Généralités sur les antennes

Caractérisation d’antennes 

Généralités sur les antennes

Les premières antennes sont apparues vers la fin du XIXe siècle, et leur diversité n’a cessé de s’accroître grâce aux progrès scientifiques mais aussi en raison de besoins émanant de domaines d’applications variés, tels que les télécommunications mobiles, les satellites, la télévision, la radio, l’identification, ou les objets communicants. Les antennes sont en effet à la base de tous les systèmes de communication sans fil. Malgré la grande diversité d’applications, les antennes sont toujours conçues pour transformer une onde électromagnétique guidée en une onde rayonnée (Figure 2.1) lorsqu’elles ont le rôle d’émettrice et l’inverse lorsqu’elles sont placées en réception.

La course à l’innovation concernant les systèmes de communication implique des études poussées dans le but d’améliorer les performances des antennes. Les caractérisations d’antennes sont généralement basées sur des spécifications et définitions standardisées par l’organisation IEEE [12]. Nous pouvons mentionner quelques paramètres qui permettent de caractériser entièrement une antenne :

-Le diagramme de rayonnement :
Le diagramme de rayonnement d’une antenne, qui est généralement défini en champ lointain, décrit la variation de la puissance rayonnée par l’antenne dans les différentes directions de l’espace libre. Ainsi, le diagramme de rayonnement indique les directions de l’espace (θ0, φ0) dans lesquelles la puissance rayonnée est maximale.

-Directivité d’une antenne :
La directivité D(θ, φ) d’une antenne correspond au rapport entre la puissance rayonnée dans une direction donnée P(θ, φ) et la puissance rayonnée moyennée dans toutes les directions, i.e., l’intensité que rayonnerait une antenne isotope (utilisée généralement comme référence).

– Gain et rendement d’une antenne :
Le gain G(θ, φ) d’une antenne est une propriété qui permet de caractériser sa capacité à focaliser la puissance rayonnée dans une direction donnée (θ, φ). L’expression du gain d’une antenne est liée à la directivité, en prenant en compte le rendement (η) de l’antenne, qui est associée aux pertes par rayonnement, telle que

G(θ, φ) = η.D(θ, φ) (2.3)

– Angle d’ouverture :
L’angle d’ouverture d’une antenne est défini comme l’angle entre les deux directions autour du lobe principal pour lesquelles la puissance rayonnée est la moitié (-3 dB) de celle émise dans la direction de rayonnement maximal. Il caractérise la largeur du lobe principal et détermine la partie de l’espace dans laquelle la majorité de la puissance est rayonnée.

– La polarisation d’une antenne :
La polarisation est une autre notion importante, qui correspond à l’orientation du champ électromagnétique rayonné par l’antenne. En particulier on distingue la polarisation linéaire, lorsque le champ électromagnétique garde la même orientation au cours de la propagation, et la polarisation circulaire dans le cas où l’extrémité du vecteur champ électrique rayonné par l’antenne décrit un cercle au cours du temps. Ces deux polarisations sont des cas particuliers de polarisation elliptique, pour laquelle le champ électrique peut être considéré comme l’addition vectorielle de deux vecteurs perpendiculaires et déphasés entre eux.

– Impédance d’entrée :
L’impédance d’entrée de l’antenne est l’impédance complexe vue à l’entrée de ce composant. Elle est donnée par :

ZA = RA + jXA (2.4)

La partie réelle RA est la résistance d’entrée, et elle est associée d’une part à la puissance rayonnée et d’autre part à celle qui est perdue par effet Joule, à savoir : RA = Rr + RJ, avec Rr représentant le rayonnement de l’antenne et RJ utilisée pour représenter les pertes dues à l’effet Joule. La partie imaginaire jXA correspond à la réactance de l’antenne, qui est liée à la puissance réactive stockée au voisinage de l’antenne. La fréquence de résonance d’une antenne correspond à l’annulation de la partie imaginaire de son impédance d’entrée.

Méthodes de caractérisation d’antennes

On s’assure du bon fonctionnement d’une antenne en mesurant les paramètres précédemment mentionnés qui permettent de quantifier ses performances. Les premières caractérisations d’antennes ont été réalisées en champ lointain dans un environnement non confiné, et plus tard dans les années 60, en chambre anéchoïque grâce aux absorbants en polyuréthane chargé en carbone [14].

Il existe plusieurs approches qui permettent de caractériser une antenne. Nous pouvons faire référence notamment à la méthode de mesure en rayonnement, qui permet de caractériser une antenne en déterminant son gain et son diagramme de rayonnement, un paramètre indispensable pour remonter à l’efficacité de rayonnement d’une antenne. La mesure d’antennes en rayonnement est couramment utilisée pour valider ou tester les paramètres d’une antenne, en champ lointain et en champ proche. La mesure peut être effectuée dans le domaine fréquentiel ainsi que dans le domaine temporel [15]. La grande différence entre les deux principes réside dans l’instrumentation utilisée. Dans le domaine fréquentiel, le principe consiste à mesurer à l’aide d’un analyseur de réseau vectoriel (en anglais Vector Network Analyser, VNA) le paramètre de transmission S21 entre l’antenne cible et l’antenne de mesure. Des mesures peuvent également être faites avec un générateur et un bolomètre. Dans le domaine temporel, un générateur d’impulsions est nécessaire pour générer des brèves impulsions sur l’antenne de mesure et un oscilloscope numérique est utilisé pour numériser les impulsions reçues, ce qui doit se faire en synchronisation avec le générateur d’impulsions.

Une autre approche permettant de caractériser une antenne est la méthode de mesure d’antenne par rétro-diffusion, connue aussi comme la mesure de la Surface Équivalente Radar (SER) d’une antenne. L’avantage de cette approche est qu’elle permet de faire des mesures sans contact, c’est-à-dire qu’il n’est pas nécessaire d’utiliser un câble d’excitation relié à l’antenne sous test. Dans le cas de la caractérisation des petites antennes, cette technique de mesure est vue comme une des solutions possibles permettant de s’affranchir des problèmes de perturbation de l’impédance et du rayonnement de l’antenne liés à la connectique [16]. Dans cette thèse, nous nous intéressons particulièrement à cette méthode de caractérisation d’antenne sans contact, afin de tirer profit de cet aspect non invasif des mesures de SER ; nous allons développer cette méthode par la suite.

Surface Équivalente Radar

Présentation du concept

Le RADAR, acronyme de Radio Detecting And Ranging, qui signifie détection et mesure de distance par ondes radio, a été inventé pendant la deuxième guerre mondiale [6]. L’intérêt du radar n’est pas de se substituer à l’œil, mais de faire ce que l’œil ne peut pas faire. Celui-ci ne peut pas résoudre les détails aussi bien que l’œil, ni reconnaître la « couleur » des objets au degré de sophistication dont l’œil est capable. Cependant, le radar peut être conçu pour voir dans certaines conditions particulières contrairement à la vision humaine, comme l’obscurité, la brume, le brouillard, la pluie et la neige. De plus, le radar a l’avantage de pouvoir mesurer la distance ou la portée de l’objet.

Une forme élémentaire de radar consiste en une antenne d’émission émettant un rayonnement électromagnétique, une antenne de réception et un dispositif de détection d’énergie. Une partie du signal transmis est interceptée par un objet réfléchissant (la cible) et est rétrodiffusée dans toutes les directions. C’est l’énergie rétrodiffusée dans la direction d’observation qui est d’un intérêt primordial pour le radar. L’antenne de réception collecte l’énergie captée, qui est ensuite traitée pour détecter la présence de la cible, sa forme, extraire l’emplacement et la vitesse de l’objet lorsqu’il se déplace. La distance à la cible est déterminée en mesurant le temps mis par le signal radar pour atteindre la cible et revenir. La direction, ou la position angulaire, de la cible peut être déterminée à partir de la direction d’arrivée du front d’onde réfléchi. La méthode habituelle de mesure de la direction d’arrivée consiste à utiliser des faisceaux d’antenne étroits [9].

Table des matières

1 Introduction générale
1.1 Contexte
1.2 Problématique
1.3 Objectifs
1.4 Organisation du manuscrit
2 État de l’art
2.1 Caractérisation d’antennes
2.1.1 Généralités sur les antennes
2.1.2 Zones de diffusion du champ
2.1.3 Méthodes de caractérisation d’antennes
2.2 Surface Équivalente Radar
2.2.1 Présentation du concept
2.2.2 Définition de la SER
2.2.3 Équation du radar
2.2.4 La SER et régions fréquentielles
2.2.5 Mesure de SER
2.2.5.1 Chambre Anéchoïque
2.2.5.2 Chambre réverbérante
2.2.6 Applications
2.2.6.1 Caractérisation de cibles
2.2.6.2 Imagerie
2.2.7 SER d’antenne
2.2.7.1 Mode de structure et mode d’antenne
2.2.7.2 Extraction du diagramme de rayonnement
2.3 CRBM
2.3.1 Définition
2.3.2 Domaines d’application
2.3.3 Propriétés intrinsèques
2.3.3.1 Lois statistiques du champ électromagnétique en CRBM
2.3.3.2 Facteur de qualité et bande de cohérence
2.3.4 Brassage
2.3.4.1 Techniques de brassage
2.3.4.2 Nombre de positions de brasseur décorrélées
2.3.5 Caractérisation d’antennes en CRBM
2.3.5.1 Paramètres globaux
2.3.5.2 Paramètres avec dépendance angulaire
2.3.6 Synthèse
3 Mesure de SER de cibles canoniques en CRBM
3.1 Théorie de la mesure de SER en CRBM
3.1.1 Rétrodiffusion du champ dans une CRBM à vide (sans la cible)
3.1.2 Rétrodiffusion du champ dans une CRBM chargée (avec la cible)
3.1.3 Expression de la Surface Équivalente Radar de la cible
3.2 Méthode d’extraction de la SER
3.3 Étude de sensibilité de l’extraction aux différents paramètres de mesure
3.3.1 Échantillons non corrélés
3.3.1.1 Erreur d’estimation en fonction du SNR pour plusieurs largeurs de bande
3.3.1.2 Erreur d’estimation en fonction de la largeur de bande pour des différentes valeur de SNR
3.3.1.3 Erreur d’estimation en fonction du SNR pour différents nombres de points N, et une largeur de bande fixée à ∆f = 2δf
3.3.2 Largeur de bande de cohérence réaliste (échantillons corrélés)
3.4 Validation expérimentale
3.4.1 Présentation des environnements de mesure
3.4.1.1 Chambre anéchoïque
3.4.1.2 Chambres réverbérantes à brassage de modes
3.4.1.3 Configuration de la mesure de SER en CRBM
3.4.2 Cibles canoniques mesurées
3.4.2.1 Présentation des cibles canoniques
3.4.2.2 Simulation de la SER de la plaque
3.4.2.3 Résultats de simulation aux différentes distances d’observation
3.4.3 Mesure de la SER de la plaque métallique pour une position fixe du brasseur
3.4.3.1 Extraction de l’onde balistique pour une position fixe du brasseur
3.4.3.2 SER pour une position fixe du brasseur
3.5 Apport du brassage
3.5.1 Impact de la moyenne sur un tour de brasseur sur l’extraction de l’onde balistique
3.5.2 Amélioration du SNR par le brassage de modes
3.5.2.1 Calcul du SNR
3.5.2.2 SNR calculé à partir des mesures
3.5.3 Comparaison des SER avec/sans brassage avec les mesures en CA
3.5.3.1 SER avec brassage mécanique comparée avec la mesure en CA
3.5.3.2 Validation de la méthode sur un dièdre métallique
3.5.4 Impact d’un décalage de la position de brasseur entre les deux étapes de la mesure sur la précision de l’estimation de la SER
3.5.4.1 Surface Equivalente Radar pour des positions de brasseur décalées
3.5.4.2 Estimation de l’erreur en fonction de la position de brasseur décalée
3.6 Synthèse
4 Conclusion générale

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