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Généralités sur les antennes UHF large bande
Notion d’antenne indépendante en fréquence : La conception d’antenne large bande fait souvent appelle à des antennes indépendantes en fréquence. Cette notion d’antenne indépendante en fréquence est énoncée dans le courant des années 1950 par Rumsey, énoncé connu comme la théorie de l’antenne « équiangulaire », et aboutit à un ouvrage consacré au sujet. Simplement, Rumsey explique que si les dimensions de l’antenne peuvent être augmentées par homothétie avec la longueur d’onde du signal d’alimentation augmentée du même facteur, alors l’antenne est dite indépendante en fréquence si ses performances sont maintenues. Autrement dit, les performances de l’antenne sont indépendantes de la fréquence si les dimensions de l’antenne mesurées en longueur d’onde sont maintenues constantes. Nous pouvons inclure dans cette famille les antennes spirales, log-périodiques.
Antenne auto-complémentaire : Une antenne avec une structure auto-complémentaire, quelle que soit la forme de la structure, possède une impédance d’entrée théorique constante quelle que soit la fréquence. L’antenne est dite indépendante en fréquence. Ce principe fut découvert en 1948 par Yasuto Mushiake. La valeur numérique de l’impédance d’entrée Z, valable pour un plan de masse infini.
Antenne sans plan de masse
Antenne monopole : Premièrement, intéressons-nous aux monopoles quart-d’onde imprimés alimentés par une ligne micro-ruban. Fondamentalement, c’est la version plane du quart d’onde fixé perpendiculairement à un plan réflecteur. Le monopole est constitué d’une ligne d’alimentation 50Ω, prolongée par une ligne quart d’onde qui constitue la partie rayonnante Les performances de l’antenne sont principalement liées aux dimensions du plan de masse de la ligne micro ruban, qui agit comme le plan réflecteur de la version filaire. La largeur et la hauteur du plan de masse influent de façon non négligeable sur la qualité du coefficient de réflexion et sur le gain. Un plan de masse large permet d’augmenter la bande passante et le gain. De plus, même si sa hauteur est élevée, il peut y avoir une dégradation de la bande passante due à des modes résonants dans le plan de masse. De ce fait, la hauteur doit être dimensionnée en fonction de la bande passante et de la fréquence de résonance souhaitées. Afin de compacter l’ensemble, la solution la plus simple est de réaliser des méandres avec la partie antennaire. Ces replis ne sont pas sans incidence sur l’adaptation. Deux aspects néfastes sont à prendre en compte. Le premier, est l’ajout d’une inductance série équivalente à chaque méandre . Celles-ci modifient l’impédance d’entrée de l’antenne pouvant alors provoquer sa désadaptation. Ensuite, dans les régions où les méandres sont proches, les courants orientés en direction opposée tendent à s’annuler entrainant une réduction de la longueur électrique de l’antenne. La manière dont est conçue l’antenne ne peut pas être le fruit du hasard, mais doit être réfléchie de façon à minimiser ces impacts défavorables.
Antenne fractale
Afin de contourner le problème des bandes passantes étroites des antennes de petite taille pour le bas de la bande UHF il peut être intéressant de s’orienter vers des structures d’antennes avec des formes fractales. On peut citer deux exemples d’antenne avec de large bande passante sans toutefois avoir des dimensions excessives. L’antenne présenté est un monopole fractal basé sur les itérations de Minkowski. Ses dimensions sont de 500×330 mm². L’antenne utilise un substrat souple. La bande passante, centrée sur 160 MHz, est de 30% [135- 185 MHz]. L’antenne décrite utilise la seconde itération de Koch. C’est un plan de masse perforé avec un flocon de Koch où un stub vient exciter la fente ainsi créée. Avec la configuration pour laquelle la fréquence basse de la bande passante est la plus faible, les dimensions du plan de masse sont de 47×57.5 mm2sur substrat d’une permittivité de 3.38. La bande passante à-10dB obtenue est comprise entre 1.4 et 4.3 GHz soit presque 3 GHz. La publication propose une antenne de même inspiration que la précédente avec une forme fractale faite de carrés. Elle exhibe une large bande passante avec un gain constant de 4 dB .Plus pour un souci d’encombrement que pour des raisons de bande passante étroite, les auteurs ont réalisé un dipôle, qui résonne à 850 MHz, en utilisant les itérations de Koch. Ses dimensions sont réduites de 40% par rapport à un dipôle classique imprimé sur le même substrat.
Généralités sur les antennes « wearable »
Impact de l’environnement et du corps : La difficulté dans la conception d’une antenne devant être intégrée dans un vêtement, est de prendre en compte l’impact de l’environnement et du corps humain sur ses performances.
Premièrement, la déformation du substrat influe sur les niveaux d’adaptation, créée d’éventuels décalages de la bande passante et une variation des diagrammes de rayonne ment. Ces problèmes sont mis en lumière grâce à des mesures sur une antenne textile dédiée aux communications on/off-body à 2.4 GHz.
Deuxièmement, une antenne utilisée dans des conditions de pluie ou en milieu maritime sera en contact avec l’humidité, le sel marin, les variations de température. Même si les matériaux utilisés pour la fabrication de l’antenne sont tout à fait adaptés à l’hostilité de ces environnements, les propriétés électriques et diélectriques de l’antenne seront modifiées. Salonen et al. ont étudié l’impact de tous ces éléments perturbants sur une antenne patch textile dédiée aux communications Iridium et GPS (1.5- 1.6 GHz). Afin de s’immuniser au maximum des perturbations extérieures, l’antenne est incluse dans une enveloppe protectrice qui ajoute des difficultés lors de sa conception. Lorsqu’une antenne est placée près du corps ses caractéristiques sont affectées. En effet le corps humain peut être assimilé à un diélectrique de très forte permittivité avec beaucoup de pertes entrainant trois effet notoires. Le premier est un décalage de la fréquence de résonance vers des fréquences plus faible. Le second est un chute de l’efficacité de l’antenne et le dernier est une modification de l’impédance d’entrée entrainant une modification de sa bande passante.
Table des matières
Introduction générale
1 Etat de l’art sur les antennes en bande UHF
1.1 Introduction
1.2 Généralités sur les antennes UHF large bande
1.2.1 Notion d’antenne indépendante en fréquence
1.2.2 Antenne auto-complémentaire
1.2.3 Antenne à ondes progressives
1.2.4 Antenne à résonances multiples
1.3 Miniaturisation d’antenne
1.3.1 Antenne miniature–Limite de Chu
1.3.2 Antenne avec plan de masse
1.3.2.1 Antenne patch
1.3.2.2 Antenne PIFA
1.3.3 Antenne sans plan de masse
1.3.3.1 Antenne monopole
1.3.3.2 Antenne dipôle replié
1.3.4 Divers
1.3.4.1 Antenne fente
1.3.4.2 Antenne fractale
1.4 Généralités sur les antennes «wearable»
1.4.1 Impact de l’environnement et du corps
1.4.2 Antenne «wearable»
1.4.2.1 Les origines
1.4.2.2 Principales utilisations
1.4.3 Antenne souple
1.4.3.1 Antenne textile
1.4.3.2 Antenne sur substrat souple
1.4.3.3 Antenne sur papier
1.5 Conclusion
2 Matériaux et caractérisation
2.1 Introduction
2.2 Les matériaux retenus
2.2.1 Les substrats
2.2.2 La métallisation des substrats
2.3 Caractérisation de matériaux
2.3.1 Pourquoi mettre en œuvre une caractérisation de matériaux?
2.3.2 Caractérisations à l’aide d’un stub résonant
2.3.3 Caractérisations à l’aide de deux lignes micro-rubans
2.3.3.1 Principe
2.3.3.2 Résultats de simulation
2.3.3.3 Validation des mesures à l’aide d’un substrat connu
2.3.3.4 Caractérisations de matériaux inconnus
2.3.4 Caractérisation à l’aide d’une antenne patch
2.4 Conclusion
3 Antenne souple large bande en bande UHF
3.1 Introduction
3.2 Conception de l’antenne
3.2.1 Géométrie de l’antenne
3.2.2 Antenne sous condition de courbure
3.2.3 Méthode de fabrication
3.3 Mesures
3.3.1 Impédance
3.3.2 Rayonnement, gain et ouverture à mi puissance
3.4 Essai
3.4.1 Contexte de l’essai
3.4.2 Mise en place des antennes
3.4.3 Signaux reçus
3.5 Conclusion
4 Solutions d’antennes souples à 400MHz de taille réduite
4.1 Introduction
4.2 Antenne fente quart d’onde sur feutrine
4.2.1 Description de la structure et simulation
4.2.2 Réalisations et mesures
4.3 Antenne PIFA avec capacité
4.3.1 Description et simulation
4.3.2 Modélisation et réalisation
4.4 Antennes IFA
4.4.1 Description
4.4.2 Etude paramétrique
4.4.3 Principe de fonctionnement
4.4.4 Antennes optimisées
4.4.4.1 Antenne avec grand plan de masse
4.4.4.2 Antenne avec petit plan de masse
4.4.5 Modification de l’alimentation
4.4.5.1 Explications
4.4.5.2 Antenne 401MHz avec grand plan de masse
4.4.5.3 Antenne 466MHz avec petit plan de masse
4.4.6 Ajout de coutures
4.4.7 Antenne courbée sur cylindre fantôme
4.4.8 Sélection simple de la fréquence de résonance
4.4.9 Antenne sbi-fréquence half-duplex
4.4.9.1 Présentation
4.4.9.2 Méthode de conception
4.4.9.3 Antenne bi-fréquence avec plan de masses éparé
4.4.9.4 Antenne bi-fréquence avec plan de masse unique
4.4.9.5 Antenne bi-fréquence à un seul accès
4.5 Conclusion
5 Conception de CMA miniatures
5.1 Introduction
5.2 Etat de l’art sur la miniaturisation de CMA
5.2.1 Généralités et théorie sur les CMA
5.2.2 Miniaturisation de CMA
5.3 Choix des structures et déroulement de la conception
5.4 Validation des méthodes numériques et expérimentale à partir de CMA simple carré
5.4.1 CMA simple carré à 2.5GHz
5.4.1.1 Conception et simulations du CMA
5.4.1.2 Modélisation analytique
5.4.1.3 Caractérisation expérimentale
5.4.1.4 Comparaison des résultats de simulations, analytiques et expérimentaux
5.4.1.5 Inventaire de modèles disponibles dans la littérature
5.4.2 CMA simple carré à 400MHz
5.5 CMA à capacités interdigitées
5.5.1 Description de la structure et étude paramétrique
5.5.2 Modèle équivalent
5.5.3 CMA à 2.5GHz
5.5.3.1 Etudes paramétriques
5.5.3.2 Validation expérimentale
5.5.4 CMA à 466MHz
5.5.4.1 Cellule unitaire de taille moyenne
5.5.4.2 Cellule unitaire de petite taille
5.5.5 Limite du modèle analytique
5.6 CMA double couche
5.6.1 Description de la structure
5.6.2 Modèle équivalent
5.6.3 CMA à 2.5GHz
5.6.3.1 Cellule unitaire de référence
5.6.3.2 Etude paramétrique
5.6.3.3 Validation expérimentale
5.6.4 CMA à 400MHz
5.6.4.1 Cellule unitaire de référence
5.6.4.2 Etude paramétrique
5.6.4.3 Etude du CMA double couche avec Neltec NH9300
5.6.4.4 Réalisation du CMA double couche avec Neltec NH9300
5.7 Conclusion
6 Structures complètes :CMA–Antenne
6.1 Introduction
6.2 Antennes associées aux CMA simple carré
6.2.1 Réalisation à 2.5GHz
6.2.2 Réalisation à 400MHz
6.3 Antennes associées aux CMA à capacités interdigitées
6.4 Antennes associées aux CMA double couche
6.4.1 Réalisation à 2.5GHz
6.4.2 Réalisation à 400MHz
6.4.2.1 CMA NY9255 avec dipôle
6.4.2.2 CMA NH9300 avec IFA souple
6.5 Conclusion
Conclusion générale
Annexes
A Compléments sur les CMA à capacités interdigitées
B Démonstration de l’obtention de Cg2
C Compléments sur le CMA double couche sur NY9255
D Photographies de la BCMA du CNES
Bibliographie
