Composants pour la polarisation

Comme nous l’avons expliqué dans la partie précédente, l’alimentation des composants actifs ajoutés à l’antenne pour la rendre reconfigurable peut nécessiter l’utilisation de composants passifs de découplage : capacités ou inductances.

2.5.2.1 Capacités

Evoquons pour commencer les capacités, dont le rôle est de permettre le passage des courants hautes fréquences tout en bloquant les signaux continus. La valeur de la capacité doit être la plus élevée possible, afin que les signaux RF ne soient pas perturbés, même aux fréquences les plus basses de la bande de travail. Bien évidemment, ces capacités ne sont pas des composants parfaits, et il faut aussi vérifier que les pertes d’insertion sont minimales et l’adaptation maximale. En outre les considérations sur la taille des composants faites précédemment sont aussi valides pour ces composants passifs.

Les capacités de découplage, aussi appelées « DC-block » correspondant à nos critères (petite taille, capacité élevée), sont généralement fabriquées à base de matériaux céramiques (forte constante diélectrique). Ces capacités sont en général très large bande (de quelques mégahertz à plusieurs dizaines de gigahertz) et ont des pertes de l’insertion de l’ordre de 0.25/0.5 dB pour des fréquences « basses » de quelques gigahertz. Par ailleurs, l’adaptation est excellente, dans la mesure ou les pertes dans ces composants sont très faibles, voire négligeables12. La Fig. 2.23 présente les pertes d’insertions dans les capacités utilisées, le modèle 520L de la marque ATC de capacité 10 nF; la phase en transmission est également présentée. Les performances sont excellentes : les pertes d’insertion sont quasi négligeables, et la phase ne varie que d’un degré sur toute la bande ; par ailleurs, le coefficient de réflexion S11 est inférieur à -30 dB sur toute la bande. L’unique inconvénient de ces composants

pourrait être leur taille presque trop petite, qui entraîne des difficultés d’ordre pratique lors du prototypage (positionnement précis et soudure).

12 _{Pour un composant à 2 ports, S}

Chapitre 2

Fig. 2.23 : Pertes d’insertion et phase en transmission des capacités ATC 520L

2.5.2.2 Inductances

Le second type de composant passif utilisé a une fonction inverse aux capacités : bloquer les courants haute fréquence tout en permettant le passage du DC. Il s’agit des inductances ; les critères de sélection sont analogues : le composant doit être aussi petit que possible et la valeur de l’inductance la plus élevée possible. Un autre critère extrêmement important est la tenue en fréquence : il est très délicat d’obtenir des inductances de forte valeur, dont le comportement est stable sur une bande de fréquence large voir ultra large. Par ailleurs, il est également compliqué d’obtenir une inductance de forte valeur pour des fréquences élevées.

Au cours de la thèse deux types d’inductances ont été utilisés. La première est une inductance conique à bande ultra large de la société Piconics. Le modèle utilisé est un CC75T, d’une valeur d’environ 7 µH. De manière simpliste, ces inductances coniques sont chargées par un noyau en ferrite, qui permet notamment d’obtenir des valeurs de l’ordre du µH, et leur design conique, « invariant » en fréquence, assure une bande de fonctionnement très large. Un modèle du composant [111] a été utilisé pour en extraire les caractéristiques, et la Fig. 2.24 présente l’isolation, l’adaptation et la phase en transmission de ces inductances.

1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 !0.4 !0.3 !0.2 !0.1 0 Pertes d’insertion (dB) 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5!1.5 !1 !0.5 0 0.5 Fréquence (GHz) Phase (degrés)

Méthodologie de conception d’antennes reconfigurables

Fig. 2.24 : Adaptation et isolation de l’inductance Piconics CC75T

Comme on le voit sur la figure précédente, ces composants ont une isolation excellente, et sont bien adaptés. Par ailleurs, les performances sont identiques jusqu’à environs 40 GHz ; cependant, ils ont un inconvénient majeur : leur taille. En effet, la valeur de l’inductance est très élevée, ce qui se traduit assez directement par une taille importante : ces bobines ont une longueur de 4 à 5 cm. Aux longueurs d’onde où nous avons été amenés à travailler durant la thèse13, la taille du composant est loin d’être négligeable ; cela pose notamment les problèmes de fiabilité des simulations électromagnétiques évoqués précédemment, d’autant plus que ces composants sont fortement métallisés, et chargés par des noyaux en ferrites. Ces composants posent un autre problème, d’ordre plus pratique : ils sont très chers et peu disponibles.

Pour pallier ce défaut, un deuxième type d’inductance a été utilisé. Il s’agit d’une bobine de beaucoup plus petite taille (environ 1x1x1,5 mm), disponible en grande quantité, le modèle 0805 de Fastron. L’inductance est annoncée avec une valeur de 4.7 µH, mais cela n’est vrai qu’à la fréquence de 8 MHz. Comme le montre la Fig. 2.25, on est bien loin de cette valeur aux fréquences auxquelles fonctionnent les antennes étudiées. Un autre inconvénient de ces bobines est qu’elles présentent des résonances parasites, notamment à 2 et 3.7 GHz.

13 _{La fréquence maximale de travail utilisée est de l’ordre de 6 GHz, ce qui correspond à}

une longueur d’onde dans le vide d’environ 5 cm.

2 4 6 8 10 !1.5 !1 !0.5 0x 10 !4 Fréquence (GHz) S11 (dB) 2 4 6 8 10!150 !100 !50 0 Isolation (dB)

Chapitre 2

(a) (b)

Fig. 2.25 : Adaptation (a), isolation (a) et phase en transmission (b) de l’inductance Piconics CC75T

1.5 2 2.5 3 3.5 4 !3 !2 !1 0 Fréquence (GHz) S11 (dB) 1.5 2 2.5 3 3.5 4!30 !20 !10 0 Isolation (dB) 1.5 2 2.5 3 3.5 4 !20 0 20 40 60 80 100 Fréquence (GHz) Phase (degrés)

Méthodologie de conception d’antennes reconfigurables

2.6 Conclusion

Dans ce chapitre on a introduit les problématiques spécifiques liées aux antennes reconfigurables, qui sont dues à l’ajout de composants actifs au sein de la structure même de l’antenne. En restreignant le cadre de notre étude aux antennes reconfigurables en fréquence, mono-accès, nous avons présenté les méthodes utilisées au long de la thèse permettant, en partant d’une géométrie d’antenne classique bien choisie, de modifier cette dernière par ajout de structures résonantes qui sont ensuite rendues reconfigurables par ajout de composants actifs.

Un modèle pour l’ajout de ceux-ci au sein d’une structure rayonnante a également été proposé, ainsi que des techniques permettant l’obtention des caractéristiques des composants introduits. Enfin, les problèmes créés par les circuits d’alimentation ont été détaillés, ainsi que des moyens pour limiter leur impact sur le comportement global de l’antenne.

Le développement de ces méthodes, qui s’est poursuivi tout au long de la thèse, représente une partie importante des travaux, dans la mesure où des méthodes pour simuler de manière précise et efficace les antennes reconfigurables sont très peu détaillées dans la laittérature scientifique. Il s’est avéré cependant essentiel de bien définir et comprendre ces modèles, et surtout leurs limites puisque les résultats présentés dans les deux prochains chapitres en sont les applications directes.

Chapitre 3

Conception

et

optimisation

d’antennes

PIFA

reconfigurables

3.1 Introduction

Le chapitre précédent a permis d’introduire une méthodologie de conception d’antennes reconfigurables, prenant en compte les spécificités de ces dernières et qui est appliquée, dans ce troisième chapitre, à la conception d’antenne PIFA reconfigurables. Il s’agit d’antennes a priori à bande passante instantanée étroite, particulièrement adaptées à une utilisation dans un terminal mobile, première application envisagée au cours de la thèse.

Par ailleurs, on fait appel à plusieurs reprises dans ce chapitre à des processus d’optimisation, qui permettent d’améliorer les performances des antennes considérées ou de faciliter leur conception. L’optimisation d’antenne relève à la fois de la physique, des mathématiques et de l’informatique. Les différentes méthodes d’optimisation utilisées au cours de la thèse sont présentées dans ce chapitre, et l’accent est porté sur la construction des fonctions de coût utilisées ; en effet dans la mesure où des outils d’optimisation commerciaux ont majoritairement été employés, c’est la fonction de coût qui permet de diriger le processus d’optimisation et elle est le point d’interaction entre celui-ci et l’utilisateur.

Au travers de ce chapitre on montrera l’évolution de la démarche de conception des antennes PIFA développées lors de la thèse ainsi qu’une amélioration progressive des méthodes d’optimisation. On commencera par introduire une antenne PIFA simpliste, qui comporte un nombre très important de composants actifs et représente le point de départ de notre étude. La grande variabilité de cette antenne permet d’envisager un comportement flexible et potentiellement prometteur ; cependant, sa grande complexité et son caractère très académique, au sens d’un manque de réalisme des modèles utilisés, tendent à la rendre pratiquement irréalisable. Le prototypage et la mesure des antennes conçues restant une

Conception et optimisation d’antennes PIFA reconfigurables

développement d’une antenne PIFA ne comportant qu’une paire de composants actifs. Le faible nombre de configurations en résultant, et partant le nombre de degrés de libertés disponibles, rendent nécessaires une optimisation fine de l’antenne, dans le but d’exploiter au maximum chacune des configurations disponibles. Cependant, au terme de l’étude de cette antenne comportant seulement deux composants, il est apparent que le nombre limité de configurations disponibles est trop restrictif pour l’obtention du comportement souhaité, à savoir quatre modes de fonctionnement aussi séparés que possible, ce qui sera explicité ultérieurement. Par suite, le présent chapitre s’achève par l’introduction d’une antenne PIFA comportant un composant actif supplémentaire, soit au total trois, ce qui double effectivement le nombre total de configurations disponibles et permet d’obtenir des résultats plus proches des objectifs fixés.

Chapitre 3