Conception d’antennes UWB reconfigurables

Les antennes reconfigurables UWB sont relativement rares, comme on l’a évoqué dans le premier chapitre de ce mémoire. Cependant, elles représentent un important potentiel en termes d’applications, notamment dans les domaines émergents des radios logicielles et cognitives. Une antenne reconfigurable UWB est une antenne dont au moins l’un des modes de fonctionnement présente une bande passante instantanée ultra large. Par suite, les composants de reconfiguration employés, ainsi que les structures ajoutées pour la reconfiguration et la polarisation doivent présenter un comportement ultra large bande ou, plus exactement, ils doivent maintenir les caractéristiques pour lesquelles ils sont utilisés sur un domaine fréquentiel très étendu. Il s’agit là d’un des points les plus délicats dans la conception de telles antennes.  Dans ce chapitre seront introduites trois antennes distinctes et leurs évolutions respectives. On commencera par présenter une antenne basée sur un patch triangulaire alimenté par une sonde en F, modifiée puis optimisée afin de présenter à la fois une bande UWB commutable et une bande étroite, à plus basse fréquence et accordable. On présentera ensuite une antenne monopôle UWB possédant une réjection bande étroite accordable en fréquence sur la majorité de sa bande. Enfin nous introduirons une antenne monopôle planaire UWB munie à la fois d’une bande UWB commutable et d’une bande étroite accordable située à l’intérieur de la bande UWB. Ces deux dernières antennes ont par ailleurs été prototypées et des résultats de mesure seront présentés.

Antenne patch triangle UWB reconfigurable

La première antenne UWB étudiée est basée sur une antenne patch, triangulaire, alimentée par une sonde en F [129]. On s’est initialement tourné vers ce type d’antenne, car elle est assez similaire, géométriquement parlant, aux antennes PIFA que l’on a étudiées jusqu’ici, dans la mesure où celles-ci ont un plan de masse sous lequel peuvent être placés des composants actifs accompagnés de leurs circuits d’alimentation ; par suite, le recours à des courts-circuits commutables a naturellement été envisagé. La géométrie de l’antenne est présentée en Fig. 4.1 ; elle est constituée d’un patch triangulaire, situé au dessus d’un plan de masse, et est alimenté par une sonde en F reliée à un connecteur SMA situé sous le plan de masse. La courbe du coefficient de réflexion est présentée en Fig. 4.2 et les dimensions exactes dans le Tableau 4.1. La première modification apportée à l’antenne est, conformément à ce qui a été expliqué au chapitre 2, le choix de doubler toutes les dimensions de l’antenne. La bande des fréquences de résonance est conséquemment décalée vers le bas, passant de 3-6 GHz à 1.5-3 GHz, l’objectif étant de diminuer les contraintes sur les composants employés et de faciliter un éventuel prototypage. Les paramètres géométriques de l’antenne sont ajustés afin d’obtenir une adaptation de -10 dB dans la nouvelle bande de fréquence ; ils sont donnés dans le Tableau 4.2.

La seconde modification concerne l’ajout de courts-circuits reliant le patch au plan de masse, de manière similaire aux antennes PIFA du chapitre précédent ; en revanche, cette fois des diodes varicap sont utilisés en tant que composants continûment reconfigurables. Le positionnement de ces courts-circuits est primordial : s’ils sont mal positionnés, ils peuvent au mieux n’avoir aucun impact sur le comportement de l’antenne, et au pire dégrader les performances de celle-ci. Pour détecter les zones « sensibles », on choisit un outil de visualisation des densités de courant surfaciques intégré à CST. La Fig. 4.3 montre ces densités de courant sur le patch de l’antenne, à quatre fréquences réparties sur la bande d’adaptation de l’antenne : 1,5, 2, 2,5 et 3 GHz. Ces lignes de courant sont représentées en valeur absolue, à leur amplitude maximale. Il est manifeste que l’impact des courts-circuits est le plus important lorsqu’ils sont placés sur les côtés du triangle, zones où les courants sont les plus forts. L’ajout des courts-circuits permet l’apparition d’une résonance de basse fréquence, aux alentours de 1 GHz ; la valeur exacte de cette fréquence, ainsi que l’adaptation correspondante de l’antenne, dépendent du positionnement des courts-circuits le long des côtés du patch triangulaire. Par ailleurs, la longueur électrique des courts-circuits peut être modifiée, en faisant varier la capacité se trouvant à leur extrémité ; cela permet, une fois leur position exacte déterminée, de faire varier localement la fréquence à laquelle ils résonnent. Deux courts-circuits actifs sont ajoutés, initialement positionnés de manière symétrique dans les coins supérieurs du triangle. Leur position exacte sera optimisée par la suite.