Utilisation de surfaces haute impédance

Une autre technique largement décrite dans la littérature s’intéresse aux matériaux présentant une impédance de surface complexe. Ces matériaux permettent généralement de réduire la hauteur des antennes en contrôlant la phase des ondes réfléchies sur le plan de masse réflecteur ou en simulant un conducteur magnétique parfait (surface haute impédance). Initiallement, ces matériaux n’ont pas été proposés sous l’appellation métamatériaux. Cependant, ces méta-matériaux ou méta- surfaces sont à nouveau basés sur le principe de répétition de motifs élémentaires de taille réduite (mushroom, anneaux), ainsi la frontière entre matériaux magnétiques artificiels et surfaces hautes

impédances devient de plus en plus floue. De telles surfaces constituent une alternative à une couche de matériau magnétique pour obtenir une impédance élevée.

L’article suivant illustre parfaitement la convergence de ces nouvelles méthodes de conception de métamatériaux.

Un nouveau type de surface haute impédance (SHI) a été récemment introduit par C.R. Si- movski [53]. Les auteurs de [42] et [43] ont proposé d’utiliser ces surfaces comme matériau magné- tique artificiel pour la conception d’antennes. La nouvelle SHI est simulée et une antenne micro- ruban, dont la cavité a été partiellement remplie par ce composite, est mesurée afin de déterminer dans quelle mesure les dimensions de l’antenne peuvent être réduites.

Figure 1.22 – Géométrie de l’antenne microruban réalisée sur un substrat partiel d’une couche et 3 colonnes de matériau magnétique artificiel.

A première vue, le type de motif utilisé semble similaire à celui introduit par Ikonen [39] mais les conclusions sont littéralement opposées. En effet, un pourcentage de miniaturisation atteignant 40% est annoncé tout en conservant les caractéristiques de la bande passante d’une antenne microruban

λ

2 sur substrat air. Il est donc nécessaire de détailler le comportement spécifique de ce type de

substrat.

A certaines fréquences, les surfaces à haute impédance se comportent comme des couches de matériaux magnétiques effectifs. Les conducteurs magnétiques artificiels ne sont pas similaires aux matériaux magnétiques naturels isotropes. Ceux-ci ne peuvent pas être correctement décrits en termes de perméabilité magnétique. Une formulation est possible pour introduire une perméabilité effective, mais elle sera fortement dépendante de la polarisation et de l’angle de l’onde plane incidente. L’idée développée est donc d’utiliser des matériaux artificiels qui possèdent à la fois les propriété d’un conducteur magnétique artificiel et d’un composite magnéto-diélectrique sur une large bande de fréquence.

Plusieurs antennes de différentes tailles ont été réalisées sur le même substrat en vue d’étudier le comportement fréquentiel du matériau, notamment son efficacité en fonction de la fréquence. De plus, l’élément rayonnant a été placé à différentes hauteurs pour observer l’impact du changement de champ appliqué sur la réponse du matériau. En effet, la hauteur de l’antenne microruban a été

modifiée afin d’obtenir un facteur de miniaturisation maximal. Enfin, les auteurs ont étudié l’impact du nombre de colonnes de cellules. La figure suivante représente l’effet du matériau magnétique artificiel sur différentes géométries d’antenne.

Figure 1.23 – Coefficient de réflexion [42].

Table 1.3 – Paramètres de l’antenne mesurée.

Taille de l’antenne Type de substrat Epaisseur du substrat Miniaturisation

50×50 mm r=2,2 4 mm 19,1% 50×50 mm 1 colonne 4 mm 24,1% 50×50 mm 2 colonnes 4 mm 20,1% 50×50 mm 3 colonnes 4 mm 33% 50×50 mm r=2,2 6 mm 10,9% 50×50 mm 1 colonne 6 mm 15,6% 50×50 mm 2 colonnes 6 mm 21,4% 50×50 mm 3 colonnes 6 mm 25,1% 40×40 mm r=2,2 4 mm 17% 40×40 mm 3 colonnes 4 mm 32% 30×30 mm r=2,2 4 mm 17% 30×30 mm 3 colonnes 4 mm 40%

Ces résultats indiquent que les propriétés magnétiques de ce matériau sont meilleures à des fréquences élevées, plutôt vers 4,5 GHz que 2 ou 3 GHz. D’autre part, ces résultats montrent que l’augmentation du nombre de colonnes n’est pas directement corrélé à l’évolution du pourcentage de réduction de taille. Ceci traduit l’importance d’une bonne répartition spatiale du matériau, à savoir dans les zones où la distribution de courant surfacique est élevée (1.3). Les auteurs se sont également attachés à déterminer la perméabilité effective du matériau magnétique artificiel établi à partir d’une surface à haute impédance. Compte tenu des remarques faites sur la dépendance spatiale des propriétés du substrat, les valeurs obtenues sont à prendre avec précautions Ils en déduisent les valeurs de perméabilité pour une antenne de 30 mm2 suivantes µr=1.575 et µr=2.43

respectivement pour 1 colonne et 3 colonnes.

Les auteurs Mosallaei et Sarabandi ont proposé un concept d’une nouvelle surface à impedance reactive (RIS) comme substrat pour antenne planaire. Ce substrat permet de miniaturiser la taille de l’antenne et signifitivement augmenter à la fois la bande passante et son efficacité. Pour pro- duire une surface présentant des caractéristiques d’impédance réactive, une structure périodique d’éléments résonants imprimée sur un diélectrique métallisé sur une face a été concue.

Le prototype réalisé est composé de deux couches indépendantes fabriquées séparément sur un substrat céramique. Le matériau diélectrique utilisé pour le substrat de l’antenne est une silicate de magnésium Trans-Tech D-6, plus connu sous le nom de Forsterite alors que le substrat RIS est fait en titanate de magnesium calcium Trans-Tech MCT-25.

Figure 1.24 – Fabrication de l’antenne microruban sur substrat RIS (a) Silicate de magnesium et blocs de titanate de calcium de magnesium métallisés et imprimés (b) Antenne assemblée.

(a)

(b)

Figure 1.25 – (a) Evolution du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence (b) Diagramme de rayonnement.

Ainsi, une antenne microruban en ₁₀λ imprimée sur substrat RIS, comme le montre la figure 1.25, possède les caractéristiques suivantes, BW = 6.7% , G = 4.5 dBi et une efficacité de rayonnement de 90%. En dessous de sa fréquence de résonance, le substrat RIS affiche un comportement inductif, ainsi, si la fréquence de résonance de l’antenne est inférieure à celle du substrat alors il atténue les propriétés capacitives de l’antenne. La capacité de la surface à stocker de l’énergie magnétique compense l’énergie électrique emmagasinée en champ proche par l’antenne sous sa fréquence de résonance et par conséquent contribue à réduire sa taille, et ce, en dépit d’une amélioration de ses performances par rapport à une antenne microruban conventionelle.

Enfin, le dernier exemple de miniaturisation d’antennes proposé s’attache plus particulièrement à réduire l’épaisseur d’une antenne dipôle planaire large bande [54]. L’absence de contrainte d’en- combrement surfacique permet aux auteurs de satisafaire simultanément des exigences de faible épaisseur, de directivité et de large bande. Ils répondent dès lors au besoin croissant de transmission haut débit tout en minimisant les radiations arrière. Le prototype développé consiste en un dipôle de type noeud papillon plaqué sur une surface à haute impédance. La surface haute impédance réalisée comporte un grand nombre de charges localisées permettant la suppression de forts cou- rants présents en bordure de plan de masse. La figure 1.26 présente le prototype et son coefficient de réflexion.

(a)

(b)

Figure 1.26 – (a) Antenne dipôlaire sur HIS (b) Evolution du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence.

L’antenne faible épaisseur ₂₀λ introduite affiche une adaptation d’impédance correcte et un gain maximum variant de 3.3 dB à 9.35 dB sur une gamme de fréquence allant de 3.2 GHz à 5 GHz.