Nouvelles architectures d’antennes à éléments parasites pour la polarisation circulaire

Les nouveaux schémas de développements économiques et culturels de nos sociétés modernes reposent en grande partie sur les capacités des nouvelles technologies de transport et de traitement de l’information. Hier le GSM et l’internet, l’ADSL et le Wifi, aujourd’hui la fibre et la 4G et demain…, la 5G et bien d’autres progrès que notre imagination n’a pas encore conceptualisé. Le formidable essor de ces technologies du numérique se traduit par des bouleversements sociétaux : le « e-commerce » se substitue petit à petit aux commerces traditionnels ; le courrier, la publicité, les banques et les médias tendent à se dématérialisent tout comme la culture, l’éducation ou encore les services de nos administrations. On pourrait encore énumérer beaucoup de domaines aussi différents que la chirurgie, l’industrie ou encore le tourisme qui voient leurs pratiques changées par les technologies de l’information et de la communication. Notre appétit de consommation de services numériques, de vidéo et de culture à la demande semble insatiable. Tous ces changements et toutes ces aspirations sont (et seront) supportés par les capacités des réseaux de communication à échanger des volumes de données toujours plus gros, toujours plus vite. Cette constante course aux débits concerne aussi bien les réseaux dits câblés que les chaînes de communication des systèmes nomades.

Ces derniers utilisent des liens radios qui les rendent tributaires des ressources allouées par les autorités de régulation du spectre électromagnétique. Ainsi l’augmentation des capacités de ces réseaux devra se faire par une montée en fréquence et un maillage densifié des zones de couverture pour diffuser les services. Pour les futurs réseaux 5G par exemple, les antennes se placent au centre des préoccupations des architectes du réseau car elles jouent un rôle majeur. Les débits étant conditionnés par le gain des antennes, celles-ci devront réaliser des faisceaux directifs, avoir des fortes efficacités de rayonnement, être facilement intégrables dans les équipements et avoir des temps de développements courts et pourquoi pas être adaptatives c’est-à-dire capables de moduler leur diagramme pour s’adapter à la charge du réseau et au canal de propagation. Les innovations à venir seront probablement à la fois technologiques pour accompagner la montée en fréquence et conceptuelles pour concilier les exigences de performances et d’intégration.

Depuis quelques années le laboratoire Xlim a remis au jour les concepts d’antennes à éléments parasites (AEP) et nous investiguons les potentialités de ces concepts par le développement de méthodes et d’outils de synthèses. Ces travaux sont destinés à permettre d’imaginer de façon rationnelle des nouvelles structures antennaires répondant à des objectifs fonctionnels précis et complexes. Les richesses des AEP sont la simplicité des structures et la très grande liberté sur les formes, le nombre et la distribution des éléments parasites dans l’espace. Tous ces éléments parasites et leur organisation sont vus comme autant de degrés de libertés qui peuvent être utilisés pour résoudre des objectifs de rayonnements en tenant compte de contraintes d’intégration. Elles ont généralement la particularité d’offrir de très bonnes efficacités de rayonnement. Ces concepts ont été validés dans une première thèse soutenue au laboratoire en 2013 [intro-1]. Une seconde thèse qui sera soutenue en 2015 [intro2] démontre l’intérêt des éléments parasites pour concevoir des réseaux « hybrides » agiles, à mi-chemin entre les réseaux lacunaires et les AEP.

Une antenne à éléments parasites ressemble à une antenne réseau car elle est formée de plusieurs éléments rayonnants ou motifs élémentaires (patch, monopole,…). A la différence d’une antenne réseau qui nécessite d’exciter tous les éléments par un circuit de distribution ou par des circuits actifs associés tel que des amplificateurs, des déphaseurs et des circulateurs une antenne à éléments parasites ne présente qu’un seul élément alimenté et les autres sont excités par couplage. Les motifs non alimentés (éléments parasites) doivent permettre de perturber suffisamment le rayonnement de l’élément actif pour agir intelligemment sur le rayonnement global de la structure. Ces éléments parasites sont considérés comme des degrés de liberté pour adresser un objectif de rayonnement spécifié. Le principe de fonctionnement de ce type d’antenne est basé sur une bonne connaissance des couplages électromagnétiques.

A cet égard, nous allons donc dresser dans ce chapitre un état de l’art sur les antennes à éléments parasites. Ce chapitre est divisé en deux parties. La première partie s’intéressent aux architectures d’antennes à éléments parasites destinées à atteindre les performances d’une antenne Yagi (directive à polarisation linéaire). Dans la deuxième partie nous nous intéressons aux architectures permettant de générer la polarisation circulaire sur des bandes passantes élargies. Puis nous donnerons quelques exemples de structures d’antennes à éléments parasites reconfigurables en diagramme et en fréquence.

Un bref état de l’art sur les méthodes de conception permettra ensuite de montrer les limitations liées à ces méthodes. Finalement, nous présenterons l’objectif de la thèse en s’appuyant sur les travaux antérieurs du laboratoire.

Les antennes à éléments parasites sont des structures très intéressantes. Elles sont d’apparence très simple et peuvent être fabriquées à faible coût. L’antenne à éléments parasites la plus répandue est l’antenne Yagi-Uda qui équipe l’ensemble de nos foyers pour capter la télédiffusion (Figure I-1). Cette antenne a été inventée par l’ingénieur japonais Shintaro UDA de l’université Tohoru de Sendai (Japon), qui allait immortaliser le nom de son professeur de l’époque Hidetsugu Yagi[1]-[2]. Les radioamateurs commencèrent à l’expérimenter dès 1934. Cette antenne fut largement utilisée pendant la Seconde Guerre mondiale pour les radars. Ces antennes peuvent atteindre des gains élevées avec des faibles rayonnements arrière pour de très bons rendements. Leur simplicité de fabrication et leur faible cout ont largement contribué à leur succès.

Le principe de fonctionnement de cette antenne est le suivant : le courant électrique qui circule dans l’élément actif « driving element » produit un champ électromagnétique qui induit des courants dans les autres éléments parasites « directeurs et réflecteurs ». Le courant induit dans ces éléments parasites produit à son tour d’autres champs re-rayonnés qui induisent du courant dans les autres éléments y compris l’élément actif. Finalement le courant qui circule dans chaque élément est le résultat de l’interaction entre tous les éléments. Le couplage des éléments non alimentées (réflecteurs et directeurs) est lié à la distance entre ces derniers et l’élément actif. Pour fonctionner efficacement, les éléments parasites doivent être fortement couplés. En effet, un déphasage est créé selon la position et les dimensions de ces éléments par rapport à l’élément excité.

Le concept AEP est déclinable à une infinité de compositions et de technologies de fabrication. Elles peuvent associer des éléments de toutes natures dans la limite où les couplages inter éléments sont significatif (motifs imprimés, brins rectilignes, boucles …). Les architectures à base de motifs imprimés (dipôles, monopoles, patchs, spirales…) ont suscité beaucoup d’intérêt pour des raisons de simplicités de faible cout et de qualité de réalisation. Ce paragraphe réalise un inventaire issu de la littérature de quelques antennes à éléments parasites imprimées sur substrats diélectriques. Tous ces exemples sont à polarisation linéaire et offrent une bande de travail étroite.

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre I. Antennes à éléments parasites : Architectures et fonctionnalités
I. Introduction
II. Etat de l’art sur les antennes à éléments parasites
II.1 Principe de fonctionnement
II.2 Les Architectures d’antennes à éléments parasites
II.2.1 AEP de type dipôles
II.2.2 AEP de type monopoles
II.2.3 AEP de type patch
II.2.4 AEP de type spirale
II.3 Fonctionnalisation des antennes à éléments parasites
II.3.1 AEP à polarisation circulaire
II.3.2 AEP reconfigurable
II.3.3 Autre fonctionnalité des AEP
II.4 Bilan sur l’évolution des antennes à éléments parasites
II.5 Les acquis du laboratoire au commencement de la thèse
III. Présentation du sujet
Chapitre II. Synthèse d’antennes à éléments parasites à polarisation circulaire
Introduction
I Objectifs et prérequis
II Ecriture du problème
II.1 Plateforme numérique
III Recherche d’un concept d’antenne YAGI à bande élargie en polarisation circulaire
III.1 Etude préliminaire : caractéristique et performances de la spirale logarithmique
III.1.1 Règles de conception
III.1.2 Optimisation d’une antenne spirale logarithmique à 2.45 GHz
III.1.3 Association d’une spirale logarithmique avec un réflecteur plan
III.2 Mise en œuvre de l’antenne YAGI à polarisation circulaire
III.2.1 Analyse critique et constat
III.2.2 Architecture retenue pour l’antenne à éléments parasites-première synthèse
III.2.3 Finalisation du concept – seconde synthèse
III.2.4 Mise en œuvre d’un prototype
III.3 Validation expérimentale
IV Conclusion
Conclusion générale