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Introduction au GNSS
Le GNSS (Global Navigation Satellite System) est l’ensemble des systèmes permettant la géolocalisation par satellites.
Historique A ce jour, il y a cinq systèmes GNSS opérationnels ou en cours de développement dans le monde. Chaque grande puissance mondiale a voulu se doter d’un système qui lui est propre an de ne pas dépendre d’un autre pays (notamment des États-Unis). L’utilité du GNSS est en eet aujourd’hui acquise et primordiale, autant sur un plan stratégique que commercial ou encore pour la sûreté de la vie. Les Étas-Unis ont été les premiers à comprendre la nécessité de tels systèmes et ont été précurseurs sur la mise en oeuvre avec succès d’un système opérationnel et performant : le GPS (Global Positioning System). Lancé dans les années 60 et opérationnel au débuts des années 90, il orait au public une précision de localisation alors volontairement dégradée (de l’ordre de 100 m). Ce n’est qu’après l’intervention de Clinton en 2000 que la dégradation volontaire a été supprimée et que la précision pour le public est passée alors à une dizaine de mètres. C’est cette décision qui va lancer le GPS dans le domaine des appareils électroniques grand public et vulgariser l’utilisation de GPS pour la vie de tous les jours. Le contexte politique pendant la guerre froide incita l’URSS à débuter son propre programme : le GLONASS (Global’naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema). La chute de l’URSS et par conséquent la diminution des budgets alloués au GLONASS, vont cependant fortement nuir au projet et bien qu’il fut entièrement opérationnel sur le territoire russe à la fin des années 90, le système est aujourd’hui seulement partiellement fonctionnel. Il est notamment utilisé par les topographes et les géomètres. A peu près dans le même temps que les Russes, le gouvernement chinois lance aussi son propre système de géolocalisation : BeiDou appelé aussi Compass. Contrairement aux constellations américaines et russes qui sont composées d’une vingtaine de satellites en orbite quasi-circulaire, le programme chinois prévoit l’utilisation de seulement 2 satellites géostationnaires. Les tests montrent que les performances de ce système sont comparables en précision à celles du GPS américain. Ce programme nécessite donc moins de lancements de satellites mais malgré le démarrage officiel au début des années 90, il n’est toujours pas totalement opérationnel. L’Europe plus tardivement s’est lancée dans la course au GNSS avec en 2001 le début du programme Galiléo. L’Europe n’étant pas un pays mais un regroupement de pays, le programme a souert de problèmes de gestion et a par conséquent pris du retard. Il sera a priori opérationnel en 2018. L’Inde est elle aussi en train de développer son système GNSS : l’IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System). Elle prévoit comme les Chinois l’utilisation d’une constellation de satellites géostationnaires [1].
Principe de fonctionnement Le principe de base du GNSS est d’effectuer des mesures de distances et de vitesses radiales entre des satellites de trajectoires connues et des récepteurs de positions inconnues. Ces mesures de distances sont en fait des mesures de temps de propagation du signal entre l’antenne satellite et l’antenne de l’utilisateur. Grâce à ces mesures de distances, tout utilisateur peut déterminer la position et la vitesse de son antenne, et synchroniser un oscillateur local avec la référence de temps du système GNSS, comme indiqué sur la Figure 1.1. Il faut donc connaître :
la position de chaque satellite à l’instant d’émission du signal,
le décalage entre une référence de temps de la constellation GNSS et l’horloge de chaque satellite,
le décalage entre un référence de temps de la constellation GNSS et l’horloge du récepteur.
Les signaux se propageant à la vitesse de la lumière, une erreur de synchronisation de 1 ns sur 1 mesure équivaut à une erreur de mesure de distance de 30 cm. Pour accroître la précision de positionnement qui est l’enjeu des constellations GNSS, il faut minimiser l’impact des perturbations affectant le temps de propagation. Le décalage entre le temps ‘satellite’ et le temps de la constellation GNSS de référence est différent pour chaque satellite ; cela implique que chaque mesure de distance entre le satellite et l’antenne récepteur est donc biaisée différemment. Il est important d’avoir accès à ces décalages temporels de manière précise, sinon cela crée autant d’inconnues que de mesures. Il faut noter que le décalage entre l’horloge du récepteur et le temps GNSS affecte toutes les mesures de la même manière. Cela n’ajoute donc aucune inconnue. En supposant que nous pouvons estimer précisément :
le décalage entre le temps GNSS et chaque temps satellite,
la position de chaque satellite à chaque instant d’émission.
Il n’y a donc que quatres inconnues à estimer : la position 3D (3 inconnues) et le décalage entre temps GNSS et temps récepteur. Pour cela il faut donc un réseau de stations sol qui mesure :
le décalage entre le temps propre de chaque satellite et le temps GNSS,
la position de chaque satellite.
Une fois estimées et modélisées, les informations concernant l’erreur du temps satellite et la position satellite doivent être fournies à l’utilisateur via un modèle dans le signal émis par les satellites. Pour avoir un modèle able et qui puisse être utilisé le plus longtemps possible, les horloges des satellites doivent être très stables (horloges atomiques) et les modèles doivent être mis à jour fréquemment.
Composition du GNSS Pour le bon fonctionnement des programmes GNSS trois parties distinctes sont primordiales. Chaque partie est appelée segment. Il y a donc :
1. Le segment spatial : ce segment est constitué par la constellation de satellites associés au système GNSS. Suivant le programme GNSS, l’orbite des satellites, leur altitude et par conséquent la période à laquelle le même satellite se retrouve au-dessus du même point sont diérentes, voir le Tableau 1.2. Chaque satellite transmet continuellement des messages qui incluent :
l’heure précise à laquelle le message est transmis,
les informations orbitales précises, appelées éphémérides,
l’état de santé général du système et les orbites approximatives de tous les satellites, appelés almanachs.
Pour le GPS chaque satellite contient 3 à 4 horloges atomiques ; ceci permet à long terme une bonne stabilité entre le temps GPS et le temps des satellites.
2. Le segment sol : ce segment est constitué par les stations de contrôle situées au sol. Leur nombre varie suivant le programme, voir Tableau 1.2. Elles servent à piloter et surveiller le système. Elles mettent à jour, entre autre, les informations transmises par les satellites, comme les éphémérides et les paramètres d’horloge, et contrôlent leur bon fonctionnement.
3. Le segment utilisateur : ce segment regroupe tous les utilisateurs qui reçoivent et exploitent les données satellitaires. Ces utilisateurs utilisent des récepteurs GNSS. Chaque récepteur GNSS peut être alloué à un système ; cependant si les bandes de fonctionnement et le codage du signal le permettent, certains récepteurs peuvent être interopérationnels et donc fonctionner pour plusieures constellations GNSS.
Bandes de fréquences GNSS Chaque système GNSS a ses propres bandes de fréquence de fonctionnement. Si nous ne nous intéressons qu’aux constellations dont les informations sont disponibles, la Figure 1.2 montre la répartition des spectres de chaque système. Plus de détails sont donnés dans le Tableau 1.3. Nous remarquons, entre autres choses, que certaines bandes de fréquences sont utilisées par plusieures constellations, ce qui permet l’interopérabilité. Si nous regardons plus attentivement le spectre des bandes autour de la bande L1 du GPS (Figure 1.3), le GLONASS n’a de recouvrement avec aucune des autres constellations, par contre il y a interopérabilité entre le GPS et GALILEO, et entre GALILEO et COMPASS. De plus, chaque système possède plusieurs bandes de fonctionnement. Pour un système donné, chaque bande de fréquence a une utilité propre. Ainsi nous retrouvons une bande pour le grand public, une bande militaire, une bande pour la sûreté de la vie et parfois une dernière bande commerciale. Chaque bande de fonctionnement a des caractéristiques différentes en bande-passante et surtout en précision. Il est classique de n’utiliser dans les récepteurs grand public qu’une seule bande, celle dédiée au grand public qui permet un positionnement moins précis que les autres types de bandes. Avoir un récepteur qui couvre au moins deux bandes a deux avantages :
l’utilisation du récepteur pour plusieurs constellations non interropérables,
l’augmentation de la précision de localisation par la combinaison de signaux provenant de deux bandes ; ceci sera développé dans la section 1.4.
Transmission du signal La transmission du signal du satellite peut être décomposée en trois blocs :
le bloc émetteur, composé par le satellite. Ce bloc ne sera pas décrit dans cette étude. Le signal sortant de ce bloc est donc supposé sans erreur autre que l’erreur due au décalage entre le temps satellite et le temps du système
le bloc récepteur, qui sera détaillé dans le chapitre 1.3,
le canal de propagation, qui est le milieu à travers lequel se propage le signal entre le bloc émetteur et le bloc récepteur. Il sera détaillé dans le chapitre 1.2.
Les techniques de miniaturisation des antennes
Maintenant que l’on a vu la limite théorique de miniaturisation, nous allons voir quelles sont les techniques que l’on peut utiliser pour miniaturiser une antenne donnée. Pour comprendre comment miniaturiser une antenne, il faut d’abord comprendre comment elle fonctionne. Le propre d’une petite antenne passive est d’avoir une fréquence de résonance et de rayonner à cette fréquence de résonance. Grâce au théorème d’équivalence [29], les propriétés de rayonnement d’une antenne peuvent être déduites du calcul de rayonnement de la distribution de courants équivalents électrique et magnétique associée au mode résonant considéré. Un aspect essentiel de la miniaturisation est de conserver les propriétes de l’antenne (diagramme, impédance, polarisation). Les éléments associés à l’antenne (circuit, câble d’alimentation) doivent être également considérés dans la conception de l’antenne s’ils participent au rayonnement. Les courants équivalents associés au mode résonant de l’antenne peuvent être modélisés soit par des méthodes analytiques pour des cas simples (antenne filaire, cornet) soit par des méthodes numériques (résolution numérique des équations de Maxwell). En tous cas, ces courants sont la clef du rayonnement et donc la clef de la miniaturisation. C’est en jouant sur ces courants, ou plus précisément sur le trajet, la vitesse ou la réflexion de ces courants qu’une antenne va pouvoir être miniaturisée. Les techniques de miniaturisation peuvent être classées suivant deux grandes familles :
La miniaturisation par structuration
La miniaturisation par modication du substrat
Chacun de ces deux principes est développé dans ce chapitre dans les grandes lignes et détaillé ultérieurement dans des chapitres indépendants (Chapitre 3 pour le premier principe et Chapitres 4, 5 et 6 pour le second). D’une manière générale, les petites antennes sont résonantes. Elles exploitent la résonance d’un mode EM de la structure correctement excitée. Ces antennes sont alors modélisées à partir de circuit électrique équivalent (CEE) RLC série ou parallèle. Le principe de miniaturisation appliqué à ce modèle consiste à renforcer la capacité et/ou l’inductance équivalente correspondant au mode propre de la structure sans exciter les modes d’ordres supérieurs an d’ajuster la longueur électrique associée au rayonnement. Tout mode supérieur excité sera le siège de courants équivalents qui participent au rayonnement de l’antenne, modiant ses caractéristiques. S’ils ne sont pas rayonnants ils dégraderont de toute manière la bande passante ; c’est pour ça que nous ne voulons pas les exciter. D’un autre point de vue, les petites antennes peuvent être considérées comme des guides d’ondes (ligne de transmission) dans lesquels nous avons une discontinuité spatiale (conditions aux limites) qui crée une résonance qui favorise le rayonnement désiré. De ce point de vue le milieu propagatif peut être considéré par ses constantes diélectriques (permittivité et perméabilité) et sa vitesse de phase en est déduite . Le principe de miniaturisation appliqué à ce modèle consiste à réduire la vitesse de phase pour réduire la longueur physique de l’antenne siège du mode résonant désiré. Nous parlons alors d’antenne à onde lente. Selon le type d’antenne à étudier nous pouvons utiliser l’un ou l’autre des modèles suivant la connaissance des paramètres résonateurs. Ces techniques visent à modifier les paramètres électriques du mode résonant. Le premier modèle est en général mieux adapté à la miniaturisation par structuration ; dans ce cas le FM reste faible. Tandis que le deuxième modèle servira pour des antennes miniaturisées par l’ajout de matériaux constituant l’antenne. Dans ces cas-ci le FM peut être élevé. Les conclusions du chapitre 2 et notamment des auteurs de [14] et [30] s’accordent sur le fait que pour améliorer les performances des antennes miniatures il faut remplir au maximum le volume de la sphère de Chu. Certaines techniques présentées ici utilisent ceci pour améliorer la miniaturisation.
Les antennes large bande
La société Novatel [7] commercialise des antennes GNSS compactes et certaines d’entre elles sont conçues pour fonctionner pour plusieurs bandes de fréquences GPS. Ainsi l’antenne GPS 704x (Figure 2.27) fonctionne sur une bande de 1,15GHz à 1,65GHz. Ses dimensions sont de 18,5×18,5x69mm3 . Elle offre un gain amplifié de respectivement 14, 11 et 11 dB pour les trois bandes L1, L2 et L5. Elle est en polarisation RHCP pour les deux bandes et son diagramme de rayonnement est une sphère dans l’hémisphère supérieur de l’antenne quand celle-ci est à plat. Au vu de la forme de l’antenne sous son radôme (Figure 2.28), cette antenne peut être considérée comme une sorte de spirale ayant subi des modifications pour augmenter ses performances.
Le couplage antenne SHI
Une antenne que nous plaçons parallèlement à la surface verra l’impédance de l’espace libre d’un côté et l’impédance de la surface de l’autre côté. A basse fréquence, la SHI se comportant comme un plan métallique les courants de l’antenne seront par le théorème des images rééchies en opposition de phase à la surface. L’efficacité de rayonnement sera alors très faible. Dans la bande passante autour de la fréquence de résonance de la SHI, l’impédance de la surface sera bien plus élevée que l’impédance de l’espace libre, l’efficacité de rayonnement sera élevée. Comme nous l’avons déjà vu, nous pouvons modéliser la SHI comme un circuit LC en parallèle avec l’antenne. Nous pouvons aussi modéliser le rayonnement en espace libre par une résistance dont la valeur est l’impédance en espace libre. La quantité de puissance dissipée dans la résistance est la mesure de l’efficacité de rayonnement de l’antenne. Le maximum d’efficacité de rayonnement se produit à la fréquence de résonance de la SHI où la réactance de la surface est alors innie. En dehors de la bande passante de la SHI, les courants à la surface annulent les courants de l’antenne et le rayonnement est réduit.
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Table des matières
Introduction générale
1 Le GNSS et les spécications techniques des antennes associées
1.1 Introduction au GNSS
1.1.1 Historique
1.1.2 Principe de fonctionnement
1.1.3 Composition du GNSS
1.1.4 Bandes de fréquences GNSS
1.1.5 Transmission du signal
1.1.6 Positionnement
1.2 Canal de propagation, estimation des retards
1.2.1 Antenne satellite
1.2.2 La propagation en espace libre
1.2.3 La propagation dans l’atmosphère
1.2.4 Les trajets multiples
1.2.5 Les interférences
1.3 Le récepteur
1.4 L’antenne réceptrice
1.5 Cahier des charges GNSS « idéal » pour une antenne
2 La miniaturisation d’antennes
2.1 Introduction et définition
2.1.1 Taille des antennes
2.1.2 Facteur de qualité
2.1.3 Facteur de miniaturisation
2.1.4 Taille du support d’antenne/plan métallique
2.2 Limites théoriques de la miniaturisation d’antennes
2.3 Les techniques de miniaturisation des antennes
2.3.1 Miniaturisation par structuration
2.3.2 Miniaturisation par ondes lentes
2.4 Antenne GNSS miniature
2.4.1 Les antennes mono-fréquence
2.4.2 Les antennes large bande et multibandes : définition et état de l’art
2.5 Conclusions
3 La miniaturisation par ondes lentes
3.1 Principes théoriques
3.1.1 Les antennes Hélices
3.1.2 Outils de simulation
3.2 L’Antenne Hybride Compacte
3.2.1 Circuit Electrique Equivalent de l’antenne
3.2.2 Diagramme de dispersion, dimensionnement de Ls
3.2.3 Le rayonnement
3.2.4 Excitation
3.3 Mesures
3.3.1 Réalisation de l’antenne
3.3.2 Caractéristiques de l’antenne composite en mesures
3.4 Intérêts et Limites de l’antenne
3.4.1 Intégration
3.4.2 Taille du plan métallique
3.4.3 Comparaison des performances par rapport à celles d’un patch des récepteurs commerciaux
3.4.4 Limites et perspectives
3.4.5 Antenne miniature autodirective
3.5 Conclusions
4 La surface Haute Impédance
4.1 Généralités
4.1.1 Analyse des réseaux périodiques
4.1.2 Coefficient de réflexion
4.1.3 Rapport bande passante/taille
4.1.4 Protocole de simulations
4.1.5 Mesures des SHI
4.2 Motif maximisant le rapport bande passante/taille
4.2.1 Cellule SHI avec ou sans via
4.2.2 Circuit Electrique Equivalent amélioré d’une cellule SHI
4.2.3 Résultats de simulation
4.2.4 Comparaison avec les cellules de la littérature
4.3 La SHI bi-bandes
4.3.1 La cellule bi-bandes
4.3.2 Simulations de la cellule bi-bandes
4.4 Réalisation de la SHI
4.4.1 Réalisation des capacités localisées de chaque motif
4.4.2 Réalisation du motif bi-bandes
4.5 Conclusions
5 Caractérisation de l’ensemble « antenne + SHI »
5.1 Généralités
5.1.1 Schéma de l’ensemble « antenne + SHI »
5.1.2 Le couplage antenne SHI
5.1.3 Simulations électromagnétiques
5.1.4 Les Baluns
5.1.5 les techniques de mesure
5.1.6 Résultats de mesures
5.2 Le couplage « antenne SHI »
5.2.1 Problématique
5.2.2 Simulations pour le mono-bande
5.2.3 Simulations couplage antenne/ SHI bi-bandes
5.2.4 Hauteur antenne/SHI
5.3 Mesures de l’ensemble antenne sur Surface Haute Impédance
5.3.1 Les antennes dipôles à réaliser
5.3.2 Les dipôles sur la SHI
5.3.3 Conclusions
5.4 Réglage des fréquences
5.4.1 Réglage de l’épaisseur de la SHI
5.4.2 Ajout de capacité
5.4.3 Conclusions sur le réglage des fréquences
5.5 Conclusions
6 Recherche de la polarisation circulaire
6.1 Généralités
6.1.1 La polarisation circulaire
6.1.2 Recombinaison des mesures en RHCP
6.1.3 Le dipôle croisé
6.1.4 L’antenne spirale d’Archimède
6.1.5 Simulations
6.2 Dipôle croisé sur SHI
6.2.1 Réalisation
6.2.2 Mesures
6.2.3 Conclusions
6.3 l’antenne spirale sur la SHI
6.3.1 Réalisation
6.3.2 Spirale sur SHI
6.3.3 Optimisation de l’épaisseur de la structure
6.4 Conclusions
7 Conclusions
7.1 Travail réalisé
7.2 Perspectives
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