Techniques utilisées pour obtenir des antennes multi-bandes

Les techniques utilisées pour faire résonner une antenne à plusieurs fréquences sont très variées et basées sur plusieurs concepts. Dans la suite, nous allons décrire les techniques les plus employées pour l’obtention d’antennes multi-bandes ainsi que les avantages et inconvénients sur les performances radioélectriques qu’elles peuvent apporter.

Combinaison de plusieurs éléments rayonnants

La technique la plus classique pour obtenir des antennes multi-bandes est la combinaison de deux ou plusieurs éléments rayonnants (résonateurs) mono-bande. Ces éléments mono-bandes peuvent être de même type [1]-[4] ou différents les uns des autres [5], [6]. Coté excitation, les éléments constituant ces antennes multi-bandes peuvent être alimentés de deux manières différentes :
• Alimentation directe par port d’excitation : dans ce cas ces éléments sont appelés éléments actifs ou directeurs
• Alimentation par couplage électromagnétiqueavec élément rayonnant voisin alimenté directement : dans ce cas ces éléments sontappelées éléments parasites ou passifs.
Les différents éléments rayonnants de ces antennes créent leurs propres fréquences de résonance fondamentale et supérieures. Si l’on désire obtenir une large bande passante, il faut choisir les longueurs résonnantes de ces éléments du même ordre de grandeur [7]. Si l’on souhaite plutôt travailler sur plusieurs bandes de fréquences distinctes, il faut alors dimensionner différemment chaque résonateur[6]. En cumulant les deux principes précédents, il est ainsi possible de réaliser des antennes à la fois large-bandes et multi-bandes.
Dans le cas des antennes imprimées (Ex. patches) L’association de plusieurs éléments rayonnants peut se faire dedeux façons différentes : soit ces éléments sont juxtaposés dans le même plan [8], soit ils sont empilés les uns sur les autres [9]-[12]. Le cas où les deux méthodes sont combinées existe également maisau détriment d’une augmentation importante du volume global de l’antenne [13].
Les points forts et faibles en général de cettetechnique sont regroupés dans le tableau I.2.

Antennes de type PIFA

Etant compactes et à profils simples, les antennes PIFA (planar inverted-F antenna) sont des structures potentielles pour la réalisation d’antennes multi-bandes. Elles trouvent principalement leurs applications dans les dispositifs de communication sans-fil comme les téléphones portables [14]-[16].
Par rapport à une antenne demi-onde, une antenne PIFA ou antenne quart d’onde présente des dimensions réduites. L’antenne PIFA est obtenue en plaçant le court-circuit (plan, filaire ou de type languette) entre le résonateur demi-onde et le plan de masse, à l’endroit précis où le champ électrique s’annule pour le mode fondamental (Figure I.1). Ceci permet donc de s’affranchir d’une moitié du résonateur et d’avoir ainsi une résonance en λ/4.
L’ajout du court-circuit entraîne l’addition d’une inductance, dont la valeur est directement liée aux dimensions de celui-ci. Ainsi, l’impédance d’entrée d’une antenne PIFA sera selfique.
Un inconvénient majeur de ces antennes est leurs bandes passantes étroites [17]. De plus, les antennes PIFA sont complexes et leur configuration volumique (3 Dimensions) rend leur fabrication difficile et coûteuse [18].

Fractal

La géométrie fractale est une extension de la géométrie euclidienne. Son introduction a constitué une opportunité pour les antennistes pour découvrir de nouvelles configurations d’antennes. Le terme antenne « fractale » est un abus de langage. Les antennes étudiées ont juste des formes pré-fractales : ce sont des itérations plus ou moins élevées alors que la forme fractale est le résultat d’une itération à l’infini.
En dehors de leur utilisation pour obtenir des antennes multi-bandes, les fractals peuvent également être utilisés pour laminiaturisation des antennes [25], [26]. Ils trouvent également quelques applications dans la conception des antennes large-bandes [27]-[29] ou dans la conception des antennes directives [30], [31].
Toutefois, les antennes fractales restent un sujet polémique : quelques auteurs [32], [33] considèrent l’aspect fractal dans la structure d’une antenne comme un élément déterminant dans les performances de l’antenne en question. D’autres [34], [35] réfutent totalement cette idée et considèrent que les fractals n’apportent rien de réellement nouveau.
Dans la littérature, plusieurs géométries fractales ont été exploitées pour la conception d’antennes multi-bandes. Les géométries les plus pertinentes sont décrites brièvement dans la suite. Les auteurs de ces géométries attribuent la propriété de résonner sur plusieurs fréquences de ces structures à leur auto-similarité ou self-affinité.

Algorithmes génétiques et d’autres algorithmes d’optimisation

Dernièrement, les antennistes se sont tournés vers de nouvelles techniques pour satisfaire le besoin d’antennes multi-bandes. Parmi ces techniques, l’utilisation des algorithmes d’optimisation et plus précisément des algorithmes génétiques, figure en bonne place. Les publications concernant ces méthodes pour l’optimisation des performances globales d’une antenne sont apparues depuis une dizaine d’années [66]. L’utilisation des algorithmes génétiques permet de répondre à un ou plusieurs objectifs en redessinant la géométrie de l’antenne [67], [68] et/ou en y ajoutant des charges localisées [69] et/ou des courts circuits [70] et/ou en y intégrant des fentes [71]. Des exemples d’antennes multi-bandes issues des algorithmes génétiques ont été largement publiés [70]-[74]. Les algorithmes génétiques ont aussi été utilisés pour optimiser des géométries fractales [75], [76]. Un concurrent des algorithmes génétiques, dans pour l’optimisation des performances d’une antenne et notamment pour l’obtention d’antennes multi-bandes, est l’algorithme « Particle Swarm ». Ce dernier à été efficacement utilisé pour l’obtention d’une antenne tri-bande couvrant les applications Galileo and Wi-Max [77].
Les algorithmes génétiques, utilisés pour l’optimisation d’antennes, présents dans la littérature sont différents. Une comparaison limitée de quelques algorithmes [78] montre une disparité dans les géométries et les caractéristiques des antennes résultantes.
Le choix de ces algorithmes d’optimisation est ainsi mis en cause : l’antenne qui résulte d’un algorithme d’optimisation reste une solution pour le problème posé et non «la meilleure solution» de ce problème.
De plus, Les formes résultantes de tels algorithmes sont parfois très irrégulières, difficiles à réaliser (surtout celles à trois dimensions). Elles manquent de «bon sens» : une antenne issue d’un algorithme d’optimisation ne peut pas être intuitivement réaménagée pour résoudre un problème proche de celui pour lequel elle était conçue, il faut reconduire tout le processus incluant cet algorithme pour en obtenir une nouvelle solution. Ceci est particulièrement pénalisant si l’algorithme en question est lent.
Comme avantage, l’utilisation des algorithmes d’optimisation permet de concevoir des solutions intéressantes au niveau de la compacité et de l’adaptation.
Les avantages ainsi que les inconvénients de l’utilisation des algorithmes d’optimisation pour l’obtention d’antennes multi-bandes sont donnés dans le tableau I.6.

Analyses en fonction l’angle d’inclinaison des monopoles

Dans cette partie nous nous intéresseront à l’influence de l’angle d’inclinaison des monopoles rayonnants, noté « θ», sur les performances de l’antenne. Trois valeurs d’angle d’inclinaison seront considérées : 30°, 45° et 60° (ce qui donnera naissance à trois structures). Les dimensions de ces trois structures sont celles déjà données par le tableau II.3 pour la configuration 4 à l’exception du rayon du plan de masse, le rayon de l’évidement et l’angle d’inclinaison. Ces valeurs manquantes sont données dans le tableau II.7. Les longueurs des monopoles rayonnants des trois configurations sont égales. Il est à noter que le fait de modifier l’angle d’inclinaison conduit à changer le rayon de l’évidement (voir tableau II.7) afin de garder toujours une bonne adaptation de l’antenne (les points d’excitation doivent être situés à la périphérie de l’évidement).

Alimentation de l’antenne pyramidale multi-bande

Introduction

Une nouvelle topologie d’antenne multi-bande pour applications satellitaires/terrestres a été introduit dans le chapitre précédent. Cette antenne rayonne une polarisation circulaire (droite ou gauche) ou linéaire grâce à unealimentation adéquate des quatre accès (section III.2.1).
Ceci peut être réalisé à l’aide d’un circuit d’alimentation multi-bande placé à l’entrée de l’antenne.
D’une part, la polarisation linéaire (verticale ou horizontale) est obtenue en alimentant deux éléments rayonnants opposés avec la même amplitude et une différence de phase de 180°.
D’autre part, la polarisation circulaire est obtenue en alimentant les quatre éléments rayonnants avec la même amplitude et une différence de phase de 90°. Il est évident qu’une polarisation circulaire est beaucoup plus complexe à obtenir qu’une polarisation linéaire.
Le passage d’une alimentation donnant une polarisation circulaire à une alimentation donnant une polarisation linéaire est relativement aisé mais pas dans le sens inverse. En effet, la déconnexion de deux accès opposés dans une alimentation donnant une polarisation circulaire changera la polarisation en linéaire. Ainsi, dans ce chapitre, nous nous intéresserons aux circuits d’alimentation multi-bandes donnant une polarisation circulaire.
Ce chapitre est organisé comme suit. Après une brève description des différentes topologies de circuits d’alimentation multi-bandes donnant une polarisation circulaire, un état de l’art critique sur les différentes architectures de coupleurs multi-bandes et large-bandes disponibles dans la littérature est donné. Ensuite une solution est proposée pour l’alimentation de l’antenne pyramidale multi-bande. Enfin, une application tri-bande de ce circuit d’alimentation, présentant une diversité de polarisation circulaire (droite et gauche), est détaillée. Dans cette application, des résultats de simulation et de mesure sont présentés et discutés.

Etat de l’art sur les circuits d’alimentation multi-bandes donnant une polarisation circulaire

L’obtention de la polarisation circulaire de l’antenne pyramidale multi-bande est conditionnée par l’excitation en quadrature de phase tournante des quatre accès de l’antenne. La difficulté d’une telle alimentation réside dans le fonctionnement multi-bande de l’antenne.
De plus l’encombrement occupé par cette alimentation multi-bande doit être minimisé afin de faciliter l’intégration à l’antenne pyramidale. Le circuit d’alimentation doit être également réciproque pour permettre l’utilisation de l’antenne tant qu’en émission qu’en réception. Dans la suite, les différentes techniques utilisées pourl ’obtention de circuits d’alimentation multibandes sont présentées.

Conclusion sur l’état de l’art de coupleurs multi-bandes et large-bandes

Dans la littérature, beaucoup d’architectures de coupleurs bi-bandes ont été présentées. A l’heure actuelle, des coupleurs tri-bandes, quadri-bandes, etc.., sont extrêmement rares voire inexistants. Par ailleurs, pour les coupleurs bi-bande proposés, la phase obtenue sur un même port de sortie aux deux fréquences de fonctionnement est identique en valeur absolue mais de signe opposé. En conséquence, ces coupleurs ne sont pas une solution intéressante pour l’alimentation de l’antenne pyramidale multi-bande car ils génèrent des polarisations différentes dans les multiples bandes de fonctionnement de l’antenne. De plus, la conception de coupleurs multi-bandes s’avère encore plus délicate dans le cas de fréquences de fonctionnement relativement voisines. Concernant les coupleurs large-bandes, ils sont généralement limités en bande passante et présentent un encombrement relativement important pour une intégration à l’antenne pyramidale multi-bande.

Solution proposée pour l’alimentation de l’antenne pyramidale multi-bande

Comme indiqué précédemment, le circuit d’alimentation à base de coupleurs présente une architecture simple et nécessite moins d’éléments que les autres circuits d’alimentation envisagés. Toutefois, la conception des coupleurs multi-bandes ou large-bandes de ce circuit d’alimentation n’est pas évidente. D’une part les coupleurs multi-bandes possèdent des architectures complexes et ils sont limités en nombre de bandes et en espacement inter-bande.
D’autre part, les coupleurs large-bande sont limités en bande passante et occupent un volume important.
En général, le circuit d’alimentation résultant de ces coupleurs multi-bandes ou large-bandes risque d’être de grande taille et donc difficilement intégrable dans l’espace laissé libre par l’antenne pyramidale.
Cependant, dans le commerce, nous pouvons trouver une variété de coupleurs large-bandes 90°/180° intégrés avec des montages en surface,de petites tailles et des bandes passantes relatives pouvant atteindre jusqu’à 140 %. Comme fabricant de ces coupleurs, nous pouvons citer Werlatone [26], Mini-Circuits [27], Macom [28] et Anaren [29].
Afin de limiter au maximum l’encombrement du circuit d’alimentation, nous optons pour l’utilisation de ces coupleurs large-bandes intégrés. Il est à noter également que ces éléments intégrés sont peu coûteux et présentent en général de bonnes performances dans la bande de fréquence d’intérêt. Quelques notices techniques de ces coupleurs large-bandes intégrés peuvent être consultées en Annexe B.
Le synoptique du circuit d’alimentation retenu pour l’antenne pyramidale multi-bande est donné donc par la figure III.14. Il est à noter que l’architecture de ce circuit d’alimentation (Figure III.14) permet d’avoir le même type de polarisation aux différentes bandes de l’antenne multi-bandes.

Conception et simulation

Le cahier des charges donné par le tableau III.2 aurait été plus facile à satisfaire si la polarisation circulaire était la même pour les trois bandes de l’antennetri-bande. Dans ce cas, le circuit d’alimentation comporterait moins de difficulté et de composants. Il nécessiterait des coupleurs avec une bande passante relative d’au moins 67 % pour couvrir la totalité des trois bandes en utilisant l’architecture montrée sur la figure III.14 ou celle de la figure III.16 (dans le cas de l’inexistence d’un coupleur 180° couvrant cette large bande). Le coupleur large-bande QH7622 de Werlatone (notice technique en Annexe B), fonctionnant de 500 MHz jusqu’à 3000 MHz, peut être avantageusement utilisé dans l’architecture de la figure III.16.
La polarisation circulaire étant différente pour les bandes de la radionavigation et télémesure, le diplexeur sera donc inévitable dans l’architecture du circuit d’alimentation demandé.
L’utilisation de ce diplexeur permettra detraiter séparément les deux bandes de radionavigation (GPS/Galileo) de la seule bande de télémesure (TM MicroSat). Le traitement séparé des ces bandes procure un découplage du type de polarisation circulaire de la bande TM MicroSat avec celui des bandes GPS/Galileo. Le synoptique d’une telle architecture d’alimentation est donné par la figure III.19.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE 
CHAPITRE I : ETAT DE L’ART SUR LES ANTENNES MULTI-BANDES 
I.1 INTRODUCTION
I.2 POSITIONNEMENT DES ANTENNES MULTI-BANDES PAR RAPPORT AUX LARGE-BANDES
I.3 TECHNIQUES UTILISEES POUR OBTENIR DES ANTENNES MULTI-BANDES
I.3.1 COMBINAISON DE PLUSIEURS ELEMENTS RAYONNANTS
I.3.2 ANTENNES DE TYPE PIFA
I.3.3 FRACTAL
I.3.4 ANTENNES A TRAPPES
I.3.5 ALGORITHMES GENETIQUES ET D’AUTRES ALGORITHMES D’OPTIMISATION
I.4 CONCLUSION
CHAPITRE II : NOUVELLE TOPOLOGIE D’ANTENNES MULTI-BANDES A BASE DE TRAPPES/INTERRUPTEURS 
II.1 INTRODUCTION
II.2 DESCRIPTION DE L’ANTENNE
II.2.1 GEOMETRIE DE L’ANTENNE
II.2.2 GUIDE METALLIQUE A LA COUPURE
II.2.3 CHOIX ET POSITIONNEMENT DES TRAPPES/INTERRUPTEURS RF
II.3 ETUDES PARAMETRIQUES SUR L’ANTENNE PYRAMIDALE
II.3.1 ANALYSES SUR LES CONSTITUANTS DE L’ANTENNE
II.3.2 ANALYSES EN FONCTION DU RAYON DE L’EVIDEMENT
II.3.3 ANALYSES EN FONCTION DU RAYON DU PLAN DE MASSE
II.3.4 ANALYSES EN FONCTION L’ANGLE D’INCLINAISON DES MONOPOLES
II.4 METHODOLOGIE DE CONCEPTION DE L’ANTENNE PYRAMIDALE MULTI-BANDE
II.5 CONCLUSION
CHAPITRE III : ALIMENTATION DE L’ANTENNE PYRAMIDALE MULTI-BANDE 
III.1 INTRODUCTION
III.2 ETAT DE L’ART SUR LES CIRCUITS D’ALIMENTATION MULTI-BANDES DONNANT UNE
POLARISATION CIRCULAIRE
III.2.1 EN UTILISANT DES COUPLEURS
III.2.2 EN UTILISANT DES DEPHASEURS
III.2.3 EN UTILISANT DES MULTIPLEXEURS
III.2.4 EN UTILISANT DES LIGNES A RETARD
III.2.5 CONCLUSION SUR LES CIRCUITS D’ALIMENTATION MULTI-BANDES
III.3 ETAT DE L’ART SUR LES COUPLEURS MULTI-BANDES ET LARGE-BANDES
III.3.1 COUPLEURS MULTI-BANDES
III.3.1.a Technique à base de stubs
III.3.1.b Technique basée sur des lignes à longueur et à impédance caractéristique variables
III.3.1.c Technique du BLC avec des lignes couplées
III.3.1.d Technique des lignes « RHLH »
III.3.2 COUPLEURS LARGE-BANDES
III.3.3 CONCLUSION SUR L’ETAT DE L’ART DE COUPLEURS MULTI-BANDES ET LARGE-BANDES
III.4 SOLUTION PROPOSEE POUR L’ALIMENTATION DE L’ANTENNE PYRAMIDALE MULTI-BANDE
III.5 APPLICATION: CIRCUIT D’ALIMENTATION POUR UNE ANTENNE TRI-BANDE AVEC DIVERSITE DE POLARISATION CIRCULAIRE
III.5.1 CAHIER DES CHARGES
III.5.2 CONCEPTION ET SIMULATION
III.5.2.a Etage GPS/Galileo
III.5.2.b Etage TM MicroSat
III.5.2.c Diplexeur
III.5.2.d Circuit d’alimentation complet
III.5.3 REALISATION ET MESURE
III.5.3.a Choix et commande des composants
III.5.3.b Réalisation des circuits imprimés et report de composants
III.5.3.c Mesures du circuit d’alimentation réalisé
III.6 CONCLUSION
CHAPITRE IV : APPLICATIONS DE L’ANTENNE PYRAMIDALE MULTI-BANDE 
IV.1 INTRODUCTION
IV.2 APPLICATION 1 : ANTENNE PYRAMIDALE TRI-BANDE A BASE D’ELEMENTS FILAIRES POUR APPLICATION GPS/GALILEO/TM MICROSAT
IV.2.1 PRESENTATION ET CAHIER DES CHARGES
IV.2.2 ANTENNE PYRAMIDALE TRI-BANDE PROPOSEE
IV.2.2.a Eléments rayonnants, plan de masse et guide d’onde
IV.2.2.b Choix et dimensionnement des trappes
IV.2.3 VALIDATION EXPERIMENTALE DE L’ANTENNE REALISEE
IV.2.3.a Moyens de mesure et hypothèses
IV.2.3.b Antenne pyramidale à base de trappes idéales (circuit ouvert/ circuit fermé)
IV.2.3.c Antenne pyramidale à base de trappes réelles
IV.3 APPLICATION 2 : ANTENNE PYRAMIDALE BI-BANDE RECONFIGURABLE A BASE D’ELEMENTS FILAIRES POUR APPLICATIONS ARNS/RNSS
IV.4 APPLICATION 3 : ANTENNE PYRAMIDALE TRI-BANDE A BASE DE TRIANGLES DE SIERPINSKI
IV.5 CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE A : GENERALITES SUR LES COUPLEURS
A.1 INTRODUCTION
A.2 COUPLEURS DIRECTIFS
A.3 COUPLEURS DE PROXIMITE
A.4 COUPLEURS DE LANGE
A.5 COUPLEURS EN ECHELLE OU BRANCH-LINECOUPLER (BLC)
A.6 COUPLEURS 0-180°EN ANNEAU
ANNEXE B : NOTICES TECHNIQUES DES COMPOSANTS DU CIRCUIT D’ALIMENTATION
B.1 COUPLEUR 90° QH7622DE WERLATONE
B.2 COUPLEUR 90° QCN-19DE MINI-CIRCUITS
B.3 COUPLEUR 90° QBA-24WDE MINI-CIRCUITS
B.4 FILTRE PASSE BAS LFCN-1700DE MINI-CIRCUITS
B.5 FILTRE PASSE BAS LFCN-1575DE MINI-CIRCUITS
B.6 FILTRE PASSE HAUT HFCN-1810DE MINI-CIRCUITS
B.7 RESISTANCE 50 Ω FC0402-E-50RDE VISHAY
B.8 CONNECTEUR SMA PAF-S00DE GIGALANE
B.9 CONNECTEUR SMA PAF-S05-08MMDE GIGALANE
ANNEXE C : COMPLEMENT SUR LES APPLICATIONS UTILISEES
C.1 LES SYSTEMES DE NAVIGATION GLOBALE
C.1.1 LE SYSTEME GPS
C.1.2 LE SYSTEME GALILEO
C.1.3 LES SERVICES ARNS/RNSS
C.2 MICROSATELLITES DE LA PLATEFORME MYRIADE
ANNEXE D : RETRO-SIMULATION ET RETRO-MESURE DU CIRCUIT D’ALIMENTATION
D.1 RETRO-SIMULATION EN VARIANT LA PERMITTIVITE RELATIVE DU SUBSTRAT
D.2 RETRO-MESURE EN DECOMPOSANT PAR FONCTION LE CIRCUIT D’ALIMENTATION
D.2.1 ETAGE GPS/GALILEO
D.2.2 ETAGE TM MICROSAT
D.2.3 ETAGE DIPLEXEUR
ANNEXE E : RECONSTITUTION DE LA POLARISATION CIRCULAIRE DE L’ANTENNE
A 4 ACCES
E.1 NORMALISATION DES DIAGRAMMES DE RAYONNEMENT
ANNEXE F : NOTICES TECHNIQUES DES COMPOSANTS POUR LES TRAPPES
F.1 CAPACITES SERIE GQM
F.2 INDUCTANCES SERIE LQW18
F.3 CAPACITES VARIABLES SERIE TZR1 1