Chapitre V : Etude de l’isolation entre antennes complémentaires
1. État de l’art
Une étude théorique sur le principe de base est présentée en Annexe1. Cependant, comme nous avons déjà indiqué précédemment nous ne nous intéressons pas aux antennes auto-complémentaires et leurs aspect large bande mais plus tôt à la diversité de diagrammes d’antennes complémentaires. Nous allons dans l’état de l’art qui suit différents travaux sur ce type d’antennes.
Takemura [4], s’est servi du principe de base de l’Auto-Complémentarité (AC) pour réaliser une PIFA (Planar Inverted F Antenna) auto-complémentaire sur un PCB de 50×100 mm2. Elle couvre une
grande partie des standards de la téléphonie avec les bandes GSM850 (824-894 MHz), GSM900 (880- 960 MHz), DCS (1710-1880 MHz), PCS (1850-1990 MHz), UMTS2100 (1920-2170 MHz), UMTS2600 (2500-2690 MHz) et WiMAX (2500-2690/ 3400-3600 MHz). L’intégration à la structure IFA-AC d’un élément en forme de "L" non AC, a permis la couverture des basses fréquences. La simulation du coefficient de réflexion laisse apparaitre une large bande passante débutant à 1,2 GHz et
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allant au-delà de 3,6 GHz. La position de l’alimentation permet également d’influencer les niveaux d’adaptation de son antenne. Cette dernière antenne est représentée sur la Figure V.1.
Figure V. 1 : Antenne auto-complémentaire multi-standards de N. Takemura
Dans [5], une antenne UWB compacte de 19x16 mm2 a été conçue. Sa taille a été réduite grâce à
l’utilisation de l’auto-complémentarité et d’une fente conique. Il a été démontré que la conception optimale de ce type d'antenne peut offrir une bande d'impédance à -10 dB ultra-large avec des propriétés de rayonnement raisonnables.
L'antenne miniature UWB imprimée proposée dans ce papier est illustrée sur la Figure V.2. Une fente rayonnante avec une structure quasi-auto-complémentaire en forme de 𝝘 est imprimée du même côté du substrat diélectrique (d'épaisseur 1,6 mm et d’une permittivité relative 3,0). La bande passante simulée commence à partir de 3 GHz jusqu'à plus de 12 GHz comme le montre les résultats ci-dessous.
Figure V. 2 : Prototype proposé à [5] et ses résultats du coefficient de réflexion
Dans les travaux de [6], l’auteur a pu concevoir une structure avec deux antennes UWB (Tx et Rx), implémentées sur le même support et très proches l’une de l’autre, en appliquant le principe de Babinet. Sa structure est conçue pour couvrir une large bande de 3,1 à 10,6 GHz. Les deux antennes conservent une bonne performance d'adaptation sur la bande passante globale et sont parfaitement isolées comme le montrent les résultats sur la Figure V.3.
Pour implémenter un système UWB Tx/Rx complet sur la même carte, il est important d'avoir des antennes fortement découplées malgré leur proximité. Le moyen le plus efficace consiste à utiliser des antennes avec des modes de rayonnement orthogonaux. Par conséquent, l'antenne Tx a été optimisée en tant que structure complémentaire de l'antenne Rx en appliquant le principe de Babinet, le matériau conducteur et l'air ont donc été interchangés.
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Figure V. 3 : Structure antennaire [6]
Grâce au principe de Babinet, une structure avec des champ E et H orthogonaux est obtenue. Selon la Figure V.4 les deux antennes présentent des conditions de symétrie, (plan magnétique pour Rx/ plan électrique pour Tx), qui assurent des modes rayonnés orthogonaux. Par conséquent, l'isolation simulée entre les ports Tx et Rx est excellente (S21 = S12 <-30 dB).
Figure V. 4 : Diagrammes de rayonnements orthogonaux des deux antennes
Il faut également citer les travaux de Cedric Requin [7]- [8], qui a travaillé sur les antennes auto- complémentaire non seulement à un seul accès mais aussi à plusieurs accès dans le cadre d’un projet FUI intitulé SYMPA et qui ont été développées par le LEAT pour des applications bi-bande 800 MHz/2,6 GHz. Dans le cadre de ce projet, C. Requin a plus particulièrement étudié et cherché à isoler des systèmes multi-antennes quasi-auto-complémentaires.
Il a également réussi à concevoir une antenne large bande et multi-bande sur petit plan de masse (120mm x 60mm) conçue pour couvrir les standards LTE 800 (790 – 862 MHz), GSM (880 – 960 MHz), DCS (1710 – 1880 MHz), PCS (1850 – 1990 MHz), UMTS 2100 (1920 – 2170 MHz), WLAN (2400 – 2484 MHz) et LTE 2600 (2500 – 2690 MHz). Il s’est servi aussi d’un brin rayonnant supplémentaire à son antenne initiale IFA-AC dans le but de couvrir sa bande basse, créant ainsi une IFLA-AC. Il a d’abord essayé différentes configurations avant d’aboutir à sa structure finale. Entre autres, dans les différents cas d’étude, le court-circuit (C.C) et l’alimentation (Alim.) sont placés de façons identiques sur l’antenne IFLA-AC 1 (en rouge), alors qu‘ils sont placés différemment sur l’antenne IFLA-AC 2 (Figure V.5).
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Figure V. 5 : Différentes configurations étudiées
La structure finale, ainsi que ses résultats sont indiqués sur les Figures V. 6, 7 et 8 suivantes :
Figure V. 6 : Géométrie du système antennaire réalisé
Figure V. 7 : Paramètres S11 et S22 des antennes – Simulation et mesure
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Nous proposons dans la partie suivante, l’étude d’une antenne quasi-complémentaire réalisée à partir d’un monopôle et une fente. Ce type d’antenne excitée convenablement en un point d’alimentation peut présenter des diagrammes de rayonnements orthogonaux.
Nous rappelons que dans notre cas, en excitant les deux éléments séparément, nous ne recherchons pas de larges bandes passantes mais plutôt une diversité de diagramme de rayonnement grâce à l’orthogonalité des champs électrique et magnétique des deux éléments complémentaires (monopôle et fente).
Nous soulignons encore une fois que cette étude s’est affranchie des contraintes fréquentielles imposées par le cahier des charges du projet NETCOM ainsi que d’autres contraintes industrielles. Les performances de nos antennes du point de vue de l’adaptation, de l’isolation entre accès et de l’efficacité sont présentées dans la bande de fréquences 700 MHz– 6 GHz dans laquelle nous trouvons trois modes de fonctionnement.