Soutenance mémoire
Introduction
Dès l’origine, l‟antenne est l‟élément qui est utilisé pour diffuser les ondes électromagnétiques par rayonnement. Elle joue deux rôles réciproques: la transmission et la réception. Ainsi, dans une chaîne de communications sans fil, elle est toujours le premier élément dans une chaîne de réception ou le dernier élément d‟une chaîne d‟émission. Il y a une grande variété de techniques pour réaliser les antennes, chacune d‟elles possède ses propres caractéristiques et sert à une application bien déterminée.
La technologie à ultra large bande (ULB) est une technologie sans fil qui peut être exploitée à très faible densité de puissance pour la communication à des débits de données élevés sur de courtes distances. Elle consiste à utiliser des signaux dont le spectre s’étale sur une large bande de fréquences. On parle souvent d’une bande allant de 500 MHz jusqu’a plusieurs GHz.
La technologie ULB est mise au point à l‟origine pour des applications militaires et on a Commencé à l‟utiliser dans des applications civiles. Puis suscitant un intérêt grandissant au sein de la communauté scientifique et industrielle, elle fut transportée aux applications de télécommunications.
Ainsi, dans ce chapitre, nous allons présenter la technologie ULB et nous nous intéressons aux antennes ULB, qui sont le sujet d‟étude de ce mémoire.
La technologie ultra large bande
Historique
Durant les 3 dernières décennies, pour faire face à l‟encombrement des bandes de fréquences utilisées pour la transmission d‟informations, on a essentiellement cherché à réduire la largeur de bande nécessaire pour transmettre ces informations avec un taux derreurs acceptable. Ce n‟est que récemment :une dizaine d‟années – que le concept d‟ultra large bande a retrouvé un intérêt principalement suscité par le développement des transmissions à courte distance. Si le terme « ultra large bande » est relativement récent – une dizaine d’années- le concept lui même est par contre bien plus ancien.
Dans les années 60, Ross et Bennett [1] étudient pour la première fois la propagation d’ondes électromagnétiques d’un point de vue temporel plutôt que d’un point de vue fréquentiel. Dans leur publication, apparaissent pour la première fois, des applications liées à cette nouvelle technique telle les communications et les radars.
Dans les années 1970-1994, la majorité des travaux vise à améliorer certains soussystèmes de cette nouvelle technique. A cette époque, on lui donne plusieurs noms: technologie « sansporteuse », ou en « bande de base » ou encore technologie « impulsionnelle ».
C‟est en 1989 que le terme ultra large bande apparaît dans une publication du ministère de la Défense aux Etats-Unis. Les travaux concernant cette technologie sont effectués, pour la plupart, dans le cadre de programmes confidentiels américains (militaires).
En 1994, la confidentialité des travaux liés à l’ultra large bande est levée. La recherche se Développe de façon importante aussi bien dans l‟industrie que dans les universités.
En 2002, la FCC (Federal Communication Commission) [2], l‟organisme de régulation des communications américain, réglemente l’Ultra large bande: Elle en donne une définition précise, et définit les niveaux de puissance maximale autorisés (- 41 dBm /MHz pour la bande haute).
Définition
La définition de l’Ultra large bande donnée par la FCC en février 2002 est la suivante :
Un signal est dit ultra large bande si
sa bande passante est au minimum de 500 MHz (à -10 dB)
sa bande passante relative est supérieure à 0.2:
Où fh et fl désignent respectivement les fréquences limites basses et hautes du spectre de signal, fréquences prises -10dB. Les deux conditions ne sont pas forcément remplies en même temps.
La plupart des concepteurs de systèmes ULB adoptent une autre définition, à savoir une bande passante à – 10 dB supérieure à 1.5 GHz (ou une bande passante fractionnelle supérieure à 0.25 par rapport à la fréquence centrale du système). Un exemple pratique est un système radio centré à 2 GHz, de bande passante, à -10 dB, de 1.6 GHz [1].
Depuis février 2002, la FCC a alloué le spectre de 3.1-10.6 GHz pour l’utilisation de l’ULB sans licence.
Réglementation de l’ULB dans le monde
Les systèmes ULB opèrent sur une largeur de bande très grande (quelques GHz). Cette grande largeur de bande coexiste avec d‟autres utilisateurs et d‟autres systèmes de communications. Bien que la puissance d‟émission de ces signaux soit très faible, l‟ULB doit tout de même respecter la réglementation. De plus l‟une des principales particularités de l‟ULB est l‟absence de licence pour accéder à la bande ULB, ce qui permet de produire et d‟accéder au contenu librement et à moindre coût. Néanmoins les réglementations prises autour des signaux ULB varient d‟une zone géographique à une autre. Dans la suite nous présentons les réglementations de l‟ULB dans le monde.
Etats-Unis
Le masque réglementaire de l‟ULB aux Etats-Unis a été défini par la FCC. Le masque d‟émission décidé par la FCC a été présenté sur la figure I I.1. Pour les applications de communications et celles de localisation, une émission de signaux avec une puissance moyenne maximale isotropique rayonnée de -41.3 dBm/MHz sur la bande 3.1GHz – 10.6GHz est autorisée.
Europe
L‟organisme de normalisation de l‟ULB en Europe est l‟ETSI (European Technical Standard Institute). Cet organisme travaille en collaboration avec le CEPT (European Conference of Postal and Télécommunications Administration) qui a pour rôle d‟étudier l‟impact des systèmes ULB sur les systèmes qui existent déjà et de prendre la décision sur les réglementations du spectre [3] . Par rapport à la réglementation américaine, une proposition plus restrictive a été adoptée par le CEPT en mars2006 [4].
Le masque d‟émission proposé par l‟ECC (Electronic Communication Committe) est décrit sur la figure II.2 Cette première décision limite l‟émission de signaux ULB à la bande 6 GHz– 8 .5 GHz avec une DSP de -41.3 dBm/MHz sans techniques de mitigations (technique d‟atténuation d‟émission afin de protéger des perturbations entre systèmes environnant) pour ces dispositifs.
Néanmoins dans la bande 4.2 GHz – 4.8 GHz, une autorisation a été validée par l‟ECC, permettant aux équipements introduits avant le 31 décembre 2010 d‟émettre à -41.3 dBm/MHz.
Pour les équipements ULB dans les véhicules ou les trains, un contrôle de puissance est Nécessaire avec une marge de 12 dB par rapport à la puissance maximale autorisée dans les bandes 4.2 GHz – 4.8 GHz et 6 GHz – 8.5 GHz. Si ce contrôle n‟est pas respecté alors la puissance à bord des véhicules est limitée à -51.3 dBm/MHz [9]. Concernant les mécanismes de restrictions, ils ont pour objectif d‟assurer la cohabitation des systèmes ULB avec d‟autres systèmes radio comme le WiMAX ou la 4G.
Asie
En Asie, au Japon, le MIC (Ministry of international affairs and communications) a proposé en 2006 l‟émission de signaux ULB sans licence. Tout comme la FCC, une réglementation autorisant l‟émission à -41.3 dBm/MHz pour les équipements ULB est imposée. La figure II.3 présente le masque d‟émission au Japon. Le Japon a repris les modèles européens en appliquant certains des techniques de mitigation adoptée en Europe pour la bande 3.4 GHz – 4.8 GHz. De plus, une « phased approach » sur la bande 4.2 GHz-4.8 GHz a été appliquée tout comme en Europe. Cette approche permettait jusqu‟en 2008 l‟introduction et la commercialisation d‟une première génération d‟équipements sans aucune technique de mitigation [7].
Notons que les réglementations imposés par l‟Europe, les Etats Unis et l‟Asie ont une bande commune, la bande 7.25 GHz – 8.5 GHz, sans aucune technique de mitigation et qui permettra à terme de rendre les systèmes complètement nomades d‟un continent à l‟autre.
Techniques de transmission pour l’ULB (standardisation)
L’institut pour les ingénieurs électriques et électroniques (IEEE) est un organisme de normalisation qui aide à établir des normes telles que le Wifi et le Firewire pour l’industrie de l’électronique destiné au grand public.
Dès 2002, un processus de standardisation a été mis en place aux Etats-Unis dans le cadre de la norme IEEE 802.15.3a, parallèlement au processus de réglementation. L‟IEEE a établi le groupe d‟étude de la norme 802.15.3a afin de définir un nouveau concept de couche physique pour les applications à haut débit et à courte portée.
Différents types d’applications de l’ultra large bande
En février 2002, la FCC a défini trois types d‟applications pour l’ULB [7] , les bandes de fréquences pour ces applications sont figure I I.4 :
On remarque également l’utilisation de l’ULB dans tous les types de construction d‟appareils figure II.5 allant des applications radars dans l’automobile jusqu’à l’aviation (altimétrie de précision). Un grand intérêt et une grande demande sont portés sur l’ULB par les militaires et les industriels pour la localisation d’objets de petites dimensions demandant ainsi de très courtes impulsions pour de meilleures résolutions avec un taux d’erreurs assez faible [4].
Avantages et inconvénients de l’Ultra Large Bande
Débit important pour un Wireless Local Area Network (WLAN).
Bonne capacité de pénétration dans les murs et obstacles.
Précision temporelle élevée.
Possibilité d‟une architecture commune pour les applications de communications, de Localisation et de radar.
Réduction des évanouissements causés par les trajets multiples.
Consommation électrique maitrisable.
Un des inconvénients lié à l‟utilisation de cette technique de communication tient au fait que les fréquences utilisées sont déjà employées par d’autres systèmes, ce qui rend possible l‟existence d‟interférences [9].
Finalement, le domaine des communications sans fil est celui qui est le plus ambitieux pour la technologie ULB. Il est indispensable de s’intéresser aux antennes ULB qui sont le principal sujet d’étude de ce travail.
Caractérisations des antennes imprimes pour application ULB
Caractéristiques des antennes
Les antennes sont caractérisées par différents paramètres qui sont classés en deux groupes. Le premier groupe s‟intéresse à ses propriétés de rayonnement et le second groupe caractérise l‟antenne comme un élément de circuit électrique.
Caractéristique électrique
Impédance d’entrée
C‟est l‟impédance vue du coté de la ligne d‟alimentation au niveau de l‟antenne, elle est donnée par:
Etude de l’antenne patch
Définition
Une antenne à éléments rayonnants imprimés, communément appelée antenne patch, est une ligne microruban de forme particulière. Elle se compose d‟un plan métallique de masse et d‟un substrat diélectrique dont la surface porte un ou plusieurs éléments [10] comme présenté dans la figure I I.7.
Les antennes micro ruban présentent de nombreux avantages comparés aux antennes micro-ondes classiques et leurs applications couvrent le large domaine de fréquence : 100 MHz à 100 GHz. Certains avantages sont les suivants :
Faible poids, encombrement réduit, configurations conformes possibles
Faible coût de fabrication, production en masse possible
Polarisation linéaire et circulaire pour les télécommunications
Antennes multi bandes, multi polarisations possibles
Compatibilité avec les circuits hybrides et MMIC (Microwave Monolithic Integrated Circuit)
Réseaux d‟alimentation et d‟adaptation fabriqués simultanément avec l‟antenne.
Mécanisme de rayonnement d’un élément patch
Le mécanisme de rayonnement d‟une antenne patch rectangulaire, se comprend aisément à partir de sa forme géométrique. Lorsqu‟on excite la ligne d‟alimentation avec une source RF, une onde électromagnétique va se propager sur cette ligne puis va rencontrer l‟élément rayonnant (de largeur plus grande que la ligne, donc plus apte à rayonner..). Une distribution de charge va s‟établir à l‟interface Substrat / Plan de masse, sur et sous l‟élément rayonnant.
Nous savons que la propagation des ondes dans une ligne microbande s‟effectue à la fois dans le milieu diélectrique et dans l‟air. Du point de vue modélisation, les deux milieux sont remplacés par un unique milieu effectif caractérisée par une constante diélectrique exprimée par :
Mécanismes d’alimentation
Un problème récurent dans la conception des antennes imprimées concerne le choix de la technique d‟excitation. L‟alimentation par sonde coaxiale est possible mais on préfère souvent utiliser des lignes imprimées qui permettent d‟alimenter plusieurs éléments à la fois notamment dans le cas de la mise en réseau des antennes. Nous distinguerons plusieurs types d‟alimentations dont les principaux sont l‟excitation par sonde coaxiale figure I I.8, par ligne microruban figure I I.9, par proximité figure I I.10 (a), et par couplage à travers une fente dans le plan de masse figure I I.10 (b) [10].
Les antennes imprimées peuvent être alimentées par des câbles coaxiaux. Ce type d‟alimentation peut être avantageux à cause de la simplicité de fabrication. Mais, dans certaines applications, une ligne microstrip est plus appropriée.
Il est prouvé que la résistance d‟entrée d‟une antenne patch rectangulaire conventionnelle présente la même dépendance de l‟alimentation soit avec une sonde coaxiale, soit par une ligne microstrip. Pour une bonne adaptation de l‟antenne,
Certaines études ont montré que le contact entre la ligne micro-ruban ou le câble coaxial doit être à une distance d‟un tiers sur l‟axe de l‟antenne.
Alimentation par proximité
L‟alimentation par ligne imprimée sur le même plan a pour avantage la simplicité de mise en oeuvre. Un seul substrat est utilisé ici, et le choix d‟une encoche qui permet d‟ajuster l‟impédance d‟entrée en pénétrant dans l‟antenne pour l‟adapter à l‟impédance de source.
L‟alimentation par proximité se fait à partir de deux substrats superposés de permittivités différentes. Le substrat supérieur sera choisi de faible permittivité pour favoriser le rayonnement, tandis que le substrat inférieur sera de permittivité élevée de façon à concentre le champ électromagnétique entre la ligne imprimée et le plan de masse.(figure I I.10a)
Enfin, une solution permettant d‟isoler la ligne imprimée d‟alimentation de l‟élément rayonnant consiste à découper une fente dans le plan de masse de façon à coupler la ligne au pavé rayonnant. (figure I I.10b)Cette solution, qui nécessite trois niveaux de métallisation, est attrayante car elle permet d‟intégrer des composants actifs sur la ligne imprimée sans nuire au rayonnement de l‟antenne compte tenu de la présence du plan de masse entre les deux.
Malheureusement, un rayonnement arrière parasite peut apparaître notamment si l‟on travaille à une fréquence proche de la résonance de la fente de couplage[2].
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
Chapiter 1 : Les métamatériaux et leurs applications
I .INTRODUCTION
I.1.Historique
I.1.1 Propagation d’une onde dans une structure périodique
I.1.2 . Domaine micro-ondes
ІІ. LES METAMATERIAUX
ІІ.1. Caractéristiques des métamatériaux
ІІ.2. Origine et développement des métamatériaux
ІІІ .MATERIAUX A INDICE NEGATIFS
ІІІ.1. Approche de Veselago
ІІІ.2. Permittivité et perméabilité négatives
ІІІ.2.1. Perméabilité négative
ІІІ.2.2. Résonateur en Anneau Fendu Complémentaire « RAFC »
ІІІ.2.3. Permittivité négative
ІІІ.2.3. Indice de réfraction négatif
ІV . Conclusion
Chapitre 2 : contexte général sur l’ultra large bande
I. INTRODUCTION
II. LA TECHNOLOGIE ULTRA LARGE BANDE
ІІ.1. Historique
ІІ.2. Réglementation de l’ULB dans le monde
ІІ.2.1. Etats-Unis
ІІ.2.2. Europe
ІІ.2.3. Asie
ІІ.3. Techniques de transmission pour l’ULB (standardisation)
ІІ.4. Différents types d’applications de l’ultra large bande
ІІ.5. Avantages et inconvénients de l’Ultra Large Bande
ІІІ.CARACTERISATIONS DES ANTENNES IMPRIMES POUR APPLICATION ULB
ІІІ.2. Etude de l’antenne patch
IV.1.Mécanisme de rayonnement d’un élément patch
IV.2.Mécanismes d’alimentation
V.Les antennes Ultra Large Bande
V.1.L’antenne spirale conique
V.1.1.Emploi de structures métamatériaux
V.2.Antenne ULB active
V.2.1. Antenne ULB à plusieurs bandes de fréquences rejetées
VI.CONCLUSION
VII. REFERENCES
Chapitre 3 : simulation d’antenne ULB par HFSS
I. INTRODUCTION
II. LE LOGICIEL DE SIMULATION HFSS
ІІ.1. Présentation du logiciel
ІІ.2. Création des projets par HFSS
ІІ.3.Insertion d’une conception de HFSS dans un projet
ІІ.3.1.Dessiner un modèle
ІІ.4.Types de solution dans HFSS
ІІ.5.Excitation d’une structure
ІІ.7.Bande de fréquences
ІІ.8.Génération des rapports
ІІІ.SIMULATIONS ET RESULTATS
ІІІ.1.Structures d’antenne
ІІІ.2.Etude paramétrique
ІІІ.2.1.Effet de la largeur du ligne d’alimentation (paramètre Mf)
ІІІ.2.2.Effet du paramètre g
ІІІ.2.3.Effet de la largeur du rayon de l’élément rayonnant (paramètre R)
ІІІ.2.4.Effet de la largeur de la fente dans le plan de masse (paramètre wc)
ІІІ.2.5.Effet de la longueur de la fente dans le plan de masse (paramètre lc)
ІІІ.3.L’antenne optimisée sans RAFC
ІІІ.3.1. Effet de l’ajout d’un RAFC
ІІІ.3.2. L’antenne optimisée avec RAFC
IV. Antenne avec résonateur en anneau fendu circulaire
IV. 1.Effet du rayon de RAFCC
IV. 2.Effet de positionnement des RAFCC
IV. 3.Antenne optimisé
V.CONCLUSION
VII. REFERENCES
Conclusion generale
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