Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse sont consacrés à l’utilisation de la troisième dimension dans la conception d’antennes pour, d’une part, mieux comprendre l’intégration d’un élément rayonnant dans un système et les effets de sa mise en cavité, et d’autre part, pour concevoir une antenne performante pour les communications UWB entre 3 et 6 GHz.
Dans le premier chapitre, nous avons étudié les effets d’une cavité métallique sur une antenne simple qu’est un dipôle parallèle à un plan réflecteur. Certains phénomènes ont été mis en évidence comme la génération de nouvelles résonances permettant un élargissement de la bande passante en impédance, l’augmentation du gain vers l’avant et la réduction du rayonnement arrière.
Le tableau suivant rappelle les résultats obtenus pour deux structures “dipôle + cavité” que nous avons étudiées :
Gain maximal sur la bande passante sans les murs de la cavité
(plan réflecteur uniquement)
7 dB 6.3 dB
Gain maximal sur la bande passante avec les murs de la cavité
9.9 dB 9.5 dB
L’utilisation d’une cavité lors de l’intégration du dipôle au-dessus d’un plan réflecteur est donc très avantageuse.
Le rôle prépondérant des murs de la cavité parallèles au plan E, c’est à dire parallèles au dipôle, a été montré aussi bien au niveau de l’impédance que du rayonnement.
Deux modèles simplifiés du système “dipôle + cavité” ont également été proposés. Ils permettent de réduire le temps de calcul de l’impédance et peuvent donc être mis à profit dans un logiciel d’optimisation.
En adoptant un autre point de vue, ces deux modèles peuvent également être considérés comme des antennes à part entière, c’est pourquoi leur rayonnement a été étudié. Nous
Dans le deuxième et le troisième chapitres, nous utilisons la troisième dimension pour concevoir une antenne compacte, directive pouvant être intégrée dans un système de communications UWB.
Nous nous sommes orientés vers les antennes microruban avec substrat épais, de faible permittivité, c’est à dire de l’air, et alimentées par une sonde coaxiale traversant le plan de masse. Celles-ci présentent en effet une large bande passante, un diagramme de rayonnement directif et une bonne isolation entre le circuit et la partie rayonnante. Après une présentation des différentes solutions existantes dans la littérature, nous avons choisi comme point de départ celle qui rassemblait le plus grand nombre des critères que nous recherchions.
Cette antenne est constituée d’une sonde en forme de F alimentant par couplage électromagnétique un élément rayonnant rectangulaire situé au-dessus d’un plan de masse.
Elle présente une large bande passante en impédance, mais son diagramme de rayonnement n’est pas stable en fréquence.
Nous avons modifié l’antenne pour améliorer ce point en remplaçant le rectangle par un triangle : l’antenne ainsi obtenue est nommée “sonde en F + triangle”. Le fonctionnement de cette nouvelle antenne a ensuite été transposé dans la bande UWB 3-6 GHz.
Une analyse détaillée du fonctionnement de l’antenne en impédance a été proposée et a permis d’élaborer une méthodologie de conception simple, rapide et efficace pour optimiser la bande passante de cette structure complexe.
Une généralisation de cette méthodologie à d’autres types de sondes telles que les sondes avec trois brins a également été développée.
L’antenne “sonde en F + triangle” ainsi optimisée présente les caractéristiques suivantes : - une bande passante en impédance de 69%, comprise entre 3.0 et 6.1 GHz,
- un diagramme de rayonnement stable en fréquence,
- un gain maximum de 7.6 dB variant de 2 dB sur la bande passante,
- une faible dispersion avec une déviation standard du temps de groupe de 250 ps environ Cette antenne apparaît donc comme une solution particulièrement intéressante et adaptée à un système de communication UWB fonctionnant entre 3.1 et 6 GHz.
De plus, l’utilisation de la technologie de mousse métallisée a permis de proposer un prototype robuste et simple à réaliser.
Le dernier chapitre de ce mémoire est consacré à l’analyse de la mise en cavité de l’antenne
“sonde en F + triangle”, en vue de son intégration dans un système de communication.
Cette étude a permis, d’une part, de généraliser certaines conclusions du chapitre 1 sur la mise en cavité du dipôle telles que la génération de résonances supplémentaires, l’accroissement du gain et le rôle prépondérant des murs parallèles au plan E.
D’autre part, cette étude a fourni des informations sur le comportement de l’antenne lors de son intégration dans un équipement radio. Elle a mis en évidence les zones “sensibles”
autour de l’antenne, dans lesquelles il faut éviter la présence de circuits électroniques, afin de ne pas dégrader les caractéristiques de celle-ci. En dehors de ces zones, l’antenne “sonde en F + triangle” est relativement peu sensible à son environnement.
A partir de ces travaux de thèse, plusieurs perspectives peuvent être envisagées.
Tout d’abord, il paraît intéressant d’étudier l’influence d’autres formes de cavités.
L’utilisation de modèles simplifiés dans un logiciel de synthèse pourrait conduire à la conception de cavités complexes aux performances optimales.
L’étude de la géométrie des sondes d’alimentation peut également prolongée afin d’élargir la bande passante, minimiser la composante croisée dans le plan H, etc…
Enfin, la poursuite des travaux sur la réalisation en technologie mousse métallisée paraît prometteuse. Une métallisation du plan de masse et de la cavité, ainsi qu’une réflexion plus approfondie sur la conception générale, pourraient être envisagées pour minimiser davantage les coûts de fabrication.