LA STRUCTURE DE L’ANTENNE MICROBANDE

Réseaux d’antennes imprimées

La technique des circuits imprimés a révolutionné les domaines de l’électronique et plus récemment, celui des hyperfréquences, où elle se prête particulièrement bien à la réalisation des circuits d’antennes et des antennes plaques. Les plaques microbandes peuvent trouver une application dans les circuits intégrés micro-ondes comme résonateurs planaires pour oscillateurs et filtres. Ces plaques rectangulaires peuvent être utilisées aussi comme éléments rayonnants. Avant d’aborder le sujet en question, nous avons préféré donner en premier lieu un aperçu historique sur les antennes ainsi qu’une présentation de leur structure. Les avantages, les inconvénients et les différentes méthodes d’analyse sont aussi rapportés. Ensuite, nous décrirons succinctement leur fonctionnement et leur mécanisme de rayonnement. En fin, nous terminerons ce chapitre en présentant les techniques d’excitation les plus répandues des réseaux d’antennes.

Grâce à leurs nombreux avantages, les antennes plaques sont devenues très populaires dans diverses applications civiles et militaires. Ces antennes ont été proposées la première fois par DESCHAMPS en 1953. Cependant, il a fallu attendre plus de vingt ans pour que MUNSON réalisa la première antenne microbande [9]. En 1979 un colloque sur les antennes tenu au Mexique lance un intérêt international pour les antennes microrubans. Plusieurs articles ont été présentés lors de cette réunion puis apparus dans une édition spéciale des transactions d’IEEE sur les antennes et la propagation [5]. Un des premiers livres qui définit les caractéristiques des antennes, et qui est toujours une référence standard, a été écrit par BAHL et BHARTIA [10]. Depuis, plusieurs travaux sont apparus montrant la polyvalence en terme de géométries possibles ce qui les rend applicables dans différentes situations.

Notions de plan de coupe

Un graphique en trois dimensions paramétré en fonction de la direction permet de présenter au mieux les caractéristiques de rayonnement. Néanmoins, nous représentons en série de plans de coupe les diagrammes afin de mieux les visualiser. Sur la figure I.10, nous observons une sphère fictive représentée partiellement. Sur cette sphère, nous avons évalué les composantes de champs électriques qui permettent de caractériser le rayonnement d’une antenne. Prenons comme exemple une antenne que l’on polarise verticalement avec un lobe de rayonnement principal dans la direction . Le plan est le plan horizontal. Deux plans de coupe permettent de caractériser le rayonnement. Dans le plan 90°, la composante verticale du champ électrique est tracée en fonction de l’angle d’azimut . Nous désignerons ce diagramme par 90°, . Il est généralement appelé diagramme du plan . Dans le plan , c’est l’angle polaire qui permet de mesurer la composante de champ électrique. On désigne ce diagramme par, 90° et il est généralement appelé diagramme du plan .

Si nous polarisons l’antenne horizontalement et en prenant un lobe principal de rayonnement dans la direction , nous évaluons les diagrammes en fonction des angles et . Les plans sont les mêmes que pour l’antenne à polarisation verticale. La différence est que la composante de champ est tracée selon (horizontale). Nous identifions donc les diagrammes significatifs par 90°, et, 90°. Il est néanmoins rare de rencontrer une seule polarisation de champ. Généralement, on trace les diagrammes de rayonnement en champ ou en puissance en valeur absolue ou relative. Nous les présentons sous forme de rapport exprimé en décibels et normalisé, à savoir l’intensité maximale du champ dans une direction donnée, et le niveau de référence. Dans la mesure où le tracé des courbes du champ électromagnétique présente des variations de grandes amplitudes, cette présentation est très appréciée. Lorsque l’on évoque diagramme, on parle d’abord du rayonnement isotrope car il permet de caractériser les autres diagrammes. Le rayonnement isotrope se définit par une densité de puissance par unité d’angle solide, appelée aussi intensité de rayonnement égale quelle que soit la direction considérée.

CONCLUSION

La technologie microbande en général, et les antennes imprimées en particulier connaissent un succès croissant auprès des industriels et des professionnels de télécommunication, qu’elle soit spatial ou terrestre. Il est nécessaire de bien définir l’intégralité des paramètres des antennes, afin de prévoir son comportement avant même la réalisation d’une partie, et de s’assurer qu’elle se conformera aux exigences des systèmes. Ce chapitre a fait l’objet de généralités sur les antennes imprimées, leurs techniques d’alimentation les plus utilisées ainsi que les différentes méthodes d’analyse. Ce type d’antenne représente une nouvelle génération qui a trouvé un large usage dans le domaine de télécommunications. Par ailleurs, nous avons décrit différents types de réseaux d’antennes classés par ordre de dimensions : linéaire, plan, conformé, leurs paramètres physiques avec un rappel sur l’expression du diagramme de rayonnement pour le réseau unidimensionnel et bidimensionnel, ainsi que quelques définitions de base, associées au rayonnement électromagnétique. Enfin, nous avons exposé les avantages qu’offre le réseau conformé par rapport aux autres types, tout en indiquant les difficultés que cela peut entraîner comme le calcul séparé du motif de rayonnement de chaque source. Nous nous intéresserons dans les chapitres suivants à la synthèse des réseaux conformés par action sur les paramètres géométriques des sources, permettant d’obtenir un diagramme de rayonnement exigé à l’avance par l’utilisateur.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : RESEAUX D’ANTENNES IMPRIMEES
I.1. INTRODUCTION
I.2. HISTORIQUE
I.3. PRESENTATION DE LA STRUCTURE DE L’ANTENNE MICROBANDE
I.4. AVANTAGES ET INCONVENIENTS
I.5. METHODES D’ANALYSE
I.5.1. Modèle de la ligne de transmission
I.5.2. Modèle de la cavité
I.5.3. Analyse full-wave (méthode des moments)
I.6. TECHNIQUES D’ALIMENTATION
I.6.1. Alimentation avec la ligne microruban
I.6.2. Alimentation par câble coaxial
I.6.3. Alimentation couplée par ouverture
I.6.4. Alimentation couplée par proximité
I.7. LES RESEAUX D’ANTENNES IMPRIMEES
I.7.1. Etude de l’élément rayonnant primaire
I.7.1.1. Diagramme de rayonnement
I.7.1.1.1. Notions de plan de coupe
I.7.1.1.2. Diagramme de rayonnement
I.7.1.2. Gains d’une antenne
I.7.2. Réseaux rectilignes
I.7.3. Réseaux plans
I.7.4. Réseaux conformés
I.8. CONCLUSION
CHAPITRE II : ALGORITHMES GENETIQUES MULTI-OBJECTIFS
II.1. INTRODUCTION
II.2. JUSTIFICATION
II.3. APPLICATION PRATIQUE : SYNTHESE DE RESEAUX CONFORMES
II.4. OBJECTIFS ET CONTRIBUTIONS
II.5. OPTIMISATION MULTICRITERE
II.5.1. Concepts de base et terminologie concernant l’optimisation
II.5.2. Problème multi-objectif
II.5.2.1. Comparaison de vecteurs
II.5.2.2. Dominance de Pareto
II.5.2.3. Optimalité au sens de Pareto
II.5.2.4. Ensemble non-dominé et frontière
II.5.3. Exemple de problème multicritère
II.5.4. Recherche et décision
II.5.5. Difficultés additionnelles des problèmes multicritère
II.5.6. Méthodes non-linéaires pour la recherche de solutions
II.5.6.1. Méthodes de « direction de recherche »
II.5.6.2. Méthodes d’« exclusion de semi-espaces »
II.5.6.3. Méthodes de « recherche par populations »
II.5.7. Considérations sur les méthodes de recherche, problème multicritère et antenne imprimées
II.6. AGMO
II.7. L’ALGORITHME GENETIQUE
II.8. L’ETAT DE L’ART DE L’ALGORITHME GENETIQUE MULTI-OBJECTIF
II.9. PRINCIPALES PREOCCUPATIONS DANS LA RECHERCHE MULTICRITERE
II.10. L’ALGORITHME GENETIQUE MULTIOBJECTIF A TROIS POPULATIONS COURANTES
II.10.1. Extraction des solutions non-dominées
II.10.2. Réduction de l’espace de recherche
II.10.3. « Éclaircissement » (clearing) des solutions non-dominées
II.10.4. Construction de la population de travail ???????
II.10.5. Technique de niche
II.10.6. Le processus de sélection
II.10.7. Croisement et mutation
II.10.8. Prise en compte des contraintes sur les paramètres
II.10.9. Elitisme global
II.11. CONCLUSION
CHAPITRE III : SYNTHESE DE RESEAUX CONFORMES PAR ALGORITHMES GENETIQUES MULTI-OBJECTIFS
III.1. INTRODUCTION
III.2. ANALYSE DE RESEAUX CONFORMES D’ANTENNES
III.2.1. Réseaux conformes d’antennes
III.2.2. Approche théorique
III.2.3. Calcul du diagramme dans le repère global
III.2.3.1. Réseau conformé
III.2.3.2. Positionnement des sources
III.2.3.3. Problème des indéterminations
III.2.3.4. Calcul du diagramme de rayonnement élémentaire
III.2.4. Analyse du rayonnement
III.2.5. Conclusion
III.3. SYNTHESE DE RESEAUX CONFORMES D’ANTENNES
III.3.1. Introduction
III.3.2. Position du problème
III.3.3. Contraintes liées aux réseaux conformes
III.3.3.1. Test de visibilité des éléments rayonnants
III.3.3.2. Prise en compte des diagrammes élémentaires
III.3.4. Définition du gabarit
III.3.5. Fonction de coût utilisée (fitnesse)
III.3.6. Conclusion
III.4. RESULTATS DE LA SYNTHESE
III.4.1. Réseau dièdre
III.4.2. Réseau tétraèdre
III.4.3. Réseau pyramidal
III.4.4. Réseau cylindrique
III.4.5. Réseau cône
III.4.6. Réseau hémisphérique
III.4.7. Conclusion
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXE A : MODELISATION DE LA SOURCE ELEMENTAIRE
ANNEXE B : PSEUDO-CODE DES DIFFERENTES ETAPES DE L’ALGORITHME
GENETIQUE MULTI-OBJECTIF