6.4.1 Réalisation à 2.5 GHz . . . 148 6.4.2 Réalisation à 400 MHz . . . 149 6.4.2.1 CMA NY9255 avec dipôle . . . 149 6.4.2.2 CMA NH9300 avec IFA souple . . . 151
6.5 Conclusion . . . 157
6.1
Introduction
L’étude des antennes et des plans réflecteurs CMA souples présentée dans les chapitres précédents a pour objectif final de concevoir des antennes pour ARGOS pouvant être portées près du corps humain. C’est pour cette raison que l’association CMA – Antenne est discutée dans ce chapitre. En effet nous avons désiré employer une surface réfléchissante de type CMA pour réduire le rayonnement arrière de l’antenne souple IFA. Ajouté au fait que ce rayon- nement soit absorbé par le corps humain, la présence du corps désadapte l’antenne tout en réduisant son efficacité. L’emploi du CMA est donc totalement bénéfique. Malheureusement, sa réunion avec une antenne ne se fait pas sans difficulté. La structure CMA – Antenne doit être étudiée dans sa globalité.
Durant ce chapitre nous allons observer le comportement de l’association CMA – Antenne en utilisant les CMA développés au cours de cette thèse. Les CMA seront traité par famille séparée (simple carré, à capacités interdigitées et double couche) à 2.5 GHz et 400 MHz. Le but sera de comprendre de quelle manière se comporte une structure complète CMA –
Antenne. Enfin, la solution complète, utilisant un CMA double couche associé avec une IFA souple, destinée à l’application ARGOS à 400 MHz sera étudiée en détail.
6.2
Antennes associées aux CMA simple carré
6.2.1 Réalisation à 2.5 GHz
Un simple dipôle accordé à 2.7 GHz est déposé au centre du CMA, séparé de la face supérieure du CMA par une mousse Rohacell de 4 mm d’épaisseur. Le couple CMA simple carré – dipôle est illustré Figure 6.1(b). Les coefficients de réflexion simulé et mesuré sont présentés Figure 6.1(a). Comme nous pouvons le voir, les allures des coefficients de réflexion sont très chahutées. Nous le savons, une antenne superposée sur un CMA génère un fort couplage entre les deux éléments [95]. Cela se confirme par l’ensemble des multiples résonances qui apparaissent hors de la bande passante. Le module des coefficients de réflexion simulé et mesuré est faible entre les fréquences comprises entre 2.6 GHz et 2.9 GHz laissant supposer la présence de l’effet CMA dans cette bande. Cependant, d’après la Figure 6.2 où l’on peut voir le gain réalisé dans la direction z, nous pouvons remarquer que celui ci est élevé dans la bande allant de 2.4 GHz à 2.7 GHz soit dans une zone où l’adaptation est moyenne. De plus cette bande ne coïncide pas avec la bande passante du CMA qui est comprise entre 2.6 GHz et 2.8 GHz. Ceci peut signifier que l’association CMA – dipôle fait décaler vers des fréquences plus basse la bande passante du CMA. Enfin, la courbe de gain avec l’antenne sur le plan masse du CMA, tracé Figure 6.2, permet de montrer que le CMA n’est pas vu comme un CEP par le dipôle.
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 −30 −25 −20 −15 −10 −5 0 Fréquence [MHz] |S 11 | [dB] Simulation Mesure
(a) Coefficients de réflexion
y x z
(b) Couple CMA simple carré – di- pôle
Figure 6.1 – Mesure du coefficient de réflexion du couple CMA simple carré - dipôle. Des mesures de diagrammes de rayonnement sont réalisés pour confirmer l’effet du CMA et l’abaissement de sa bande passante. Les résultats sont présentés Figure 6.3. Les mesures du dipôle seul sont en accord avec la simulation avec cependant un niveau légèrement plus faible qu’attendu. Avec la présence du CMA sous le dipôle le rayonnement arrière est réduit d’environ 15 dB. A l’inverse, dans la direction opposée ce dernier est augmenté de 3 dB. Ce comportement est caractéristique des associations CMA – Antenne et démontre que cette association décale la bande passante du CMA vers des fréquences plus basses, dans ce cas ci d’environ 200 MHz. Ce décalage reste identique même en faisant varier l’épaisseur de la mousse Rohacell.
2 2.5 3 3.5 4 −30 −25 −20 −15 −10 −5 0 5 10 Fréquence [GHz]
Gain réalisé [dB] CMA + dipôle − Mesu
CMA + dipôle − Simu CEP + dipôle − Mesu CEP + dipôle − Simu
Figure6.2 – Gains totaux réalisés mesuré et simulé dans la direction z du couple CMA simple carré – dipôle comparés à ceux du dipôle superposé sur un plan métallique. pour le dipôle, ce qui est en partie dû à la conception rudimentaire de l’antenne (absence de
balun, alimentation par câble coaxial non blindé auquel nous pouvons imputer une perte de 1
dB...). Évidement ces décibels en moins sont également absents de la mesure du couple CMA – dipôle. −20 −10 0 10 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 Θ = 0° (x) (−x)
(a) Plan (xOz)
−20 −10 0 10 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 Θ = 0° (y) (−y) (b) Plan (yOz)
Figure6.3 – Diagrammes de rayonnement mesurés et simulés pour le couple CMA simple
carré – dipôle et pour le dipôle seul à f = 2.5 GHz. (—) Mesure (- - -) Simulation.
6.2.2 Réalisation à 400 MHz
Le CMA à 400 MHz sur Neltec NH9410 décrit dans la Partie 5.4.2 est associé avec le premier prototype de la IFA souple avec grand plan de masse étudié dans le Partie 4.4.4.1. Une photographie du couple CMA – antenne est visible Figure 6.4(b). Le résultat de la mesure du coefficient de réflexion est comparé avec la simulation Figure 6.4(a). Malgré des disparités de niveau, les deux résultats s’accordent sur une fréquence de résonance proche de 400 MHz. En simulation, la fréquence de résonance du couple CMA – IFA est de 403 MHz. Elle est identique à la fréquence de résonance simulée du CMA avec sa structure finie. La fréquence de résonance mesurée est de 401 MHz.
Pour évaluer les diagrammes de rayonnement, nous effectuons des mesures par bilan de liaisons chez Syrlinks. Les résultats sont présentés Figure 6.5, normalisés à 0 dB en raison de la configuration de mesure. De cette manière nous nous intéressons seulement aux diffé-
300 350 400 450 500 −30 −25 −20 −15 −10 −5 0 Fréquence [MHz] |S11 | [dB] Simulation Mesure
(a) Coefficients de réflexion (b) Couple CMA simple carré – di- pôle
Figure6.4 – Mesure du coefficient de réflexion du couple CMA simple carré – dipôle.
rences de niveaux. Nous comparons les résultats de trois configurations : l’antenne associée au CMA, l’antenne sur le plan de masse du CMA et l’antenne seule. Comme nous pouvons le constater, la présense du CMA permet de réduire le rayonnement arrière mais ne permet pas de l’augmenter dans la direction opposée. Toutefois nous pouvons exclure que le CMA se comporte comme une surface métallique car le diagramme de rayonnement issu de l’antenne au dessus du plan de masse démontre que le gain maximal mesuré est 15 dB plus faible que le gain mesuré du dipôle seul.
Ces observations nous permettent de confirmer que la surface réalisée se comporte comme un CMA en dépit d’une structure 2 × 2 cellules. Malgré tout, le gain maximal escompté (5 dB en simulation contre 0.7 dB en mesure) n’est pas atteint, probablement en raison de la taille critique du réseau de cellule voire de la configuration de mesure. Aussi, une hypothèse importante est qu’il faut envisager d’optimiser l’impédance du couple CMA – antenne pour obtenir une meilleure adaptation. Aussi, grâce à la mesure d’impédance et de rayonnement, nous pouvons confirmer qu’il n’y a pas de dérive entre la fréquence de résonance du couple CMA – antenne et la fréquence de résonance du CMA. Enfin, ces résultats expérimentaux fortifient le fait qu’il est nécessaire de simuler la structure finie de CMA opérant dans le bas de la bande UHF pour déterminer leur fréquence de résonance.
−25 −20 −15 −10 −5 0 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 Θ = 0° (x) (−x) CMA + dipôle Plan de masse + dipôle Dipôle seul
Figure6.5 – Gain total réalisé mesuré normalisé à 0 dB du couple CMA simple carré –
6.3
Antennes associées aux CMA à capacités interdigitées
Le CMA à capacités interdigitées à 2.5 GHz est associé avec le dipôle résonant à 2.7 GHz. Seules les mesures sont présentées car les simulations dépassent les limites des capacités de nos stations de calculs. Le coefficient de réflexion mesuré est représenté Figure 6.6. Il ne laisse pas apparaitre de bande passante claire hormis autour de 3 GHz, fréquence de résonance qui n’est commune ni à l’antenne, ni au CMA CI. De la même manière que précédemment, nous observons le gain réalisé mesuré dans la direction z pour déterminer la bande de fréquence où l’effet CMA est visible. Cette bande s’étale entre 2.3 et 2.6 GHz. Ce qui est une nouvelle fois inférieure à la fréquence de résonance du CMA.
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 −30 −25 −20 −15 −10 −5 0 Fréquence [MHz] |S 11 | [dB]
Figure6.6 – Coefficient de réflexion mesuré du couple CMA CI – dipôle.
2 2.5 3 3.5 4 −25 −20 −15 −10 −5 0 5 10 Fréquence [GHz] Gain réalisé [dB] CMA + dipôle CEP + dipôle
(a) Gain total réalisé mesuré
y x z
(b) Photo
Figure 6.7 – Mesure des gains réalisés vers z du couple CMA CI - dipôle et du dipôle superposé sur un plan métallique.
Les résultats de mesure des diagrammes de rayonnement à f = 2.5 GHz, fréquence où le gain réalisé vers z est maximal, sont présentés Figure 6.8. Comparé aux résultats du dipôle seul, la présence du CMA CI sous l’antenne permet une réduction au minimale du rayonne- ment arrière de 12 dB. Le gain vers z est augmenté de 3 dB. Pour la seconde fois et pour une structure différente, la fréquence où le CMA se comporte de manière optimale est abaissée, ici d’environ 400 MHz.
−20 −10 0 10 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 Θ = 0° (x) (−x)
(a) Plan (xOz)
−20 −10 0 10 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 Θ = 0° (y) (−y) (b) Plan (yOz)
Figure 6.8 – Diagrammes de rayonnement mesurés pour le couple CMA CI – dipôle et
dipôle seul à f = 2.5 GHz.
En ce qui concerne le CMA à capacités interdigitées à 400 MHz les simulations et mesures sont présentés Annexe A car les résultats ne sont pas assez complets pour tirer des conclusions quant aux performances des structures proposées.