La cellule bi-bandes

Nous réalisons la cellule bi-bandes par imbrication de deux cellules aux deux fréquences visées.

Tout d'abord pour la fréquence basse (L5 pour nous), la cellule est une grille avec des capacités localisées (cela forme une cellule-L5 comme nous pouvons la voir sur la Figure 4.13). Ensuite pour la fréquence haute, la cellule est celle dénie juste avant, c'est-à-dire un patch avec des capacités localisées (cela forme une cellule-L1 comme nous pouvons la voir sur la Figure 4.14). Dans chaque trou de la cellule- L5 (grille) une cellule-L1 est placée. Les capacités de la cellule-L5 sont réalisées entre deux cellules-L5 adjascentes. Les capacités des cellules-L1 sont quant à elles réalisées entre une cellule-L1 et le bord adjacent d'une cellule-L5. Pour des dimensions de cellule xées, la fréquence de résonance de chaque cellule peut être séparément adaptée aux fréquences L1 et L5 à l'aide de ces capacités. La cellule-L1 forme une structure périodique à l'intérieur de la cellule-L5. Ainsi la taille minimale d'une cellule-L5 sera déterminée par la taille de la région active de l'antenne placée au- dessus de la SHI à la fréquence L1. Nous notons que la cellule-L5 n'est qu'une variante de la cellule optimale utilisée pour la cellule-L1. Nous créons des trous dans un patch (grille) an d'y imbriquer les motifs plus petits. Une cellule-L5 encerclant simplement une périodicité de cellule-L1 ne permet pas de réaliser un motif bi-bandes. Il faut que la continuité électrique soit assurée au sein de la cellule-L5, c'est pourquoi nous utilisons une grille plutôt qu'une boucle carrée.

méthode d'imbrication pour créer le bi-bandes.

Figure 4.13  Cellule-L5 avec des capacités localisées

Figure 4.14  Cellule-L1 avec des capacités localisées à l'intérieur de la cellule-L5 Pour un dipôle demi-onde, la région active est d'une demi longueur d'onde.

Figure 4.15  La cellule bi-bandes proposée

4.3.2 Simulations de la cellule bi-bandes

La cellule bi-bandes comme la cellule mono-bande est conçue et simulée avec un logiciel commercial (HFSS). La même simulation que pour la cellule mono-bande avec le port de Floquet est utilisée. La hauteur entre la cellule et le plan métallique est de 4mm. Cette hauteur est susante pour assurer les spécications en bande passante sur les deux bandes de fréquence, comme présenté sur la Figure 4.16.

Les bandes passantes associées respectivement aux bandes L5 et L1 sont de 6% et 3%. Les cellules-L1 réalisant ces performances sont des carrés de 8mm de côté associés à des capacités localisées de 20 pF. Les cellules-L5 associées sont des grilles carrées de 59mm de côté incorporant 25 trous carrés de 8,2mm de côté. L'espacement entre les trous est donc de 4,5mm. Les cellules-L5 sont espacées entre elles de 0,5mm et ont une capacité localisée associée de 0,25pF.

Figure 4.16  Phase du coecient de réexion pour la cellule bi-bandes proposée.

4.4. Réalisation de la SHI

Seule la SHI bi-bandes a été réalisée pour les mesures. Cette section regroupe les détails permettant sa réalisation pratique.

4.4.1 Réalisation des capacités localisées de chaque motif

Pour faciliter la réalisation et réduire la dispersion de la SHI, nous créons les capacités localisées de chaque motif à l'aide de capacités plaques parallèles. De chaque côté d'un diélectrique très n des plaques de métal seront imprimées, réalisant ainsi une capacité localisée (Figure 4.17).

La surface des plaques imprimées, tout autre paramètre étant constant (hau- teur h, permittivité du diélectrique ), sera directement proportionnelle à la valeur de la capacité d'après la formule de la capacité suivante (4.8).

C = εrε0S

h (4.8)

Figure 4.17  Réalisation des capacités localisées en utilisant des capacités plaques parallèles. a) Vue de dessus et b) vue de côté, les cellules claires sont situées au-dessus des cellules foncées.

mittivité du diélectrique sur lequel sont imprimés les plaques et ε0 la permittivité du

vide. A une fréquence xée, la taille minimale de la cellule est limitée par la valeur maximale de la capacité réalisable.

Pour notre cellule optimale (patch avec des capacités plaques parallèles), nous avons montré en simulation, que la capacité associée à cette cellule est de 1,95pF ce qui correspondra à une plaque de 1, 42mm2 _{(Kapton ε}

r= 3, 9et h = 25µm ).

4.4.2 Réalisation du motif bi-bandes

Pour la réalisation de la cellule bi-bandes les capacités discrètes localisées sont donc remplacées par des capacités localisées à base de plaques parallèles. Les ca- pacités associées à la cellule-L5 sont créées en alternant les cellules de chaque côté d'un diélectrique très n (25µ m de Kapton), comme présenté sur la Figure 4.17. Les capacités associées aux celule-L1 sont quant à elles créées entre le patch et la grille (cellule-L5). Ainsi les cellules-L1 sont placées sur la face opposée, du diélectrique très n, aux cellules-L5. An d'assurer les capacités pour les cellules-L5, les cellules environnantes seront donc inversées. Les deux faces de la structure complète sont montrées sur la Figure 4.18.

4.5. Conclusions

La réalisation d'une cellule mono-bande ayant un très bon BPT nous a permis de réaliser une cellule bi-bandes dont les performances sont en adéquation avec l'ap- plication visée. En eet si nous comparons les résultats de simulation de la cellule bi-bandes créée par rapport aux spécications demandées, Tableau 4.3, nous consta- tons que la cellule créée est conforme aux spécications et présente même des bandes passantes plus importantes que celles demandées par les spécications GNSS.

Spécications Simulations Fréquence basse 1,175GHz 1,175GHz Bande passante bande basse 24MHz 70MHz Fréquence haute 1,575GHz 1,575GHz Bande passante haute 2MHz 50MHz

Table 4.3  Comparaison en fréquences et bandes passantes des résultats de simu- lation de la cellule bi-bandes proposée et des spécications GNSS

Figure 4.18  Les deux faces de la SHI bi-bandes réalisée de chaque côte d'une feuille de Kapton de 25µm. a) La couche supèrieure et b) la couche infèrieure

L'utilisation de capacités localisées dans la cellule de base permet une minia- turisation très importante (λ/80 pour la ceullule monobande). La présence de ces capacités permet un réglage aux fréquences désirées sans modication des dimen- sions de la cellule. L'utilisation des capacités sur les cellules permet un large spectre de réglage entre la taille de la cellule et la valeur de la capacité. On peut donc ainsi concevoir des surfaces bi-bandes dont les deux bandes sont très proches ou très éloignées. Il y a peut-être une limite sur le très très proche mais celle-ci n'a pas été identiée.

Nous notons que la technique utilisée pour le bi-bandes peut être étendue à plus de deux bandes et pour d'autres motifs.

Dans le chapitre précédent, un motif pour une SHI bi-bandes a été conçu et simulé à l'aide de la théorie de Bloch-Floquet. Dans ce chapitre nous allons nous intéresser au couplage entre la SHI et l'antenne placée au-dessus. Ce couplage est très peu étudié habituellement [84] [82] et notre approche reste à approfondir. On rappelle que le but de l'étude est la miniaturisation d'antenne à l'aide de plan réecteur (ici une SHI bi-bandes). Théoriquement, nous pouvons placer une antenne dans le plan de la SHI qui agit comme un CMA aux fréquences de résonances de la SHI. Nous montrons qu'en pratique l'antenne ne peut pas être placée directement dans le plan de la SHI. Pour un fonctionnement optimal de l'ensemble antenne+SHI, il faut respecter une certaine distance entre les deux éléments. Ceci est montré d'abord en simulation puis en mesure. Dans un deuxième temps, les résultats des mesures faites dans les conditions optimales sont présentées. De l'analyse de ces résultats découle les réglages présentés ensuite. Le but de ce chapitre est de montrer à la fois les résultats de mesures, de les comparer avec avec la référence (antenne au-dessus d'un PEC à λ/4) et d'apporter des propositions de réglages de la structure. Dans ce chapitre toute l'étude sera faite pour le cas simple d'une antenne en polarisation rectiligne.