L’efficacité de rayonnement a été calculée pour un dipôle vertical [145] et pour des antennes ouvertures de différentes largeurs rectangulaires polarisées verticalement placées à différentes hauteurs hT sur le corps sur la bande autour de 60 GHz. Le champ lointain est calculé pour un rayon r égal à 100 m. En champ lointain, la contribution principale du champ est celle issue des ondes directes et réfléchies. Les constantes de courant I0 et J0 des distribution de courant dans les expressions du champ (3.31), (3.32) pour chaque antenne sont normalisées pour une puissance d’entrée fixe de 1 W. Les efficacités de rayonnement à différentes fréquences autour de 60 GHz et à différentes hauteurs hT au-dessus du fantôme modélisant la peau sont tracées séparément pour chaque antenne sur la Figure 3.20. La Figure 3.21 montre la variation de l’efficacité de rayonnement en fonction de la hauteur hT pour les quatre antennes considérées à 60 GHz.
Pour une configuration donnée, la Figure 3.20 montre que l’efficacité de rayonnement ne varie pas beaucoup sur la bande de fréquence autour de 60 GHz10. La variation est inférieure à 3.5 % dans tous les cas. L’efficacité est largement plus faible quand hT = 0 mm, soit autour de 20% (-7dB) pour le dipôle et de 30% (-5,2 dB) pour les antennes ouvertures, que quand l’antenne est déplacée à une hauteur plus élevée, efficacité autour de 60% (-2.2 dB) pour toutes les antennes sur les Figure 3.20 et Figure 3.21. En général, une large différence est observable en déplaçant l’antenne à 2 mm au-dessus du fantôme. L’ouverture la plus large donne la meilleure efficacité quand hT = 0 mm mais on n’observe qu’une légère différence par rapport aux autres antennes ouvertures. Enfin, le dipôle étant l’antenne de plus faible dimension, présente l’efficacité la plus faible. Néanmoins, pour des hauteurs au-delà de 2 mm, les efficacités d’antennes diffèrent peu et convergent toutes vers 60% (-2.2 dB). Ces résultats se trouvent dans le même ordre de grandeur que celles trouvées par mesures à d’autres fréquences : une efficacité de 20% sur le corps pour une antenne textile double bande (2,45 GHz et 5,2 GHz) [137], une efficacité de 29% pour une antenne patch textile résonant à 2,4 GHz quand l’antenne touche le corps et à 51% quand une distance d’espacement de 8 mm est insérée entre l’antenne et le corps [116], efficacité d’une antenne à fente directive
10 La dispersion fréquentielle de la permittivité complexe de la peau est prise en compte en utilisant [166].
supérieure à celle d’une antenne monopole omnidirectionnel sur le corps entre 3 GHz et 6 GHz [155].
Tableau 3.3 Efficacités d’antennes sur le corps : valeurs calculées et simulées à différentes hauteurs d’antennes hT au-dessus du corps.
Dipôle Ouverture WR15
Hauteur hT [mm] Calcul Simulation Calcul Simulation
0 22 % 23 % 30 % 35 % 3 51 % 59 % 53 % 56 % 5 56 % 69 % 60 % 63 % 10 60 % 85 % 61 % 68 % (a) (b) (c) (d)
Figure 3.20 Efficacité de rayonnement en [%] pour différentes hauteurs sur un fantôme modélisant la peau : (a) dipôle de longueur 2l = 1,88 mm ; (b) ouverture 1,88 x 2,75mm²; (c)
Figure 3.21 Efficacité de rayonnement en [%] à différentes hauteurs au-dessus du fantôme modélisant la peau à 60 GHz
Discussion
3.7
En contact direct du corps, une antenne ouverture directive polarisée verticalement donne une meilleure performance en termes d’efficacité de rayonnement qu’une antenne dipôle vertical quasi-omnidirectionnelle. Pourtant, en ajoutant un espacement vertical de 3 mm (0.6 λ) entre l’antenne et le corps, il n’y a plus de réel bénéfice à utiliser l’antenne ouverture par rapport au dipôle. Aussi, il est intéressant de noter qu’une ouverture plus large menant naturellement à une directivité plus élevée n’est pas plus efficace et dans le contexte des BANS, ne serait en général pas utile, considérant le fait que la position des nœuds communiquant n’est pas fixée à cause des mouvements du corps. Ainsi, dans le scénario considéré, il apparaît que l’amélioration de l’efficacité de rayonnement n’est pas reliée à la directivité mais à la distribution du courant elle-même. Il est aussi intéressant de noter que même si le dipôle donne légèrement une meilleure performance en termes bilan de liaison que l’ouverture de largeur de wap = 2.75 mm (voir Figure 3.18b et Figure 3.19b) pour hT = 3 mm et r = 0.25 m, nous pouvons voir sur la Figure 3.21 que l’efficacité de rayonnement de cette ouverture (wap = 2.75 mm) est légèrement supérieure à celle du dipôle. Donc, même si l’efficacité de rayonnement déterminée en champ lointain comme sur la Figure 3.21 est un bon indicateur de performance pour les antennes utilisées sur le corps pour des liaisons off-body, elle est moins appropriée pour évaluer le bilan de liaison pour les communications on-body (entre deux nœuds sur le corps). L’information sur la diffraction locale dans la propagation on-body qui prend place au niveau de l’interface peau-air est perdue en champ lointain alors que celle-ci contribue au bilan de liaison on-body.
Conclusion
3.8
La dépendance du gain d’un dipôle rayonnant sur un diélectrique à la distance émetteur-récepteur a été établie dans un premier temps. Pour les BANs, cette dépendance constitue une limitation pour séparer les caractéristiques de l’antenne des caractéristiques du canal de propagation sur le corps ou pour comparer les caractéristiques de deux antennes sur le corps. Par conséquent, une approche théorique a été conduite pour comparer un dipôle vertical et une ouverture polarisée verticalement rayonnant sur un fantôme planaire modélisant le corps à 60 GHz. Pour établir les performances en termes de bilan de liaison et d’efficacité, il a été nécessaire de normaliser la puissance acceptée par les deux antennes. Pour ce faire, la méthode de calcul de l’impédance d’entrée d’un dipôle a été disponible dans la littérature, celle d’une ouverture a été dérivée suivant la même méthode en une intégrale à convergence rapide et facile à calculer basée sur la technique des images complexes. Il a été trouvé que l’ouverture présente une efficacité supérieure à celle d’un dipôle quand les antennes sont placées à proximité du corps (hauteur inférieure à 0.6 λ0). Pourtant, en augmentant la largeur de l’ouverture et ainsi la directivité, on n’obtient pas une meilleure efficacité. Cela suppose que c’est la distribution spatiale du courant qui influence majoritairement la quantité de puissance dissipée dans le corps humain. Quand le dipôle et les ouvertures de différentes largeurs sont placés à une hauteur supérieure à 0.6 λ0 du corps, il n’y a pas de différence significative entre leurs efficacités qui conservent une valeur autour de 60 %.
Cette étude est limitée à des liaisons statiques sur un diélectrique planaire et homogène, le chapitre 4 rapporte des mesures dynamiques de liaisons on-body et off-body à 60 GHz pour différents nœuds correspondant aux potentiels placements des capteurs sur le corps.