Conception et caractérisation d'antennes imprimées pour systèmes Ultra-Large-Bande impulsionnels

Texte intégral

(1)Conception et caractérisation d’antennes imprimées pour systèmes Ultra-Large-Bande impulsionnels Nicolas Fortino. To cite this version: Nicolas Fortino. Conception et caractérisation d’antennes imprimées pour systèmes Ultra-Large-Bande impulsionnels. Autre. Université Nice Sophia Antipolis, 2006. Français. �tel-00455714�. HAL Id: tel-00455714 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00455714 Submitted on 11 Feb 2010. HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of scientific research documents, whether they are published or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés..

(2) UNIVERSITE DE NICE-SOPHIA ANTIPOLIS UFR SCIENCES Ecole Doctorale des Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication Laboratoire d'Electronique, Antennes et Télécommunications. THESE pour obtenir le titre de. Docteur en Sciences de l'UNIVERSITE de Nice-Sophia Antipolis Discipline : Electronique Présentée et soutenue par : Nicolas FORTINO. Conception et caractérisation d'antennes imprimées pour systèmes Ultra Large Bande impulsionnels Thèse dirigée par : Georges KOSSIAVAS (directeur de thèse) Jean-Yves DAUVIGNAC Date de soutenance : 16 Février 2006 Devant le jury composé de : M. A. SHARAIHA. Rapporteur. Professeur à l'Université de Rennes 1. M. A. SIBILLE. Rapporteur. Professeur à l'ENSTA. M. J. R. MOSIG. Examinateur Professeur à l'Ecole Polytechnique de Lausanne. M. N. DANIELE. Examinateur Ingénieur de Recherches au CEA-LETI. M. G. KOSSIAVAS. Examinateur Professeur à l'UNSA. M. J-Y. DAUVIGNAC. Examinateur Maître de Conférences à l'UNSA. M. Ch. PICHOT. Invité. Directeur de recherches CNRS. M. Ch. DELAVEAUD. Invité. Ingénieur de Recherches au CEA-LETI. M. D. HELAL. Invité. Ingénieur de Recherches à ST Microelectronics. M. A. PAPIERNIK. Invité. Professeur Emérite, UNSA. M. R. STARAJ. Invité. Professeur à l'UNSA.

(3) Table des matières Introduction........................................................................................................................................1. Chapitre I La technologie Ultra Large Bande (ULB).....................................................5 I.1 Bref historique de la technologie ULB...................................................................................5 I.2 Les diverses applications de l'ULB.........................................................................................6 I.2.1 Les avantages de l'ULB.......................................................................................................6 I.2.2 Les applications de l'ULB...................................................................................................8 I.3 L'ULB en communication.....................................................................................................11 I.3.1 La réglementation des émissions ULB.............................................................................11 I.3.1.1 L'organisation de l'IEEE 802.15...............................................................................11 I.3.1.2 Définition d'un signal ULB par la FCC....................................................................12 I.3.1.3 Les régulations en cours dans le monde...................................................................13 I.3.2 Les principes de l'ULB en communications impulsionnelles...........................................14 I.3.2.1 Bande passante et capacité de canal........................................................................14 I.3.2.2 L'optimisation du spectre alloué...............................................................................15 I.3.2.3 Les différentes modulations ULB..............................................................................17 I.3.3 Les propositions multi bandes et leurs intérêts comparés.................................................20 I.3.3.1 La solution multibande..............................................................................................20 I.3.3.2 La solution DS-CDMA .............................................................................................22 I.3.3.3 Intérêts comparés des différentes approches............................................................23 I.4 Les challenges en communication ULB................................................................................28 I.4.1 Les limitations intrinsèques..............................................................................................28 I.4.2 La coexistence avec les interférences...............................................................................29 I.4.3 L'estimation du canal........................................................................................................31 I.4.4 Le dessin de l'antenne ULB...............................................................................................32. Chapitre II Les antennes Ultra Large Bande (ULB).....................................................37 II.1 Les antennes indépendantes de la fréquence.....................................................................37 II.1.1 Les antennes équiangulaires............................................................................................38 II.1.1.1 L'antenne spirale logarithmique..............................................................................38 II.1.1.2 L'antenne spirale conique........................................................................................40 II.1.1.3 L'antenne à spirale d'archimède .............................................................................42 II.1.2 Les antennes log-périodiques...........................................................................................43 II.1.2.1 L'antenne log-périodique circulaire........................................................................44 II.1.2.2 L'antenne log-périodique trapézoïdale....................................................................45 II.1.2.3 L'antenne dipôle log-périodique..............................................................................46 II.2 Les antennes élémentaires....................................................................................................48 II.2.1 L'antenne biconique.........................................................................................................48 II.2.2 L'antenne discone.............................................................................................................50 II.2.3 L'antenne papillon............................................................................................................51 II.2.4 Les monopôles plans........................................................................................................53 II.2.4.1 Le monopôle circulaire............................................................................................53 II.2.4.2 Le monopôle triangulaire........................................................................................54 II.2.4.3 Le monopôle trapezoïdal.........................................................................................56 II.2.4.4 Le monopôle papillon..............................................................................................57 II.3 Les antennes à transition progressive.................................................................................58 II.3.1 L'antenne « teardrop »......................................................................................................58 II.3.2 Le cornet coaxial omnidirectionnel ................................................................................59.

(4) II.3.3 Les antennes TSA............................................................................................................59 II.4 Les antennes cornets.............................................................................................................62 II.5 Application aux communications ULB...............................................................................63 II.5.1 Cahier des charges de l'antenne ......................................................................................63 II.5.2 Récapitulatif des caractéristiques des antennes...............................................................64. Chapitre III Conception de nouvelles antennes ULB....................................................69 III.1 Etude de l'antenne papillon................................................................................................70 III.1.1 Choix de l'outil de simulation.........................................................................................70 III.1.2 Dimensionnement de la base d'étude..............................................................................70 III.1.2.1 L'angle d'évasion ou « flare angle ».......................................................................71 III.1.2.2 La hauteur des triangles.........................................................................................72 III.1.2.3 Le choix du substrat...............................................................................................73 III.1.3 Etude paramétrique.........................................................................................................74 III.1.3.1 Influence de l'angle d'évasion................................................................................74 III.1.3.2 Influence de la hauteur des triangles.....................................................................77 III.1.3.3 Influence du substrat..............................................................................................78 III.1.3.4 Antenne papillon optimisée....................................................................................81 III.1.4 Techniques d'alimentation..............................................................................................83 III.1.4.1 Par guide d'onde coaxial........................................................................................83 III.1.4.2 Par ligne CPS.........................................................................................................84 III.1.4.3 Par guide d'onde coplanaire .................................................................................85 III.1.5 Conclusion......................................................................................................................86 III.2 Etude d'un monopôle triangulaire alimenté par CPW....................................................87 III.2.1 Etude de la ligne d'alimentation.....................................................................................87 III.2.1.1 Largeur du guide d'onde coplanaire......................................................................87 III.2.1.2 Longueur du guide d'onde coplanaire....................................................................89 III.2.1.3 Largeur du conducteur central...............................................................................91 III.2.2 Etude des plans de masse latéraux..................................................................................94 III.2.2.1 Largeur des plans de masse latéraux.....................................................................94 III.2.2.2 Épaisseur des plans de masse latéraux..................................................................96 III.2.3 Réalisation du monopôle triangulaire.............................................................................99 III.2.3.1 Adaptation de l'antenne..........................................................................................99 III.2.3.2 Caractéristiques de rayonnement.........................................................................100 III.2.4 Etude du triangle rayonnant..........................................................................................105 III.2.4.1 Insertion d'une ouverture triangulaire.................................................................105 III.2.4.2 Introduction d'effet capacitif................................................................................108 III.2.4.3 Optimisation de la forme de l'ouverture...............................................................111 III.2.4.4 Largeur des triangles supérieurs.........................................................................112 III.2.5 Réalisation du monopôle triangulaire à ouverture........................................................113 III.2.5.1 Adaptation de l'antenne .......................................................................................113 III.2.5.2 Caractéristiques de rayonnement.........................................................................114 III.2.6 Réalisation du monopôle triangulaire à fentes.............................................................118 III.2.6.1 Adaptation de l'antenne........................................................................................119 III.2.6.2 Caractéristiques de rayonnement.........................................................................119 III.2.7 Optimisation du rayonnement .....................................................................................124 III.2.7.1 Forme des plans de masses..................................................................................124 III.2.7.2 Effets sur le rayonnement.....................................................................................125 III.2.8 Réalisation du monopôle triangulaire à fentes et plan de masse replié........................127 III.2.8.1 Adaptation de l'antenne .......................................................................................127 III.2.8.2 Caractéristiques de rayonnement.........................................................................128.

(5) III.2.9 Conclusion....................................................................................................................132 III.3 Etude d'un monopôle elliptique alimenté par CPW......................................................133 III.3.1 Dimensionnement de l'ellipse rayonnante....................................................................133 III.3.1.1 Rayon du disque...................................................................................................133 III.3.1.2 Rapport d'ellipticité..............................................................................................134 III.3.2 Dimensionnement de la ligne d'alimentation...............................................................135 III.3.3 Influence de l'écart entre la ligne d'alimentation et l'ellipse.........................................136 III.3.4 L'antenne réalisée.........................................................................................................137 III.3.4.1 Adaptation de l'antenne........................................................................................137 III.3.4.2 Rayonnement de l'antenne....................................................................................138 III.4 Conclusion..........................................................................................................................142. Chapitre IV Caractérisation temporelle et fréquentielle des antennes ULB......145 IV.1 Validation d'une méthode de caractérisation temporelle..............................................145 IV.1.1 Protocoles de mesures..................................................................................................145 IV.1.1.1 Chaîne de mesures................................................................................................145 IV.1.1.2 Configuration des antennes..................................................................................147 IV.1.1.3 Méthodes de calibration.......................................................................................148 IV.1.2 Traitements des mesures .............................................................................................150 IV.1.2.1 Outils de traitement du signal..............................................................................150 IV.1.2.2 Modélisation du canal de propagation.................................................................154 IV.1.2.3 Calcul de la fonction de transfert des antennes...................................................155 IV.1.2.4 Résultats obtenus..................................................................................................156 IV.1.3 Validation des résultats ...............................................................................................159 IV.1.3.1 Gain de l'antenne..................................................................................................159 IV.1.3.2 Résultats issus de différentes configurations........................................................160 IV.1.3.3 Reconstruction de l'impulsion reçue.....................................................................161 IV.2 Campagne de mesures dans différents plans..................................................................162 IV.2.1 Banc de mesure temporel du CEA-LETI.....................................................................162 IV.2.2 Isolation de la caractérisation d'une antenne................................................................163 IV.2.2.1 Fonction de transfert en émission........................................................................163 IV.2.2.2 Choix de l'antenne étalon.....................................................................................165 IV.2.3 Résultats.......................................................................................................................168 IV.2.3.1 Monopôle triangulaire .........................................................................................168 IV.2.3.2 Monopôle triangulaire à fentes............................................................................170 IV.2.3.3 Monopôle triangulaire à fentes et plan de masse replié à 60°.............................171 IV.2.3.4 Monopôle triangulaire à fentes et plan de masse à double repli ........................172 IV.3 Impulsions rayonnées dans différentes directions..........................................................174 IV.3.1 Génération d'une impulsion de type FCC....................................................................174 IV.3.2 Monopôle triangulaire..................................................................................................175 IV.3.3 Monopôle triangulaire à fentes.....................................................................................176 IV.3.4 Monopôle triangulaire à fentes et plan de masse replié à 60°......................................178 IV.3.5 Monopôle triangulaire à fentes et plan de masse à double repli..................................179 IV.3.6 Comparaison des antennes...........................................................................................181 IV.4 Conclusion..........................................................................................................................182 Conclusion.......................................................................................................................................187 Annexe.............................................................................................................................................191.

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