Types de reconfigurablilité

Comme mentionné précédemment, on peut distinguer trois types de reconfiguration d’antennes : la reconfigurabilité fréquentielle, la reconfigurabilité du diagramme de rayonnement et la reconfigurabilité en polarisation. Plusieurs types de reconfigurabilités peuvent être présents simultanément dans certaines antennes.

 Reconfiguration fréquentielle

La reconfigurabilité en fréquence est sans doute le domaine où nous trouvons le plus d’exemples de réalisations dans les mondes académique et industriel. Présentées comme candidates de choix pour répondre aux besoins des nouveaux standards de télécommunication, ces antennes sont capables de modifier leur(s) fréquence(s) de fonctionnement avec une commande extérieure (électrique, magnétique ou optique), de changer la largeur de leur bande passante, ou encore, de filtrer les signaux (par réjection de fréquences). Dans tous les cas, la reconfiguration fréquentielle est très sollicitée car elle permet, par exemple, l’utilisation d’une même antenne sur plusieurs standards de communication. En effet, les demandes croissantes pour la miniaturisation et la faible consommation énergétique des systèmes communicants d’émission et de réception impliquent le fonctionnement d’une même antenne sur les différentes normes de communication (Wifi, Bluetooth, GSM, LTE…) tout en répondant en même temps aux exigences en termes de qualité d’émission/réception et de consommation énergétique. Les techniques mises en œuvre peuvent être classées selon deux types de variations fréquentielles, discrète (bandes de fréquences séparées ou distinctes) ou continue (transition de fréquences sans saut). Les deux font appel à des technologies permettant de modifier soit les dimensions physiques de l’antenne (via l’intégration de composants et de circuits électroniques accordables), soit les propriétés des matériaux agiles incorporés dans le dispositif. Les principes exploités dans la littérature pour assurer une commutation de fréquence dans une antenne sont variés, néanmoins la façon la plus classique consiste à changer la longueur électrique effective de l’élément rayonnant à l’aide de commutateurs ou de matériaux agiles.

En effet, la plupart des antennes, comme les antennes filaires, patchs, fentes et microruban fonctionnent généralement autour de leur première résonance, fixée par leur longueur électrique effective. Considérons comme exemple une antenne dipôle, la première résonance est produite à la fréquence où la longueur de l’antenne est d’environ une demi-longueur d'onde. Si on veut que l’antenne fonctionne à une fréquence plus élevée, l’antenne sera

raccourcie à la longueur correspondant à une demi-longueur d’onde de la nouvelle fréquence, et le nouveau diagramme de rayonnement aura en grande partie les mêmes caractéristiques que le premier, car la distribution de courants est la même par rapport à une longueur d’onde. Le même principe s’applique aux antennes fentes, patchs et microrubans.

Plusieurs critères peuvent être définis pour quantifier les variations de fréquences sur laquelle une antenne ou un dispositif agile fonctionne. Le plus utilisé est l’accordabilité fréquentielle TR (Tuning Range) ou plage d’accord, usuellement définit comme :

TR [%]=2^{(foh - f0l)}

(f_oh + f_ol)^{x100 (10)}

Avec foh et fol correspondant respectivement aux fréquences d’adaptation haute et basse auxquelles l’antenne (ou le dispositif) peut travailler. Ces fréquences sont normalement identifiées par les minimums du |S11|, dans les bandes fréquences où |S11| < -10 dB. Cependant, quelques publications se basent sur les fréquences maximales (fmax) et minimales (fmin) utilisables par l’antenne (lorsque le |S11| < -10 dB). Dans ce cas, le terme de spectre total TS (Total Spectrum) est utilisé pour faire référence à la plage d’accordabilité plus large du dispositif, et il est définit comme :

TS [%]=2 ^{(fmax - fmin)}

(f_max + f_min)^{x100 (11)}

 Reconfiguration du diagramme de rayonement

Dans une antenne reconfigurable en rayonnement, son diagramme peut être modifié de façon dynamique. Celui-ci peut être modifié selon sa forme, l’ouverture du faisceau ou en directivité, en gain, en pointage (balayage angulaire), pour privilégier ou non certaines directions, selon les caractéristiques souhaitées, et en conservant inchangées les autres caractéristiques de fonctionnement (fréquence, polarisation,…).

Couramment dans la littérature, les changements de diagramme de rayonnement impliquent l’utilisation de réseaux d’antennes, dans lesquelles le rayonnement est donné par la disposition et la pondération des sources, c’est-à-dire, par le facteur de réseau. Ainsi, l’angle de pointage du faisceau global peut être changé avec la création de déphasages entre les sources du réseau. A titre d’exemple, prenons un réseau linaire uniforme de 4 sources (points sur la Figure 6) espacées d = 0,5 λ0. Si on désigne par β la différence de phase entre deux sources successives, la direction de pointage θ0 du réseau sera donnée par la relation:

β = kd sin (θ₀) (12)

Ainsi, un dépointage de 30° peut être obtenu avec l’application d’une différence de phase de 90° entre les sources du réseau [31].

Néanmoins, il reste compliqué de modifier un paramètre de l’antenne sans affecter ses performances qui seront modifiées par la présence d’éléments parasites nécessaires pour obtenir un certain type de reconfiguration. Les commutateurs, les lignes de polarisation, ou les changements de structure de l’antenne nécessaires parfois pour produire des modifications de diagrammes de rayonnement sont liés de manière étroite à l’impédance d’entrée du dispositif antennaire. Dans certains cas, un type spécifique d’antenne est sélectionné (tel que les antennes à réflecteur ou à couplage parasite) de sorte que l'entrée (l’alimentation) soit bien

isolée de la partie reconfigurée de la structure, permettant aux caractéristiques fréquentielles de l’antenne de rester relativement inchangées pendant que son diagramme de rayonnement peut être reconfiguré.

Figure 6 : Réseau d’éléments déphasés pointant dans la direction θ0 [31].

 Reconfiguration de la polarisation

Le dernier type d’agilité est la reconfigurabilité en polarisation. Elle consiste à modifier uniquement l’orientation vectorielle du champ E, tout en gardant la même fréquence de fonctionnement et les mêmes caractéristiques de rayonnement de l’antenne. La direction du flux de courant sur l'antenne se traduit directement par la polarisation du champ électrique. Afin de modifier la polarisation circulaire ou linéaire d’une antenne, le sens ou la phase des courants circulant sur la surface de l’élément rayonnant doivent être modifiés sans altérer leurs amplitudes pour ne pas perturber le reste des paramètres de l’antenne. Ainsi, pour obtenir une reconfigurabilité en polarisation, la structure de l’antenne, les propriétés des matériaux ou la configuration de l’alimentation doivent changer de manière à modifier la façon dont les courants circulent sur l’antenne.

L’intégration d’antennes agiles en polarisation est très répandue dans les communications par satellite, les applications militaires et civiles. En effet, la diversité de polarisation permet d’atténuer l’influence induite par des trajets multiples et de contourner les défauts d'alignement entre l’émetteur et le récepteur.

De nombreuses études ont été menées pour réaliser une telle reconfigurabilité, en utilisant différentes techniques et méthodes. La méthode la plus classique pour modifier la polarisation d’une antenne, consiste à modifier son circuit d’alimentation. Par exemple, un patch carré sera reconfigurable en polarisation si il excité par deux ports en quadrature de phase (Figure 7 (a)) [32], qui exciteront les polarisations linéaires horizontale et verticale. Une autre méthode consiste à créer des perturbations sur l’élément rayonnant du dispositif pour obtenir une polarisation circulaire (Figure 7 (b)). Pour devenir reconfigurable, cette perturbation devra être située sur les deux coins opposés du patch et reliés à l’élément rayonnant par des diodes PIN (Figure 7 (c)). En contrôlant les états (ON/OFF) des diodes et en utilisant différents port d’alimentation, le sens de polarisation alterne entre quatre états distincts autour de 5,8 GHz.

Figure 7 : Antenne patch reconfigurable avec quatre états de polarisation [33].