Développement des antennes tridimensionnelles miniatures pour applications RF et les environnements confinés

Development of miniature three-dimensional antennas for RF applications

• Auteur / Autrice : Fateh Benmahmoud
• Direction : Smaïl Tedjini, Pierre Lemaître-Auger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofréquence
• Date : Soutenance le 22/07/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de conception et d'intégration des systèmes (Valence ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Yvan Duroc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Lemaître-Auger, Rachida Touhami
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Norbert Noury, Mustapha C. E Yagoub

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie tridimensionnelle

Mesures électromagnétiques

Algorithmes génétiques

Antennes (électronique)

Mots clés libres

Antenne 3D filaire multibrins

Monofilaire

Multifilaire

Antenne portée

Débit d’Absorption Spécifique (DAS)

Optimisation parallèle

3-D crooked wire antenna

Mono-Arm antenna

Multi-Arm antenna

Wearable antenna

Specific Absorption Rate (SAR)

Parallel optimization

Résumé

Les dernières années ont été marquées par une croissante activité pour le développement de systèmes mobiles et autonomes. Cette accélération a créé le besoin des antennes personnalisées qui sont conformes aux aspects essentiels de miniaturisation et de légèreté. Outre l'efficacité et la couverture d'espace, d'autres aspects essentiels doivent être satisfaits, en fonction des conditions de fonctionnement du système mobile. Étant donné que la plupart des systèmes mobiles doivent fonctionner dans des environnements sévères, la prise en compte des contraintes de l'environnement lors de la conception de l'antenne est devenue une priorité.Dans cette thèse, deux classes de systèmes mobiles sont ciblées. La première concerne les antennes dédiées pour l’intégration dans des véhicules sans pilote, où l'environnement est principalement métallique. Les topologies de 3D filaires avec mono et multi-bras qui présentent une efficacité élevée et occupent un volume compact sont optimisées et conçues. Des techniques de fabrication appropriées sont introduites et évaluées, et des prototypes avec divers compromis entre poids et rigidité sont proposés. Grâce à leur grande flexibilité géométrique, les topologies 3D filaires multibrins ont montré leur capacité dans la conception des antennes avec des performances diverses. La structure intégralement métallique les rend très appropriés pour certaines applications aérospatiales et militaires où l'emploi des antennes non entièrement métalliques n’est pas possible.La deuxième classe vise la conception d'un système d'antennes portable qui garantit une couverture spatiale quasi omnidirectionnelle avec une portée suffisante. Cette partie s'inscrit dans le cadre du projet GIANTE 3 élaboré avec la société SAFRAN Sagem, où plus d’importance est consacrée à la robustesse et l'ergonomie du système. L’utilisation d’une résine de protection a donné aux antennes une immunité pour une utilisation intense et durable dans différentes conditions météorologiques. De plus, les antennes GIANTE sont conformes aux normes de Débit d'Absorption Spécifique (DAS), donc sûres pour une utilisation durable a proximité du corps humain. Le test opérationnel du système d'antenne dans différents environnements et terrains (forêt à faible et haute densité, zones urbaines), et l'évaluation de l'impact des différentes postures de l’opérateur et configuration du port font partie de ce travail.

The last years have witnessed a rapid increase in the development of mobile and autonomous systems. This accelerating development has raised the need for customized antennas that comply with vital aspects of small size and lightweight. In addition to the efficiency and space coverage, other essential aspects have to be satisfied, depending on the mobile system’s operational conditions. Since most of the mobile systems have to operate in a harsh environment, the consideration of the environment’s harshness during the antenna design has become a priority.In this thesis, two classes of mobile systems are targeted. The first class concerns the antennas that are embeddable into Unmanned Vehicles (UVs), where the environment is dominantly metallic. 3-D wire topologies with mono and multi-arm that exhibit high efficiency and occupy a compact size are optimized and designed. Specific fabrication techniques are introduced and evaluated, and prototypes with various compromises between weight and rigidity are considered. Thanks to its high geometrical flexibility, the 3-D crooked wire topologies have shown its capability in designing antennas with various performances. The fully metallic structure makes it very suitable for some aerospatial and military applications where the employment of non-fully metallic based antennas fails.The second class targets the design of a wearable antenna system that guarantees near omnidirectional space coverage with an operational range. This part comes in the frame of the project GIANTE 3 elaborated with the SAFRAN Sagem company, where more emphasis is given to the system’s robustness and ergonomy. The shielding resin has given the antennas immunity to intensive and durable usage under different weather conditions. Moreover, the GIANTE antennas comply with the Specific Absorption Rate (SAR) standards, thus safe for durable usage near the human body. The operational test of the antenna system in different environments and terrains (Low- and high-density forest, urban areas), and the evaluation of the impact of different wearer’s postures and wearing configuration is part of this work.