Les champs d’applications

Les propriétés électromagnétiques uniques des structures à haute impédance ont conduit à un large panel d’applications dans la conception d’antennes. Les paragraphes suivants résument une partie des différentes fonctionnalités adressées par ces structures. Les catégories proposées ne sont en réalité pas si distinctes car d’éventuels chevauchements sont identifiables. Dans cette partie, nous ne reviendrons pas sur le potentiel de miniaturisation d’aériens à l’aide de telles structures présenté dans la section 1.1.4.4.

1.3.3.1 Substrat pour l’amélioration des performances d’antenne

Parmi les champs d’application de telles structures, les travaux de Qu [91] présentent une antenne microruban sur EBG double couche comme plan de masse comme le montre la figure 1.46 (a).

(a) (b)

Figure 1.46 – (a) Géométrie de l’antenne double couche sur EBG (b) coefficient de réflexion et diagramme de gain.

Après avoir caractérisé les surfaces réalisées, les antennes patch ont été conçues pour fonctionner successivement à l’intérieur et en dehors de la bande interdite. Pour un fonctionnement de l’antenne hors bande interdite, une bande passante de 24,7% a été obtenue, alors que son gain a également été augmenté de près de 3 dB par rapport à l’antenne de référence affichant un gain maximum de 5 dBi (Fig1.46 (a)).

Un autre exemple probant d’amélioration des performances a été donné par Coccioli et al [85]. Les résultats calculés et mesurés montrent qu’en raison de la suppression des ondes de surface, l’antenne microruban montée sur le substrat UC-PBG offre un gain maximum de 3 dB plus élevé que la même antenne gravée sur un substrat diélectrique de même épaisseur et même constante diélectrique déposé sur un plan de masse.

1.3.3.2 Substrat pour la réduction du couplage

Un autre champ d’application de ces surfaces concerne la réduction des ondes de surface afin de limiter les lobes secondaires induits par la finitude du plan de masse [85] ou les couplages inter-éléments dans les réseaux d’antennes [92].

Par exemple, la comparaison entre les résultats d’une antenne microruban classique avec une antenne microruban sur un substrat PBG, dans l’article [93], montre une réduction remarquable du niveau des modes de surface. Cela peut être observé sur le diagramme de rayonnement (les ondulations dues aux modes de surface ont presque disparu) et sur la cartographie du champ électrique dont les niveaux sont réduits (Figure 1.47).

(a) _(b)

Figure 1.47 – Illustration de la réduction des ondes de surface (a) plan de masse (b) matériau à bande interdite.

Enfin, le rayonnement arrière est également considérablement réduit et une augmentation de l’efficacité de l’antenne est observée.

Par ailleurs, sur la figure 1.48, une surface haute impédance de type « mushroom »est utilisée pour réduire le couplage entre deux patchs adjacents [92].

(a) (b)

Figure 1.48 – Illustration de la réduction du couplage entre deux patchs adjacents (a) photo du dispositif (b) coefficients de réflexion et de transmission.

Plusieurs configurations d’antennes microrubans en réseau ont été réalisées et, dans le meilleur des cas, une réduction de 8 dB du couplage mutuel à la fréquence de résonance est observée.

Enfin, Tretyakov a montré que des surfaces à haute impédance de type « mushroom »peuvent être employées comme structures absorbantes dédiées à la furtivité avec des performances insen- sibles à l’angle d’incidence pour des ondes polarisées TM [94].

1.3.3.3 Substrat pour antennes plaquées sur un plan métallique

Le dernier champ d’application de ces structures concerne leur faculté à permettre le plaquage d’antennes sur un plan métallique.

(a) (b)

Figure 1.49 – (a) Dispositif de mesure de diagramme de rayonnement, en chambre anéchoïde, d’un monopole sur un réseau EBG 4x4 motifs sur plaque d’aluminium de 1 m2 (b) évolution du gain mesuré en fonction de la fréquence pour une antenne/EBG sur un large plan métallique.

Ce champ d’application prend tout son sens dans les domaines de l’automobile et l’aérospatial qui sollicitent le fonctionnement d’aériens en contexte perturbé par de larges plans métalliques (carrosserie ou carlingue).

Langley a prouvé que la suppression des lobes arrières par utilisation d’EBG, même de taille réduite, permet de rendre l’antenne ainsi conçue tolérante à une plateforme métallique [95]. Il a en effet placé l’antenne sur EBG près d’un plan métallique d’une surface d’un m2, simulant une carcasse de véhicule, pour démontrer que le fonctionnement de l’antenne demeure stable même à très grande proximité de la structure métallique.

La figure 1.49 présente le dispositif de mesure et le gain maximum relevé.

Les auteurs n’ont observé aucun changement majeur sur l’évolution du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence. Le gain mesuré a lui légèrement augmenté (0.5 dB) mais le ratio lobes avant sur lobes arrières est passé de 10 dB à 35 dB. Ils en concluent que la combinaison antenne/HIS fonctionne comme prévu et s’avère insensible à son environnement proche sur un demi-espace. Il est alors possible de parler d’intégration d’antennes.

Chapitre 2

Optimisation de l’interaction

onde/matière dans les applications

radiofréquences et couches minces

Sommaire

2.1 Introduction . . . . 55 2.2 Modélisation de paramètres radioélectriques effectifs . . . . 56 2.3 Etude de lignes de transmission . . . . 70 2.4 Etude de topologies d’antennes appropriées . . . . 77 2.5 Antenne microruban sur substrat anisotrope . . . 104 2.6 Conclusions . . . 109

2.1

Introduction

Une première mise à jour bibliographique a été effectuée pour actualiser l’état des connaissances à la fois sur l’utilisation de matériaux magnétiques et de méta matériaux pour la miniaturisation des antennes. En particulier, nous avons précédemment présenté une catégorie de matériaux : les hétérostructures en couches minces à forte perméabilité qui comportent un empilement spécifique que nous utilisons tout au long de ce chapitre.

Ce chapitre a pour objectif principal de déterminer les dispositifs susceptibles de répondre à la problématique d’optimisation de l’interaction onde/matière lors d’utilisation de couches minces magnétiques anisotropes. Pour cela, nous développons quatre axes distincts depuis l’étude des phé- nomènes de dilution jusqu’à la conception d’une antenne. Nous débutons par une étude théorique sur les empilements de couches minces complexes que nous réutiliserons tout au long de ce chapitre. Ensuite, notre attention se porte sur l’analyse de lignes de transmission conformément aux travaux préalablement menés par l’équipe qui développe le matériau.

Enfin, nous allons nous intéresser aux topologies d’antennes susceptibles de réunir les conditions nécessaires à l’excitation du matériau magnétique. Puis nous présentons un concept innovant à

travers une application spécifique d’élargissement de la bande passante d’une antenne microruban imprimée.

2.2

Modélisation de paramètres radioélectriques effectifs : appli-