Miniaturisation d’antennes très large bande pour applications spatiales

Technologie ULB

                      Face à un spectre fréquentiel de plus en plus encombré et des demandes en débit de plus en plus fortes de la part des utilisateurs, la technologie ULB a connu un engouement certain ces dernières années. En effet, cette technologie a l’avantage de permettre la transmission de très grands volumes de données avec une faible densité spectrale de puissance. Les transmissions ULB se font sur des fréquences déjà allouées à d’autres applications. Pour éviter des interférences entre communications sans fil, il est nécessaire que la puissance des signaux ULB soit plus faible que celles des signaux utilisés dans des services déjà existants. La faible densité de puissance des transmissions ULB permet donc leur coexistence avec celles des services déjà existants. Cette faible puissance rend les signaux ULB plus difficiles à intercepter et les communications plus sécurisées. Son utilisation est très développée dans les domaines du radar, de la géolocalisation ou bien de l’observation du spectre (radio télescope), mais aussi pour les réseaux sans fil personnels (Wireless Personal Area Network WPAN). L’engouement suscité par cette technologie a été possible grâce à deux évènements. Jusqu’en 1994, la technologie était essentiellement cantonnée aux applications de défense. Avec la levée de la confidentialité sur ces travaux, les industriels et la recherche ont pu effectuer des recherches importantes sur le sujet. En 2002 l’organisme de régulation des systèmes de communications des États-Unis, la Federal Communications Commission (FCC), autorise l’utilisation sans licence aux USA de la bande de fréquence de 3.1 à 10.6GHz, ce qui a donné un souffle supplémentaire aux activités de recherche et de développement. Cette allocation offre de la flexibilité car la règlementation n’impose pas de technique particulière de transmission à la différence des standards existants actuellement. Les systèmes antennaires définis comme ULB par la FCC sont ceux qui possèdent une bande passante de plus de 20% en relatif.

Antenne dite « log-périodique »

                Le concept d’antenne log-périodique a été introduit par Duhamel et Isbell en 1958 [I-5]. Ce type d’antenne est conçu à l’aide de deux paramètres : le taux de périodicité τ et l’angle α. Le taux de périodicité est le rapport de la distance entre deux éléments rayonnant (Rn et Rn+1 cf. Figure I-8) ou le rapport des fréquences de deux éléments rayonnants adjacents. La périodicité des éléments s’effectue en ln(τ), d’où le nom donné à ces antennes. Plus ce taux se rapproche de 1, plus l’antenne peut être considérée comme indépendante en fréquence. La dimension maximale des antennes log-périodique est égale à λ/2. L’angle α (défini en Figure I-8) définit la longueur maximale et minimale des éléments rayonnants de l’antenne. La directivité de l’antenne peut être augmentée avec la diminution de α et l’augmentation de τ. L’antenne est alimentée en son centre par une ligne bifilaire d’impédance caractéristique de 50 Ohms. Le comportement de ces antennes est dispersif, leur centre de phase se déplaçant en fonction de la fréquence.

Antenne monopole triangulaire

                  Le monopole triangulaire est composé d’un triangle plan avec un angle d’ouverture α perpendiculaire à un plan de masse. Comme pour d’autres antennes à angle d’ouverture (antennes biconique et bow-tie), l’angle α donne un degré de liberté pour définir les caractéristiques de l’antenne. Il influe principalement sur l’adaptation et la longueur effective de l’antenne. Si l’angle α est élevé l’adaptation aux basses fréquences est bonne. Pour des angles élevés la hauteur effective de l’antenne tend vers λ/6. L’impédance d’entrée de  l’antenne est intrinsèquement plus élevée que l’antenne biconique. Elle peut être vue comme une version planaire de cette dernière. Il est possible de diminuer l’impédance d’entrée avec l’augmentation de α. Il est donc intéressant de privilégier les angles élevés dans la conception de cette antenne. La bande passante est comprise entre 80% et 120%, ce qui est suffisant pour les applications ULB ; toutefois, cela reste inférieur à la bande du monopole circulaire. Le diagramme de rayonnement en azimut est quasi omnidirectionnel. Pour améliorer la bande passante du monopole triangulaire, le monopole circulaire est proposé pour la première fois par Satoshi et al. en 1992 [I-13]. L’année suivante, Hammoud et al. proposent une méthode pour améliorer la bande passante et atteindre la décade [I-14]. L’antenne est constituée d’un disque plan perpendiculaire à un plan de masse. La dimension du plan de masse doit être inférieure à une demi-longueur d’onde de la fréquence basse de la bande passante. La hauteur du disque est égale à λ/4. La hauteur entre le plan de masse et le disque est le paramètre ayant le plus d’impact sur l’adaptation en basse fréquence de l’antenne. La bande passante de l’antenne atteint la décade (160%). Son diagramme de rayonnement en azimut est quasi omnidirectionnel, tout en privilégiant le demi-plan contenant le disque en élévation.

Utilisation de matériaux magnétiques

                   Les matériaux dits « magnétiques » sont des matériaux à forte perméabilité μr. Ils ont l’avantage d’améliorer la bande passante et l’adaptation. Ils sont essentiellement constitués de ferrite. Pour minimiser les pertes des ferrites magnétiques, il est nécessaire d’appliquer quelques règles pour optimiser la miniaturisation. Il faut maintenir une certaine distance entre le revêtement de ferrite et l’antenne imprimée. Il est important aussi de savoir que ce revêtement modifie le coefficient de réflexion du plan de masse ce qui améliore le rayonnement de l’antenne même pour des fréquences où la distance entre le plan de masse et l’antenne est inférieure à λ/20 [I-23]. Néanmoins, l’utilisation de matériau magnétique à forte perméabilité n’est souvent pas réaliste, soit parce que ces matériaux présentent des pertes trop importantes, soit parce qu’ils sont trop onéreux.

Utilisation de composants électroniques

                   Des composants électroniques sont utilisés dans certaines antennes ULB. Toutefois leur utilisation devient de plus en plus rare à cause de la perte d’efficacité due à leur introduction dans les antennes. Toutefois, Chang Yong et al. [I-37] proposent en 2011 l’antenne dite volcano smoke. Elle est constituée d’un monopole circulaire de rayon R1 alimenté par une ligne à transition progressive. Cette transition est un arc de cercle de rayon R et dont le centre est indiqué sur la Figure I-30. L’antenne est alimentée par une ligne coplanaire. Les masses de la ligne sont, dans la zone de transition, deux demi-cercles de rayon R2. L’antenne ainsi conçue possède un comportement très large bande. Afin de réduire la fréquence basse de l’antenne, un circuit en anneau constitué de 7 résistances est placé autour de l’antenne. La résistance située en haut au milieu connecte l’antenne au circuit. La valeur des résistances de charge est la partie sensible de la conception de l’antenne. Après optimisation, les valeurs des résistances sont, pour les six résistances du circuit, 150Ω et, pour la résistance de charge de l’antenne, 2.2 kΩ. L’antenne présentée possède une bande passante atteignant la décade (0.5 Ghz-5 GHz). Le diagramme de rayonnement est conforme à celui attendu par un monopole imprimé. L’utilisation de cet anneau permet à l’antenne d’avoir un encombrement égal à λ/8. Ce qui équivaut à une diminution de 50% de la taille de l’antenne. Toutefois l’ajout de résistances entraine une augmentation des pertes et une baisse des performances de rayonnement. Les composants électroniques sont également utilisés par Lee et al. [I-38] afin d’appliquer la théorie des ondes lentes à l’antenne spirale. Pour cela les auteurs viennent charger localement les bras de la spirale avec des capacités et des inductances placées comme présentées en Figure I-31. Le bout des bras de la spirale est chargé par des résistances. Le but des auteurs de la référence [I-38] est avant tout de démontrer que le chargement par éléments localisés est équivalent à l’utilisation de matériaux magnétique et diélectrique pour la miniaturisation d’antenne. Le facteur de miniaturisation mesuré est d’environ 35%. Le facteur de réduction est calculé en prenant en compte le décalage de la fréquence basse pour un niveau de gain de -15dB et non sur un niveau d’adaptation à -10dB comme c’est le cas dans les exemples cités précédemment. Comme attendu, l’efficacité simulée de l’antenne n’est pas très bonne (entre 45% et 50%). Cette faible efficacité s’explique par les pertes ohmiques dans les résistances l’extrémité de bras.

Synthèse et premier positionnement de la thèse

                  Les antennes étudiées sont regroupées dans un tableau récapitulatif donné ci-dessous (Tableau I-2). Ce tableau donne la longueur électrique des antennes et leur polarisation respective. Il donne également le facteur de réduction en gain à -15dBi, à la fréquence minimale de fonctionnement (à -10dB). Le coefficient de qualité Q est comparé au coefficient de qualité donné par la limite de Chu. Les facteurs de qualité annoncés doivent être considérés avec précautions car dans la plupart des publications, la bande passante totale de l’antenne n’est pas spécifiée. Lorsque la fréquence maximale mesurée ou simulée est suffisamment haute, elle est retenue pour le calcul de la bande passante. Dans le cas contraire, la fréquence maximale théorique de l’antenne est retenue pour le calcul de la bande passante. Sur toutes les techniques de miniaturisation proposées dans la partie IV.3, deux solutions semblent susciter un fort intérêt de la communauté scientifique pour la miniaturisation d’antenne ULB : (1) la modification géométrique à l’aide de méandres et (2) l’utilisation de résonateurs couplés placés au voisinage de l’élément rayonnant. Les antennes utilisant des méandres ou des fentes ne permettent pas de dépasser 15% de réduction de la fréquence basse de fonctionnement, à l’exception de [I-42] qui annonce une réduction de 30%. Il est délicat de comparer les performances de réduction basées sur le gain avec celles basées sur l’adaptation d’impédance. En effet le niveau de -15dBi, pris comme référence, correspond à un besoin de l’application visée par la publication [I-41] et non à des considérations physiques. Les réductions annoncées par [I-38] et [I-41] sont intéressantes mais à prendre avec précautions. Les antennes qui offrent la meilleure réduction de la fréquence basse de fonctionnement (à encombrement donné) sont celles qui sont entourées par un anneau. Le facteur de miniaturisation est supérieur à 20% pour les antennes présentées en [I-37] et [I-44]-[I-48]. Cette technique de miniaturisation offre donc un bon axe de recherche. Cet écart peut se comprendre par l’augmentation du nombre de circuits résonants au sein de l’antenne que nous avons réalisé. La multiplication de circuits résonants entraine un confinement de l’énergie plus important. Parmi les solutions étudiées l’utilisation d’anneaux résonants empilés permet d’atteindre un plus grand facteur de réduction sans dégradation notable des performances de rayonnement sur toute la bande passante de l’antenne. De plus, l’antenne possède une polarisation circulaire, ce qui évite d’utiliser un déphaseur dans le cas où la polarisation de l’antenne est linéaire. L’augmentation du facteur de qualité entraine nécessairement des conséquences sur les performances de l’antenne. Ces dégradations ne sont pas identifiables dans [I-49]. Malgré cela, l’architecture proposée dans [I-49] est intéressante à étudier. De plus la conception de l’antenne s’effectue à l’aide d’un processus itératif qui n’a pas été poussé à son maximum. Cela laisse supposer que la réduction offerte par l’architecture n’est pas maximale. Nous nous proposons donc d’étudier cette antenne afin de pousser à l’extrême sa miniaturisation.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
Bibliographie
CHAPITRE I: INTRODUCTION A LA MINIATURISATION D’ANTENNES LARGE BANDE ET A LEUR MODELISATION ELECTROMAGNETIQUE
I. Introduction
II. Généralités sur les antennes
II.1. Définition
II.2. Coefficient de réflexion
II.3. Diagramme de rayonnement
II.4. Polarisation
III. Antennes Ultra Large Bande (ULB)
III.1. Technologie ULB
III.2. Antennes indépendantes de la fréquence
III.2.1. Définition
III.2.2. Antenne dite « log-périodique »
III.2.3. Antenne dite « spirale »
III.2.4. Antenne spirale « sinueuse »
III.2.5. Antennes triangulaires
III.2.6. Antenne monopole imprimée
III.2.7. Antennes à transition progressive
IV. Techniques de miniaturisation des antennes
IV.1. Limites théoriques de la miniaturisation des antennes
IV.1.1. Définition d’une antenne miniature
IV.1.2. Facteur de qualité d’une antenne
IV.1.3. Facteur de miniaturisation
IV.2. Utilisation de matériaux
IV.2.1. Généralités
IV.2.2. Utilisation de matériaux diélectriques
IV.2.3. Utilisation de matériaux magnétiques
IV.2.4. Utilisation de « métamatériaux » [I-24]
IV.3. Modifications géométriques
IV.3.1. Chargement par fente
IV.3.2. Ajout de courts-circuits ou de circuits ouverts
IV.3.3. Repliements
IV.3.4. Méandres
IV.4. Ajouts d’éléments localisés
IV.4.1. Composants électroniques
IV.4.2. Résonateurs couplés
V. Etat de l’art des antennes ULB miniature
V.1. Chargement par fentes
V.2. Utilisation de composants électroniques
V.3. Méandres
V.4. Résonateurs couplés
V.5. Synthèse et premier positionnement de la thèse
VI. Modélisation et Simulations électromagnétiques des antennes
VI.1. Logiciels de Simulation Electromagnétique
VI.2. Méthodes numériques utilisées [I-50]
VII. Solution antennaire de référence
VII.1. Géométrie de l’antenne
VII.2. Fonctionnement de l’antenne
VII.3. Meilleurs résultats obtenus
VII.4. Limite de la solution
Bibliographie
CHAPITRE II: MODELISATION ÉLECTROMAGNETIQUE ET CIRCUIT ELECTRIQUE EQUIVALENT DU RESONATEUR D’ANNEAUX COUPLES 
I. Introduction
II. Résolution d’un problème électromagnétique à l’aide de fonctions d’essai étendues
II.1. Introduction
II.1.1. Le champ d’essai
II.1.2. Le principe de réaction
II.2. Sources modales et opérateurs
II.3. Construction de la base orthonormée :
II.4. Sources virtuelles
II.5. Schéma électrique équivalent
III. Circuit électrique équivalent du résonateur d’anneaux couplés
III.1. Circuit électrique équivalent d’un anneau résonant
III.1.1. Extraction du circuit électrique équivalent
III.1.2. Etude de convergence
III.1.3. Validation du circuit électrique équivalent proposé
III.2. Circuit électrique équivalent du couplage entre deux anneaux résonants
III.2.1. Extraction du circuit
III.2.2. Performances de calcul
III.2.3. Exploitation du circuit
III.3. Généralisation du circuit électrique équivalent à N anneaux
III.3.1. Présentation du circuit
III.3.2. Validation du circuit
III.3.3. Exploitation du circuit
III.4. Généralisation à l’utilisation de motifs quelconques
IV. Couplage du circuit électrique équivalent avec la spirale
IV.1. Modélisation de la spirale
IV.2. Circuit électrique équivalent du couplage anneaux-spirale
V. Validation expérimentale du modèle par la mesure
V.1. Antennes réalisées
V.2. Validation du modèle à 2 anneaux
V.3. Validation du modèle à 3 anneaux
VI. Conclusion
Bibliographie
CHAPITRE III: MINIATURISATION D’UNE ANTENNE SPIRALE D’ARCHIMEDE
I. Introduction
II. Choix du motif des anneaux résonants et couplés
II.1. Introduction
II.2. Motifs étudiés
II.2.1. Motifs fractals
II.2.2. Motifs fractals « modulés par des sinusoïdes »
II.3. Etude de la fréquence de résonance
II.4. Critères de choix
III. Conception de l’antenne à l’aide du modèle
III.1. Conception du résonateur à anneaux
III.1.1. Limites du résonateur à anneaux couplés et empilés
III.1.2. Conception d’un résonateur compact réalisable technologiquement
III.2. Conception de l’antenne
III.2.1. Méthode de conception
III.2.2. Exemple de conception
IV. Discussion sur la nouvelle méthode de conception
Bibliographie
CHAPITRE IV: REALISATION ET MESURES D’ANTENNES MINIATURES
I. Introduction
II. Généralités et moyen de mesures
II.1. Conception d’une alimentation équilibrée de l’antenne
II.2. Moyen de mesure
III. Validation de la méthode de choix du motif
III.1. Contexte
III.2. Antennes réalisées
III.3. Mesure du coefficient de réflexion
III.4. Mesure en rayonnement
IV. Antennes miniatures à 2 et à 3 anneaux
IV.1. Contexte
IV.2. Antennes réalisées
IV.3. Mesure du coefficient de réflexion
IV.3.1. Antennes spirale chargée par 2 anneaux
IV.3.2. Antennes à 3 anneaux
IV.3.3. Conclusion
IV.4. Mesure en rayonnement
IV.4.1. Diagramme de rayonnement
IV.4.2. Gain en Polarisation
IV.4.3. Taux d’Ellipticité (TE)
IV.5. Synthèse
V. Conclusion
Bibliographie
CONCLUSION GENERALE
Conclusions
Perspectives
ANNEXES

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