2.2.2 Wheeler cap
1.2.2.3 Chambre réverbérante
1.3 Généralités sur les chambres réverbérantes et leurs propriétés
1.3.1 Introduction
1.3.2 Propriétés statistiques des champs en CR idéale
1.3.2.1 Lois statistiques du champ électromagnétique
1.3.2.2 Homogénéité spatiale du champ en CR
1.3.2.3 Isotropie du champ en CR
1.3.3 Caractéristiques intrinsèques d’une CR réelle
1.3.3.1 LUF
1.3.3.2 Coefficient de rétro-diffusion eb
1.3.3.3 Facteur de qualité
1.3.3.4 Coefficient de corrélation et nombre d’échantillons décorrélés
1.3.3.5 Bande de cohérence
1.3.4 Techniques de brassage
1.3.4.1 Brassage mécanique
1.3.4.2 Brassage fréquentiel
1.3.4.3 Brassage de source
1.4 Techniques de mesure de l’efficacité d’antenne en CR
1.4.1 Méthodes avec antenne de référence
1.4.1.1 Méthode de substitution
1.4.1.2 Méthode du facteur de qualité
1.4.2 Méthodes sans antenne de référence
1.4.2.1 Approche avec une antenne de mesure
1.4.2.2 Approche avec deux antennes de mesure
1.4.2.3 Approche avec trois antennes de mesure
1.4.2.4 Conclusions et limitations
1.5 Caractérisation d’antenne sans contact
1.5.1 Introduction
1.5.2 Principe de la mesure par rétro-diffusion de l’antenne
1.5.3 Mesure en CA
1.5.4 Mesure en CR
1.6 Conclusion
2 Contributions originales aux mesures d’efficacité d’antenne existantes en CR
2.1 Introduction
2.2 Présentation de l’environnement de mesure et des antennes utilisées
2.2.1 Environnements de mesure
2.2.1.1 Chambre réverbérante de l’IETR
2.2.1.2 Chambre réverbérante de l’ESYCOM
2.2.2 Antennes de mesure
2.3 Comparaison entre deux méthodes d’estimation de l’efficacité d’antenne (méthodes avec deux antennes)
2.3.1 Technique de mesure avec antenne de référence
2.3.2 Technique de mesure sans antenne de référence
2.3.3 Configuration de mesure
2.3.4 Résultats et comparaison
2.4 Impact de composantes de champ non brassées sur l’estimation de l’efficacité d’antenne en CR
2.4.1 Nouvelle formulation des coefficients de réflexion et de transmission de l’antenne
2.4.2 Configuration de mesure
2.4.3 Résultats de mesure
2.4.3.1 Brassage avec l’antenne patch
2.4.3.2 Brassage avec l’antenne log-périodique
2.4.3.3 Brassage combiné de l’antenne patch et de l’antenne logpériodique
2.4.3.4 Comparaison entre les coefficients de réflexion des antennes dans les différents cas de brassage d’antenne
2.4.3.5 Comparaison entre les efficacités de rayonnement dans les différents cas de brassage d’antenne
2.5 Mesure à des fréquences basses (proches de la LUF)
2.5.1 Banc de mesure
2.5.2 Résultats de mesure
3 Caractérisation d’antenne sans contact en chambre réverbérante
3.1 Introduction
3.2 Caractérisation d’objets en CR
3.2.1 Surface équivalente d’absorption
3.2.2 Surface équivalente de diffusion
3.2.3 Cas particulier des antennes
3.3 Nouvelle méthode proposée
3.4 Validation expérimentale (CR ESYCOM)
3.4.1 Configuration de mesure
3.4.2 Résultats
3.4.3 Approximations appliquées sur le coefficient de réflexion
3.4.4 Effet du brassage
3.4.5 Etude de l’effet de la présence de plusieurs AUTs en CR sur le facteur de qualité
3.5 Validation expérimentale (CR Langevin)
3.5.1 Configuration de mesure
3.5.2 Mesure conventionnelle
3.5.3 Mesure sans contact
Conclusion générale
