Étude et conception des antennes reconfigurables

Les antennes reconfigurables

Introduction

Les antennes reconfigurables sont très intéressantes car leur fonctionnement peut être modifié dynamiquement, ce qui peut être très avantageux pour plusieurs applications. De plus, la reconfigurabilité permet à l’antenne d’offrir plus de fonctionnalités.
Dans ce chapitre, nous allons dans un premier temps définir les systèmes reconfigurables et les antennes reconfigurables. Ensuite, nous présenterons les techniques utilisées pour obtenir la reconfigurabilité en fréquence, en diagramme de rayonnement et en polarisation.
La dernière partie de ce chapitre détaille le principe de reconfigurabilité appliqué aux antennes et donne quelques exemples d’antennes reconfigurables qui ont conduit à la conception d’antennes reconfigurables présentées dans ce manuscrit.

Systèmes reconfigurables

La reconfigurabilité des systèmes de télécommunication peut être appliquée à des niveaux différents comme le montre la Figure II.1.
La solution qui consiste à employer une architecture à base d’un processeur de signal numérique DSP, donne de très bonnes performances en termes d’amélioration de la qualité du signal. C’est néanmoins une solution complexe à mettre en oeuvre (codage et correction d canal) et surtout couteuse. Une autre solution consiste à employer un circuit reconfigurable alimentant un réseau d’antennes. Cette solution assez efficace en pratique nécessite néanmoins l’intégration d’un certain nombre d’amplificateurs ou atténuateurs commandables et de déphaseurs, ce qui en fait une solution très couteuse. La dernière solution, qui présente un cout minime, consiste à intégrer la reconfigurabilité directement au niveau des antennes.

Antennes reconfigurables

La reconfigurabilité au niveau antennaire peut se définir comme la modification dynamique d’une ou plusieurs propriétés fondamentales de l’antenne en termes de fréquence, de polarisation et de diagramme de rayonnement. Elle permet de s’adapter à la variabilité de l’environnement et aux contraintes liées au système de communication. L’agilité des paramètres peut être envisagée par l’utilisation de composants discrets commutables ou accordables (diodes PIN, RF MEMS, diodes varicap, commutateurs photoconducteurs…), l’intégration de matériaux commandables (ferrites, cristaux liquides) ou par une modification de la structure physique de l’antenne.

Techniques de reconfigurabilité

Le progrès de la microélectronique a offert de nouveaux moyens pour obtenir des antennes reconfigurables à travers de nouvelles approches plus efficaces et moins coûteuses.
Certaines techniques ont eu recours à des composants localisés actifs tels que les diodes PIN, les diodes varicap, les MEMS, les commutateurs optiques… intégrés dans la structure de l’antenne, ils permettent en effet d’en modifier sa longueur électrique effective, de réaliser des courts circuits ou des fentes commutables, d’activer ou désactiver des éléments parasites.
D’autres approches s’appuyant sur l’agilité des substrats sont aussi mises en oeuvre. En fait, il s’est avéré très utile d’utiliser des matériaux « intelligents », c’est-à-dire à caractéristiques accordables notamment les substrats ferroélectriques et ferromagnétiques et les cristaux liquides.

Diode varicap

Une diode varicap (de l’anglais : variable capacity), aussi nommée varactor (acronyme de variable reactor) ou encore diode à capacité variable est une diode qui se comporte comme un condensateur dont la valeur de la capacité varie avec la tension inverse appliquée à ses bornes (Figure II.2) ; lorsque l’on change sa tension de polarisation, on change la valeur de cette capacité. Bien que les diodes varicap présentent une certaine facilité d’intégration et une grande agilité continue, les pertes introduites par ce composant sont parfois importantes et les tensions de polarisation peuvent atteindre 30V. De plus, la complexité du circuit de polarisation augmente avec le nombre de diodes varicap nécessaires pour rendre l’antenne reconfigurable [20].
Ces diodes sont souvent utilisées pour produire l’agilité. Par exemple, dans [21], des diodes varicap ont été introduites sur deux filtres (CPW) passe-bande pour obtenir l’agilité en fréquence des deux antennes CPW large bande comme l’indique la Figure II.3. Cela permet de contrôler les deux bandes rejetées qui sont assez loin l’une de l’autre de sorte qu’il existe une bande passante entre les deux. Lorsque les bandes de fréquences éliminées sont modifiées à l’aide de varicaps, la bande passante est aussi modifiée.

Diode PIN

Une diode PIN joue le rôle d’un interrupteur. Lorsqu’elle est polarisée en inverse elle est non passante (état OFF), mais une polarisation dans le sens direct la rend passante (état ON). Yang et Rahmat Samii ont présenté dans [22], une antenne microruban sur laquelle est taillée une fente verticale et sur laquelle une diode PIN est ajoutée (Figure II.4).
Lorsque la diode est à l’état ON, le courant horizontal principal ne change pas beaucoup comparé au cas sans la fente. L’antenne résonne ainsi à 4,75GHz. Par contre, lorsque la diode est OFF, le courant horizontal est forcé de faire un détour autour de la fente et de parcourir ainsi un trajet plus long. Lorsque la diode est à l’état ON, l’antenne perd cependant 1 dB de gain. Cela est dû aux pertes introduites par la diode [23].
Il est important de souligner que les diodes PIN nécessitent une tension de polarisation faible, qu’elles sont fiables et peu chères. Elles demandent tout de même des courants à l’état ON assez importants, ce qui les rend gourmandes en puissance.

MEMS (Système Micro électromécanique)

Un MEMS est un microsystème comprenant un ou plusieurs éléments mécaniques, utilisant l’électricité comme source d’énergie, en vue de réaliser une fonction de capteur et/ou d’actionneur; en partie assurée par la forme même de la structure. Selon leur conception, les MEMS peuvent servir pour diverses fonctions (Figure II.5). Typiquement, ils peuvent remplacer dans les structures antennaires des capacités ou des interrupteurs au même titre que les diodes varicap ou PIN. Ils ont cependant besoin d’une très haute tension d’activation, mais comme ils ne consomment quasiment pas de courant, les pertes sont très faibles. Leurs inconvénients restent en premier lieu la tension élevée qu’ils nécessitent (parfois jusqu’à 60V) et en second lieu, le coût relativement élevé de leur fabrication.
Cependant, les performances des MEMS ne cessent de s’améliorer. En effet, des interrupteurs MEMS avec des tensions d’actuation de 6V ont par exemple vu le jour.

Matériaux Agiles

Les matériaux dits « agiles » ou encore « intelligents » sont utilisés le plus souvent comme substrat dont les propriétés électromagnétiques (permittivité et/ou perméabilité) peuvent être modifiées via une commande externe (par l’application d’un champ électrique et/ou magnétique) assurant ainsi l’agilité des antennes. Quelques études ont été réalisées utilisant des propriétés de matériaux différents notamment les matériaux ferroélectriques, ferromagnétiques et les cristaux liquides. Ils offrent l’avantage d’être peu encombrants et de plus en plus facilement intégrables. Néanmoins, rendre ces matériaux agiles n’est pas une tâche facile ; la commande est difficilement intégrable, de grandes tensions doivent être appliquées sur les matériaux, les dispositifs d’alimentation sont complexes, les pertes sont assez importantes et les temps de réponse sont élevés.
L’antenne reconfigurable en fréquence présentée dans la Figure II.6 [25] est mise en oeuvre en utilisant un substrat de silicone extensible TC5005.
Le patch extensible est fabriqué par l’injection d’un alliage de métal liquide dans un réservoir Galinstan carré fabriqué dans le substrat en élastomère de silicone. La longueur électrique de l’antenne patch varie en fonction de l’étirement. Un réglage de fréquence de 1.3 à 3 GHz et une efficacité maximale de rayonnement mesurée de 80 % sont obtenus [20].

Antennes reconfigurables en diagramme de rayonnement

Une antenne reconfigurable en rayonnement est une structure rayonnante dont le diagramme de rayonnement peut être changé dynamiquement. Celui-ci peut être modifié en termes de forme, de direction ou de gain.
La reconfiguration de diagramme de rayonnement peut être utilisée afin de privilégier ou non certaines directions de rayonnement de l’antenne.
Il existe plusieurs concepts de reconfiguration de diagramme, parmi ces techniques, on trouve l’utilisation de diode PIN, de MEMS et des photoconducteurs.

Utilisation des diodes PIN

Une solution possible pour concevoir une antenne reconfigurable en diagramme est d’utiliser des antennes filaires. La variation du diagramme s’accompagne d’un changement de la fréquence de résonance qu’il faut minimiser. Un exemple d’antenne micro ruban en forme de spirale carrée, présenté dans [29], est illustré par la Figure II.9 (a). Dans la configuration d’origine, la longueur de la spirale carrée est d’environ une longueur d’onde et la polarisation est linéaire. Pour reconfigurer le diagramme de rayonnement, deux diodes PIN sont utilisées : l’une est située à un quart de longueur d’onde du point d’alimentation et permet de réaliser un court-circuit avec le plan de masse ; l’autre est placée dans la spirale et permet de réaliser un court-circuit. Lorsque les deux diodes sont actives, le diagramme de rayonnement subit une rotation de 45° (Figure II.9).
Dans cette configuration, la fréquence de résonnance est égale à 3,7 GHz. La topologie proposée permet, en plus, une reconfiguration en fréquence de la bande S (3,7 GHz) à la bande C (6,0 GHz) en activant seulement l’une des diodes.
Un autre exemple pour obtenir une antenne reconfigurable en diagramme à partir de fentes sur l’élément rayonné est proposé dans [31]. Cette antenne reconfigurable est une antenne large bande qui se compose d’une entrée coplanaire (reliée à un connecteur SMA), de deux transitions coplanaires vers les lignes à fente, d’une paire de lignes coniques (de type Vivaldi) et de quatre diodes PIN (Macom MA4AGBL912). Sa géométrie et le positionnement des diodes sont illustrés par la Figure II.10.
Selon l’état des diodes PIN, l’antenne est alimentée selon trois configurations dites mode coplanaire, mode droit, et mode gauche selon que la fente (droite ou gauche) est courtcircuitée.

Utilisation de MEMS

Dans [32] est proposée une antenne reconfigurable en diagramme en forme de spirale rectangulaire dans laquelle sont intégrés quatre MEMS (Figure II.12).
La spirale est alimentée en son centre par un câble coaxial.
Elle est constituée de cinq sections qui sont connectées par quatre MEMS RF stratégiquement placés.
En fonction des commutateurs activés, la longueur totale de la spirale varie et le diagramme de rayonnement se trouve modifié en conséquence (Figure II.13). La fréquence de résonance est égale à 10 GHz [30].

Utilisation de photoconducteurs

L’antenne reconfigurable présentée dans [33] comme antenne reconfigurable en fréquence offre également la possibilité de reconfiguration en diagramme Figure II.14 La Figure II.15 illustre les différents diagrammes de rayonnement selon l’état des photoconducteurs. Dans le cas où une seule diode est passante, la fréquence de résonance est égale à 2,7 GHz. Quand le commutateur de gauche est activité, le diagramme de rayonnement subit une rotation à gauche dans le plan du champ électrique ; et inversement quand celui de droite est passant [24].

Antenne reconfigurable en polarisation

Le dernier type de reconfiguration correspond à la modification de la polarisation de l’antenne. La reconfiguration de polarisation peut s’avérer utile pour réaliser des liaisons sans fil plus fiables et robustes. Pour cela, on cherche généralement à modifier le sens ou la phase des courants circulant sur l’élément rayonnant, sans les altérer afin de ne pas perturber les autres caractéristiques de l’antenne (mêmes fréquences de résonance et même rayonnement).
Il s’agit de modifier uniquement l’orientation vectorielle du champ E.
Les techniques utilisées pour les autres types de reconfigurabilité peuvent également s’appliquer ici. En effet, Il est possible de modifier la polarisation de l’antenne en ajoutant, par exemple, des fentes afin de perturber les lignes de courant.
Un exemple d’antenne à diversité de polarisation réglée à 26 GHz, employant des MEMS, est présenté dans [34]. Dans ce design, un commutateur MEMS est placé sur une antenne patch microruban avec une alimentation dans le coin pour exciter deux modes orthogonaux. Les commutateurs se composent d’une bande mobile métallique suspendue.
Quand la bande métallique est suspendue au-dessus de l’encoche, l’antenne rayonne une onde polarisée circulairement. En utilisant la mise en action électrostatique, la bande en métal peut être abaissée pour créer une antenne ayant une polarisation linéaire duale (Figure II.16a).
Un autre exemple d’antenne reconfigurable est l’antenne patch avec des fentes commutables, le « patch antenna with switchable slots » ou « PASS » développée par l’UCLA [35] (Figure II.16b). L’antenne PASS se compose d’une antenne patch en technologie microruban dans laquelle sont découpées une ou plusieurs fentes. Un commutateur (diode ou MEMS RF) est inséré au centre de la fente pour contrôler le comportement des courants.
Quand le commutateur est à l’état OFF, les courants en pointillé blanc sur la Figure II.16b sont obligés de contourner la fente. Quand le commutateur est dans l’état ON, le courant peut suivre le chemin plus court ainsi créé. La reconfiguration de polarisation est réalisée en incluant deux fentes orthogonales dans le patch. L’actionnement des commutateurs entraîne une polarisation circulaire droite ou gauche. L’antenne PASS a été également utilisée pour réaliser la reconfiguration par commutation entre deux bandes de fréquence [36].

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Généralités sur les Antennes Imprimées
I.1 Introduction
I.2 Définition et historique des antennes imprimées
I.3 Structure d’une antenne imprimée
I.4 Techniques d’alimentation
I.4.1 Alimentation par ligne microbande
I.4.2 Alimentation coaxiale directe
I.4.3 Alimentation par couplage électromagnétique
I.4.4 Alimentation au travers d’une ouverture dans le plan de masse
I.5 Les caractéristiques des antennes imprimées
I.5.1 La directivité
I.5.2 Coefficient de réflexion
I.5.3 Impédance d’entrée de l’antenne
I.5.4 Rendement de l’antenne
I.5.5 Le gain
I.5.6 Polarisation de l’antenne
I.6 Méthodes d’analyse
I.6.1 Méthodes approximatives (analytiques)
I.6.1.1 Modèle de la ligne de transmission
I.6.1.2 Modèle de la cavité
I.6.2 Méthodes rigoureuses (full-Wave)
I.6.2.1 Méthodes des différences finies
I.6.2.2 Méthode de la matrice des lignes de transmissions
I.6.2.3 Méthode des éléments finis
I.6.2.4 Méthodes intégrales
I.7 Avantages et inconvénients des antennes imprimées
I.8 Les applications des antennes imprimées
I.9 Conclusion
Chapitre II : Les Antennes reconfigurables
II.1 Introduction
II.2 Systèmes reconfigurables
II.3 Antennes reconfigurables
II.4 Techniques de reconfigurabilité
II.4.1 Diode varicap
II.4.2 Diode PIN
II.4.3 MEMS (Système Micro électromécanique)
II.4.4 Matériaux agiles
II.5 Classification des antennes reconfigurables
II.5.1 Antennes reconfigurables en fréquence
II.5.2 Antennes reconfigurables en diagramme de rayonnement
II.5.2.1 Utilisation des diodes PIN
II.5.2.2 Utilisation de MEMS
II.5.2.3 Utilisation de photoconducteurs
II.5.3 Antenne reconfigurable en polarisation
II.6 Conclusion
Chapitre III : Étude et Conception des Antennes Reconfigurables
III.1 Introduction
III.2 Conception d’une antenne carrée multi-bandes reconfigurable en fréquence
III.2.1 Géométrie de l’antenne
III.2.2 Résultat de simulation
III.2.3 Antenne à fente fractale reconfigurable en fréquence
III.2.4 Résultats de simulation de l’antenne à fente fractale reconfigurable en fréquen
III.3 Antenne dipôle reconfigurable en diagramme de rayonnement
III.3.1 Géométrie de l’antenne
III.3.2 Résultat de simulation
III.3.3 Antenne dipôle bi-faisceau reconfigurable en diagramme de rayonnement
III.3.4 Résultats de simulation de l’antenne dipôle bi-faisceau reconfigurable en diagramme de rayonnement
III.4 Conception d’une Antenne reconfigurable en Polarisation
III.4.1 Géométrie de l’antenne
III.4.2 Résultat de simulation de l’antenne patch circulaire reconfigurable en polarisation
III.5 Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographiques

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