Etat de l’art sur les antennes multi-bandes

Dans un système de communication, les antennes sont des composants à part entière nécessitant une étude particulière. Tout en cherchant à améliorer les performances d’une antenne, on doit l’adapter aux applications les plus récentes. L’antenne doit également répondre aux contraintes de multiplication de bandes de fréquences et d’intégration dans l’architecture des terminaux. Enfin, les caractéristiques des antennes doivent être peu influençables par l’environnement. L’intérêt pour les antennes multi-bandes ne fait que croître, en particulier dans le but de réduire le nombre d’antennes embarquées en associant plusieurs applications sur une même antenne. Cependant, les performances des antennes multi-bandes actuelles sont traditionnellement limitées par la forme et l’arrangement de leurs éléments rayonnants. La plupart des antennes multi-bandes publiées dans la littérature présentent des fréquences de fonctionnement corrélées. En conséquence, les rapports entre ces fréquences ne sont pas indépendants et aisément contrôlables. De plus, aux différentes fréquences de fonctionnement, les diagrammes de rayonnement de ces antennes sont souvent peu semblables et difficilement modifiables.

En particulier, la diffusion croissante des systèmes de radionavigation comme le GPS (Global Positioning System) a permis d’inonder le marché mondial par un grand nombre de nouveaux récepteurs associant à la fois des bonnes performances, un faible encombrement et une consommation réduite. De plus, le déploiement du nouveau système de radionavigation européen Galileo (prévu pour 2013) et sa combinaison avec le GPS autorisera l’implémentation d’applications plus fiables à haute précision. Ainsi, le développement de nouvelles architectures d’antennes combinant deux systèmes de radionavigation ou plus est en plein essor. Les systèmes de radionavigation ont généralement besoin d’antennes multibandes performantes à polarisation circulaire. En effet, la plupart des systèmes de communications satellitaires, qu’ils soient géostationnaires, sur des orbites basses ou elliptiques, requièrent des antennes à polarisation circulaire. L’intérêt de celle-ci réside dans une faible dépolarisation de l’onde lors de la traversée de l’ionosphère (effet Faraday) et une isolation plus aisée des réflexions liées aux trajets multiples. La couverture hémisphérique est aussi désirable pour les communications par satellites en général et la radionavigation en particulier car les terminaux doivent recevoir des signaux de tout relais ou de tout satellite.

Etat de l’art sur les antennes multi-bandes 

Les progrès concernant la multiplication des bandes de fréquences ont généré un besoin croissant d’antennes multi-bandes ou large-bandes. En effet, l’emploi de telles antennes s’est généralisé dans les divers systèmes de télécommunications modernes. Cependant, la diversité des caractéristiques de différentes bandes à couvrir (la forme des diagrammes de rayonnement, le type de polarisation, la largeur de bande nécessaire) ont augmenté la difficulté de la conception de ces antennes. Les antennes permettant un contrôle de ces caractéristiques pour les différentes bandes de fréquences et présentant une méthodologie de dimensionnement aisée sont très appréciées. Nous présentons dans une première partie, un positionnement des antennes multi-bandes par rapport aux larges bandes pour la couverture de deux ou plusieurs bandes. Les points forts et faibles de ces deux topologies d’antennes sont recensés. Dans la suite nous allons nous intéresser principalement aux antennes multi-bandes. Cela dit, les principales techniques d’obtention d’antennes multi-bandes seront décrites. Les performances obtenues avec chaque technique sont discutées et conclues par un tableau résumant les différents points faibles et forts de cette technique. Enfin, une conclusion permet de comparer et de sélectionner les techniques les plus pertinentes pour l’obtention d’antennes multi-bandes.

Positionnement des antennes multi-bandes par rapport aux large-bandes 

Les télécommunications civiles et militaires utilisent de plus en plus de bandes de fréquence. Cette utilisation exhaustive du spectre radioélectrique a engendré un grand intérêt pour les dispositifs permettant de couvrir deux ou plusieurs bandes simultanément. Un élément fondamental jouant un rôle déterminant dans ces dispositifs est l’antenne. Cette dernière concrétise clairement cette tendance de multiplication de bandes de fréquence, d’où importance des antennes multi-bandes et large-bandes. Les antennes compactes classiques sont intrinsèquement des dispositifs à bande étroite de part leur nature souvent résonante. Leur comportement dépend fortement du rapport « taille sur longueur d’onde ». Le moindre désaccord de la fréquence de fonctionnement affecte considérablement les performances de l’antenne (adaptation, diagramme de rayonnement, gain). La fréquence de fonctionnement d’une telle antenne est définie par sa fréquence de résonance, i.e. la fréquence pour laquelle la partie imaginaire de son impédance d’entrée est nulle. Cela autorise, dans la majorité des cas, un coefficient de réflexion minimum. Une antenne multi-bande, par définition, est une antenne fonctionnant dans deux ou plusieurs bandes de fréquence avec des performances assez similaires dans ces bandes. Le fonctionnement d’une antenne sur une bande de fréquence se traduit généralement par une adaptation « raisonnable » de l’antenne pour toutes les fréquences de la bande. Cette adaptation « raisonnable » est définie par un coefficient de réflexion ou un taux d’onde stationnaire (TOS) à l’entrée de l’antenne inferieur à une valeur fixé. (Couramment : -10 dB, -15 dB, ou -20 dB pour le coefficient de réflexion et 2, 1.5, 1.2 pour le TOS). Une antenne large-bande est une antenne dont les performances sont indépendantes ou quasiindépendantes de la fréquence. Ces antennes sont caractérisées par la largeur de leur bande de fonctionnement ainsi que les dimensions minimales et maximales fixant respectivement la plus haute et la plus basse fréquence de fonctionnement. Pour un nombre donné de bandes de fréquence à couvrir, les deux topologies d’antennes peuvent être utilisées. Toutefois, suivant les performances recherchées (diagramme de rayonnement, type de polarisation, gain,..) ainsi que les contraintes fréquentielles (largeur de bande, espacement entre deux bandes successives et nombre de bandes à couvrir), une configuration est préférée par rapport à l’autre. Concernant les contraintes fréquentielles, le premier critère de choix est l’écart fréquentiel entre la première et la dernière bande. En effet, les antennes large-bandes sont limitées en largeur de bande. Ainsi, pour un écart assez important la configuration à base d’antennes multi-bandes est beaucoup plus commode. Dans les cas d’un écart faible, le nombre de bandes à couvrir est le deuxième paramètre à considérer. En effet, plus le nombre de bandes à couvrir est grand plus une conception à l’aide d’antennes multi-bandes est difficile voire impossible. Enfin, l’écart entre les bandes successives permet aussi de privilégier une configuration par rapport à une autre du moment où il n’est pas aisé d’avoir une configuration multi-bande avec des bandes relativement serrées.

Une antenne multi-bande est une antenne beaucoup plus sélective qu’une antenne largebande. Autrement dit, elle ne permet de faire passer que les bandes d’intérêt en jouant le rôle d’un filtre. Pour une antenne large-bande un circuit réjecteur peut s’avérer nécessaire pour quelques applications. Un autre avantage des antennes multi-bandes par rapport aux largebandes est la possibilité d’utiliser des éléments rayonnants indépendants pour chaque bande. Ainsi, il est aisé de faire varier la zone de couverture d’une des bandes sans modifier les couvertures des autres bandes de l’antenne. La variation de la couverture d’une bande est obtenue par une variation de l’élément rayonnant responsable de cette bande. Il convient de signaler qu’une antenne large-bande ne peut effectuer une telle modification.

Techniques utilisées pour obtenir des antennes multi-bandes 

Les techniques utilisées pour faire résonner une antenne à plusieurs fréquences sont très variées et basées sur plusieurs concepts. Dans la suite, nous allons décrire les techniques les plus employées pour l’obtention d’antennes multi-bandes ainsi que les avantages et inconvénients sur les performances radioélectriques qu’elles peuvent apporter.

Combinaison de plusieurs éléments rayonnants

La technique la plus classique pour obtenir des antennes multi-bandes est la combinaison de deux ou plusieurs éléments rayonnants (résonateurs) mono-bande. Ces éléments mono-bandes peuvent être de même type [1]-[4] ou différents les uns des autres [5], [6]. Coté excitation, les éléments constituant ces antennes multi bandes peuvent être alimentés de deux manières différentes :
• Alimentation directe par port d’excitation : dans ce cas ces éléments sont appelés éléments actifs ou directeurs
• Alimentation par couplage électromagnétique avec élément rayonnant voisin alimenté directement : dans ce cas ces éléments sont appelées éléments parasites ou passifs.

Les différents éléments rayonnants de ces antennes créent leurs propres fréquences de résonance fondamentale et supérieures. Si l’on désire obtenir une large bande passante, il faut choisir les longueurs résonnantes de ces éléments du même ordre de grandeur [7]. Si l’on souhaite plutôt travailler sur plusieurs bandes de fréquences distinctes, il faut alors dimensionner différemment chaque résonateur [6]. En cumulant les deux principes précédents, il est ainsi possible de réaliser des antennes à la fois large-bandes et multi-bandes. Dans le cas des antennes imprimées (Ex. patches) L’association de plusieurs éléments rayonnants peut se faire de deux façons différentes : soit ces éléments sont juxtaposés dans le même plan [8], soit ils sont empilés les uns sur les autres [9]-[12]. Le cas où les deux méthodes sont combinées existe également mais au détriment d’une augmentation importante du volume global de l’antenne [13].

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : ETAT DE L’ART SUR LES ANTENNES MULTI-BANDES
I.1 INTRODUCTION
I.2 POSITIONNEMENT DES ANTENNES MULTI-BANDES PAR RAPPORT AUX LARGE-BANDES
I.3 TECHNIQUES UTILISEES POUR OBTENIR DES ANTENNES MULTI-BANDES
I.3.1 COMBINAISON DE PLUSIEURS ELEMENTS RAYONNANTS
I.3.2 ANTENNES DE TYPE PIFA
I.3.3 FRACTAL
I.3.4 ANTENNES A TRAPPES
I.3.5 ALGORITHMES GENETIQUES ET D’AUTRES ALGORITHMES D’OPTIMISATION
I.4 CONCLUSION
CHAPITRE II : NOUVELLE TOPOLOGIE D’ANTENNES MULTI-BANDES A BASE DE TRAPPES/INTERRUPTEURS
II.1 INTRODUCTION
II.2 DESCRIPTION DE L’ANTENNE
II.2.1 GEOMETRIE DE L’ANTENNE
II.2.2 GUIDE METALLIQUE A LA COUPURE
II.2.3 CHOIX ET POSITIONNEMENT DES TRAPPES/INTERRUPTEURS RF
II.3 ETUDES PARAMETRIQUES SUR L’ANTENNE PYRAMIDALE
II.3.1 ANALYSES SUR LES CONSTITUANTS DE L’ANTENNE
II.3.2 ANALYSES EN FONCTION DU RAYON DE L’EVIDEMENT
II.3.3 ANALYSES EN FONCTION DU RAYON DU PLAN DE MASSE
II.3.4 ANALYSES EN FONCTION L’ANGLE D’INCLINAISON DES MONOPOLES
II.4 METHODOLOGIE DE CONCEPTION DE L’ANTENNE PYRAMIDALE MULTI-BANDE
II.5 CONCLUSION
CHAPITRE III : ALIMENTATION DE L’ANTENNE PYRAMIDALE MULTI-BANDE
III.1 INTRODUCTION
III.2 ETAT DE L’ART SUR LES CIRCUITS D’ALIMENTATION MULTI-BANDES DONNANT UNE POLARISATION CIRCULAIRE
III.2.1 EN UTILISANT DES COUPLEURS
III.2.2 EN UTILISANT DES DEPHASEURS
III.2.3 EN UTILISANT DES MULTIPLEXEURS
III.2.4 EN UTILISANT DES LIGNES A RETARD
III.2.5 CONCLUSION SUR LES CIRCUITS D’ALIMENTATION MULTI-BANDES
III.3 ETAT DE L’ART SUR LES COUPLEURS MULTI-BANDES ET LARGE-BANDES
III.3.1 COUPLEURS MULTI-BANDES
III.3.1.a Technique à base de stubs
III.3.1.b Technique basée sur des lignes à longueur et à impédance caractéristique variables
III.3.1.c Technique du BLC avec des lignes couplées
III.3.1.d Technique des lignes « RHLH »
III.3.2 COUPLEURS LARGE-BANDES
III.3.3 CONCLUSION SUR L’ETAT DE L’ART DE COUPLEURS MULTI-BANDES ET LARGE-BANDES
III.4 SOLUTION PROPOSEE POUR L’ALIMENTATION DE L’ANTENNE PYRAMIDALE MULTI-BANDE
III.5 APPLICATION : CIRCUIT D’ALIMENTATION POUR UNE ANTENNE TRI-BANDE AVEC DIVERSITE DE POLARISATION CIRCULAIRE
III.5.1 CAHIER DES CHARGES
III.5.2 CONCEPTION ET SIMULATION
III.5.2.a Etage GPS/Galileo
III.5.2.b Etage TM MicroSat
III.5.2.c Diplexeur
III.5.2.d Circuit d’alimentation complet
III.5.3 REALISATION ET MESURE
III.5.3.a Choix et commande des composants
III.5.3.b Réalisation des circuits imprimés et report de composants
III.5.3.c Mesures du circuit d’alimentation réalisé
III.6 CONCLUSION
CHAPITRE IV : APPLICATIONS DE L’ANTENNE PYRAMIDALE MULTI-BANDE
IV.1 INTRODUCTION
IV.2 APPLICATION 1 : ANTENNE PYRAMIDALE TRI-BANDE A BASE D’ELEMENTS FILAIRES POUR APPLICATION GPS/GALILEO/TM MICROSAT
IV.2.1 PRESENTATION ET CAHIER DES CHARGES
IV.2.2 ANTENNE PYRAMIDALE TRI-BANDE PROPOSEE
IV.2.2.a Eléments rayonnants, plan de masse et guide d’onde
IV.2.2.b Choix et dimensionnement des trappes
IV.2.3 VALIDATION EXPERIMENTALE DE L’ANTENNE REALISEE
IV.2.3.a Moyens de mesure et hypothèses
IV.2.3.b Antenne pyramidale à base de trappes idéales (circuit ouvert/ circuit fermé)
IV.2.3.c Antenne pyramidale à base de trappes réelles
IV.3 APPLICATION 2 : ANTENNE PYRAMIDALE BI-BANDE RECONFIGURABLE A BASE D’ELEMENTS FILAIRES POUR APPLICATIONS ARNS/RNSS
IV.4 APPLICATION 3 : ANTENNE PYRAMIDALE TRI-BANDE A BASE DE TRIANGLES DE SIERPINSKI
IV.5 CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE

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