Chapitre II. Impact de la méthode d'alimentation d'antennes imprimées sur le couplage
2. Conception et optimisation de réseaux d'antennes imprimées off-body à 60 GHz
2.1. Théorie des antennes patch micro-ruban
Une « antenne patch micro-ruban » se réfère à une antenne imprimée de forme variable (rectangulaire, circulaire, triangulaire, annulaire, etc.), gravée sur un substrat diélectrique dont la face opposée est un plan de masse [36].
Les antennes imprimées/patch sont utilisées dans de nombreuses applications, comme pour les communications mobiles ou spatiales. Ces antennes possèdent plusieurs avantages qui font d'elles des solutions très attractives : (1) elles sont discrètes et légères ; (2) elles sont robustes ; (3) leur fabrication est généralement simple et de faible coût ; (4) de plus la mise en réseau de ce type d'antenne est simple [37]. Cependant, ce type d'antennes possède aussi de certains inconvénients comme un gain faible (de l'ordre de 5 - 6 dBi pour un élément unitaire), et surtout une faible largeur de bande passante, généralement en dessous de 5 % de bande passante relative [38].
2.1.2. Alimentation
Il existe plusieurs techniques pour alimenter une antenne patch micro-ruban. Ces techniques peuvent être classées en trois catégories [38] :
(1) les techniques d'alimentation en contact direct avec l'antenne patch, comme dans le cas de l'alimentation par sonde coaxiale (Figure II.13a) ou bien par ligne micro-ruban (Figure II.13b) ;
(2) les techniques où l'antenne est alimentée par couplage électromagnétique avec un élément situé à proximité comme par exemple une ligne micro-ruban enterrée dans le substrat (Figure II.13c) ;
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(3) les techniques d'alimentation par couplage via une fente, elle même excitée par couplage avec par exemple une ligne micro-ruban (Figure II.13d).
(a) (b)
(c) (d)
Figure II.13 - Illustration des techniques d'alimentation possibles pour une antenne patch micro- ruban : (a) alimentation par sonde coaxiale, (b) alimentation par contact avec une ligne micro-ruban, (c) alimentation par couplage avec une ligne micro-ruban enterrée et (d) alimentation par couplage par fente.
§ Alimentation par ligne coaxiale
L'alimentation d'une antenne patch par sonde coaxiale consiste à venir souder au patch une sonde coaxiale traversant le substrat et le plan de masse. L'avantage que procure cette technique d'alimentation est qu'elle permet d'isoler les éléments de traitement de signal comme des filtres ou bien des déphaseurs, minimisant ainsi les rayonnements parasites. Cependant, la complexité de fabrication augmente avec cette technique pour les structures multicouche et les réseaux d'antennes.
§ Alimentation par ligne micro-ruban
La technique d'alimentation par ligne micro-ruban consiste à venir mettre en contact un des cotés rayonnants de l'antenne patch avec une ligne micro-ruban. La fabrication d'une antenne patch avec cette technique d'alimentation est simple, car la gravure du patch et de son arborescence d'alimentation se fait sur la même face métallisée du substrat. En revanche, cette technique induit un rayonnement parasite élevé des lignes d'alimentation susceptible de perturber le modèle de rayonnement de l'antenne.
§ Alimentation par couplage avec une ligne micro-ruban enterrée
Pour alimenter une antenne patch par couplage de proximité, l'arborescence d'alimentation est généralement enterrée dans le substrat, mais elle peut aussi être placée sur la même couche que l'antenne. Le plan de masse et l'antenne patch sont séparés par deux couches de substrat entre lesquelles est intégrée l'arborescence d'alimentation en ligne micro-ruban enterrée. L'avantage de cette technique d'alimentation est qu'elle permet d'avoir des antennes avec une bande passante plus large qu'avec les techniques précédentes en contact direct. Cependant, elle présente en contre
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partie plusieurs inconvénients. Le premier est que le réseau d'alimentation n'est pas complètement indépendant des antennes patch induisant des rayonnements parasites avec des niveaux pouvant être assez élevés. Le deuxième, est que cette méthode nécessite une structure multicouche de substrat qui complexifie la procédure de fabrication.
§ Alimentation par fente couplées
Avec cette technique d'alimentation, l'antenne est séparée de l'arborescence d'alimentation par deux couches de substrats entre lesquelles se situe un plan de masse où est gravée la fente permettant d'exciter le patch par couplage électromagnétique. Un des avantages de cette technique est que l'arborescence d'alimentation est indépendante de la couche d'élément rayonnant, et peut être optimisée séparément. Un autre avantage est que cette technique ne nécessite pas de connexion verticale comme dans le cas de l'alimentation par ligne coaxiale. Cependant, cette technique impose une structure multicouche qui peut avoir un impact important sur les performances de l'antenne en raison de la précision d'alignement entre couches notamment aux très hautes fréquences.
§ Bilan
Dans le cadre d'applications BAN, l'alimentation par ligne coaxiale risque d'induire un encombrement du système d'alimentation important du coté du corps humain. Il a donc été choisi d'exclure cette méthode d'alimentation de notre étude comparative, de même que la méthode d'alimentation par couplage en raison du cumul des inconvénients en termes à la fois de conception et de performances. Sont uniquement conservées les méthodes d'alimentation par ligne micro-ruban et par fente couplée.
2.1.3. Elargissement de la bande passante
La bande de fréquence 60-GHz est une large bande de fréquences libres de droits, comprise entre 57 et 66 GHz en Europe et entre 57 et 64 GHz sur le continent Nord-Américain, soit respectivement 15 % et 12 % de bande passante. Néanmoins, comme nous l'avons déjà précisé, les antennes patch micro-ruban possèdent un inconvénient majeur, qui est une faible largeur de bande passante (entre 1 % et 5 %).
De nombreux travaux ont été consacrés à l'élargissement de la bande passante de ce type d'antennes et ont abouti à plusieurs solutions pour permettre de pallier ce problème tel que : (1) l'augmentation de l'épaisseur du substrat entre l'antenne et le plan de masse : cette solution permet d'avoir des antennes avec des bandes passantes comprises entre 4 % et 6 % [38] ; (2) le couplage avec des patchs parasites (Figure II.14a) : cette solution consiste à venir ajouter dans un même plan des antennes patch aux dimensions légèrement différentes de celles de l'antenne principale, induisant des fréquences de résonance parasites très proches de celles de l'antenne principale permettant d'élargir la bande passante. Elle permet d'obtenir des bandes passantes relatives pouvant atteindre 20 %. Cependant cette technique d'élargissement de bande passante présente plusieurs inconvénients : le premier est que la mise en réseau induit l'apparition de lobes de réseau, le second est que le rayonnement des éléments parasites à tendance a être déformé [36] et le troisième est que l'encombrement augmente ; (3) l'empilement (Figure II.14b) est une technique fréquemment utilisée dans la littérature pour élargir la bande passante d'une antenne patch : il consiste à venir placer au dessus de l'antenne patch principale une seconde antenne gravée sur un substrat dont l'autre face n'est pas métallisée. Cette technique permet d'obtenir des bandes
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passantes pouvant atteindre 30 %, et elle est de plus adaptée à la conception de réseau d'antennes [36]. Cette liste n'est pas exhaustive, et il existe dans la littérature d'autres techniques d'augmentation de bande passante, mais qui peuvent être spécifiques à une méthode d'alimentation donnée comme par exemple les technique à antenne patch à fente [39] qui est spécifique aux méthodes d'alimentation par couplage. Cette technique est difficile à utiliser en bande millimétrique, en raison des contraintes de précision de la technologie imprimée à ces fréquences.
L'augmentation de bande passante apportée par ces différentes techniques n'est cependant pas identique, ce qui nécessite de choisir la technique d'élargissement de bande passante en fonction du pourcentage de bande passante visé. En ce qui concerne la solution à privilégier dans le cadre des applications BAN à 60 GHz, il faut garder à l'esprit qu'elle doit permettre aux antennes de rester compactes. De plus, elle doit aussi être compatible avec la mise en réseau. La technique qui semble la mieux adaptée pour augmenter la bande passante de nos réseaux d'antennes 2 Í 2 à 60 GHz, est la méthode des antennes patch empilées.
(a) (b)
Figure II.14 - Schémas des solutions permettant l'élargissement de la bande passante d'une antenne patch micro-ruban. (a) Technique de couplage avec du patch principal avec des patchs parasites et (b) technique d'empilement d'antennes patch.