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Réseaux d’antennes bi-bandes
Ce chapitre présente les différents réseaux d’antennes bi-bandes existants dans la littérature.
Ces différents réseaux d’antennes bi-bandes se différencient par la périodicité des réseaux de chacun des éléments rayonnants, le nombre de couches rayonnantes, et enfin, la nature des éléments rayonnants.
Les réseaux d’antennes considérés possèdent soit
• Des périodicités identiques : dans ce cas, un seul motif permet de couvrir deux bandes de fréquences ou une seule très large bande de fréquence, ou alors, deux éléments (ou ensembles d’éléments) fonctionnent à deux bandes de fréquences séparées mais partagent le même réseau.
• Des périodicités différentes : deux éléments (ou ensembles d’éléments), couvrent deux bandes de fréquences séparées, et partagent une même surface mais avec chacun une maille différente.
De cette classification ressortent sept « familles » de réseaux d’antennes bi bandes, présentées dans la suite. Étant donnés les objectifs, la dernière « famille » (avec deux réseaux à périodicités différentes, au moins deux couches rayonnantes, et deux éléments monobandes) sera plus détaillée que les autres.
Réseaux à périodicité identique
Les réseaux bi-bandes possédant une périodicité identique se divisent en deux groupes, un premier où le ou les éléments rayonnants se situent sur une couche unique, et un second où le ou les motifs rayonnants sont sur au moins deux couches différentes, ou bien en 3D.
Antenne monocouche
Dans le cas des antennes réseaux à périodicité identique monocouches, nous distinguons ceux où un seul élément permet de couvrir deux bandes de fréquences, et ceux qui ont recours à deux éléments (ou ensemble d’éléments) fonctionnant dans une unique bande de fréquence.
Un élément bi-bandes
Parmi les études menées et les solutions envisagées, et éventuellement testées, pour réaliser des antennes bi-bandes, le recours à un seul motif, sur une unique couche, fonctionnant dans deux bandes de fréquences distinctes, est l’un des plus fréquents. Dans la littérature, diverses géométries ont été mises en œuvre pour la conception d’antennes bibandes, les plus pertinentes sont brièvement décrites dans la suite. Premièrement, les antennes à excitation directe, puis celles à excitation quasi-optique (réflexion ici).
Antenne multicouches rayonnantes ou 3D
Parmi les réseaux d’antennes bi-bandes possédant une périodicité identique, ceux exploitant une unique couche rayonnante ont été présentés précédemment. Il reste à décrire ceux adoptant plusieurs couches rayonnantes et les structures 3D.
Un élément bi-bandes sur plusieurs couches rayonnantes
Le fait d’obtenir un fonctionnement dans deux bandes de fréquences distinctes par le biais d’un élément bi-bandes sur plusieurs couches rayonnantes différentes n’est pas commun.
Le design consiste en trois couches, la première et la troisième étant identique. Sur ces couches se trouvent des patchs capacitifs et des anneaux fendus inductifs. Sur la couche centrale, y figurent une fente circulaire capacitive et un patch très fin inductif. C’est en jouant sur ces différents éléments que les performances du réseau transmetteur sont modifiées .
Le ratio de fréquences réalisé par cette antenne est relativement faible, 1,5:1, entre les bandes X et Ku, et les largeurs de bandes de fréquences sont assez différentes, environ 8 % en bande X mais seulement 2 % en bande Ku. Une polarisation circulaire est réalisée.
Wide Angle Impedance Matching (WAIM)
Quand une source est utilisée dans un réseau à balayage, elle se désadapte à mesure que l’on augmente l’angle de dépointage, son coefficient de réflexion actif, qui est le coefficient de réflexion vu quand toutes les sources du réseau sont alimentées, se détériore. L’objectif est donc de trouver un moyen de compenser cette détérioration. Une méthode classique est l’utilisation des Wide-Angle Impedance Matching (WAIM).
Substrat diélectrique
Ce sont Magill et Wheeler qui, cette méthode nommée WAIM. Ils proposent de placer une fine couche de substrat diélectrique au-dessus du réseau d’antennes. Cette fine couche diélectrique fait varier l’admittance du réseau en fonction de la constante diélectrique et de l’épaisseur du substrat diélectrique mais aussi en fonction de sa position au-dessus du réseau. En choisissant bien ces trois paramètres, il est possible d’obtenir une meilleure adaptation d’impédance du réseau à un ou plusieurs angles de dépointage. Ainsi, une amélioration à trois angles, un dans chacun des plans D, E et H (D étant le plan diagonal entre les plans E et H) est obtenue. Cependant, l’impact de la couche WAIM sur les autres angles de dépointage n’est pas évoquée ni discutée.
Métasurfaces
Si l’utilisation de substrats diélectriques constitue la première utilisation des WAIM pour améliorer les capacités de dépointage d’un réseau d’antennes donné, plus récemment, certains ont remplacé le substrat diélectrique par des couches de métamatériaux. En effet, le développement des métamatériaux au début des années 2000 a donné naissance à une toute nouvelle technique pour réaliser des WAIM. L’adaptation simultanée des propriétés électriques et magnétiques offerte par les métamatériaux permet de réaliser de nouveaux WAIM permettant d’améliorer les capacités de dépointage. Ils offrent davantage de degrés de liberté. Il est à la fois possible de jouer sur la permittivité et la perméabilité équivalentes des éléments, même si cela peut parfois être très difficile à réaliser dans la pratique. De plus, les propriétés des matériaux ont tendance à varier avec l’angle de dépointage, ce qui peut compliquer l’optimisation de la couche WAIM, mais aussi permettre d’espérer améliorer l’adaptation sur une plus grande plage angulaire. il est montré qu’en théorie, le fait de jouer sur les composantes tangentielles et longitudinales de la permittivité et de la perméabilité, permet effectivement d’améliorer l’adaptation dans un plan d’un réseau donné. Certaines combinaisons ne sont pas réalisables en pratique. Dans cet article, seule la composante tangentielle de la permittivité est considérée et permet de concevoir une structure réalisable en pratique. Les améliorations apportées par cette structure sont uniquement dans le plan H.
La plupart des WAIM proposés dans la littérature sont planaires, c’est-à-dire que la surface des WAIM est parallèle à celles des éléments du réseau d’antennes considéré. Très peu d’articles proposent des WAIM verticaux, ou 3D, dont la surface est perpendiculaire à la surface du réseau. propose par exemple l’utilisation de WAIM 3D. Cependant, ces WAIM ne sont placés verticalement à la surface du réseau que pour des raisons de praticité, en présence de résonateurs ELC (« Electrique Inductif Capacitif).
L’un des principaux enseignements de cette étude bibliographique sur les WAIM est tout d’abord que nous distinguons deux principales méthodes afin de réaliser des WAIM : à l’aide d’un substrat diélectrique ou bien d’une métasurface. Si les substrats diélectriques ont été les premiers utilisés pour réaliser des WAIM, ce sont les WAIM formés par des métasurfaces qui sont les plus utilisés car ils permettent d’avoir plus de degrés de liberté pour l’optimisation, en plus d’être plus compacts que les substrats diélectriques. Des métasurfaces 3D sont rarement utilisées. Dans tous les cas, l’utilisation de WAIM permet toujours d’améliorer les performances d’un réseau d’antennes donné, que ce soit pour améliorer ses capacités de dépointage. Le recours à des WAIM pourrait alors nous permettre d’améliorer les capacités de nos réseaux si besoin est. Néanmoins, dans la littérature, la majorité des WAIM utilisés permet d’améliorer les capacités de dépointage uniquement dans un seul plan. Lorsque des améliorations sont observées dans les deux plans E et H, elles sont relativement faibles dans l’un des deux plans. Un des challenges pourrait alors être d’essayer d’améliorer de manière relativement significative les performances des réseaux dans les plans E et H simultanément.
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Table des matières
1. Introduction
1.1. Motivation et problématique
1.2. Plan de thèse
2. Étude bibliographique
2.1. Réseaux d’antennes bi-bandes
2.1.1 Réseaux à périodicité identique
2.1.1.1 Antenne monocouche
2.1.1.1.1 Un élément bi-bandes
2.1.1.1.2 Deux éléments monobandes
2.1.1.2 Antenne multicouches rayonnantes ou 3D
2.1.1.2.1 Un élément bi-bandes sur plusieurs couches rayonnantes
2.1.1.2.2 ULB
2.1.2 Réseaux à périodicité différentes
2.1.2.1 Deux éléments rayonnants différents sur une unique couche rayonnante
2.1.2.2 Deux éléments rayonnants différents sur plusieurs couches rayonnantes
2.1.2.2.1 Structures entrelacées
2.1.2.2.2 Patchs perforés
2.1.2.2.3 Structures chevauchées ou sandwichs
2.1.3 Conclusion intermédiaire
2.2. Wide Angle Impedance Matching (WAIM)
2.2.1 Substrat diélectrique
2.2.2 Métasurfaces
2.2.3 Conclusion Biblio WAIM
3. Étude de la source bande X
3.1. Introduction
3.2. Étude des paramètres variables sous HFSS
3.3. Effets de l’ajout d’une grille autour du patch supérieur bande X
3.4. Ajout d’une cavité métallique autour de la source bande X
3.5. Conclusion
4. Réseau bi-bande L/X
4.1. Introduction
4.2. Mise au point d’un élément monocouche de type grillage bande L sous ADS
4.3. Mise en présence d’une grille au-dessus de la source bande X
4.3.1 Impacts de l’ajout d’une grille au-dessus de la source bande X
4.3.2 Grille commune à plusieurs sources
4.3.2.1 Validation de la méthode de calculs
4.3.2.2 Analyse des effets de la grille
4.4. Étude FSS de la grille
4.5. Effets d’une grille étudiée en FSS
4.6. Dipôles empilés
4.6.1 Nécessité de la structure double dipôle
4.6.2 Choix de la forme de la maille
4.6.2.1 Maille carrée
4.6.2.2 Maille hexagonale
4.6.2.2.1 Présentation de la maille hexagonale
4.6.2.2.2 Paramètres d’optimisation de la source bande L
4.6.2.2.3 Performances de la source bande L obtenues
4.6.3 Choix de la structure bande L simulée
4.6.3.1 Mise en cause de la structure double dipôle « simple » sans les sources bande X
4.6.3.2 Structure double dipôle plus réaliste
4.6.4 Optimisation de la structure double dipôle
4.7. Mise en présence des sources bande X et bande L
4.7.1 Sources bande X dans la maille hexagonale bande L
4.7.2 Réseau linéaire bande X surmonté de rubans infinis
4.7.2.1 Présentation et comparaison avec le réseau bande X au sein de la maille hexagonale bande L
4.7.2.2 Étude des effets des rubans sur l’adaptation des sources bande X
4.7.2.3 Étude des effets des rubans sur les diagrammes de rayonnement
4.8. Conclusion
5. Recours aux WAIM pour améliorer le réseau de sources bande X
5.1. Introduction
5.2. Conception analytique des couches WAIM
5.2.1 Support de conception des couches WAIM : source bande X considérée
5.2.2 Méthode analytique
5.3. Différentes formes de simulation des WAIM sous HFSS
5.3.1 Simulation purement théorique des WAIM : une feuille d’impédance
5.3.2 La première forme de WAIM historique : la lame diélectrique
5.3.3 La forme de WAIM actuellement la plus répandue : la structure métasurface
5.4. Première tentative d’optimisation d’un réseau de sources bande X
5.5. Limitation des WAIM planaires : nécessité d’utiliser des WAIM 3D
5.5.1 Comportements différents dans chacun des plans
5.5.2 Méthode d’optimisation proposée
5.6. Tentatives d’optimisation avec des WAIM 3D
5.6.1 Optimisation de la source bande X avec cavité
5.6.1.1 Optimisation dans le plan H avec WAIM 1
5.6.1.2 Optimisation dans le plan E avec WAIM 2
5.6.1.3 Diagrammes de rayonnement
5.6.2 Optimisation de la source bande X sans cavité
5.6.2.1 Optimisation dans le plan H avec WAIM 1
5.6.2.2 Optimisation dans le plan E avec le WAIM 2
5.6.2.3 Diagrammes de rayonnement
5.7. Validation expérimentale
5.7.1 Source bande X réalisable
5.7.2 Cas 1 : optimisation dans le plan H sur la bande de fréquences d’étude
5.7.2.1 Performances initiales de la source bande X
5.7.2.2 Présentation de la structure optimisée
5.7.2.3 Présentation de la maquette
5.7.2.4 Comparaison des diagrammes de rayonnement simulés et mesurés
5.7.2.5 Cartographies 3D
5.7.2.6 Coefficients de réflexion
5.7.2.7 Effets des WAIM sur le gain réalisé dans l’axe
5.7.3 Cas 2 : optimisation dans les plans E et H sur une bande de fréquences restreinte
5.7.3.1 Performances initiales de la source bande X
5.7.3.2 Présentation de la structure optimisée
5.7.3.3 Présentation de la maquette
5.7.3.4 Comparaison des diagrammes de rayonnement simulés et mesurés
5.7.3.5 Cartographies 3D
5.7.3.6 Coefficients de réflexion
5.7.3.7 Effets des WAIM sur le gain réalisé dans l’axe
5.8. Conclusion
6. Conclusion
