Quels avantages pour une antenne reconfigurable ?

Quels avantages pour une antenne reconfigurable ?

Tout d’abord, les antennes reconfigurables présentent un avantage concernant leur durée d’emploi. En effet, une antenne classique est figée et ne peut fonctionner qu’aux fréquences pour lesquelles elle a été conçue à l’origine. Dans le cas d’une antenne reconfigurable, il est envisageable de pouvoir accorder sa fréquence de fonctionnement à un standard qui n’existait pas ou n’avait pas été pris en compte lors de la création de la dite antenne : cela permet notamment d’accéder à de nouveaux standards (avec possibilité de commutation rapide et régulière entre les différentes fréquences), et peut donc augmenter notablement sa durée de vie. Ceci peut être avantageux dans les domaines où infrastructures et matériels sont destinés à être opérationnels pendant une longue durée (infrastructures de réseaux de communication, matériel militaire, industrie spatiale) et où le coût supplémentaire induit par la complexité accrue de ces antennes est amorti par l’augmentation de leur durée d’emploi. Un autre cas d’usage est celui de la flexibilité régionale, dans la mesure où les états n’allouent pas tous les mêmes zones du spectre, et où le passage d’un pays (ou d’un continent) à l’autre se traduit par un changement des canaux fréquentiels. La radio logicielle (qui sera évoquée plus loin) est en partie motivée par ce type de flexibilité, mais les antennes peuvent également y contribuer au niveau RF. Dans ce type d’usage, il est important de noter qu’il s’agit d’antennes multibandes commutables et non d’un fonctionnement multi-fréquences simultané. Cette remarque met déjà en évidence les conséquences des caractéristiques d’une fonctionnalité sur l’implémentation technologique.

Un second avantage des antennes reconfigurables réside dans leur faculté d’intégrer des fonctionnalités au sein de l’antenne, ce qui contraste avec une conception plus classique par blocs séparés (antenne/circuit RF/circuit numérique…) . Le premier avantage de cette intégration est un gain en compacité de l’antenne, en contrepartie d’une diminution de la modularité du système (impossibilité de remplacer indépendamment les composants). Il a par ailleurs été montré [3], que l’intégration de filtres ou d’amplificateurs directement dans l’antenne dégage des degrés de libertés supplémentaires, la co-conception de ces deux éléments permettant notamment de s’affranchir de l’obligation usuelle d’une adaptation à 50 Ω. Cependant, l’intégration de composants dans l’antenne pose un certain nombre de questions fondamentales et non seulement pratiques, auxquelles il n’y pas de réponse générale :

• De manière intuitive, il est perceptible que le placement d’une fonctionnalité dans la structure même de l’antenne donne des degrés de liberté supplémentaires dans sa conception : les composants placés sur l’antenne permettent d’agir spatialement (action 3D) sur les lignes de courant, par opposition au traitement de signal qui ne peut agir qu’en sortie de l’antenne (action 1D). Ces degrés de liberté permettent d’en espérer des bénéfices, mais ils induisent aussi une plus grande complexité dans la conception, dont on verra la traduction concrète dans les chapitres suivants.
• Comment commander la partie logique de l’antenne reconfigurable ? Au delà du simple problème d’alimentation continue des composants actifs, il faut se poser la question de la manière optimale de commander l’antenne, c’est-à-dire du nombre de tensions indépendantes à appliquer et de la loi qu’il faut donner à celles-ci pour commander le plus efficacement possible l’antenne (en termes de fonctionnalité et de consommation d’énergie).
• Comment enfin répartir « l’intelligence » du traitement antennaire ? La question posée est celle du choix à opérer entre les fonctions à intégrer dans l’antenne, en général RF, et celles en sortie d’antenne, soit sous forme RF, soit sous forme de traitement du signal numérique. C’est l’optimisation globale du système sous des contraintes de compacité, de coût, d’efficacité ou de consommation qui doit guider ce choix.

Une antenne reconfigurable peut aussi présenter un avantage volumique, par rapport à une antenne classique. Au delà de la compacité résultant de l’intégration de fonctionnalités dans l’antenne, évoquée précédemment, l’utilisation d’antennes reconfigurables permet parfois à une antenne unique de réaliser des fonctionnalités d’antennes multiéléments, ce qui entraîne un gain de place évident. Il est par exemple possible de faire cohabiter dans la même antenne un mode de communication UWB et un mode de communication bande étroite, usuellement obtenu à l’aide de deux antennes distinctes [4]. Il est aussi possible, par action sur le rayonnement de l’antenne, de réaliser de la diversité de polarisation ou de diagramme avec une seule antenne.

Quels inconvénients pour une antenne reconfigurable ?

Un premier inconvénient des antennes reconfigurables est leur coût, bien plus élevé que celui d’antennes classiques. Ce surcoût est directement lié à l’ajout de composants actifs sur l’antenne, parfois de haute performance, mais il peut aussi résulter d’une industrialisation plus complexe (structure plus compliquée, composants à souder sur l’antenne) ou de procédés de fabrication intrinsèquement plus dispendieux (gravure de composants semi-conducteurs ou MEMS directement sur l’antenne). Enfin il ne faut surtout pas oublier le coût de la conception, qui, pour des séries limitées, domine celui de la fabrication. Le second désavantage des antennes reconfigurables vient de leur consommation énergétique, aussi bien dans le domaine continu que dans le domaine RF. En effet, les composants actifs devant souvent être polarisés en continu, ils consomment nécessairement de l’énergie qu’il faut prendre en compte dans le dimensionnement énergétique du système. Par ailleurs, les composants comportent souvent une composante résistive qui absorbe de la puissance haute fréquence et impacte directement le rendement de l’antenne. Enfin, le principal défaut des antennes reconfigurable est leur complexité, génératrice de nombreux problèmes. Le premier est lié à la complexité structurelle de l’antenne, due notamment aux structures de polarisation, qui se traduit par une fragilité matérielle (et un surcoût qu’on a évoqué plus haut). Par ailleurs, cette complexité géométrique, et principalement l’intégration de composants actifs dans une structure rayonnante, entraînent des difficultés conceptuelles et de simulation, notamment au niveau des calculs électromagnétiques .

Vers des radios logicielle et cognitive

Les avantages que l’on vient d’évoquer, s’ils sont prometteurs, ne forment néanmoins pas le cœur de l’application des antennes reconfigurables. En effet, la notion de flexibilité gagne de façon générale du terrain dans le domaine des communications sans-fil, et les antennes reconfigurables sont spécifiquement positionnées à l’interface entre les étages radios et l’air. La combinaison de la flexibilité de l’émetteur-récepteur et de celle de l’antenne enrichit les pistes ouvertes à l’imagination, et invite à en examiner les inter-relations.

La radio logicielle, aussi appelée SDR (Software Defined Radio), est la dénomination générique employée pour désigner un transceiver permettant de mélanger des adaptations matérielles et logicielles, ces dernières étant réputées offrir une grande souplesse au prix de fortes exigences sur les performances du matériel. Contrairement à une radio classique où la quasi totalité des fonctions (modulation, démodulation, multiplication de signaux, filtrage, détection) sont réalisées par des composants spécialisés dont les caractéristiques sont fixées (voir légèrement accordables), une radio logicielle implémente tout ou partie de ces fonctionnalités de manière logicielle. De façon très idéalisée, une radio logicielle est constituée d’une antenne capable d’émettre ou recevoir n’importe quel signal (direction et fréquence) suivi d’un convertisseur analogique/numérique (en réception, numérique/analogique en émission) de bande passante et profondeur infinies (pour pouvoir échantillonner un signal de n’importe quelle fréquence) et enfin d’un processeur capable de traiter le signal dans le domaine numérique. L’avantage évident d’une architecture de radio logicielle est sa capacité à pouvoir être reconfigurée en un temps éventuellement très court, et à utiliser une forme d’onde quelconque selon les besoins de la communication. Bien évidemment la radio logicielle actuelle est très loin de réaliser des spécifications aussi extrêmes. Tout d’abord, et de manière évidente, les processeurs et échantillonneurs actuels ne sont pas assez rapides pour décoder et traiter directement et efficacement un signal RF, même pour une porteuse de fréquence relativement basse de quelques centaines de mégahertz en bas de bande UHF. Il faut ramener le signal en bande de base avant de le démoduler et de le décoder. Ceci nécessite une capacité multifréquence de l’étage RF. Par ailleurs, les processeurs généralistes ne sont pas encore assez rapides pour traiter des signaux aux débits importants et on utilise généralement des processeurs de type FPGA, au sein desquels les fonctionnalités de codage sont câblées mais de manière non définitive, ou des DSP (programmables) pour les traitements qui s’y prêtent.

Les avantages d’une telle architecture sont multiples. On a précédemment mentionné la durée d’emploi des matériels : ceci reste parfaitement valable dans le cadre de ces étages radios flexibles. Bien évidemment leurs coûts très élevés, ne les rendent accessibles pour le moment qu’aux militaires ou aux fournisseurs de services de communications sans fil (pour les stations de base, par exemple). Un autre avantage, qui concerne moins directement les applications civiles, est la possibilité de reconfigurer la forme d’onde utilisée en un temps très court. Sur un théâtre d’opérations, il faut pouvoir à la fois communiquer avec ses alliés, et se protéger de l’ennemi (éviter l’interception de communications et empêcher des signaux hostiles de perturber les échanges d’information, voire détruire les matériels radio). Pouvoir changer de forme d’onde, permet à la radio logicielle de s’adapter aux formes d’ondes d’armées alliées (codage, saut de fréquences, cryptage) en quelques instants, sans nécessité de déploiement de matériel ; la reconfiguration peut même s’effectuer quasiment en temps réel et permettre de relayer des communications entre matériels incompatibles. Par ailleurs, en contexte de guerre électronique, une radio reconfigurable peut aussi permettre la détection de signaux ennemis, et de capter ou brouiller ceux-ci, voire encore de les éviter dans le cas de brouilleurs hostiles ou de signaux de forte puissance potentiellement dangereux. La flexibilité des radios logicielles bénéficiera sûrement de la combinaison avec la flexibilité d’antenne en sortie d’étage RF. Généralement, les antennes utilisées sur les systèmes SDR sont soit interchangeables, ce qui supprime un grand nombre des avantages opérationnels cités précédemment, soit ultra-large bande, ce qui implique un rendement moins bon et une perméabilité plus importante du système aux rayonnements extérieurs (l’antenne reçoit tout le spectre, bien que seule une bande étroite soit utilisée à la fois). En ce sens, une norme concernant la commande d’antennes reconfigurables, en vue de leur utilisation dans les systèmes de radio logicielle, est en cours de développement [5].

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1
1.1 INTRODUCTION
1.2 CONTEXTE ET APPLICATIONS
1.2.1 QUELS AVANTAGES POUR UNE ANTENNE RECONFIGURABLE ?
1.2.2 QUELS INCONVENIENTS POUR UNE ANTENNE RECONFIGURABLE ?
1.2.3 VERS DES RADIOS LOGICIELLE ET COGNITIVE
1.3 FONCTIONNALITES FREQUENTIELLES
1.3.1 COMMUTATION DE FREQUENCES
1.3.2 ACCORD EN FREQUENCE
1.3.3 VARIATION DE LA BANDE PASSANTE
1.4 FONCTIONNALITES DU RAYONNEMENT
1.4.1 MODIFICATION DU DIAGRAMME DE RAYONNEMENT
1.4.2 MODIFICATION DE LA POLARISATION DE L’ANTENNE
1.5 FONCTIONNALITES DE FILTRAGE
1.5.1 FILTRAGE FREQUENTIEL
1.5.2 FILTRAGE ANGULAIRE
1.6 TABLEAU DE SYNTHESE
1.7 CONCLUSION ET RESTRICTION DE L’ETUDE
CHAPITRE 2
2.1 INTRODUCTION
2.2 CONCEPTION D’ANTENNE RECONFIGURABLES ET PROBLEMES ASSOCIES
2.3 D’UNE ANTENNE PASSIVE VERS UNE ANTENNE RECONFIGURABLE
2.3.1 CHOIX D’UNE GEOMETRIE DE DEPART
2.3.2 AJOUT DE STRUCTURES CREANT UNE RESONANCE
2.3.3 AJOUT DE COMPOSANTS, SIMULATION MULTIPORTS
2.4 PRISE EN COMPTE DE COMPOSANTS REALISTES
2.4.1 ACQUISITION DE DONNEES PAR MESURES
2.4.2 UTILISATION DE MODELES DE COMPOSANTS
2.4.3 PERSPECTIVES SUR D’AUTRES COMPOSANTS
2.5 TECHNIQUES POUR LA POLARISATION
2.5.1 POLARISATION DE STRUCTURES RECONFIGURABLES
2.5.2 COMPOSANTS POUR LA POLARISATION
2.6 CONCLUSION
CHAPITRE 3
3.1 INTRODUCTION
3.2 OPTIMISATION : CONCEPTS ET METHODES
3.2.1 OPTIMISATION D’ANTENNES
3.2.2 ALGORITHMES D’OPTIMISATION
3.3 PREMIERE APPROCHE : ANTENNE PIFA AVEC UN NOMBRE IMPORTANT DE COMPOSANTS
3.3.1 DEMARCHE, CONTRAINTES, PREMIERS RESULTATS
3.3.2 UTILISATION DE COMPOSANTS REALISTES
3.3.3 SIMPLIFICATION, ET OPTIMISATION
3.3.4 LIMITES ET OUVERTURE
3.4 SECONDE APPROCHE : ANTENNE PIFA AVEC DEUX COMPOSANTS
3.4.1 PRESENTATION DE L’ANTENNE ET DES CONTRAINTES A PRIORI
3.4.2 OPTIMISATION DE L’ANTENNE
3.4.3 RESULTATS DE MESURE – CO-SIMULATION
3.4.4 REOPTIMISATIONS
3.5 VERS UNE APPROCHE INTERMEDIAIRE : DES DEGRES DE LIBERTE SUPPLEMENTAIRES
3.5.1 UNE NOUVELLE GEOMETRIE
3.5.2 RESULTATS D’OPTIMISATION
3.6 CONCLUSION
CHAPITRE 4
4.1 INTRODUCTION
4.2 ANTENNE PATCH TRIANGLE UWB RECONFIGURABLE
4.2.1 DEMARCHE, METHODE
4.2.2 POLARISATION DES COMPOSANTS
4.2.3 OPTIMISATION ET RESULTATS DE SIMULATION
4.2.4 CONCLUSION ET PERSPECTIVES
4.3 ANTENNE MONOPOLE UWB A FILTRAGE FREQUENTIEL ACCORDABLE
4.3.1 GEOMETRIE DE L’ANTENNE
4.3.2 MODIFICATIONS APPORTEES
4.3.3 RESULTATS DE SIMULATION
4.3.4 RESULTATS DE MESURE
4.3.5 PERSPECTIVES
4.4 ANTENNE MONOPOLE PLANAIRE UWB A BANDE UWB COMMUTABLE ET BANDE DE
FREQUENCE ETROITE ACCORDABLE
4.4.1 DEMARCHE, ANTENNE DE DEPART
4.4.2 PREMIERE VERSION
4.4.3 SECONDE VERSION
4.5 CONCLUSION ET PERSPECTIVES
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
REFERENCES

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