La technologie Ultra Large Bande

La technologie Ultra Large Bande

bref historique de la technologie

ULB pouvons raisonnablement associer l’origine de l’ULB à celle de la Télégraphie Sans Fil(TSF) au travers des travaux de Guglielmo Marconi qui, dès 1896, utilise une suite d’arcs électriques plus ou moins longs – similaire à des impulsions – comme base de modulation d’un message codé en Morse. Il réalise ainsi la première communication transatlantique en 1901 mais ce n’est qu’au début de la seconde moitié du 20 siècle que sont initiées les recherches sur les techniques ULB. Ces activités regroupent une multitude de travaux portant sur des concepts radio similaires intitulés radio impulsionnelle, radio sans porteuse ou encore sur des notions se rattachant aux approches transitoires dans le domaine temporel. La majorité de ces travaux avaient pour but de décrire le comportement transitoire de certains réseaux micro-ondes à travers l’étude des caractéristiques de la réponse impulsionnelle au lieu d’étudier ces systèmes dans le domaine fréquentiel.

C’est ce que firent les Russes en développant un radar en bande X (8-12GHz) basé sur des impulsions de 0.5 ns dès 1957 [2]. Il était cependant difficile pour l’époque d’observer des signaux d’une durée inférieure à la ns. Heureusement, à cette même période, Hewlett-Packard introduit l’oscilloscope à échantillonnage temporel qui, dès lors, facilite grandement la mesure de signaux ULB [3]. Mais Le terme ULB n’a été introduit que vers 1989 par le département de la défense des Etats-Unis. Le premier brevet sur l’application de l’ultra large bande aux télécommunications est dû à G. F. Ross en 1973 [4]. Jusqu’en 1994, de nombreux travaux ont été financés par le gouvernement américain mais sous le couvert de la confidentialité. Depuis lors, l’étude des systèmes de transmission par impulsions tant dans le monde industriel qu’académique a fait l’objet de nombreuses publications [5][6]. Le premier article décrivant cette solution pour les télécommunications, connue sous le nom d’Impulse Radio (IR), est dû à P.Withington et L. Fullerton [7] en 1992.

Cet article a été suivi par des travaux académiques démarrés par Scholtz [8] en 1993, et ce n’est qu’en 1997 que le terme ULB apparaît dans le titre d’un article consacré à l’IR [9]. Depuis lors, les deux appellations cohabitent suivant les auteurs. En août 1998, la Federal Communications Commission (FCC) a fait paraître un avis d’information publique (Notice of Inquiry) [10] afin d’évaluer la possibilité de permettre l’utilisation de systèmes employant l’ULB. Suite à cette publication, une centaine de réponses et commentaires ont été faits par les divers organismes et partenaires industriels impliqués de près ou de loin dans l’utilisation de l’ULB. A la suite de ces commentaires, la Federal Communication Commissions (FCC) aux Etats-Unis a adopté en mai 2000 un avis de proposition de réglementation (Notice of Proposed Rule Making) dans laquelle, elle reconnaissait les avantages que pourraient apporter les systèmes utilisant l’ULB dans de nombreux domaines. La FCC a attribué finalement 7.5 GHz de spectre dans la bande [3.1- 10.6 GHz] à l’ULB [11], et elle a autorisé son utilisation commerciale pour les applications Civiles.

Antennes Ultra

Large Bande Ce chapitre est consacré à la présentation des différents types d’antennes ULB existantes qui sont utilisées. Ces antennes ont été classées selon certaines propriétés: particularités géométriques ou spécificité du diagramme de rayonnement (antenne omnidirectionnel ou directive). Toutes ces antennes possèdent naturellement une bande passante assez élevée. Il existe plusieurs façons de réaliser une antenne ayant une bande passante très large. La première d’entre elles consiste à utiliser des géométries particulières. Ces antennes sont appelées antennes indépendantes de la fréquence : leur géométrie permet d’avoir une bande passante d’une décade. Concernant les antennes omnidirectionnelles, il existe deux grandes catégories d’antennes présentant naturellement une bande passante élevée: les antennes biconiques et leurs dérivées et les antennes monopoles large bande. On étudiera les antennes directives (antennes à transition progressive et les cornets). Ces antennes se caractérisent par un passage progressif de l’impédance caractéristique de la ligne (ou du guide) à l’impédance d’onde de l’espace libre. On étudiera ces différents types d’antennes ULB du point de vue classique (adaptation et diagramme de rayonnement) mais surtout d’un point de vue impulsionnel.

Antenne à transition progressive (Vivaldi)

Les antennes à fente à transition progressive (TSA : Tapered Slot Antenna) constituent une autre catégorie importante d’antennes ULB directives. Ce sont des antennes à deux dimensions présentant une transition à partir d’une ligne ou d’un guide d’onde imprimé. Elles ont été imaginées en 1974 par Lewis et Gibson. Elles sont généralement constituées par une ligne de fente s’élargissant suivant un profil donné jusqu’à la discontinuité finale. Le profil de ces ouvertures peut prendre différentes formes: profil linéaire (antennes LTSA), profil constant (antennes CWSA), profil linéaire par morceau (BLTSA) ou encore profil exponentiel (antenne Vivaldi).

Les antennes TSA sont adaptées sur une très large bande passante de 125% à 170%. Leur diagramme de rayonnement est unidirectionnel dans le plan du substrat et présente un faible niveau de polarisation croisée. Leur directivité augmente avec la fréquence et les gains atteints par ces antennes peuvent aller jusqu’à 10 dB selon le type de profil. Il existe plusieurs types d’antennes Vivaldi : l’une d’entre elles est l’antenne Vivaldi antipodale dont une réalisation pratique étant montrée à la figure II.9. Cette antenne propose une transition à partir d’une ligne micro-ruban permettant d’avoir une alimentation non symétrique qui peut être connectée à un câble coaxial. L’antenne est alors imprimée sur les deux faces du substrat [22] [23].

Récapitulatif des caractéristiques des antennes

Afin de confronter ces besoins spécifiques aux capacités des antennes ULB présentées dans ce chapitre, leurs principales caractéristiques sont réunies dans un tableau (tableau II.1). les performances des antennes sont regroupées en terme d’adaptation, d’encombrement, et de rayonnementsuivant le cahier des charges spécifié. Cette mise en forme a pour but de synthétiser les données accumulées dans ce chapitre et de justifier le choix de la structure d’antenne qui sera retenue. De par son principe même, il implique une schématisation des caractéristiques et s’efforce à faire ressortir seulement le comportement global des antennes sans s’attacher aux détails particuliers [22]. Ainsi, concernant l’adaptation des antennes, les largeurs de bande affichées sont relatives et représentent des valeurs obtenues avec des antennes optimisées dans ce sens. De même l’impédance d’entrée des structures dèpend soit du taux de périodicité pour les antennes logpériodiques soit de l’angle au sommetpour les antennes triangulaires ce qui rend délicat de donner une valeur précise. Dans ce cas, soit des fourchettes de valeurs, soit la valeur la plus proche de celle désirée (dans notre cas 50 Ω) est donnée.

Il faut noter également que dans le cas des antennes coniques, les impédances d’entrées fournies sont celles minimales obtenues par Brown et Woodward pour des valeurs de α de 90°. Il ne s’agit donc certainement pas de réelle limite inférieure. Cette valeur pouvant encore être diminuée en augmentant α d’avantage (cas *). Les dimensions des antennes sont exprimées en longueurs d’onde à la fréquence la plus basse d’adaptation. Pour les antennes indépendantes de la fréquence le taux d’expansion ou le rapport de périodicité influent sur les dimensions des structures. La taille indiquée alors est celle pour laquelle l’antenne est la plus petite. De plus, pour toutes les antennes possédant un plan de masse, le fait que leur élément rayonnant soit de faible encombrement n’a pas été pris en compte en tant qu’avantage (cas **). En effet, il est considéré que le plan de masse de dimensions généralement égales, voire la plus basse d’adaptation, empêche de qualifier la structure d’antenne comme étant électriquement petite. Le tableau ci après est donc la représentation des performances globales atteignables par ces antennes afin de pouvoir mettre plus aisément en avant leurs avantages et inconvénients.

Table des matières

Dédicace
Remerciement
Résumé
Abstract
ملخص
Tables des matières
Tables des illustrations
Introduction générale
Chapitre I : la technologie Ultra Large Bande
I.1. Introduction
I.2. bref historique de la technologie ULB
I.3. Comparaison système ULB / système à bande étroite
I.4. Définition de l’ULB
I.5. Caractéristiques principale d’ULB
I.5.1. La capacité d’un canal de transmission
I.5.2. Les modulations
I.5.3 : faible densité spectrale de puissance
I.6.Les avantage de l’ULB
I.7. Les applications de l’ULB
I.7.1. Applications d'aide à la conduite
I.7.2. Application liée aux radars
I.7.3. Application de type « See Through Wall»
I.7.4. système de communication sans fil
I.8. Conclusion
Chapitre II : Antennes Ultra Large Bande
II.1.Introduction
II.2.Antennes indépendantes de la fréquence
II.2.1. Les antennes spirales
II.2.1.1. Antenne à spirale logarithmique
II.2.1.2. Antenne spirale conique
II.2.1.3. Antenne à spirale d'Archimède
II.2.2. Les antennes log-periodique
II.2.2.1. L’antenne log-periodique circulaire
II.2.2.2. L’antenne log-périodique trapézoïdale
II.2.2.3. L’antenne dipôle log-périodique
II.3. Antenne directive
II.3.1. L’antenne cornet
II.3.2. Antenne à transition progressive (Vivaldi
II.4. Antennes omnidirectionnelles
II.4.1. Antenne biconique
II.4.2. Antenne discône
II.4.3. Dipôles/ monopoles planaire ultra large bande
II.4.3.1. Antenne papillon (Bow Tee)
II.4.3.2.Antenne circulaire planaire
II.5. Récapitulatif des caractéristiques des antennes
II.6. conclusion
Chapitre III : conception des antenne miniatures de type monopole planaire
III.1. Introduction
III.2. Etude d’un monopole triangulaire alimenté par CPW
III.3. Etude paramétrique de l’antenne monopôle triangulaire
III.3.1. Largeur du plan de masse latérale L
III.3.2. épaisseur e de plan de masse latérale
III.3.3. Longueur de guide d’onde coplanaire l
III.3.4. Largeur de conducteur centrale W
III.3.5. Largeur G des fentes
III.4. Dimension d’un monopole triangle optimise
III.5. Etude d’un monopole triangulaire a ouverture
III.6. Etude d’un monopole triangulaire à fentes et plan de masse replié
III. 7. Etude d’un monopole elliptique alimentée par CPW
III.8. Etude d’un monopole losange alimenté par CPW
III.9. Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie

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