Généralités sur les antennes imprimées

Historique 

Les équations de Maxwell publiées en 1865 décrivent comment le champ électrique et magnétique sont générés et modifiés l’un et l’autre par les charges et les courants. Ils sont nommées d’après le physicien et mathématicien écossais James Clerk Maxwell, qui a publié ces équations constituent le fondement de l’électrodynamique classique. En fait, il avait vingt équations à vingt inconnus, en 1873, MAXWELL a réécrit sa théorie sous la forme de huit équations à huit inconnus [11]. Il a fallu encore quelques années jusqu’à ce qu’ils soient compris et réécrits par le physicien britannique Oliver HEAVISIDE sous la forme des quatre équations vectorielles aux dérivées partielles que l’on connaît maintenant [12]. En 1888, le physicien allemand Heinrich HERTZ utilisera pour la première fois des antennes pour la démonstration de l’existence des ondes électromagnétiques prédites par la théorie de MAXWELL. Il utilisa des antennes doublet, tant pour la réception que pour l’émission. Il installa même le dipôle émetteur au foyer d’un réflecteur parabolique [13]. De nombreux scientifiques ont mené des études expérimentales et théoriques sur les antennes, parmi eux, on peut citer Karl Ferdinand BRAUN, prix Nobel de physique avec MARCONI en 1909, qui est souvent connu comme l’inventeur de l’oscillographe cathodique, il a également imaginé l’antenne directionnelle. La première liaison transatlantique eut lieu en 1901. Très vite, les possibilités offertes par la triode, inventée par Lee FOREST en 1906, permirent d’effectuer des liaisons téléphoniques sûres des grandes distances. La première liaison transpacifique entre les États-Unis et le Japon, avec relais à Honolulu, eut lieu en 1915[14]-[15]. Depuis les années soixante-dix, des micro-antennes ou antennes imprimées ont connus un essor considérable, favorisées par le progrès de la technique micro-électronique dans le domaine de la miniaturisation et de l’intégration électronique dans des applications aérospatiales, militaires et aéronautiques, ces antennes caractérisées par leurs faibles volumes, poids, coût, ses hautes performances et la facilité de les mise en réseaux [15]. Récemment, tous ces avantages facilitent l’implantation de ces antennes dans de nombreux dispositifs électroniques et constituent le type d’antenne privilégiée aux fréquences microondes dans les systèmes de communication intégrés moderne.

L’antenne imprimée n’est pas un concept nouveau [16]. Les premières publications apparaissent en 1953 avec G. A. Deschamps [3] et en 1955 avec le dépôt d’un brevet français par H. GUTTON et G. BAISSINOT [4]. Les premières réalisations naissent avec R. E. MUNSON en 1970 [5]. Le progrès considérable dans le domaine de miniaturisation, de l’intégration des circuits électroniques et surtout des substrats diélectriques à faibles pertes menées par les chercheurs dans les années quatre vingt se traduit par un développement prodigieux dans le domaine de télécommunication et spécialement les antennes imprimées, ce n’est qu’à partir de cette date que l’on porte un grand intérêt pour ce concept. Cependant plusieurs recherches ont été menées pour arriver à une antenne microruban optimale pouvant répondre aux exigences de l’industrie de développement des télécommunications pour des applications aérospatiales, militaires et aéronautiques. Ce type d’antenne s’adapte facilement aux surfaces planes et non planes et présentes une grande robustesse et flexibilité lorsqu’il est monté sur des surfaces rigides. Les antennes imprimées sont également très performants en matière de résonance, d’impédance d’entrée et le diagramme de rayonnement. Les inconvénients majeurs des antennes imprimées résident dans leurs faibles pureté de polarisation et une bande passante étroite [17, 18]. Ainsi, les études et les réalisations s’intensifient et visent de nombreuses utilisations dans les domaines civile, militaire et médical. Plusieurs études de structures imprimées ont été réunies dans un numéro spécial de D. M. POZAR [19, 20] et dans deux livres, celui de I. J. BAHL et P. BHARTIA [21] et celui de J. R. JAMES et al. [22].

Description d’une antenne microruban

Une antenne imprimée où antenne Patch consiste en une paire de couche métallique (le plan de masse et l’élément de rayonnement), l’élément rayonnement d’épaisseur «t» très fine, (t<<λ0 où λ0 est la longueur d’onde dans le vide) de forme arbitraire. Elle est conçue telle que le maximum de son diagramme de rayonnement est normal à l’élément rayonnant, déposé sur un substrat diélectrique au-dessus d’un plan de masse à une hauteur «h» proportionnelle à la longueur d’onde, il est généralement compris entre 0.003λ0 – 0.05λ0 [23].

Technologies des antennes imprimées

Les matériaux diélectriques

Les matériaux diélectriques sont généralement de faibles épaisseurs devant la longueur d’onde de fonctionnement (h << λ0), elles sont considérés comme un support mécanique de la structure, le substrat diélectrique joue un rôle très importante sur le comportement et les performances électromagnétiques d’une antenne. Un substrat à faibles pertes diélectriques (tan δ < 10-3) présente un bon choix lors de la conception de l’antenne, elle permette d’augmenter le rendement en diminuant les pertes des ondes de surface. Pour un bon choix du substrat, elle doit satisfaire quelques exigences et conditions restrictives [25] :

• Pour les produits chimiques, elle doit présenter une résistance pour les phases de photolithographie,
• Pour des grandes plaques, elle doit présenter une uniformité de la hauteur et de la permittivité relative,
• Stabilité envers le changement de la température (pour la soudure) et aux conditions atmosphériques,
• pour une meilleure efficacité, la tangente de pertes tan( δ ) doit être inférieure à ≤ 3.10⁻³
• conservation de la forme originale. Vu le développement des matériaux diélectriques ces dernières années, on peut les regrouper en plusieurs familles.

➤ Les matériaux semi-conducteurs
Ces matériaux destinés à des applications utilisant des antennes ou dans le domaine millimétrique monolithique intégré, ils sont fabriqués avec semi-conducteurs du type Arséniure de Silicium (Si) ou du Gallium (GaAs) [29, 30].

➤ Les matériaux céramiques
Dans la plupart des cas de ces matériaux, ils sont une permittivité très élevée, ils présentent des faibles pertes (tan δ = 10⁻³), le plus répondu de ces matériaux c’est l’alumine (Al2O3), il présente aussi une excellente qualité de surface et de rigidité mais il est très fragile, ces matériaux sont largement employés pour les circuits micro-rubans .

➤ Les matériaux ferromagnétiques
Ce sont des matériaux anisotropes à faibles pertes diélectriques (donc une forte permittivité relative de neuf à seize), Ils comprennent les substrats ferrite et YIG (Yttrium– Iron Garnet), pour la mise à profit de ces matériaux, L’effet Gyromagnétique est mis à profit pour concevoir des isolateurs ou des antennes plaque ou encore des circulateurs .

➤ Les matériaux synthétiques
Parmi ces matériaux on a : le polyéthylène, le polyester, le téflon, le polypropylène … etc. Ces matériaux caractérisant par des faibles (Tan (δ) # 0,003). Lorsqu’on monte en fréquence, ces pertes deviennent importantes (tan (δ) > 0,01 à 26.5 GHz) [25].

➤ Les matériaux RO3000
Ces matériaux sont de permittivité relative stable en température et en fréquence. Ils sont fabriqués par ajout de poudre céramique au Téflon et peuvent être utilisés à haute fréquence (> 30 GHz) [28].

➤ Les matériaux photoniques
La majorité des recherches portant sur ces matériaux ont été effectuées par des physiciens dans le cadre d’études de dispositifs optiques, ils font l’objet d’une grande effervescence dans le monde scientifique, ce sont des matériaux à permittivité périodique. Récemment, les chercheurs introduisent ces matériaux dans le domaine micro-onde, ils cherchent à concevoir des antennes imprimées à base des matériaux photoniques afin de réduire les ondes de surface [25].

➤ Les matériaux TMM
Ils sont caractérisés par des faibles pertes (tan δ < 0,0018), à des températures élevées, ces matériaux conservent leurs dimensions et leurs permittivités, ils sont rigides et moins cassants que les céramiques, ils sont constitués de résines chargées de différents composants céramiques, ils génèrent une gamme de substrats, TMM-1, TMM-4, TMM-6, TMM-30 pour des permittivités respectivement égales à 3.25 – 4.5 – 6.5 – 9.8 .

Les matériaux conducteurs

Dans des structures imprimées, les conducteurs se présentent sous la forme de ruban très mince découpé suivant différentes géométries (carré, rectangle, triangle…, etc.). Les matériaux couramment employés sont le cuivre, l’argent, l’or ou l’aluminium  .

Différentes formes d’antennes imprimées 

L’élément de base d’une antenne imprimée est constitué généralement du cuivre, il peut prendre plusieurs formes : rectangulaire, triangulaire, elliptique, dipôle, circulaire, anneaux . L’antenne rectangulaire est le plus souvent utilisée, son domaine d’application est limité par sa bande passante très étroite. Elle fonctionne aux modes fondamentaux TM11 de la cavité rectangulaire. La polarisation du champ est rectiligne si l’antenne est excitée en un seul point, elle pose alors la question de la pureté de la polarisation. La recherche théorique et expérimentale est abondante sur ce sujet. Souvent on ajoute une couche supplémentaire de diélectrique, mais cela entraîne une diminution de la fréquence de résonance  .

Parmi les cas particuliers des antennes rectangulaires, On trouvera aussi l’antenne dipôle, ce dernier attiré par ses petites dimensions quelques applications, lorsque sa largeur est très inférieure par rapport à sa longueur, son exploitation reste limitée à cause de sa bande passante étroite. Pour résoudre ce problème (augmentation de la bande passante), en augmentant l’épaisseur du substrat [32, 33] mais cela induit une diminution du rendement, à cause du phénomène des ondes de surface dont il faut tenir compte lors de l’analyse.