Augmentation de la performance des antennes miniatures inspirées par métamatériaux

Augmentation de la performance des antennes miniatures inspirées par métamatériaux

LES ANTENNES MINIATURES

Dans ce paragraphe, nous exposons une synthèse des techniques de miniaturisation d‟antennes. Ces techniques ont pour but d‟allonger artificiellement les dimensions du dispositif résonnant. Parmi ces techniques, celles caractérisées principalement par une modification de la géométrie de l’antenne, l‟intégration d‟éléments localis2s, le rajout de plan réflecteurs, de court circuits ou l‟utilisation de matériaux particuliers. Nous détaillerons dans la suite les différentes techniques présentées dans la littérature. I.2.1. Modification de la Géométrie I.2.1.1. Antennes méandres L‟antenne méandre permet de diminuer la longueur physique d‟une antenne sans diminuer sa longueur électrique. On distingue en général les méandres à lignes qui existent en technologie filaire et imprimée (Fig.I.2-a) et les méandres à fentes en technologie imprimée (Fig.I.2-b). Les méandres à lignes imprimées sont constitués d’un élément rayonnant replié en forme de méandre. Les méandres à fentes, géométries duales des méandres à ligne, sont obtenus en créant une fente en forme de méandre dans un plan métallique. La figure I.2-a montre un exemple d‟un monopôle méandre [I.3] qui présente une longueur de L=137.6cm et une fréquence de résonance à Fr = 91.5MHz. Un exemple d‟une antenne méandre à fente [I.4] est donné par la figure I.2-b qui résonne à une fréquence Fr=2.65GHz. (a) (b) Figure I.2: Exemple d’antennes méandres :(a) Antenne méandre en technologie filaire. et (b) Antenne méandre à fentes en technologie microstrip.

Antennes Fractales

Dans le cas des antennes fractales, l‟élément rayonnant est une forme fractale selon la géométrie de Hilbert, de Koch ou celle de Sierpinski [I.5] [I.6] [I.7]. Ces géométries sont en réalité des courbes mathématiques optimisées pour remplir au mieux une surface carrée, triangulaire ou quelconque à partir d‟une cellule élémentaire de même forme. Un exemple de construction de fractale de Koch à quatre itérations est donné par la figure I.3-a. La figure I.4 donne un exemple d’antenne fractale imprimée obtenue à partir de la géométrie de Von Koch [I.8]. L’antenne est imprimée sur un substrat Roger Duroid 5880 (εr=2.2), d’épaisseur 0.8mm. Elle résonne à la fréquence FR=825MHz. Itération 0 Itération 1 Itération 2 Itération 3 Itération 4 Figure I.3: Procédure de conception d’une fractale selon la géométrie de Koch. Figure I.4: Antenne imprimée à fractales de Koch d’ordre 3. 8

Utilisation d’éléments localisés

Ces éléments localisés peuvent prendre différentes formes, du composant discret au tronçon de ligne conductrice. Concernant les composants discrets, trois types peuvent être utilisés, les charges résistives, capacitives ou encore inductives. L‟utilisation de tronçons capacitifs ou selfiques a également pour objectif l‟augmentation artificielle de la longueur électrique de l‟antenne et donc une diminution de sa fréquence de résonance [I.9]. Le monopôle chargé par un disque est une antenne électriquement petite classique. La figure I.5 présente un exemple [I.10] d‟une antenne composée d‟un disque capacitif placé au dessus d‟un monopôle, ce qui permet à l’antenne de résonner avec une hauteur réduite. Le facteur de miniaturisation de l’antenne est k.r = 0.62. Figure 1.5: Monopôle chargé par un disque.

Insertion de courts circuits

L‟introduction d‟un ou plusieurs courts-circuits entre l‟élément rayonnant et le plan de masse est une technique de miniaturisation souvent utilisée en technologie imprimée. En observant la distribution du champ électrique du premier mode résonnant ou mode fondamental, TM100, dans la cavité virtuellement délimitée par des murs électriques et magnétiques (Fig. I.6-a), on constate que le champ électrique s‟annule au milieu du patch. Cela signifie qu‟en positionnant un mur électrique parfait dans ce plan vertical, la distribution des champs n‟est nullement affectée. Par conséquent, la longueur de la structure peut être réduite de moitié. Il en résulte une antenne ayant une longueur physique de λg/4 dite antenne quart d‟onde. Elle porte le nom de Planar Inverted-F Antenna ou PIFA ((Fig. I.6-b). Cette antenne a déjà fait l‟objet de nombreuses publications [I.11] [I.12] [I.13]. 9 (a) (b) Figure 1.6: (a) Cartographie du champ E dans la cavité d’une antenne microruban (mode TM100) et (b) Antenne PIFA avec court circuit. 

Emploi de Matériaux 

Matériaux diélectriques, magnétiques ou magnéto-diélectriques

L‟utilisation d‟un substrat diélectrique à forte permittivité [I.14] [I.15] constitue l‟une des techniques de miniaturisation des antennes imprimées. En effet, en utilisant un diélectrique avec une permittivité relative εr élevée, typiquement de l‟ordre de 10 ou supérieure, la longueur d‟onde λg dans le matériau diminue, permettant de réduire la taille physique d‟une antenne comme le montre l‟équation (I.2). (I.2) Où : λ0 est la longueur d‟onde dans l‟espace libre. εr est la permittivité relative du matériau. μr est la perméabilité relative du matériau. Des travaux [I.16] [I.17] ont montré la possibilité de miniaturiser les antennes par l‟utilisation de matériaux magnétiques. Cette technique repose sur le même principe des matériaux diélectrique qui consiste à réduire la longueur électrique et donc l‟encombrement de la structure antennaire selon l‟équation précédente (I.2). Court circuit Patch Murs électriques Plan de masse Murs électriques Le champ E s’annule 10 Cette longueur électrique dépend directement de la perméabilité relative du milieu équivalent Cette technique permet une réduction du volume d‟une antenne PIFA pouvant aller jusqu‟à 50 % en positionnant judicieusement le matériau magnétique sur et/ou autour des points de forte concentration des courants comme le montre la figure I.7. (a) (b) (c) Figure 1.7 : Placement d’un fragment de matériau magnétique selon trois configurations : (a) insertion autour de l’alimentation et (b) insertion autour du court-circuit et (c) insertion autour de l’alimentation et du court-circuit. Il est possible de combiner deux types de matériaux diélectrique et magnétique cités précédemment pour miniaturiser une antenne. L‟emploi de matériaux magnéto- diélectrique a fait l‟objet de nombreux travaux [I.18] [I.19]. Sarabandi et al. [I.20] ont développé un matériau constitué d‟un empilement de couches diélectriques et magnéto-diélectriques pour miniaturiser une antenne imprimée (figure I.8). La perméabilité et la permittivité relative de ce matériau sont de l‟ordre de μr = εr = 16 et les tangentes de pertes diélectriques et magnétiques valent respectivement 0.002 et 0.02. (a) (b) Figure I.8: Exemple d’antenne à matériaux magnéto-diélectriques :(a) Antenne réalisée et (b) Coefficient de réflexion. 

Métamatériaux

Les métamatériaux sont des matériaux artificiels présentant des propriétés physiques singulières (permittivité et perméabilité simultanément négatives, …). Ces matériaux sont constitués de structures périodiques (un exemple est donné dans la figure I.9), qui se comportent comme un matériau homogène avec des propriétés parfois singulières. (a) (b) Figure I.9: (a) Antenne micro ruban imprimée sur un substrat chargé par des cellules SRRs (Split Ring Resonators) et (b) : coefficient de réflexion de l’antenne avec différents substrats. Récemment, plusieurs études ont été menées pour utiliser ces nouveaux matériaux dans des structures antennaires afin de les miniaturiser [I.21] [I.22]. Hao, et al. [I.23] ont étudié théoriquement et expérimentalement l’influence d’un métamatériau sur la fréquence de résonance d’une antenne patch (figure I.10). En effet, le plan de masse uniforme est remplacé par un plan de masse périodiquement gravé de motifs métalliques CSRRs (Complementary Split Ring Resonators), comme le montre la figure I.10. Cette antenne a été fabriquée pour deux valeurs différentes de la permittivité du substrat diélectrique εr = 3 et εr = 4.7. Les résultats de mesure confirment que la fréquence de résonance de l‟antenne intégrant des CSRR est significativement inférieure à celle sur substrat conventionnel. (a) 12 (b) Figure I.10 : (a): Géométrie de l’antenne microruban chargée par CSRR et (b) Coefficient de réflexion

Antennes inspirées des métamatériaux

Le concept des antennes inspirées des métamatériaux à été proposé pour la première fois par Ziolkowski [I.24]. Ce type d‟antennes est caractérisé par le fait que l‟on utilise une seule cellule de métamatériaux pour réaliser la structure globale contrairement au cas d‟antennes à métamatériaux qui nécessitent un réseau de cellules périodiques. Le principe de fonctionnement des antennes inspirées des métamatériaux consiste en l‟utilisation d‟une cellule parasite placée dans le champ proche d‟un monopôle. C‟est pourquoi la structure est appelée NFRP (Near Field Resonant Parasitic). Le monopôle court présente un comportement capacitif et est indirectement adapté par l‟élément parasite qui lui présente un comportement inductif. On obtient ainsi un circuit résonnant comme le présente la figure I.11 Il est aussi possible d’envisager d‟intégrer une self inductance sur l‟élément parasite afin d‟obtenir une fréquence de résonance plus basse. La technique inspirée des métamatériaux peut être utilisée pour concevoir des antennes à deux dimensions (2D) (figure I.12) [I.25] ou à trois dimensions (3D) (figure I.13) [I.25]. Cette technique permet d‟augmenter l‟efficacité des antennes. En effet, on peut ainsi éliminer presque la totalité de l‟énergie réactive de ces antennes.