D’une antenne passive vers une antenne reconfigurable

2.3.1 Choix d’une géométrie de départ

Il est important de rappeler que parmi les nombreux types de reconfigurabilité présentés dans le chapitre précédent, les travaux menés au cours de cette thèse portent sur la reconfiguration en fréquence des antennes ; par conséquent, la métrique de base est la courbe d’adaptation S11 (ou coefficient de réflexion) de l’antenne. Comme expliqué précédemment,

les travaux menés sont basés sur des géométries d’antennes existantes, qui sont modifiées par la suite. Comment, dans un premier temps, sélectionner une géométrie d’antenne qui semblerait, a priori, permettre l’ajout de fonctionnalités ?

La première contrainte concerne l’application visée, dont découlent directement les dimensions souhaitées ainsi que les fréquences de fonctionnement de l’antenne. Ainsi pour des applications de communication depuis un terminal mobile, on préférera par exemple une antenne de type PIFA, pour son rayonnement limité dans la direction de l’utilisateur et son caractère quasi planaire [78][79][80][81]. Dans le cas d’une antenne placée sur le toit d’un véhicule, on pourrait préférer une antenne avec un grand plan de masse et un rayonnement omnidirectionnel [82]. Ceci est vrai du design de toute antenne, néanmoins, certaines spécificités sont liées à l’ajout de la reconfigurabilité.

La première contrainte concerne la présence ou non d’un plan de masse. En effet, comme nous le verrons plus loin dans ce chapitre, la présence d’un plan de masse de grande taille permet de s’affranchir, dans une certaine limite, des problèmes d’alimentation des composants actifs, et notamment du problème des lignes de polarisation.

La seconde dépend de la bande de fréquence instantanée à laquelle on souhaite travailler : si l’un des modes de fonctionnement de l’antenne requiert une bande instantanée large, voire ultra large, on s’oriente naturellement vers un design large bande ou UWB. S’il n’est pas dans l’optique de ce mémoire de proposer une liste exhaustive des géométries d’antennes UWB existantes, il est néanmoins intéressant de citer quelques types d’antennes actuelles qui semblent de bons candidats à l’ajout de fonctionnalité par reconfigurabilité.

Pour commencer, une des plus anciennes antennes UWB, la LPDA, pour Log-Periodic

Dipole Array (Fig. 2.2), est basée sur une succession de dipôles dont les dimensions sont

calculées afin d’obtenir une invariance d’échelle qui provoque le caractère large bande ; ces antennes ont l’avantage d’être directives [83].

Chapitre 2

45

Fig. 2.2 : Un exemple d’antenne LPDA

Certaines antennes UWB présentent un design purement volumique, comme les antennes bicônes [84] (Fig. 2.3.a). Leur symétrie de rotation leur assure un rayonnement omnidirectionnel autour de leur axe, et leur géométrie autorise une bande passante ultra large (0.85 à 13 GHz à -10 dB). Il en existe des variations monocône, dont un exemple est présenté en Fig. 2.3.b, où un seul cône est placé sur un plan de masse [85]. On peut aussi trouver d’autres antennes à géométrie volumiques, dont le principe de fonctionnement est similaire. Un exemple est donné en Fig. 2.3.c [86].

(a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

$

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

Authorized licensed use limited to: Alain Sibille. Downloaded on May 7, 2009 at 05:44 from IEEE Xplore. Restrictions apply.

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

Méthodologie de conception d’antennes reconfigurables

46

(b)

(c)

Fig. 2.3 : Exemples d’antennes UWB volumiques

Il existe une catégorie d’antennes, également volumiques, mais dont l’élément rayonnant est cette fois planaire. La Fig. 2.4 présente deux exemples parmi les nombreuses variations de ces monopoles UWB sur plan de masse ; leur rayonnement est généralement omnidirectionnel [87][88].

Fig. 2.4 : Exemple de monopoles UWB sur plan de masse

Il existe enfin une grande variété d’antennes planaires, basées sur des monopoles UWB similaires à ceux qui viennent d’être mentionnés, mais positionnés cette fois dans l’alignement de leur plan de masse, ce dernier pouvant être plus ou moins structuré. La Fig. 2.5 en donne quelques exemples [89][90][91].

1200 IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 56, NO. 4, APRIL 2008

Fig. 8. Simulated and measured VSWR of the fabricated modified monocone with a photo of the fabricated modified monocone mounted on a circular 60 cm diameter ground plane.

Fig. 9. Comparison between computed and measured radiation patterns at four discrete frequencies within 3.5:1 bandwidth. The polar plots are split in two half spaces each corresponding to a pattern at specific normalized frequencies shown in the legend. The modified monocone was placed in a finite circular ground plane.

In other words, the circular ground plane acts as a constant current ring radiator that enables radiation in the bottom half space with a null in the direction. As the objective of this paper is to determine the bandwidth that takes into account the radiation pattern stability, the ground plane size effects are further evaluated by a comparison with different quarter-wave monopoles. Specifically, over the operating

Fig. 10. Contour plot of the gain difference between a resonant monopole on a finite sized ground plane and a modified monocone on a diameter ground plane.

bandwidth of the modified monocone determined in Section IV, its ra- diation pattern is compared with that of several resonant quarter-wave thin monopoles modeled on the same fixed size ground plane. The com- parison is conducted in the following manner: for each frequency and over field of view, the system gain is computed using (1) for a modified monocone and a thin-wire resonant quarter-wave monopole both mounted on the same size ground plane. Then the dif- ference in system gain between the two antennas is recorded. The di- ameter of the ground plane was kept at .

A contour plot showing the difference in gain over the 39 field of view between the resonant monopoles and the modified monocone is shown in Fig. 10. As seen, less than 3 dB difference in gain is obtained for all frequencies and all elevation angles of the fabricated antenna. The maximum difference occurs for within

. These results clearly demonstrate excellent monopole- like pattern stability for modified monocone antennas.

VI. CONCLUSION

A method of computing the bandwidth that takes into account the impedance and pattern stability is used to study the wideband proper- ties of several antennas. The lowest and highest frequencies of oper- ation are determined based on the reference values for the minimum system gain over a 39 elevation beamwidth from horizon. This angle is chosen as it corresponds to the 3 dB beamwidth of a thin resonant quarter-wave monopole placed in an infinite ground plane. Thus an an- tenna with a given 2 dBi bandwidth will have a radiation pattern similar to that of the monopole throughout its operating bandwidth. A 0 dBi bandwidth monocone will have gain higher than an isotropic radiator over the entire 39 elevation field of view.

Classical thick monopole and monocones are optimized first; and it is observed that 10.4:1 0 dBi and 3.4:1 2 dBi bandwidths are achiev- able with monocones having cone angles of 59 and 88 , respectively. A simple modification of a monocone is also proposed. For the same height above the ground plane and base diameter, the optimum modi- fied monocone increases the 0 and 2 dBi bandwidths to 20.3:1 and 4.6:1, respectively. The overall volume of a sphere that completely encloses the antenna is reduced by 76% compared to a classical monocone.

Various designer plots are also provided. A test article is fabricated and measurements are used to not only demonstrate the wideband per- formance of a modified monocone, but also validate our results. The Authorized licensed use limited to: Alain Sibille. Downloaded on May 7, 2009 at 05:04 from IEEE Xplore. Restrictions apply.

IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 56, NO. 12, DECEMBER 2008 3855

Fig. 1. Configuration of the eye antenna (a) above flat ground and (b) over shaped ground (modified eye antenna).

The antennas presented in [1]–[6] are quasi omni-directional with unstable pattern with change in frequency. Other antennas such as, the infinite biconical antenna and infinite monocone antenna are omni-di- rectional and frequency-independent but these antennas are very large in size. Discone antenna [7] is a broadband omni-directional antenna in azimuth, but it is not frequency independent. The teardrop antenna, [8], which is smaller in size than the discone antenna is omni-directional in azimuth plane and operates over UWB frequency range, but the gain of this antenna is low (of order 5 dBi) and the radiation pattern is unstable with frequency. This antenna radiates effectively in the elevation from 30 to 70 with the beam position being frequency dependent.

In this communication, a new UWB antenna is presented. The de- sign of this new antenna can be presented in two parts. In the first part a new omni-directional monopole antenna, a monopole which is in the shape of an eye placed above a flat ground plane, for UWB application with bandwidth 3–20 GHz will be presented, shown in Fig. 1(a). This will be referred to as the eye antenna over flat ground plane. Radiation features of this antenna are very similar to that of the teardrop antenna. In the elevation plane, main peak occurs between to

depending on the frequency of operation. To have the main radiating beam position frequency independent over the band 3–20 GHz and achieve higher gain without increasing VSWR ground shaping will be introduced. This leads to a main beam at around 30 , almost frequency independent. This will be referred to as the “modified eye antenna,” shown in Fig. 1(b). These two structures are simulated with commer- cially available packages of Ansoft’s HFSS and CST microwave studio. Fabricated samples are also tested. Results obtained for VSWR, gain and radiation pattern of the designed antennas are provided, compared and discussed.