Étude, conception et caractérisation de nouvelles topologies d’antennes à résonateurs diélectriques

De nos jours, nous assistons à une mutation considérable dans le domaine des télécommunications, qu’il s’agisse de la téléphonie mobile, des réseaux filaires ou sans fil. Les avancées dans les domaines des technologies de l’information, de la communication, de la micro-électronique et des télécommunications ont conduit à un déploiement massif de nouveaux réseaux qui connectent aujourd’hui une masse d’individus et d’entités de calcul. Ces réseaux constituent le pivot de tous les services influençant à la fois la sphère personnelle et professionnelle, avec un accès quasi-instantané à l’information, aux réseaux sociaux et au monde informatique.

A cet égard, les antennes déployées dans les nouveaux systèmes de télécommunications doivent être en mesure de s’adapter avec un tel environnement en perpétuelle évolution. En effet, avec l’émergence de nouveaux standards de télécommunications tel que l’internet des objets (IdO ou IoT), les nouveaux systèmes de télécommunications doivent répondre à de nouvelles exigences, notamment la capacité d’inclure un grand nombre de fonctionnalités pour répondre aux besoins croissants des utilisateurs, comme faire cohabiter plusieurs normes sur une même structure compacte, diminuer les interférences avec les appareils voisins, améliorer le débit des transmissions, éviter les phénomènes de dégradation des performances de l’antenne en présence de perturbation externe et assurer une bonne efficacité dans la réception des données. Les antennes agiles en diagrammes de rayonnement se présentent également comme des candidats potentiels pour satisfaire les exigences imposées.

Il existe un large éventail de types d’antennes pouvant être utilisées dans ces systèmes, à savoir : les antennes filaires, cornets, à résonateur diélectrique, imprimées…etc. De ce fait, une bonne maîtrise de leur fonctionnement est primordiale lors du choix du dispositif rayonnant pour aboutir à une conception offrant les performances optimales. Dans cette thèse, nous nous sommes focalisés sur l’étude et la conception des Antennes à base des Résonateurs Diélectriques (ARD).

Traditionnellement, les résonateurs diélectriques ont été utilisés pour la conception des filtres, oscillateurs et circuit micro-ondes. Plus tard, avec les exigences de plus en plus pressantes, ils ont été proposés pour jouer le rôle d’éléments rayonnants. Depuis, plusieurs études ont été menées pour appréhender les résonateurs diélectriques et bénéficier au mieux des avantages qu’ils peuvent offrir, notamment en termes de miniaturisation et de stabilité de fonctionnement. C’est dans ce contexte, que cette thèse s’inscrit. Elle propose une contribution à l’étude, la conception et la réalisation de nouvelles topologies d’antennes à résonateur diélectriques pour les nouveaux systèmes de communications sans fil.

Depuis l’antiquité, l’homme n’a cessé de chercher les différents moyens (paroles, gestes, signaux …) pour communiquer. De ce fait, l’être humain, à travers des époques successives, a fourni des efforts intellectuels aussi bien que physiques afin de chercher des méthodes de communication adéquates. Dès lors, les réseaux se sont beaucoup développés qu’ils soient filaires ou hertziens.

C’est dans le courant des dernières années que l’apparition d’une ample variété de réseaux de communications sans fil a été constaté et donc, un vrai besoin a émergé: celui d’être connecté en permanence au réseau quel que soit l’endroit où l’on se trouve et à n’importe quel moment.

Dans un système de communications radiofréquence sans fil l’antenne constitue une composante primordiale. Le rôle d’une antenne de transmission dans ces systèmes est de convertir l’énergie électrique d’un signal en énergie électromagnétique, en assurant la transmission et la propagation de celle-ci entre un émetteur et un récepteur en espace libre. A l’inverse, une antenne de réception est un dispositif qui capte les ondes électromagnétiques se propageant dans l’espace et les transforment en courant électrique .

Un large éventail de types d’antennes existe. Ainsi, il est impératif, lors du choix d’un dispositif rayonnant, d’avoir une bonne maitrise de leur fonctionnement. Une bonne compréhension dans ce sens permettra d’une part d’utiliser l’antenne au mieux et de bénéficier au maximum de ses performances. D’autre part, ces connaissances donneront la possibilité de réaliser des architectures optimales et efficaces. Les techniques de conception et de réalisation d’antennes se sont améliorées en adéquation avec le progrès du domaine de l’électromagnétisme [1].

A cet égard, l’antenne doit assurément répondre à plusieurs contraintes et exigences notamment les caractéristiques de rayonnement. Celles-ci doivent donc être optimisées pour pouvoir par exemple augmenter le débit de transmission tout en élargissant la bande passante. Aussi, il y a une nécessité croissante de concevoir des architectures multistandards, pour réduire le nombre d’antennes embarquées en associant plusieurs applications sur une même antenne compacte. Enfin, les antennes doivent être également peu influençables par leur environnement.

C’est dans cette perspective que notre sujet de thèse porte sur la conception de nouvelles topologies d’antennes compactes, à fonctionnement ultra/large bande, et non sensibles à l’environnement extérieur et présentant aussi de meilleures caractéristiques de rayonnement. Ainsi que pour satisfaire les spécifications mentionnées précédemment, les antennes à résonateurs diélectriques (ARD) ont été considérés dans cette étude.

Dans ce rapport, nous allons tout d’abord, mettre l’accent dans le premier chapitre sur le positionnement des antennes à résonateurs diélectriques dans la littérature par rapport aux autres familles d’antennes. Dans un premier temps, nous présenterons un état de l’art des résonateurs diélectriques, en rappelant les différentes formes les plus utilisées, leurs avantages et inconvénients par rapport aux autres types d’antennes classiques. Par la suite, nous nous intéresserons principalement aux antennes à résonateur diélectrique de formes rectangulaire et cylindrique, en présentant les principaux modes excités et leurs techniques d’excitation. Enfin, on citera les différentes techniques d’élargissement de la bande passante, de miniaturisation et de création d’un fonctionnement multi-bandes.

Les antennes à résonateurs diélectriques

Généralités sur les résonateurs diélectriques

Définition
Les résonateurs diélectriques sont des dispositifs en matériau isolant, sous forme de céramiques poly-crystalline nues ou métallisées (disque, cylindre…). Ils sont couramment utilisés comme composants dans la réalisation des filtres [2, 3] et d’oscillateurs [4] dans le domaine des hyperfréquences, grâce à leurs permittivités élevées (entre 10 et 100) et leurs fréquences propres de résonance (modes) [5]. Plus la permittivité du matériau diélectrique utilisée est élevée, plus les champs électromagnétiques (électrique et magnétique) sont confinés à l’intérieur du matériau [6]. Cette propriété permet une variété importante de résonateurs diélectriques et donc de nombreuses applications peuvent être mises en œuvre. La plus couramment utilisée est la fonction du filtrage : elle permet par exemple la sélection d’une bande de fréquence et peut également servir à la fonction de multiplexage des fréquences. Dans le cas des oscillateurs, l’utilisation d’un résonateur contenant 24 diélectriques (ou plus) garantit une bonne pureté spectrale ainsi qu’une stabilisation de la fréquence du signal généré [7, 8].

Principe de fonctionnement
En 1939, Richtmyer a démontré que les objets diélectriques peuvent résonner en excitant différents modes. Il a nommé de manière appropriée ces structures : résonateurs diélectriques (RD) car ils peuvent agir de manière similaire à ceux des résonateurs à cavité métallique [9]. Plus tard, au début des années soixante, Okaya et Barash ont décrit la distribution et la propagation des modes d’ondes (𝑇𝐸𝑥𝑦𝑧 et 𝑇𝑀𝑥𝑦𝑧) dans un barreau diélectrique [10, 11]. Richtmyer a également prouvé qu’un RD placé dans l’espace libre doit émettre en raison des conditions aux limites à l’interface entre le diélectrique et l’air [9]. Cette propriété a fourni la théorie fondamentale de l’antenne à résonateur diélectrique (ARD), inventée plus tard. En 1983, Long et al. ont d’abord proposé le concept de l’utilisation des résonateurs diélectriques (RD) en tant qu’élément rayonnant [12]. Depuis lors, plusieurs études approfondies ont été effectuées sur différentes formes  possibles, modes et techniques d’excitation .

Les résultats de ces études et investigations ont mis en évidence l’intérêt des résonateurs diélectriques en tant qu’élément rayonnant, possédant plusieurs avantages dont notamment :

▪ Des modes de résonance dont les fréquences sont déterminées par les dimensions [19].
▪ Faible encombrement : les dimensions du résonateur diélectrique sont de l’ordre de 1/√ɛ .
▪ Bonne stabilité en cas de changement de température (𝜏𝑓) [8].
▪ Bonne efficacité de rayonnement : absence de pertes par conduction [7].
▪ Toutes les techniques d’alimentation d’antennes imprimées sont utilisables pour les résonateurs diélectriques [7].
▪ Selon les modes excités au niveau du résonateur, différents diagrammes de rayonnement sont obtenus, augmentant par conséquent le nombre d’applications .
▪ Bande passante importante obtenue en utilisant des matériaux à faible permittivité diélectrique : l’ARD a une bande passante beaucoup plus large par rapport à l’antenne patch micro-ruban. Ainsi par exemple en utilisant une constante diélectrique relative de l’ordre de ~ 10, une bande passante avoisinant les 10 % peut être obtenue .
▪ Une large gamme de permittivité est disponible (allant de 10 jusqu’à 100), permettant ainsi de contrôler aisément la bande passante et la taille de l’antenne .

Forme d’antennes à résonateurs diélectriques
Le choix de la forme, des dimensions et de la permittivité du résonateur peut aboutir à un diagramme de rayonnement bien déterminé [19]. On distingue plusieurs formes de résonateurs diélectriques comme le montre la Figure I-2. Les résonateurs de forme cylindrique ont été les premièrs à être utilisés [12]. Par la suite, McAllister et ses collègues ont étudié les formes rectangulaires [15] et hémisphériques [13]. En 1997, Mongia et al.ont mené des études approfondies sur la théories des résonateurs réctangulaires [22]. Un large éventail de formes supplémentaires a été également étudié par la suite, tels que l’anneau cylindrique [23],  triangulaire [17], sphérique [16], conique [24] et tétraèdre [18, 25]. La liste des topologies des antennes ne semble pas être arrêtée. Beaucoup d’autres formes ont été analysées à travers des recherches effectuées dans ce domaine afin d’améliorer les caractéristiques des ARD. Il s’agit à titre d’exemple, des formes L [26], P [27], S [28], demi-hémisphérique [29], triangulaire [30] et conique [31].

La connaissance des champs proches électriques et magnétiques des différents modes est indispensable pour déterminer la meilleure position qui permettra un bon couplage entre le réseau d’alimentation et l’ARD. Cela peut s’effectuer selon plusieurs manières. On peut citer à titre d’exemple, le couplage direct avec sonde coaxiale , traversant le substrat et venant au contact du résonateur. La position du point de contact de la sonde avec le résonateur est importante car elle contrôle la valeur de l’impédance d’entrée de l’antenne permettant ainsi une bonne adaptation. Elle permet également d’exciter le mode de fonctionnement désiré. Il existe aussi trois autres mécanismes d’excitation de l’ARD utilisant une ligne micro ruban : le couplage par ouverture , direct [34, 35] et par proximité [36]. Les deux dernières méthodes peuvent être utilisées lorsque le résonateur diélectrique (RD) et la ligne d’alimentation se trouvent sur la même face , tandis que dans le cas du couplage par fente, qui est le plus populaire, il présente des avantages comme empêcher l’énergie rayonnée par l’antenne de se coupler de nouveau dans le circuit. D’une manière générale, le choix du mécanisme revêt un caractère très important, puisqu’il peut avoir un impact significatif sur la fréquence de travail et les caractéristiques de rayonnement .