Conception d'antennes souples et de conducteurs magnétiques artificiels en bande UHF

Design of flexible antennas and of artificial magnetic corductors in UHF band

• Auteur / Autrice : Anthony Presse
• Direction : Anne-Claude Tarot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement du signal et télécommunications
• Date : Soutenance le 08/12/2015
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : PRES : Université européenne de Bretagne (2007-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes décimétriques

Antennes miniatures

Mots clés libres

Miniaturisation

Antenne PIFA planaire

Antenne souple

Conducteur magnétique artificiel (CMA)

Modèle analytique de CMA

Miniaturization

Planar PIFA antenna

Flexible antenna

Artificial magnetic conducor (AMC)

AMC analytical model

Résumé

L'invention de l'antenne fût à la base de la création des communications sans fil à l'orée du XXe siècle. A l'origine des objets métalliques destinés à transmettre et recevoir des ondes électromagnétiques, les antennes n'ont cessé de se complexifier pour satisfaire l'impressionnant développement des communications sans fil. C'est dans ce contexte qu'est né le concept d'antenne « wearable » il y a moins de deux décennies ouvrant un nouveau champ de recherche sur les antennes souples. C'est dans ce cadre que ce travail de thèse se consacre à la conception d’antennes souples en bande UHF.Une première étude a permis de concevoir une antenne Vivaldi antipodale [150 - 900 MHz] souple pour la Section Technique de l'Armée de Terre. Six de ces antennes sont destinées à être placées sous un ballon gonflé à l'hélium pour réceptionner des signaux RF.Une seconde étude est effectuée en collaboration avec la société Syrlinks et le CNES. L'objectif du projet est de concevoir des antennes souples pour le suivi de personnes avec le système ARGOS (401 et 466 MHz). La solution retenue est une PIFA planaire de largeur inférieure à lambda/3. Elle a l'avantage d'être fine et légère. Le matériau souple employé est un caoutchouc silicone sélectionné parmi plusieurs matériaux souples grâce à des caractérisations diélectriques. Cependant, le problème de cette antenne est qu'elle possède un rayonnement quasi-omnidirectionnel. Etant donné qu'il n'était pas envisageable d'utiliser un plan réflecteur métallique pour des raisons de dimensions, il a été décidé de concevoir un conducteur magnétique artificiel (CMA) souple. Toutefois, la conception de CMA dans le bas de la bande UHF se heurte à des difficultés de miniaturisation. Pour contourner ce problème, il a été développé deux concepts de CMA à cellules unitaires de faibles dimensions devant la longueur d'onde. La première solution utilise des capacités interdigitées et la seconde une structure double couche. Pour ces deux concepts, un modèle circuit est proposé et validé par des mesures expérimentales. Les mesures de l'association CMA - antenne montrent une bande passante suffisante pour des applications ARGOS et un rayonnement majoritairement dirigée dans la direction opposé à celle du CMA.

The invention of antennas was the base of wireless communications appearance at the dawn of the twentieth century. Originally metal objects for transmitting and receiving electromagnetic waves, antennas have steadily become more complex to meet the impressive development of wireless communications. It is in this context that the concept of wearable antennas was born less than two decades ago opening a new field of research namely flexible antennas. It is in this framework that this thesis is dedicated to the design of flexible antennas for UHF band.A first study enabled the design of a flexible antipodal Vivaldi antenna [150-900 MHz] for Technical Section of the Army. Six of these antennas are intended to be placed under a balloon inflated with helium for receiving RF signals.A second study was conducted in collaboration with the company Syrlinks and CNES. The objective of the project is to design flexible antennas for tracking people with ARGOS system (401 and 466 MHz). The selected solution is a planar PIFA which width is smaller than lambda/3. This antenna has the advantage of being thin and light. The flexible material used is a silicone rubber and it was selected among several others due to some dielectric characterizations. However, the drawback of this antenna is that it has a quasi-omnidirectional radiation pattern. Since it was not possible to use a reflector metal plane due to size constraints, it was decided to design a flexible artificial magnetic conductor (AMC). However, the design of AMCs in the lower UHF band is challenged with the miniaturization difficulties. Two concepts of small size (compared to the wavelength) AMCs unit cells were developed to work around this problem. The first solution uses interdigitated capacitors and the second a double layer structure. For these two concepts, a circuit model is proposed and validated by experimental measurements. The measurement of the AMC associated antenna demonstrates a bandwidth sufficient for ARGOS applications and a radiation pattern mostly directed in the direction opposite to that of the AMC.