Antennes agiles en fréquence

Le besoin d’agilité en fréquence d’une antenne peut être provoqué par deux causes [2]. La première est la présence d’éléments perturbants proches de l’antenne (exemple pour un téléphone portable : mains, tête, etc.) qui provoquent une modification de la fréquence de résonance de l’antenne liée à la modification de la permittivité relative effective autour de l’antenne. Afin d’avoir une bonne réception (resp. émission) du signal, il est alors nécessaire de procéder à un ajustement de la fréquence de réception (resp. émission) de l’appareil. La deuxième cause est une utilisation de l’appareil sur plusieurs standards de

1.3. Les antennes sur substrat souple accordables en fréquence communication ayant des fréquences différentes mais proches (ex : bluetooth / Wifi (2,4 ; 5,4 et 5,8 GHz). Or, la conception des systèmes communicants ne permet généralement pas d’avoir plusieurs antennes dans un même appareil pour des raisons d’encombrement, de poids et de consommation énergétique. La solution est donc de décaler la fréquence de résonance d’une antenne unique. L’accord en fréquence d’une antenne est usuellement défini par le taux d’accord TR (Tuning Range) tel que [2] :

TR (%) = 2(fmax − fmin) fmax + fmin

×100, (1.6)

où fmax et fmin sont les fréquences de résonance maximum et minimum de l’antenne

suivant sa configuration.

Techniques de reconfiguration

Les techniques pour reconfigurer une antenne en fréquence peuvent se classer en trois catégories [2] :

— les systèmes électroniques intégrés : diode PIN (Positive Intrinsèque Négative), transistor, interrupteur MEMS, etc ;

— les matériaux actifs : ferroélectrique, ferrite, semi-conducteur, cristaux liquides, etc., dont au moins une propriété intrinsèque (la permittivité relative ε0

r et/ou la

perméabilité relative µ0

r) varie en fonction d’un champ électrique et/ou magnétique

externe ;

— l’actionnement mécanique (mouvement physique ou déformation d’un élément de l’antenne : actionneur piézo-électrique, MEMS, membrane).

La première catégorie est la plus utilisée actuellement. Elle consiste à ajouter des composants électroniques localisés, comme une diode ou un transistor, afin d’assurer la modification de la fréquence de résonance. Elle permet d’avoir des variations de fréquence importantes tout en ayant une commande précise. Cependant, l’ajout de composants com- plexifie le système antennaire et impose une réflexion sur leur positionnement, souvent proche de l’antenne, à cause de leurs influences sur le rayonnement de l’antenne. De plus, ces composants induisent généralement une commande discrète de la variation de fré- quence et ont une consommation d’énergie non négligeable lors d’applications portatives. La seconde catégorie, beaucoup développée ces dernières années, utilise les propriétés intrinsèques (ε0

r, µ

0

r) modulables par une commande extérieure de certains matériaux

utilisés comme substrats antennaires, tels que les ferroélectriques ou les cristaux liquides. L’intégration est alors beaucoup plus simple que pour la première technique tout en ayant des taux d’accords importants. De plus, la variation des propriétés du matériau est continue en fonction de la commande appliquée. Cependant, ce type de matériaux peut avoir de fortes pertes diélectriques, des performances dépendantes de la température et sa reconfiguration peut consommer de l’énergie.

Enfin, la dernière catégorie consiste en la reconfiguration mécanique d’un élément de l’antenne, cette modification de position induisant le changement de fréquence. Ce type de reconfiguration a l’avantage d’être continu, de ne pas induire de pertes supplémentaires et de ne pas ajouter d’éléments parasites au système antennaire. Cependant, à cause de la modification des dimensions physiques de l’antenne, la reconfiguration peut être lente et difficile à contrôler précisément. De plus, les taux d’accords sont généralement peu élevés avec ce type de technique.

Les avantages et inconvénients de chaque technique sont référencés dans le tableau1.5. L’utilisation d’un substrat antennaire souple et le fait d’utiliser une structure membranaire

Tableau 1.5 – Comparaison des différentes techniques possibles de reconfiguration en fréquence des antennes [2].

Technique Avantages Inconvénients

Systèmes électroniques intégrés

Bonne gestion de l’accordabilité

Large plage d’accord

Accord généralement discontinu

Ajout d’éléments proches de l’antenne qui peuvent parasiter le rayonnement Peuvent consommer beaucoup d’énergie Matériaux

actifs pour l’accordabilité

Grande accordabilité pos- sible (TR > 100 % possible) Faciles à intégrer

Accord continu

Fortes pertes diélectriques pour certains matériaux

Sensibles à la température

Peuvent consommer beaucoup d’énergie Actionnement

mécanique

Faibles pertes d’accordabili- tés

Accord continu

Temps de commutation lent

Peut poser des problèmes de fiabilité (gestion du mouvement)

Accordabilité limitée (T Rmax ≈10 %)

pour limiter l’influence des pertes diélectriques du PU nous ont amené à inscrire ce sujet de thèse dans la dernière catégorie : l’actionnement mécanique.

L’actionnement mécanique

L’actionnement mécanique - ou reconfiguration géométrique - consiste à modifier une ou plusieurs dimensions physiques de l’antenne. Pour les antennes imprimées, ou patch, sur substrat souple, nous avons pu voir précédemment qu’il était possible d’étirer le sub- strat [16,39,40,46] (cf. §1.3.2) mais cette méthode est cependant limitée par la réalisation de l’actionnement (généralement manuel). Pour les antennes patch, il est également pos- sible de modifier l’espace entre les deux plans métalliques (patch et plan de masse) pour reconfigurer la fréquence. Cette technique a été proposée dans les années 1980 par J. Da- hele et K. Lee [51,52] qui ont présenté une antenne patch à gap d’air reconfigurable manuellement (Figure 1.15a). Cette méthode est d’autant plus facile à réaliser lorsque la structure comporte une cavité d’air comme c’est le cas pour la structure membranaire que nous avons choisie.

La modification du gap entre le substrat et le plan de masse entraîne un changement de la permittivité effective autour du patch, ce qui provoque un décalage de la fréquence de résonance. Une explication plus détaillée est donnée dans le chapitre consacré au di- mensionnement de l’antenne (cf. § 4.2.4). L’accord en fréquence obtenu est de 20 % pour une variation de 1 mm du gap d’air. Néanmoins, la modification du gap n’intègre pas d’ac- tionneur et le substrat utilisé est parfaitement rigide. Suite à ces travaux, R. Al-Dahleh

et al. [53] ont proposé d’intégrer un actionnement électrostatique. Celui-ci est réalisé par

la déflexion du plan de masse (cuivre), spécialement structuré (ondulé) pour être plus souple, grâce à une tension entre celui-ci et une électrode inférieure (Figure 1.15b) qui induit une force d’attraction électrostatique. Le substrat utilisé est alors du verre rigide et l’accordabilité est de 6 %.

L’idée d’un actionnement électrostatique sur cavité d’air a été reprise et améliorée par R. Jackson et al. [36,54] et H. Kang et al. [37] par l’intégration d’un substrat polymère relativement souple, respectivement du polyimide Kapton® et du PET (Figure 1.16).

1.3. Les antennes sur substrat souple accordables en fréquence

(a) (b)

Figure 1.15 – Schémas d’antennes avec un substrat rigide sur gap d’air : a) actionnement manuel [51,52] et b) plan de masse ondulé actionnable par une tension [53].

(a) (b)

Figure 1.16 – Schémas d’antennes sur substrat souple et gap d’air accordable par un champ électrostatique : a) sur membrane Kapton® [54] et b) sur PET [37].

L’antenne est alors accordée par la déflexion du substrat. Cette déflexion est provoquée par une tension DC (U) appliquée entre le patch et le plan de masse qui tend à les rapprocher par attraction électrostatique. L’accord obtenu sur Kapton® est de 1,6 % (U = 165 V) et de 2,2 % (U = 268 V) respectivement pour un patch de forme circulaire [54] et de forme rectangulaire [36]. Pour l’étude sur PET, plusieurs antennes avec des fréquences différentes ont été étudiées (6, 8 et 10 GHz). Leurs agilités en fréquence respectives obtenues sont de 3,53 %, 3,57 % et 3,61 % sous 150 V.

La flexibilité limitée du Kapton® et du PET a poussé N. Tiercelin et al. à développer une technologie antennaire patch alimentée par ligne microruban sur membrane en PDMS réticulé [3]. Le PDMS réticulé, ultra souple, a un module d’Young plus petit d’un facteur 100 par rapport aux polymères précédemment cités (Tableau 1.3). Ceci permet d’avoir une plus grande flexibilité de la membrane. De plus, cette topologie membranaire a pour avantage de diminuer l’effet des pertes diélectriques importantes du PDMS réticulé par la réduction de son épaisseur utile. Il est à noter que ces travaux ont été effectués dans le domaine millimétrique (≈ 60 GHz). Le travail de thèse qui s’en est suivi, effectué par S. Hage-Ali [44] (2011), a permis de montrer la faisabilité de nouveaux types d’actionne- ments : pneumatique (Figure 1.17a) et magnétique. L’accord obtenu est respectivement de 8,2 % [42] et de 3,3 % [44]. Une seconde thèse, effectuée par Y. Orlic [45] (2014), a consisté à modifier la structure antennaire par un changement de type d’alimentation du

(a) (b)

Figure 1.17 – a) Photographie de l’antenne sur substrat de PDMS en membrane avec actionnement pneumatique issue de la thèse de S. Hage-Ali [44]. b) Schéma de l’antenne sur substrat de PDMS en membrane avec actionnement pneumatique ou magnétique issu de la thèse de Y. Orlic [45].

(a) (b)

Figure 1.18 – a) Schéma d’une antenne membranaire en PDMS avec un patch antennaire à base de nanotubes de carbone agile en fréquence par actionnement pneumatique [55]. b) Schéma d’une antenne « hors du plan » accordable par actionnement magnétique [56]. patch rayonnant. L’alimentation implantée est une fente rayonnante, donc sans contact, ce qui permet de réduire les pertes par rapport au système d’alimentation initial par ligne microruban (Figure 1.17b). Cette modification a toutefois réduit la capacité d’ac- cord de l’antenne avec une valeur obtenue de 0,78 % pour l’actionnement pneumatique et de 0,83 % pour l’actionnement magnétique.

De même, Q-Y. Tang et al. ont utilisé une structure identique à S. Hage-Ali sur PDMS réticulé avec un actionnement pneumatique mais à une fréquence plus basse (6,1 GHz). Cette étude a été réalisée dans le but de montrer l’intérêt d’utiliser des nanotubes de car- bone (NTC) comme couche conductrice avec une fine couche d’or afin de ne pas rigidifier la membrane (Figure 1.18a). Ils ont finalement obtenu une agilité de 6,5 % [55] avec ce type de dispositif. Cependant, le gain de l’antenne réalisée est très faible à cause de la faible conductivité de la couche conductrice (σ = 105 _S.m−1_).

Dans le même principe de reconfiguration mécanique et de gap d’air avec un action- nement magnétique, J. Langer et al. [56] ont présenté une antenne où le gap d’air est cette fois-ci entre le patch métallique et le substrat (Figure 1.18b). La ligne d’alimenta- tion du patch est unie au substrat mais pas le patch, il est alors dit « hors du plan ». L’actionnement magnétique permet de créer une rotation du patch par rapport à son

1.4. Conclusion sur l’état de l’art et le positionnement du sujet