Modélisation et simulation numérique d’une antenne reconfigurable par plasma Radiofréquence

Depuis quelques dizaine d’années, le développement de nouveaux systèmes de télécommunication doivent être capables d’inclure un grand nombre de fonctionnalités pour répondre aux besoins du public, de diminuer les interférences, d’assurer une meilleure efficacité dans la réception du signal. Il est alors impératif d’utiliser des systèmes pouvant être adaptés selon les besoins comme les dispositifs reconfigurables. Ces dispositifs à la capacité d’accomplir plusieurs fonctions avec un seul système comme les antennes reconfigurables ou les filtres accordables. Pour effectuer ces reconfigurations il y a deux moyens : soit on utilise des éléments localisés comme les MEMS ou des diodes PIN, soit on utilise des matériaux agiles comme les ferroélectriques ou des cristaux liquides. Pour notre étude, on utilise le plasma comme matériau agile ou élément de reconfigurabilité. Mais comment le plasma se comporte pour rendre une antenne reconfigurable ? D’où le présent mémoire s’intitule : « Modélisation et simulation numérique d’une antenne reconfigurable par plasma Radiofréquence » .

LES ANTENNES RECONFIGURABLES

Définition

Une antenne reconfigurable étend les capacités d’une antenne classique en offrant la capacité de changer sa configuration c’est-à-dire de changer une ou plusieurs de ses caractéristiques fondamentales par un moyen électrique, magnétique, mécanique ou autre. Cela en fonction des besoins et du contexte environnemental. Cette reconfiguration est réalisée en modifiant la distribution du courant électrique, en conséquence les propriétés du champ électromagnétique et de l’impédance, donc les propriétés d’émission et de réception et ceci de façon discrète ou continue. On peut classer les antennes reconfigurables par les fonctions de reconfigurabilité qu’elles offrent :

◆ Reconfiguration en fréquence qui recouvre différentes fonctionnalités : la commutation de fréquence, l’accordabilité en fréquence, le changement de bande passante ou encore des fonctionnalités de filtrage.
◆ reconfiguration du diagramme de rayonnement : le balayage angulaire, les changements de directivité/ouverture de faisceau, les fonctionnalités de filtrage spatial, la synthèse d’un faisceau selon des caractéristiques souhaitées.
◆ reconfiguration de la polarisation recouvrent tous les changements dans la polarisation : passer d’une polarisation linéaire à circulaire, changer le sens de la polarisation circulaire.
◆ et toute combinaison des trois configurations précédentes.

Une antenne reconfigurable idéale est capable de faire varier indépendamment toutes ces caractéristiques sur une très large plage.

Technique de reconfigurabilité

L’antenne reconfigurable peut être obtenue par diverses techniques, certains utilisent des composants localisés actifs, d’autres s’appuient sur une altération mécanique de la structure constituant l’antenne et d’autres utilisent des substrats avec des propriétés accordables.

Utilisation d’éléments localisés
On parle d’éléments localisés lorsque l’élément ou composant possède des dimensions petites devant la longueur d’onde. Dans ce cas il est envisageable d’intégrer directement de tels éléments au sein même du dispositif sans trop altérer leur fonctionnement initial. Les éléments localisés actifs les plus connus dans le domaine de la reconfigurabilité sont les diodes PIN ou Positif-Intrinsèque-Négatif, les diodes varactors et les MEMS ou MicroElectroMechanical Systems.

Diodes PIN
Une diode PIN est un semi-conducteur qui présente un comportement non linéaire pour le courant délivré en fonction de la tension qui lui est appliquée.

La zone intrinsèque est électriquement neutre. En pratique, la diode peut se comporter comme un court-circuit état « on » ou bien comme un circuit ouvert état « off » pour des signaux micro-ondes, selon que la tension de polarisation DC appliquée à ses bornes est positive ou négative. Ces deux états de fonctionnement permettent l’utilisation de ces diodes comme commutateurs. Les diodes PIN ont l’avantage de présenter un faible coût et une grande facilité d’intégration. En ce qui concerne le temps de commutation, la diode PIN est capable de commuter en un laps de temps très bref, du même ordre de grandeur que celui des transistors (quelques dizaines de nanosecondes). Les inconvénients principaux de ce dispositif sont sa consommation de puissance à l’état « on », ses pertes d’insertion dans le circuit et la puissance que la diode peut supporter. Cette puissance est de l’ordre de quelques dizaines de watts, ce qui limite l’utilisation des diodes PIN dans des applications de forte puissance. Les diodes PIN sont utilisées pour obtenir une reconfigurabilité discrète de la fréquence et ceci pour différents types d’antennes comme des antennes fentes, des antennes microban, des antennes à résonateurs diélectriques… Classiquement, la diode PIN est utilisée comme un switch qui modifie les lignes de courant de la structure rayonnante en la perturbant localement.

Diodes Varactor

Les diodes varactor sont des composants semi-conducteurs basés sur une jonction P+N dont on peut contrôler la capacité en appliquant une tension de la polarisation aux bornes de ces dernières. Contrairement aux diodes PIN, les diodes varactor autorisent une variation continue de ses caractéristiques en fonction de la tension de commande. On peut voir parmi les avantages des diodes varactor leur consommation de puissance DC relativement faible, leur facilité d’intégration et leur rapport entre les valeurs extrêmes de capacité pouvant atteindre environ 10. Elles présentent aussi des inconvénients comme leur faible tenue en puissance, un réseau de polarisation DC complexe et des pertes d’insertion non négligeables. Les diodes varactors permettent la réalisation d’antennes reconfigurable accordables en fréquence, c’est-à-dire dont on peut faire varier la fréquence de manière continue dans une certaine mesure. Cette propriété a été mise en œuvre dans plusieurs types d’antennes comme des antennes imprimées, des antennes PIFA ou Planar Inverted-F Antenna, des résonateurs diélectrique…

MEMS

L’utilisation de dispositifs MEMS a aussi été étudiée pour permettre la reconfigurabilité dans le domaine des micro-ondes. Il existe plusieurs topologies de MEMS mais leur principe de fonctionnement repose sur la même idée, comme la déformation mécanique de microstructures, et plus généralement de micro-membranes. Ces micro-membranes peuvent être conçues pour réaliser un contact direct (contact ohmique) ou un contact capacitif (empilement métal-isolant-métal).

Le mouvement de ces membranes peut s’effectuer de différentes façons, par exemple par application d’énergie électrostatique, électromagnétique, piézoélectrique ou thermomécanique. Mais l’activation la plus répandue est l’application d’énergie électrostatique, en raison de sa simplicité de mise en œuvre, de la vitesse de réponse du MEMS et de sa faible consommation en puissance.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I : LES ANTENNES RECONFIGURABLES
I.1. Définition
I.2. Technique de reconfigurabilité
I.2.1. Utilisation d’éléments localisés
I.2.1.1. Diodes PIN
I.2.1.2. Diodes Varactor
I.2.1.3. MEMS
I.2.2. Utilisation de matériaux accordables ou agiles
I.2.2.1. Cristaux liquides
I.2.2.3. Les matériaux ferroélectriques
I.3. Comparaison des différents éléments localisés et les matériaux agiles
I.3.1. Utilisation des plasmas pour la reconfiguration
CHAPITRE II : METHODE DES ELEMENTS FINIS
II.1. Introduction
II.2. Principe général de la MEF
II.2.1. Discrétisation géométrique
II.2.2. Approximation nodale
II.2.3. Approche de calcule aux niveaux élémentaires
II.2.4. Convergence de la méthode des éléments finis
II.3. Etapes d’analyse par éléments finis
II.3.1. Phase de prétraitement
II.3.2. Phase de calcul
II.3.3. Post-traitement
II.4. Utilisation d’un logiciel éléments finis
CHAPITRE III : MODELE MULTIPHYSIQUE DU PLASMA RADIOFREQUENCE
III.1. Introduction du plasma
III.1.1. Définition
III.1.2. Classification du plasma
III.1.3. Plasma faiblement ionisé ou plasma froid
III.1.4. Les paramètres caractéristiques d’un plasma froid hors équilibre
III.2. Modèle de Drude de la permittivité diélectrique d’un plasma froid horséquilibre
III.3. Mécanisme de création du plasma par Radiofréquence (RF)
III.3.1. Le plasma à couplage capacitif ou CCP
III.3.2. Le plasma à couplage inductif ou ICP
III.3.3. Principe de fonctionnement de la décharge ICP
III.4. Modèle physique du plasma ICP
III.4.1. Transport des électrons
III.4.2. Equations d’énergie d’électron
III.4.3. Le coefficient de taux
III.4.4. Transport des espèces lourde
III.4.5. Equation de continuité et de la conservation de la quantité de mouvement
III.4.6. Equation électromagnétique
III.5. Chimie du plasma
CHAPITRE IV : RESULTATS DES SIMULATIONS ET APPLICATION
IV.1. Construction du modèle numérique ICP
IV.1.1. Construction de la géométrie
IV.1.2. Caractéristiques des matériaux utilisés
IV.2. Modèle physique et conditions aux limites sur COMSOL
IV.3. Maillage
IV.4. Résultats des simulations
IV.5. Application du plasma
IV.6. Conclusion
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIES
ANNEXES