Élaboration et caractérisation de matériaux composites multifonctionnels : intégration de fonctions antennaires en parois structurales

Elaboration and characterization of multifunctional composite materials towards embeddedantennas into structural composite panels

• Auteur / Autrice : Maëlle Sergolle
• Direction : Xavier Castel, Mohamed Himdi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 15/12/2020
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : MATHSTIC
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antennes (électronique)

Propriétés mécaniques

Propriétés électromagnétiques

Composites

Mots clés libres

Composites

Propriétés électriques

Propriétés mécaniques

Télécommunications

Microondes

Antennes

Composites

Electrical properties

Mechanical properties

Telecommunication

Microwaves

Antennas

Résumé

L’intégration d’antennes de communication directement au sein de parois structurales en matériaux composites de porteurs navals, terrestres et aériens permet de rendre la structure communicante tout en bénéficiant des qualités naturelles des matériaux composites : légèreté, insensibilité à la corrosion et rigidité mécanique. Ces travaux de recherche, menés dans le cadre du projet FUI STARCOM 2018-2022 (Systèmes et Technologies Antennaires de Rupture en matériaux COMposites), ont pour objet le développement de matériaux composites multifonctionnels aux propriétés électromagnétiques et mécaniques optimales. L’étude de leurs caractéristiques a permis de développer des solutions à la carte pour la fabrication de telles antennes. D’une part, l’évaluation des caractéristiques diélectriques des matériaux composites stratifiés de 100 MHz à 26 GHz, ainsi que l’évaluation de leurs propriétés mécaniques, ont permis de sélectionner les stratifiés adaptés à la fabrication des substrats et des radômes antennaires. D’autre part, l’étude des caractéristiques électriques des tissus conducteurs a permis d’évaluer leur capacité à être utilisés comme éléments antennaires (lignes d’alimentation, éléments rayonnants et plans de masse). Enfin, les matériaux sélectionnés ont été associés dans la fabrication d’antennes en matériaux composites fonctionnant en bande VUHF (100 – 500 MHz pour les communications navales militaires), en bande UHF (867 – 869 MHz pour les applications de type LoRa), et en bande S (2 – 4 GHz pour les communications terrestres civiles 5G).

Radiofrequency antennas embedded into structural composite panels of innovative air, sea and land vehicles promote the communication abilities of such smart load-bearing structures while profiting from the intrinsic qualities of such composite materials, namely lightweight, corrosion resistance and mechanical stiffness. This research work, carried out as part of the FUI STARCOM 2018-2022 project (Systèmes et Technologies Antennaires de Rupture en matériaux COMposites), aims at the development of multifunctional composite materials with optimal mechanical and electromagnetic properties towards tailor-made solutions for the fabrication of such antennas. On the one hand, the investigation of the dielectric characteristics of the composite laminate materials from 100 MHz to 26 GHz, and the investigation of their mechanical properties ensured the suitable laminates selection for the substrates and radomes fabrication. On the other hand, the assessment of the electrical characteristics of the conductive fabrics ensured their use as antenna parts, namely feeding lines, radiating elements and ground planes. Finally, the selected materials were used in the fabrication of different full composite antennas operating at various frequency bands: VUHF band (100 - 500 MHz) for military naval communication; UHF band (867 - 869 MHz) for LoRa applications; and S band (2 - 4 GHz) for 5G communication.