Antennes monocouche et multicouches larges bandes

Le choix du matériau diélectrique

Les éléments rayonnants (patches, en Anglais) des antennes ont invariablement besoin d’un support mécanique. La nature du substrat diélectrique joue un rôle majeur sur les performances des antennes imprimées. En outre le substrat peut engendrer deux sources de perte : les pertes diélectriques et les pertes résistives. Les substrats diélectriques doivent être de permittivité faible et d’épaisseur élevée de façon à permettre le rayonnement, en évitant le confinement des champs électromagnétiques dans la cavité comprise entre l’élément imprimé et le plan de masse. Les matériaux les plus courants sont des composites à base de Téflon (2 ≤ εr ≤ 3 et tg δ ≈ 10 -4), de polypropylène (εr= 2,18 et tg δ ≈ 3.10 -4), epoxy (εr=4.2), Téflon TLY (εr=2.35) et duroid (εr=10.8) ainsi que des mousses synthétiques contenant de minuscules poches d’air (εr = 1,03 et tg δ ≈ 10 -3). Pour les matériaux semi-conducteurs comme le silicium (Si, εr = 11) ou l’arséniure de Gallium (AsGa, εr = 13), la valeur de leur constante diélectrique est très élevée par rapport à celle utilisée pour les antennes imprimées, ce qui entraîne une diminution de l’énergie rayonnée, de la bande passante et une baisse des performances de la structure ainsi que des pertes importantes. Caractéristiques électriques et fréquentielles des antennes imprimées L’antenne est un élément de transition entre le circuit électrique et l’environnement. Elle assure la conversion de l’énergie électrique en énergie électromagnétique rayonnée dans l’espace ou l’énergie électromagnétique en énergie électrique et vice-versa. De ce fait, les caractéristiques de l’antenne sont classées en deux catégories : en fonction des paramètres électriques et en fonction des paramètres fréquentielles. Fortement dépendant de la géométrie de l’antenne, ces paramètres déterminent les qualités, les performances et les applications particulières à ces antennes. Une bonne antenne doit donc satisfaire certaines exigences, à savoir :

assurer une bonne adaptation entre l’équipement et le milieu de propagation des ondes électromagnétiques : en émission l’adaptation consiste à tirer le maximum de l’énergie de l’émetteur et de le rayonner vers l’extérieur ; en réception, une bonne adaptation sert à capter le maximum de l’énergie électromagnétique du milieu de propagation vers l’équipement récepteur, donc présenter le minimum de pertes en émission comme en réception.

concentrer le maximum de l’énergie émise vers les zones ciblées de l’espace, donc présenter une bonne directivité.

assurer une transmission fidèle ; ceci sous-entend une polarisation constante, un bon découplage, le temps (vitesse) de propagation de groupe doit rester constant.

Domaine d’application des antennes imprimées Les antennes imprimées sont largement très employées de nos jours puisqu’elles permettent de répondre à de nombreuses contraintes imposées par les systèmes de communications actuels. Leur forme et dimensions les rendent intégrables sur de nombreux mobiles : avions, voitures, missiles, téléphone portable, etc. Les antennes imprimées sont largement utilisées dans les applications micro-ondes. Le substrat diélectrique utilisé dans leur réalisation est un paramètre clef, d’une part, au niveau technologique pour assurer des bonnes performances (efficacité, largeur de bande, radiation,…) et d’autre part au niveau économique afin d’obtenir des antennes à prix compétitif. Elles sont largement utilisées aujourd’hui dans les applications hyperfréquences, surtout dans les systèmes satellites et dans les applications de communications sans fil(Wireless) comme WLAN (Réseau local sans fil). Pour un utilisateur, la principale qualité des antennes imprimées reste leur faible volume et leur discrétion. Grâce à leur conformabilité, elles perturbent très peu l’aérodynamisme des véhicules terrestres ou aériens sur lesquels elles sont montées. L’aviation civile et militaire à des besoins spécifiques et bien souvent la sécurité envol dépend d’un composant crucial qui est l’antenne.

La technique des antennes imprimées a été introduite dans les systèmes de communication, de navigation et d’atterrissage. L’antenne à balayage électronique constitue une application typique des réseaux d’antennes imprimées aux systèmes de télédétection ou RADAR, et concurrence les antennes classiques à balayage mécanique car elle ne connaît pas les problèmes d’usure mécanique. Mais en revanche, son coût de fabrication est nettement plus élevé. Les antennes imprimées ont été montées sur des missiles comme système de guidage dans les applications de guidage et de télédétection, la qualité importante de l’antenne est d’avoir une bonne directivité, par contre pour les systèmes de communication la bande passante est nécessairement large. La sécurité routière et le confort des passagers peuvent être améliorés à l’aide des systèmes RADAR utilisant des antennes imprimées placées sur des véhicules, pour connaître la distance entre le véhicule par temps de brouillard, la vitesse, et l’état de la route pour les systèmes à suspension active.

Domaine d’application

Les antennes que nous venons d’analyser le comportement sont plutôt directives. Mais, du point de vue applicatif, on distinguera les antennes « omnidirectionnelles » et les antennes directionnelles. Les premières sont intéressantes pour une couverture angulaire maximale, ce qui est souvent nécessaire pour un terminal ou un serveur destiné à communiquer avec des éléments du réseau radio situés dans toutes les directions possibles. Les antennes directionnelles peuvent être utiles lorsqu’on envisage de les placer sur un mur, ou en extrémité de bâtiment, ou pour implémenter une topologie sectorisée du réseau radio (point d’accès radio), ou encore pour un terminal ou point d’accès mettant en oeuvre une solution d’antennes directionnelles multiples (diversité angulaire) qui permet de gagner en bilan de liaison, réduction des interférences etc. Il est également possible pour certaines utilisations d’imposer à l’utilisateur de pointer l’antenne vers l’endroit désiré, par exemple pour un téléchargement rapide entre un terminal et un PC. Il existe une grande variété d’antennes candidates à des applications ULB, moyennant une optimisation à effectuer pour obéir au cahier des charges. Conclusion Des antennes multi-bandes compactes et larges bandes ont été proposées et simulées le long de ce chapitre dédié à l’étude des antennes de base monocouches et multicouches large bande. Les résultats de la simulation nous confirment le fonctionnement multi-bande et large bande attendu et rendent ces antennes prometteuses pour diverses applications. Les deux antennes originales (structure en forme de 2 et structure multicouches) proposées dans cette étude ont été développées pour une application bi-bande pour le système GPS. Elles pourraient être avantageusement utilisées pour des applications associant davantage de fréquences de fonctionnement.

Conclusion générale

Une antenne imprimée est la composante chargée de diffuser le signal millimétrique dans l’espace libre et de le capter en retour. Les antennes imprimées ont les mêmes propriétés en émission qu’en réception. Cette réciprocité permet de connaître le comportement dans ces deux modes en ne procédant qu’à sa mesure dans un seul mode. Les antennes imprimées sont directionnelles, c’est à dire qu’elles concentrent l’énergie du signal de radiofréquence , émise ou reçue, en un faisceau orienté dans une direction bien précise. Ce dernier dépend des caractéristiques de l’antenne et de son orientation dans l’espace. Le diagramme d’émission d’une antenne peut être tracé sur un graphique aux coordonnées cartésiennes ou polaires ayant l’angle d’azimut et l’intensité relative du signal comme coordonnées. Un tel diagramme montre que l’énergie est plus importante dans une direction pour une antenne directionnelle : •Le lobe principal définit la direction du faisceau; •Une partie plus ou moins importante de l’énergie émise se retrouve dans les lobes secondaires et le lobe arrière et constitue les pertes. Il est donc important de les minimiser. Essentiellement, notre travail s’est intéressé au développement et à la réalisation de l’antenne imprimée de forme carré. Les différents paramètres caractéristiques de ces antennes ont été mis en évidences par de multiples illustrations obtenues par simulations sous le logiciel ADS/Momentum. Les résultats obtenus sont assez bons.

En premier lieu, on s’est mise à étudier les antennes de base monocouches et multicouches ; par la suite nous les avons associées en un réseau d’antennes log-périodique. La mise en réseau des éléments rayonnants nous a amené à confirmer que le gain augmente proportionnellement avec le nombre d’éléments rayonnant. Nous avons pu voir que la bande passante s’étale sur une largeur de 5.2 GHz à 6.4 GHz pour une puissance réfléchie inferieur au niveau des -10 dB, pour l’antenne-réseau ; alors qu’elle était de 4.89 GHz à 5.17 GHz pour un seul élément , donc nettement faible par rapport au réseau d’antennes. En effectuant des modifications sur les dimensions des éléments rayonnant, on a pu améliorer les performances des antennes imprimées, notamment leur bande passante. Des méthodes telles que l’augmentation de l’épaisseur du substrat, la diminution de la permittivité relative, permettent d’augmenter la bande passante jusqu’à 35%.