Miniaturisation d’antennes monopoles planaires par l’utilisation d’un Matériau Magnéto-Diélectrique (MMD)

Limite du facteur de qualité dans les matériaux magnétodiélectriques (MDM)

Modes TEn0 (dipôles magnétiques)

On suppose que la sphère englobant l’antenne est remplie d’un Matériau MagnétoDiélectrique (MMD) qui présente une permittivité et une perméabilité supérieures à celles de l’espace libre ,Le facteur de qualité dans ce cas a été étudié par Kim [9]–[11] enmontrant qu’un facteur  approchant de la limite de Chu peut être réalisé lorsque la perméabilité du MMD est élevée.

Effet des pertes

Comme les matériaux physiques possèdent des pertes, l’utilisation du MMD conduit par conséquent à la diminution de l’efficacité de l’antenne. La réduction du  entraîne une augmentation de la bande passante, ce qui est normalement un effet souhaitable,par contre elle entraîne une diminution de l’efficacité du rayonnement.
On exprime l’efficacité de rayonnement par la relation :

Miniaturisation d’antennes par des matériaux magnéto-diélectriques (MMD)

Il est maintenant bien établi que la miniaturisation des antennes est une histoire de compromis entre la taille et les performances de l’antenne associéesau gain, l’efficacité du rayonnement et la bande passante. Plusieurs techniques ont été utilisées pour réduire la taille physique des antennes [14]–[23]. Ces techniques de miniaturisation ont été classées en deux groupes. La première catégorie modifie la topologie de l’élément rayonnant [14]–[16], comme l’augmentation de la longueur électrique du trajet de courant. Ces techniques sont faciles à fabriquer et abordables pour les applications industrielles. Cependant, elles ont certains inconvénients, telles que la détérioration du diagramme de rayonnement de l’antenne due au changement de géométrie de l’élément rayonnant [3]. En général, ces techniques réduisent la largeur de la bande passante del’antenne à cause de la nouvelle résonance créée le long du nouveau trajet prolongé ducourant.
Dans la deuxième catégorie, plusieurs recherches ont concentrées sur l’optimisation du substrat utilisé avec l’antenne au lieu de sa géométrie [17]–[19], [23]. Les matériaux diélectriques à permittivité élevée sont fréquemment utilisés comme substrat pour miniaturiser l’antenne en ralentissant l’onde confinée à l’intérieur du substrat [23]–[25]. cependant, ce confinement des ondes provoque une augmentation du facteur de qualité (bande passante étroite), et une réduction de l’efficacité de rayonnement causée par une concentration d’énergie élevée autour d’une région de haute permittivité dans le cas d’une antenne imprimée (patch) ceci conduira à augmenter l’impédance du bord dupatch, créant ainsi des difficultés d’adaptation d’impédance d’entrée de l’antenne [23], [26], [27]. Par conséquent, l’utilisation de matériaux diélectriques à permittivité élevée est souvent limitée aux antennes fonctionnant sur une bande de fréquence étroite (GPS et Bluetooth). Les faiblesses des matériaux diélectriques à permittivité élevée peuvent être surmontées en utilisant des matériaux magnéto-diélectriques (MMD) qui permettent de miniaturiser la taille d’antenne avec des performances améliorées en comparant avec les matériaux diélectriques.

Pourquoi MMD ?

L’utilisation de MMD qui ont une permittivité et une perméabilité relatives supérieures à l’unité est attractif pour réduire la taille de l’antenne et offrir des avantages en termes de performances.

Etat de l’art récent d’antennes miniaturisées par des MMD

Dans cette section, nous présentons plusieurs études de l’état de l’art de laminiaturisation des antennes par l’utilisation des MMD, avec un rempl issage souvent partiel pour les MMD. Dans toutes ces études, les performances de l’antenne miniaturisée par le MMD ont été comparées avec celles de l’antenne miniaturisée par un matériau diélectrique équivalent ramenant l’antenne à la même fréquence derésonance.Les antennes sont de types PIFA méandres ou non, placées sur un PCB.

Exemple 1 

Dans cette étude, une antenne PIFA méandre a été miniaturisée en la couvrant partiellement par un MMD. La position du MMD dans l’antenne a été étudiée et comparée avec une antenne chargée par un matériau diélectrique commercial à la même fréquence de résonance, utilisant le facteur de qualité de rayonnement comme une figure de mérite. Il est montré que pour bénéficier du MMD au niveau du facteur de qualité, il faut bien choisir la position du matériau selon la distribution du champ magnétique dans l’antenne.

MMD utilisé

Le MMD utilisé dans cette étude est composé du substrat de mylar et des films Fe-SiO2 multicouches [34]–[36]. En utilisant cette technologie, la réponse magnétique peut être obtenue aux hyperfréquences sans pertes élevées. La perméabilité et les pertes de matériaux associées peuvent être contrôlées en modifiant la fraction volumique des films dans le matériau. Avec cette technologie ; des échantillons magnétiques de taille 30 × 20 × 0.5 mm 3 ont été fabriqués. Chaque échantillon était constitué de 28 films multicouches collés les uns aux autres. Chaque film comprend cinq couches Fe–N de 0.07 mm d’épaisseur sur les deux côtés du substrat mylar de 0.07 d’épaisseur, avec untotal de dix couches. La structure de l’échantillon est illustrée sur la Figure 1-10 (a).
La perméabilité mesurée de l’échantillon est présentée sur la Figure 1-10(b), dans la gamme de fréquence de 130 MHz–5 GHz. La perméabilité relative ? ? à 500 MHz est égale à 5.1, où la tangente des pertes magnétiques est égale à 0.08. La permittivité relative du matériau ? ?est de l’ordre de 2.4 avec une tangente de pertes diélectrique d’environ 0.01.

Résultats d’antenne chargée par le MMD

Le MMD a été testé pour plusieurs positions sur l’antenne selon la distribution de champs ; proche de la région de la source où le champ magnétique est dominant (Figure 1-13b), et au centre de l’antenne oùl’intensité du champ électrique est plus élevée en comparant avec la région proche de la source (Figure 1-13 c). Pour chaque position, les performances de l’antenne ont été comparées avec celles de l’antenne chargée par des matériaux diélectriques de permittivités de 3, 13, 23 et 39 sur le Tableau 1-2.Dans ces deux cas les dimensions de l’antenne et du plan de masse sont 50 mm × 8 mm × 5 mm et 50 mm × 100 mm × 1 mm, respectivement. Par exemple pour la position proche de la source (Figure 1-13b) ; nous remarquons sur le Tableau 1-2 que la fréquence de résonance est décalée un peu en augmentant la permittivité. Cependant, le MMD a décalé la fréquence de résonance considérablement en comparant avec les matériaux diélectriques, parce que le matériau magnétique est plus efficace proche de la source grâce au champ magnétique concentré dans cette région. Pour comparer la bande passante et l’efficacité moyenne dans la bande, les fréquences de résonance ont été ajustées à celles de ? ?= 3 en coupant les antennes par une distance Δ?.L’antenne MMD montre la bande passante la plus grande avec une efficacité moyenne diminuée à cause des pertes magnétiques.

Résultats d’antenne chargée par le MMD

L’antenne miniaturisée par MMD (PIFAMMD) a été comparé avec une antenne similaire miniaturisée par un substrat diélectrique (PIFAD) qui a une permittivité relative de 15.1, pour obtenir la même fréquence de résonance de PIFAMMD (900 MHz), avec une tangente de perte diélectrique de 0.0704, qui égale à la somme de tangentes de pertes diélectrique et magnétique du MMD (Figure 1-15).
Les performances des trois antennes PIFAMMD, PIFADet PIFAFR4ont été comparées au niveau de la bande passante (S11 < -10), l’efficacité totale et le gain, et les résultats sont rapportés sur le Tableau 1-3. Nous observons que l’antenne PIFAMMD a une bande passante plus large en comparant avec l’antenne PIFAD, aussi une efficacité et un gain plus importants bien que les deux antennes ont la même perte totale, ce qui signifie que l’énergie stocké dans le matériau diélectrique de permittivité élevée est plus importante que l’énergie stockée dans le MMD.

Modélisation d’antennes insérées dans un Milieu Magnéto-Diélectrique (MMD)

Introduction

L’impédance d’entrée d’une antenne est une fonction complexe qui dépend de sa géométrie, de son environnement et de la fréquence. Une détermination précise de l’impédance d’entrée est essentielle pour la conception d’un réseau d’adaptation approprié afin d’obtenir l’efficacité de rayonnement maximale. L’impédance d’entrée de l’antenne insérée dans le MMD peut être calculée à l’aide d’outils de modélisation numérique, qui prennent beaucoup de temps et ne fournissent pas beaucoup de connaissances physiques concernant l’influence des paramètres des matériaux sans une analyse exhaustive. Elle peut être représentée à l’aide de circuits équivalents à éléments localisés. Plusieurs circuits équivalents ont été développés; pour une antenne dipôle dans l’air [44] et dans un milieu diélectrique [45], et pour un monopole large bande dans l’air [46].
Dans ce chapitre, nous proposons une méthode de modélisation de l’antenne monopole large bande chargée par un MMD. Dans un premier temps, un circuit équivalent est obtenu à partir de l’impédance d’entrée (simulée ou mesurée) de l’antenne dans l’air.
Ensuite, l’architecture et les valeurs de ce circuit seront modifiées par les caractéristiques du matériau afin d’obtenir le modèle de l’antenne dans le MMD (Figure 2-1).

Circuit équivalent d’un monopole large bande dans l’air

Nous considérons l’antenne monopole planaire large bande de hauteur H = 200 mm, de largeur 96 mm, et ? = 40 o , illustrée sur la Figure 2-2(a). La Figure 2-2(b) montre l’impédance d’entrée de l’antenne dans la bande 100-1400 MHz ; en regardant la partie imaginaire, nous observons que l’antenne est capacitive aux fréquences inférieures à la première résonance. Cette réactance capacitive peut être modélisée par une capacité C0 (Figure 2-3). Une inductance L0sera ajoutée en série avec C0pour avoir la résonance à ? ? ⁄ = 0.5. En supprimant les réponses de C0 et L0de l’impédance de l’antenne, la courbe de l’impédance sera similaire à la réponse d’un circuit résonnant RLC parallèle [44].
L’antenne large bande est une antenne multi résonante et peut être modélisée par N cellules ou circuits RLC parallèles mis en série avec une cellule d’entrée LC série (Figure 2-3). Chaque cellule modélise une résonance, et le nombre N de cellules varie donc selon la bande de fréquence étudiée.

Circuit équivalent de l’antenne insérée dans un MMD de dimensions infinies

Dans cette section, nous proposons un modèle équivalent de l’antenne large bande insérée dans un MMD homogène et de dimensions infinies, sans et avec pertes. Dans un premier temps, nous présentons le modèle équivalent de Liao [47] pour modéliser un dipôle inséré dans un milieu diélectrique, et validons son modèle pour notre antenne large bande. Ensuite, nous proposons un circuit équivalent pour l’antenne large bande insérée dans un milieu magnétique, sans et avec pertes, puis en combinant les deux modèles nous déduisons le modèle global de l’antenne insérée dans un MDM.

Circuit équivalent de l’antenne insérée dans un MMD de dimensions limitées

Dans la section précédente, nous avons développé le circuit équivalent de l’antenne insérée dans un MMD de dimensions infinies. Pour trouver le modèle de l’antenne monopole insérée dans un MMD des dimensions limitées, les équations présentées cidessus sont toujours valables, mais il faut utiliser le milieu effectif
Nous pouvons trouver le milieu effectif de ce matériau numériquement par simulation, en observant le décalage de la fréquence de résonance provoqué par le matériau, utilisant l’équation suivante :

Milieu effectif d’un monopole inséré dans un MMD de dimensions limitées

Afin de déterminer analytiquement le milieu effectif d’une antenne planaire insérée dans un MMD de dimensions limitées (tronqué dans notre application), nous proposons d’appliquer la méthode de Popovic pour des monopoles cylindriques entourés par un matériau diélectrique ou magnétique. Pour cela il s’agit d’abord de trouver le monopole cylindrique équivalent recouvert par le MMD, où les milieux effectifs peuvent être déterminés par des équations analytiques [53].
Pour un milieu diélectrique.

Miniaturisation de l’antenne monopole planaire par un MMD dans la bande de fréquence VHF

Les contraintes technologiques de réalisation du MMD nous ont amené à optimiser l’utilisation de ce matériau en termes de taille, d’épaisseur et de la position sur la structure de l’antenne. Nous présentons dans la suite une étude de l’impact du MMD sur l’antenne monopole large bande A1, suivie par une validation des résultats par les mesures.

Distribution des champs électrique et magnétique

Avant de charger l’antenne par le MMD, il faut étudier la distribution des champs électrique et magnétique sur l’antenne pour pouvoir dans la suite optimiser la position et la géométrie du MMD afin d’obtenir lemeilleur compromis entre la miniaturisation et l’efficacité de l’antenne.
Encalculant les courants de surface sur l’antenne A1 à la fréquence de résonance de 130 MHz; nous observons sur la Figure 3-4que l’intensité des courants de surface est maximale (≈ 8 dB A/m) dans la région proche de la source, où elle diminue progressivement jusqu’à la valeur minimale (≈ -12 dB A/m) à l’extrémité de l’antenne.
Par conséquent, nous pouvons déduire que l’intensité du champ magnétique créé par le passage du courant est maximale au voisinage de la source, comme c’est montré sur la Figure 3-5 (a) et (b). La Figure 3-5 (c) montre la direction des lignes du champ magnétique qui font des cercles perpendiculaires à la direction du courant.

Augmentation de l’impact du MMD-P

Impact du MMD-P sur l’antenne monopole de 20 cm de hauteur

Nous avons présenté dans la section précédente l’antenne monopole large bande nommée « A1» (Figure 3-2a), qui résonne à 130 MHz avec la hauteur de 510 mm.
L’objectif est de réduire la hauteur de l’antenne de 51 cm à 20 cm, ce qui correspond à un taux de miniaturisation de 60.7%. L’antenne monopole de hauteur de 20 cm est considérée dans cette section comme une antenne de référence et appelée « ARéf » (Figure 3-26 a). L’impédance de l’antenne ARéf et son coefficient de réflexion sont représentés sur la Figure 3-27, montrant une fréquence de résonance de 271 MHz. Les caractéristiques des deux antennes A1 et ARéfsont rapportées dans le Tableau 3-1. Le facteur Q de l’antenne est estimé à partir de son impédance d’entrée par les formules présentées dans [8].
Dans cette section, nous étudions l’effet du MMD-P sur le décalage de la fréquence de résonance de l’antenne de référence ARef, considérant pour le moment que l’épaisseur de métal de l’antenne est nulle.

Table des matières
Remerciement 
Sommaire 
Liste des Figures 
Introduction générale
Contexte de l’étude
Les Contributions de la Thèse
Résumé des chapitres 
Chapitre 1 Antennes miniatures : limites fondamentales et état de l’art 
1.1. Introduction
1.2. Antennes miniatures
1.2.1. Définition des antennes miniatures
1.2.2. Performances des antennes miniatures
1.2.3. Facteur de qualité de rayonnement minimal Qr
1.2.4. Conclusion
1.3. Miniaturisation d’antennes par des matériaux magnéto-diélectriques (MMD)
1.3.1. Remplissage d’antenne par les matériaux
1.3.2. Etat de l’art récent d’antennes miniaturisées par des MMD
1.4. Antennes pour les systèmes aéroportées
1.4.1. Définition et contraintes
1.4.2. Exemples d’antennes utilisées dans les systèmes aéroportés
1.5. Conclusion
Chapitre 2 Modélisation d’antennes insérées dans un Milieu Magnéto-Diélectrique (MMD)
2.1. Introduction
2.2. Circuit équivalent d’un monopole large bande dans l’air
2.3. Circuit équivalent de l’antenne insérée dans un MMD de dimensions infinies
2.3.1. Milieu diélectrique
2.3.2. Milieu magnétique / magnéto-diélectrique
2.4. Circuit équivalent de l’antenne insérée dans un MMD de dimensions limitées
2.4.1. Milieu effectif d’un monopole inséré dans un MMD de dimensions
infinies avec une épaisseur limitée
2.4.2. Milieu effectif d’un monopole inséré dans un MMD de dimensions limitées
2.5. Conclusion
Chapitre 3 Miniaturisation d’antennes monopoles planaires par l’utilisation d’un Matériau Magnéto-Diélectrique (MMD)
3.1. Introduction
3.2. Présentation du MMD utilisé
3.3. Géométrie de l’antenne monopole planaire large bande fonctionnant dans la bande VHF
3.4. Miniaturisation de l’antenne monopole planaire par un MMD dans la bande de fréquence VHF
3.4.1. Distribution des champs électrique et magnétique
3.4.2. Milieu effectif de l’antenne miniaturisée par le MMD
3.4.3. Effet de la taille et de la position du MMD
3.4.4. Validation expérimentale
3.5. Augmentation de l’impact du MMD-P
3.5.1. Impact des MMD-P sur l’antenne monopole de 20 cm de hauteur
3.5.2. Insertion des fentes et impact des MMD-P
3.6. Etude paramétrique des dimensions du MMD-P et des fentes
3.6.1. Optimisation de la position et les dimensions du MMD-P
3.6.2. Effet des dimensions des fentes sur le taux de miniaturisation
3.7. Effet de l’épaisseur métallique de l’antenne (discontinuité des champs)
3.7.1. Caractéristiques radioélectriques de l’antenne A5
3.7.2. Validation expérimentale
3.8. Miniaturisation de l’antenne monopole utilisant MMD-TC
3.9. Adaptation de l’antenne monopole planaire large bande miniaturisée par MMD
3.9.1. Facteur de qualité de l’antenne
3.9.2. Circuit d’adaptation large bande
3.9.3. Validation expérimentale
3.10. Modifications d’antennes pour l’intégration dans le radôme
3.11. Bilan de performances
3.12. Conclusion
Chapitre 4 Antennes agiles en fréquence chargées par des Matériaux MagnétoDiélectrique (MMD) à perméabilité accordable
4.1. Introduction
4.2. MMD accordable
4.3. Comportement d’antenne monopole planaire en présence de matériaux à perméabilité accordable
4.4. Antenne monopole planaire repliée et agile en fréquence
4.5. Validation expérimentale
4.6. Conclusion
Conclusion générale et perspectives 
Annexe I. Antennes monopoles planaires larges bandes 
Publications 
Références

Lire le rapport complet