a.i Antenne microruban

Les antennes microrubans présentent de nombreux avantages en termes de coût et de possibilité d’intégration. Cependant, étant donné leur hauteur réduite, elles présentent classiquement une faible bande passante. Afin de les rendre agiles en fréquence, la technique consiste à ajouter un élément actif sur la structure afin d’augmenter la plage de fréquence de fonctionnement.

Diode varicap

Une diode varicap polarisée en inverse est équivalente à une capacité (Figure I-29). Lorsque l’on change sa tension de polarisation, on change la valeur de cette capacité.

En 1982, Barthia et Bal [I.64] introduisent pour la première fois une diode varicap sur le bord rayonnant, entre le toit et le plan de masse, d’une antenne microruban (Figure I-30) ce qui a pour conséquence de modifier la longueur électrique du résonateur et de modifier ainsi la fréquence de résonance de l’antenne. Comme la capacitance de la diode peut être modifiée de manière électronique en changeant la tension inverse à ses bornes, on peut alors faire varier la fréquence de résonance de l’antenne. Grâce à l’agilité fréquentielle, la bande passante totale obtenue est de 22% avec des bandes instantanées à l’intérieur de 1 à 2% (Figure I-31). La tension maximale utilisée est de 30V. Les dimensions du toit rectangulaire sont 46,5x30mm², soit une taille électrique de 0/ 9"z" 0/ 4,6 à 1,4GHz. (Il n’y a pas d’indication sur le plan de

masse utilisé). Avec cette structure, il n’y aurait pas de réelles altérations du gain mesuré avec une valeur obtenue de 5±0,5dBi.

Figure I-30 - Antenne microruban avec diodes varicap [I.64]

Figure I-31 - Coefficient de réflexion et fréquence de résonance de l’antenne microruban chargée par une diode varicap [I.64]

Sur l’exemple précédent et dans d’autres exemples de la littérature [I.65], les éléments actifs sont placés sur les bords rayonnants de l’antenne microruban.

Diode PIN

Une diode PIN joue le rôle d’un interrupteur. Lorsqu’elle est polarisée en inverse elle est non passante (état OFF), mais une polarisation dans le sens direct la rend passante (état ON). Yang et Rahmat Samii présentent dans [I.66], une antenne microruban sur laquelle est taillée une fente verticale et sur laquelle une diode PIN est ajoutée (Figure I-32 (a)). Les dimensions de l’élément rayonnant sont LxW=18x18mm² (Longueur x Largeur), le substrat a une épaisseur de 3mm, et le plan de masse a des dimensions de 50x50mm². La taille électrique du toit rayonnant est de 0/3,8 x 0/3,8 et nc"jcwvgwt"fg" 0/22,7 à 4,4GHz. (Le plan de masse

possède une taille électrique de 0 /1,36x 0 /1,36). Lorsque la diode est à l’état ON, le

courant horizontal principal ne change pas beaucoup comparé au cas sans la fente. L’antenne résonne ainsi à 4,75GHz. Par contre, lorsque la diode est OFF, le courant horizontal est forcé

Sonde d’alimentation Toit rectangulaire Diode Varicap Plan de masse r

de faire un détour autour de la fente et de parcourir ainsi un trajet plus long. L'antenne voit ainsi sa fréquence de résonance se décaler vers les basses fréquences (Figure I-32(b)) à 4,40GHz. Les dimensions de l’élément rayonnant sont LxW=18x18mm² (Longueur x Largeur), le substrat a une épaisseur de 3mm, et le plan de masse a des dimensions de 50x50mm². La taille électrique du toit rayonnant est de 0/3,8 x 0/3,8 et la hauteur de 0/22,7 à 4,4GHz.. Lorsque la diode est à l’état ON, l’antenne perd cependant 1 dB de gain.

Cela est dû aux pertes introduites par la diode.

Figure I-32 - Antenne microruban avec fente et diode PIN sur le toit (a), coefficient de réflexion (b) [I.66]

On peut aussi tailler plusieurs fentes sur l’antenne, et réaliser des antennes bi-bandes. Récemment [I.67], trois fentes ont aussi été réalisées sur le plan de masse comme on peut le voir sur la Figure I-33, et à travers lesquelles on dispose des diodes PIN. Lorsque les diodes sont à l'état ON, l'antenne résonne à 2,3-2,4 GHz, pour le WIFI. Quand elles sont à l'état OFF, l’antenne recouvre la bande K-PCS (1,75-1,87GHZ). L’antenne subit une réduction de taille de 53% à la bande de fréquence basse. Les dimensions de l’élément rayonnant sont LxW=26x26mm² (Longueur x Largeur) et la taille du plan de masse est 50x57mm². La taille électrique du toit rayonnant est de 0/6,6x 0/6,6 à 1,75GHz.

Les gains mesurés pour les bandes K-PCS et WiFi sont de 2dBi et -3dBi respectivement. A cause des pertes par insertion des diodes, le gain maximal du WiFi est inférieur au K-PCS. Les pertes peuvent être réduites si la diode actuelle est remplacée par une diode ayant une résistance série parasite plus faible.

Il est important de souligner que les diodes PIN nécessitent une tension de polarisation faible, qu’elles sont fiables et peu chères. Elles demandent tout de même des courants à l’état ON assez importants, ce qui les rend gourmandes en puissance.

MEMS ( Système Micro électromécanique)

Un MEMS est un microsystème comprenant un ou plusieurs éléments mécaniques, utilisant l’électricité comme source d’énergie, en vue de réaliser une fonction de capteur et/ou d’actionneur; en partie assurée par la forme même de la structure. Selon leur conception, les MEMS peuvent servir pour diverses fonctions (Figure I-34).

Typiquement, ils peuvent remplacer dans les structures antennaires des capacités ou des interrupteurs au même titre que les diodes varicap ou PIN. Ils ont cependant besoin d’une très haute tension d’activation, mais comme ils ne consomment quasiment pas de courant, les pertes sont très faibles. Leurs inconvénients restent en premier lieu la tension élevée qu’ils nécessitent (parfois jusqu’à 60V) et en second lieu, le coût relativement élevé de leur fabrication.

(b) (a)

(1) Diode PIN (2) Ligne de polarisation

Figure I-33 - Antenne microruban avec fente et diode PIN sur le plan de masse (a), et résultat du coefficient de réflexion (b) [I.67]

Cependant, les performances des MEMS ne cessent de s’améliorer. En effet, des interrupteurs MEMS avec des tensions d’actuation de 6V ont par exemple vu le jour [I.68].

Figure I-34 – Exemples de composants MEMS

Nous présentons un exemple d’antenne imprimée utilisant des MEMS conçue par Erdil et al. [I.69]. La Figure I-35 présente l’antenne alimentée par une ligne microruban. La particularité de cette structure est la présence d’un stub coplanaire sur lequel est montée une série de MEMS. Ces MEMS sont ici équivalents à des capacités dont la valeur est modifiée grâce aux tensions qui leur sont appliquées et jouent donc ici le même rôle que des diodes varicap. La fréquence de résonance passe de 16,05 GHz à 15,75 GHz pour une polarisation de tension de 0 à 11,9V (Figure I-36). On peut imaginer ce type d’antenne pour des applications UHF.

Figure I-35 - Antenne imprimée chargée par un stub coplanaire à base de MEMS [I.69] (a), photographie de l’antenne (b)

(b) (a)

(b) (a)

Figure I-36 – Coefficient de réflexion de l’antenne imprimée chargée par un stub coplanaire à base de MEMS [I.69]

Ainsi, nous avons présenté plusieurs structures d’antennes microruban utilisant des éléments actifs afin de recouvrir une bande passante plus grande que la bande passante de l’antenne microruban seule. Nous allons nous intéresser maintenant aux antennes fentes.