Il existe un nombre très important d’antennes de types différents, possédant chacune leurs caractéristiques propres, ce qui fait qu’elles sont adaptées à des applications aussi différentes que la télécommunication, la radio-identification (radio frequency identification ou RFID) ou encore le GPR qui nous intéresse plus particulièrement.
Du fait des besoins spécifiques du GPR, tous les types d’antennes ne peuvent pas être utilisés. Classiquement en effet, les applications d’imagerie EM (du sous-sol ou médicale) se basent sur l’étude des réflexions des ondes EM sur les différentes interfaces constituant le milieu étudié. On recherche ainsi des antennes qui puissent transmettre fidèlement (sans déformation) un pulse EM court (de l’ordre de quelques nanosecondes) dans le domaine temporel, tout en limitant le plus possible les réflexions parasites internes à l’antenne qui peuvent venir bruiter le signal, et masquer les réflexions recherchées.
Ce besoin d’une réponse temporelle courte et ne déformant pas le pulse à transmettre se traduit dans le domaine fréquentiel par le besoin d’une antenne à caractère large bande. De plus, dans certaines antennes, ce ne sont pas les mêmes parties qui rayonnent selon la fréquence du signal. Le « point d’origine » du rayonnement d’une antenne est appelé centre de phase, et si sa position dans l’antenne varie en fonction de la fréquence, cela peut
avoir pour conséquence de disperser le pulse émis puisque selon la fréquence, la distance
parcourue par l’onde EM n’est pas la même (Allen et al., 2007). Ainsi, il est nécessaire
d’avoir dans la mesure du possible un centre de phase constant, ou une variation simple
comme une variation linéaire (Daniels, 2004, 2009).
Enfin, n’oublions pas que les caractéristiques d’une antenne (largeur de bande, gain etc.) sont généralement définies dans l’air (vide). Or, en GPR, l’antenne est posée (on-ground ) ou surélevée (off-ground ) au-dessus d’un sol dont les propriétés EM varient selon sa nature (argileux, limoneux, teneur en eau etc.) et donc l’endroit où l’on se trouve et l’époque à laquelle on réalise la mesure. Cette présence du sol à une influence directe sur les capacités et les caractéristiques d’une antenne qui varient donc selon le sol sur lequel elle se trouve. Dans cette section, nous présentons rapidement les principaux types d’antennes utili-sées classiquement pour des applications GPR, afin d’expliquer le choix fait sur le type d’antenne retenu pour les prototypes construits au laboratoire au cours de cette thèse. Du fait de la très grande variété des différentes antennes existantes, cette présentation
ne peut pas être exhaustive et nous renvoyions à Balanis (2005) pour une présentation
détaillée en la matière.
Enfin, il existe plusieurs manières de classer et présenter les antennes en fonction, par exemple, de leurs différentes caractéristiques (polarisation, largeur de bande etc.), de la manière dont elles sont fabriquées (filaires, imprimées), de leurs formes etc. De plus, il existe un très grand nombre de catégories et sous catégories d’antenne. Ainsi, par souci de simplification, nous avons donc regroupé dans cette présentation les antennes en deux grands groupes selon leur directivité.
Antennes directives à transition progressive
Le principe à la base des antennes à transition progressive (ou tapered ) est de créer une transition lisse d’impédance entre la ligne d’alimentation (comme un câble coaxial par exemple) et le milieu où l’onde EM doit se propager (l’air généralement).
Bien qu’il en existe d’autres, les antennes directives utilisées en radar sont généralement des antennes de type cornet ou Vivaldi, et c’est ces deux types d’antennes que nous allons présenter maintenant.
Antenne cornet : Très tôt les antennes de type cornet ont été utilisées comme antenne
large bande pour les télécommunications (Schantz,2004). Une antenne de type cornet a,
comme son nom l’indique, pour caractéristique principale d’avoir une forme de cornet, c’est-à-dire qu’il s’agit d’un guide d’onde évasé à son extrémité de manière à créer une transition lisse d’impédance entre le guide d’onde et le milieu. L’allure générale de ce type
d’antennes est présentée Figure I.11.
La section du guide d’onde peut avoir différentes formes et est classiquement circulaire ou rectangulaire. La partie évasée de l’antenne est généralement composée de deux ou quatre plans métalliques dont l’élargissement progressif peut avoir une multitude de formes,
comme être linéaire (Shlager et al., 1996), exponentiel (Choi et Lee, 2004 ; Chung et al.,
En plus de la forme des plans métalliques de l’antenne, l’ajout de « nervures » aux antennes
cornet classiques (ridged horn antenna, Figure I.11.D) permet d’améliorer leur largeur de
bande. Les antennes cornet sont régulièrement utilisées en GPR off-ground notamment
(Li et al., 2003 ;Lambot et al., 2004b; Lin et al.,2012 ; Turk et Keskin, 2012 ;Panzner
et al., 2013).
Enfin, du fait de leur forte directivité, ces antennes ne souffrent pas de rayonnement en face arrière (i.e. dans la direction opposée à celle du rayonnement principal), et il n’est donc pas nécessaire de les blinder pour éviter les interactions parasites avec le milieu « extérieur » au sol (arbres, immeubles etc.).
A B
D C
Figure I.11 – Schéma de différentes antennes de type cornet, d’après Balanis (2005).
Il existe cependant deux inconvénients majeurs à l’utilisation de ce type d’antenne. Tout d’abord, du fait de leur forme, elles sont très sensibles à la réflexion qui se produit à l’interface air-sol (réflexions multiples entre l’antenne et le sol) et sont généralement utilisées pour les applications GPR en configuration off-gound, or nous avons vu que c’est en configuration on-ground que nous souhaitons utiliser nos antennes.
De plus, si on veut une antenne capable d’émettre (et recevoir) dans la partie basse fré-quence du spectre EM utilisé en radar (i.e. autour d’une centaine de MHz) le caractère 3D de ce type d’antenne fait que son encombrement la rend difficilement déplaçable sans moyen mécanisé comme un quad. Ainsi, une antenne cornet ayant une largeur de bande entre 200 MHz et 2 GHz mesure typiquement 950 cm de haut, à une emprise au sol de 680 cm x 960 cm et pèse 16 kg (dimensions de l’antenne BBHA 9120 F, de chez Schwarz-beck Mess-Elektronik) !
Enfin, gardons à l’esprit que nous voulons développer une antenne que l’on peut facilement fabriquer au laboratoire. Or, les difficultés de fabrication de ce type d’antenne (nécessité d’un certain usinage) font qu’il est difficile et coûteux de construire une telle antenne.
Antenne Vivaldi : Les antennes Vivaldi sont un type particulier d’antenne à fente progressive ou tapered slot antenna (TSA). Une antenne se compose classiquement d’un
motif rayonnant métallique (triangulaire dans l’exemple présenté Figure I.12) et les
cou-rants électriques se concentrent sur les bords de ce motif rayonnant plus qu’à l’intérieur. Ainsi, un motif rayonnant particulier et son complémentaire (empreinte négative) auront des propriétés similaires (mais une polarisation différente). Une antenne slot se compose « simplement » de l’empreinte négative du motif rayonnant d’une antenne comme illustré
(Figure I.12) pour une antenne « noeud papillon »ou bow-tie (dans le suite de ce
manus-crit, nous garderons l’emploie du terme anglais bow-tie pour parler de ce type d’antennes).
Figure I.12 – Schéma d’une antenne bow-tie (à droite) et de son équivalent slot (à gauche) où le conducteur métallique est représenté en noir.
Tout comme les antennes cornet, les TSA sont des antennes à transition progressive, ce qui veut dire que leur profil s’évase pour adapter progressivement leur impédance à celle du milieu de propagation. De plus, dans le cas des antennes Vivaldi, elles présentent également une forte directivité et une faible polarisation croisée (cross-polarization). En revanche, contrairement aux antennes cornet, les TSA ont une structure 2D (antennes généralement imprimées), ce qui permet une réduction de taille et de poids pour des pro-priétés équivalentes.
Il existe une multitude de forme pouvant définir le profil de transition d’une TSA
(Fi-gure I.13), et on qualifie généralement d’antennes Vivaldi (ou d’exponentially tapered slot
antenna — ETSA) les TSA dont le profil de transition est exponentiel.
Vivaldi
linéaire quelconque
Figure I.13 – Schémas de différents types d’antennes à fente à transition progressive (TSA) où le conducteur métallique est représenté en noir.
largeur de bande illimitée, elle a en réalité une largeur de bande finie du fait de sa taille (finie) et de la transition entre l’antenne et sa ligne d’alimentation.
Afin d’en améliorer cette largeur de bande, Gazit (1988) propose une antenne Vivaldi
modifiée (dite antenne Vivaldi antipodale, Figure I.14), imprimée sur un circuit double
face qui permet une alimentation directement par une ligne asymétrique (comme un câble coaxial) ce qui évite les pertes au niveau de cette transition. Cette amélioration de la largeur de bande dans l’antenne Vivaldi antipodale s’accompagne d’une augmentation de la polarisation croisée, notamment à haute fréquence.
Pour pallier cette dégradation de la polarisation croisée et améliorer encore la largeur
de bande des antennes Vivaldi, Langley et al. (1993, 1996) propose une antenne dite
BAVA (balanced antipodal Vivaldi antenna) où on ajoute une troisième couche métallique par rapport à une antenne antipodale classique, l’antenne devenant ainsi « triple face » (Figure I.14).
Les antennes Vivaldi sont donc large bande, directives, ont une faible polarisation croisée et sont faciles à fabriquer (circuit imprimé). De ce fait, ces antennes sont régulièrement utilisées et développées pour des applications d’imagerie EM telles que l’imagerie médicale
(Bourqui et al.,2007,2010 ; Yang et al., 2008), la détection de mines (Sato et al., 2004 ;
Feng et al., 2009) ou encore la caractérisation des propriétés EM des sols (Liu et Sato,
2011).
Vivaldi Vivaldi antipodale BAVA
Figure I.14 – Schémas de différents types d’antennes Vivaldi, le conducteur métallique de la face supérieure est représenté en noir, celui de la face inférieure (ou interne) est représenté en gris.
Leurs deux inconvénients majeurs par rapport à l’utilisation que nous souhaitons en faire sont les mêmes que ceux des antennes cornet, à savoir l’encombrement, même s’il est moindre que celui des antennes cornet (structure 2D) et l’utilisation off-ground.
Antennes dipolaires omnidirectionnelles
Les antennes omnidirectionnelles large bande sont généralement des dérivés des an-tennes dipôle (ou monopole) classiques. Elles peuvent être élémentaires (structures 3D)
comme l’antenne biconique introduite par Carter en 1939 (Schantz, 2004) ou imprimées
(structure 2D) et peuvent prendre une multitude de formes. Bien que dans le détail, leurs caractéristiques de rayonnement leurs soient propres et dépendent de leurs géométries,
elles restent toutes dérivées du même modèle dipolaire de base et gardent un diagramme de rayonnement globalement dipolaire.
Parmi les schémas d’antennes dipolaires omnidirectionnelles les plus classiquement
utilisés en GPR on trouve l’antenne dite papillon ou bow-tie (Figure I.15). Cette antenne
qui est une version plane de l’antenne biconique de Carter est classiquement définie par l’angle d’ouverture au sommet des triangles qui la composent, angle duquel dépend son
impédance caractéristique et sa largeur de bande (Carrel, 1958 ; Lestari et al.,2010).
En réalité, les triangles composants une antenne bow-tie ont une longueur finie et il existe bow-tie slot
bow-tie bow-tie filaire imprimé
Figure I.15 – Schémas de différentes implémentations d’antenne bow-tie. Le conducteur métallique est représenté en noir.
une rupture brusque d’impédance à la terminaison de l’antenne qui produit des réflexions parasites limitant la largeur de bande de ce type d’antenne. Il existe cependant un cer-tain nombre de techniques de charges (capacitive, résistive, ou les deux) de l’antenne qui permettent de limiter ces réflexions terminales et d’améliorer ainsi sa largeur de bande
(Yarovoy et al., 2002 ;Lestari et al., 2004, 2010 ;Uduwawala et al.,2004).
L’impédance caractéristique des antennes bow-tie varie plus avec la fréquence que leurs équivalents biconiques, ce qui fait qu’il est généralement nécessaire d’utiliser des tech-niques d’adaptation d’impédance large bande pour maximiser la bande passante de ce
type d’antennes (Balanis, 2005). Malgré leurs caractéristiques large bande non idéales et
leur faible gain, la facilité de fabrication et leurs faibles poids et encombrement par rapport à leur équivalent élémentaire font que les antennes bow-tie restent très populaires pour les
applications GPR. Par exemple,Lestari et al.(2010) propose une version filaire imprimée
et chargée d’une antenne bow-tie qui compile en quelque sorte toutes les techniques pour améliorer l’efficacité des antennes bow-tie.
De plus avec l’avènement de la technologie des circuits imprimés, il devient relativement facile d’inclure un circuit d’adaptation d’impédance directement dans le dessin de
l’an-tenne (Tawk et al.,2008) ou encore d’utiliser une version slot plus facilement alimentable
(Yazdandoost et Kohno,2005;Mehdipour et al.,2008). La FigureI.15illustre toute cette
variabilité possible dans l’implémentation des antennes de type bow-tie.
Les antennes de types bow-tie ne sont qu’une des géométries possibles pour les an-tennes omnidirectionnelles dipolaires, et il en existe de nombreuses autres. Par exemple
de gauche de la Figure I.16) qui est également constituée par des triangles isocèles, mais dont la position est inversée par rapport à une antenne bow-tie classique (alimentation par
la base des triangles). Plus récemment,Rejiba et al.(2011b) utilise une antenne de ce type
aux dimensions réduites, spécialement adaptée pour des applications GPR en forages. En cherchant à optimiser la géométrie des antennes de type diamond dipole, on se rend compte qu’adoucir la géométrie du motif rayonnant en arrondissant ses angles permet d’obtenir de meilleures performances large bande en limitant les réflexions parasites aux
extrémités de l’antenne (Gonzalez et al., 2009). Le même constat peut être fait pour les
géométries de type bow-tie et étendue aux géométries dipolaires d’une manière générale
(Karacolak et Topsakal, 2006 ; Qu et Ruan, 2006). D’une manière générale, la
distribu-tion des courants à la surface d’une antenne est responsable de sa capacité d’émettre à une certaine fréquence, mais il est complexe de l’analyser et elle est généralement peu exploitée dans la conception des antennes.
À partir de là, toutes les « fantaisies » sont possibles pour le dessin de la géomé-trie d’une antenne. En se basant sur le caractère multifréquence des motifs fractals par
exemple, Yamini et Soleimani (2005) ou Li et Mao (2012) incluent de tels motifs dans la
géométrie d’antenne bow-tie pour obtenir une antenne aux caractéristiques multibandes. Cependant, du fait de leur caractère multibande (émission sur des bandes de fréquences discontinues) les antennes fractales sont plutôt réservées aux domaines des communica-tions qu’à celui du GPR où l’on cherche une largeur de bande continue.
La figureI.16présente, à titre d’illustration de la diversité des types d’antennes dipolaire,
un certain nombre de géométries régulièrement rencontrées.
Figure I.16 – Schémas de différentes implémentations d’antennes dipolaires. Le conduc-teur métallique est représenté en noir.