Antennes pour les communications centrées sur le corps à 60 GHz

En bande millimétrique, les communications BAN concernent les liaisons de type on- ou bien

off-body. En effet, en raison de la faible profondeur de pénétration du rayonnement

électromagnétique dans les tissus, les communications in-body sont difficilement envisageables. Cependant, l'affaiblissement du signal dans la graisse du corps humain a récemment été étudié numériquement en THz dans le cadre de nano-communications pour les applications BAN, pour évaluer la faisabilité de liaisons in-body avec des dispositifs biomédicaux implantés pour la stimulation d'organes ou le monitoring [1].

Dans les sous-sections qui suivent, plusieurs antennes dédiées aux communications sur le corps humain à 60 GHz sont présentées. Cette liste d'antennes n'est pas exhaustive, mais elle donne un aperçu des différentes antennes déjà développées en bande millimétrique pour les communications on- ou bien off-body.

1.1.1. Spécificités générales

En raison de l'intérêt récent de la bande millimétrique pour le développement des communications centrées sur le corps humain, les exemples d'antennes BAN dans cette bande fréquences sont moins nombreux qu'en micro-ondes par exemple. Cependant, quelle que soit la bande de fréquence, les exigences pour les antennes BAN sont semblables [2] ; elles doivent être : (1) facilement intégrables sur le corps humain, ce qui signifie compactes, légères, planaires ou conformables, (les antennes imprimées sont de parfaites candidates) ;

(2) robustes, pour que leurs performances restent stables en présence du corps et qu'elles soient fonctionnelles en cas de mouvements du corps.

En plus de ces exigences communes à toutes les antennes BAN, il est possible que, dans certains contextes d'application, des contraintes supplémentaires soient imposées aux antennes, comme d'être déformables (flexible et/ou étirable si l'antenne est placée sur les vêtements ou bien la peau) ou bien résistantes à des contraintes de température, de pression ou d'humidité (par exemple dans le cadre d'applications militaires [3]). Dans la littérature, on trouve de nombreux exemples antennes BAN fonctionnant sur des bandes de fréquence en dessous de 10 GHz réalisées avec des matériaux souples et déformables, tels que les substrats textiles [4][5] et polymères [6][7][8], où les métallisations sont en électro-textile [9][10] ou bien des fils métalliques brodés [11][12][13].

1.1.2. Antennes pour liaisons on-body

Les antennes on-body permettent d'assurer la liaison entre deux dispositifs BAN placés sur le corps humain. Pour être capables d'effectuer ce type de liaison, les antennes on-body requièrent un gain avoisinant 10 dBi en raison du fort affaiblissement du signal à 60 GHz ; de plus, la direction du rayonnement maximal de l'antenne doit être parallèle à la surface du corps pour limiter les risques d'interférences avec les systèmes de communication voisins.

Page 34 § Antennes end-fire

Les antennes end-fire tel que les antennes Yagi-Uda ou bien Vivaldi sont des modèles d'antenne particulièrement adéquats pour les communications on-body. Dans la littérature, on trouve plusieurs modèles d'antennes Yagi-Uda développés récemment pour les communications sur le corps à 60 GHz.

Dans [14] et [15], des antennes Yagi-Uda réalisées sur un substrat Rogers Duroid 5880 (•r =

2,2 et tan = 0,003) sont proposées pour des communications sur le corps. Dans [14], l'antenne Yagi-Uda proposée (Figure II.1a) est alimentée par un guide d'onde intégré au substrat (Subtrate Integrated Waveguide ou SIW en anglais), son coefficient de réflexion S11 est adapté sur une

bande de fréquence de l'ordre de 1 GHz autour de la fréquence de résonance 60 GHz. L'ouverture à mi-puissance de son diagramme de rayonnement est de 20,5° dans le plan E (plan perpendiculaire au substrat) et 24,5° dans le plan H (plan parallèle au substrat). Ses performances sont comparées numériquement et expérimentalement en espace libre, montrant un bon accord entre simulation et mesure avec des gains maximaux respectifs de 13,7 dBi et 12,5 dBi. Cependant l'impact de la présence du corps n'a pas été analysé contrairement au réseau d'antennes imprimées Yagi-Uda (Figure II.1b) présenté dans [15]. Dans [15], le réseau d'antennes est adapté sur une bande de fréquence large de 5 GHz (de 55 à 60 GHz) et permet d'obtenir une antenne à fort gain du fait de la mise en réseau d'antennes Yagi-Uda (15,67 dBi en espace libre et 15 dBi sur le fantôme).

(a) (b)

Figure II.1 - Antenne Yagi-Uda pour les communications on-body à 60 GHz : (a) alimentée par SIW [14]; (b) mise en réseau de 4 branches [15].

Plus récemment encore, une antenne Yagi-Uda (Figure II.2) a été développée à l'IETR sur substrat textile (•r = 1,5 et tan = 0,016) en suivante la procédure de fabrication sur textile

détaillée dans [16]. Un très bon accord est constaté entre les niveaux de coefficient de réflexion simulés et mesurés, l'antenne est adaptée sur la bande 57 - 64 GHz en espace libre et sur un fantôme équivalent de la peau. L'efficacité mesurée de cette antenne est de 48 %, et le gain maximal de 11,9 dBi à 60 GHz.

Page 35 § Antenne bouton

Plusieurs études dans les bandes inférieures aux fréquences millimétriques ont cherché à valoriser des éléments déjà présents sur les vêtements en les utilisant comme antennes, comme par exemple le zip d'une fermeture [17] ou bien des boutons [18].

Une antenne fonctionnant sur la bande des 60 GHz et visant à être intégrée dans un bouton (Figure II.3a) a été développée dans le même état d'esprit [19]. Cette antenne est de petite taille et discrète, elle est adaptée sur une bande de fréquence s'étalant de 59,3 - 63,4 GHz (7 % de bande passante relative). Ses performances numériques et expérimentales en espace libre ont été comparées à celles obtenues sur un fantôme homogène équivalent de la peau. Le modèle de rayonnement de cette antenne est optimisé pour les communications on-body, car le rayonnement est (1) maximal dans le plan du substrat qui est tangentiel à la surface du fantôme (Figure II.3b), (2) alors qu'il est réduit dans le plan perpendiculaire au substrat (Figure II.3c). Une augmentation du gain est notable lorsque l'écartement avec le fantôme se réduit en raison des réflexions à la surface du fantôme (de 5,2 dBi à 6,7 dBi lorsque le gap entre l'antenne et le fantôme passe de 10 mm à 5 mm).

(a) (b) (c)

Figure II.3 - Antenne bouton pour les communications on-body à 60 GHz [19].

1.1.3. Antennes pour communications off-body

Les antennes patch sont des solutions très appropriées pour les communications de type off-

body [2]. En effet, ce type d'antenne possède un modèle de rayonnement avec (1) un faible

rayonnement arrière qui limite le couplage avec le corps humain en raison de la présence de plan de masse en face arrière et (2) une large ouverture à -3 dB maximisant la liaison entre le dispositif sur le corps et celui situé à proximité du corps. De plus, ce type d'antennes offre la possibilité d'un gain ajustable par la mise en réseau de plusieurs éléments rayonnants unitaires. Pour les liaisons

off-body un gain de l'ordre de 12 dBi - 15 dBi est nécessaire. Cette valeur s'explique par la forte

atténuation atmosphérique à 60 GHz [20] ainsi que par les limites en vigueurs concernant la puissance transmise par les antennes 60 GHz [21].

Deux réseaux d'antennes imprimées rectangulaires 2 _{Í 2 éléments micro-ruban (Figure II.4a)} pour les communications off-body ont été optimisés par Chahat et al. sur substrat organique de type Rogers duroïd 5880 (•r = 2,2 ±0,2 et tan = 0,003 à 60 GHz) [22] et sur substrat textile (•r =

2 et tan = 0,02 à 60 GHz) [23], permettant d'obtenir des gains de 11,8 dBi et 8 dBi, respectivement en espace libre. Dans les deux cas, les performances sont faiblement sensibles à la présence du fantôme.

L'analyse de l'effet du rayon de courbure du substrat sur les performances antennaires du réseau réalisé sur textile (Figure II.4b) montre un faible impact. En effet pour un rayon de courbure variant de 15 à 5 mm, le gain passe de 9 dBi à 7,9 dBi.

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(a) (b)

Figure II.4 - Réseaux d'antennes micro-ruban 2 Í 2 éléments sur textile [23].

Récemment un réseau d'antennes fentes en anneau rectangulaire SIW de 2 Í 2 éléments a été développé pour les communications off-body à 60 GHz (Figure II.5). Ce réseau mesure 23 mm par 15 mm ; il est réalisé sur un substrat de type Arlon CuClad 212 (•r = 2,2) d'épaisseur 0,508

mm. Ses performances antennaires ont été évaluées numériquement sous CST MWS en espace libre et en présence d'un fantôme équivalent de la peau (•r = 7,98 et • = 36,4 S/m à 60 GHz) de

dimensions 100 mm Í 100 mm Í 3 mm, et mesurées en espace libre.

Les résultats obtenus par simulation montrent que l'impact du fantôme sur les performances du réseau est faible, puisque que la bande passante est de 4,5 % à -10 dB aussi bien en espace libre qu'en présence du fantôme, et que le gain est de 12,8 dBi en espace libre et de 12,4 dBi en présence du fantôme. De plus les diagrammes de rayonnement montrent que ce réseau d'antennes est adéquat pour les communications off-body, en raison d'un rayonnement maximal dans le plan perpendiculaire au plan de l'antenne.

L'adaptation et le modèle de rayonnement du réseau sont confirmés par les résultats de mesure. En mesure la bande passante en espace libre est 5,7 %, et le gain de 13 dBi. De plus, un très bon accord est obtenu entre les diagrammes simulés et mesurés.

(a) (b)

Figure II.5 - Réseau d'antennes fentes en anneaux rectangulaire en SIW 2 Í 2 éléments sur un

substrat Arlon CuClad217 [24].