Méthodologie de conception et analyse modale d'antennes électriquementpetites antennes intégrées dans des milieux diélectriques à pertes

Design methodology and modal analysis of electricallysmall antennas integrated in lossy dielectric media

• Auteur / Autrice : Nadia Kari
• Direction : Jean-Marc Laheurte
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Optronique et Systèmes
• Date : Soutenance le 17/01/2023
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes
• Jury : Président / Présidente : Lau Buon Kiong
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Laheurte, Ala Sharaiha, Christophe Craeye, Divitha Seetharamdoo, François Sarrazin, Eva Antonino Daviu
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ala Sharaiha, Christophe Craeye

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes électromagnétiques

Filtrage du signal

Antennes (électronique)

Antennes-relais de téléphonie mobile

Métamatériaux

Mots clés libres

Meta-Matériaux

Intégration

Antennes

Rayonnement électromagnétique

Théorie de modes caractéristiques

Approches modales

Electromagnetic radiation

Antennas

Integration

Antennas

Characteristic mode theory

Modal analysis

Résumé

La demande de systèmes de communication sans fil et autonomes miniaturisés a augmenté grâce au large besoin de technologies sans fil pour la surveillance de la santé des infrastructures de nos villes, dans la marine ou dans le domaine biomédical... Cependant, les antennes miniaturisées sont généralement caractérisées par de faibles efficacités et de mauvaises performances et, avec la présence de milieux à pertes dans le voisinage, l'amélioration de leurs efficacités ne devient pas une tâche simple. Les méthodes développées pour améliorer les performances des antennes électriquement petites (ESA) se concentrent généralement sur l'un des paramètres clés de l'antenne puisqu'il existe un compromis entre la taille, la bande passante, l'adaptation d'impédance et l'efficacité de rayonnement. La plupart de ces méthodes nécessitent des essais et des erreurs et reposent sur la compréhension du mécanisme physique de l'ESA. De plus, elles sont limitées aux structures canoniques. D'autre part, il existe des méthodes basées sur l'évaluation de l'énergie nette stockée dans la région de champ proche. En minimisant cette énergie stockée, le facteur de qualité peut être augmenté et le mécanisme de rayonnement peut être amélioré. Ces méthodes sont principalement basées sur l'utilisation de l'analyse modale qui décompose la réponse du courant de surface en modes et extrait les valeurs propres et les vecteurs propres de chaque mode. Il a également été démontré que l'utilisation de matériaux artificiels connus sous le nom de métamatériaux peut jouer un rôle clé dans la compensation énergétique (énergie magnétique couplée à l'énergie électrique et vice versa). Elle pourrait améliorer l'efficacité, atténuant ainsi les effets de puissance. Jusqu'à présent, ces méthodes ont été proposées pour les ESAs rayonnant en espace libre.L'objectif de cette thèse est donc de proposer une méthode générale de conception, d'analyse et d'amélioration des ESAs rayonnant dans les pertes.l'analyse et l'amélioration des ESAs rayonnant dans des milieux à pertes. Ce travail est basé sur l'évaluation de la méthode de l'énergie nette stockée et l'utilisation de la méthode de l'énergie nette stockée.d'énergie stockée et l'utilisation des métamatériaux pour atténuer les effets des pertes.Les méthodes modales sont également étudiées grâce à leurs métriques utiles et puissantes pour analyser la réponse électromagnétique de la structure dans les régions de champ proche et lointain. La méthode d'expansion Eigen (EEM) est utilisée pour évaluer les différentes mesures telles que les modes propres, les courants propres et l'énergie nette stockée afin d'obtenir des informations complètes sur la réponse électromagnétique de l'antenne lorsqu'elle est placée dans un milieu à pertes. Le modèle de substrat multicouche est utilisé pour concevoir le milieu environnant et chaque couche possède les propriétés diélectriques qui correspondent aux corps hôtes tout en conservant la structure rayonnante 3D. L'utilisation du modèle de substrat multicouche permet d'éviter les problèmes de temps des méthodes 3D classiques. La méthode générique proposée s'avère utile pour la conception et l'analyse des systèmes de métamatériaux parasites afin d'améliorer les petites antennes électriques dans les milieux complexes et à pertes

The demand for miniaturized wireless and autonomous communication system has climbed thanks to the wide need of wireless technologies for the monitoring of infrastructures health of our cities, in marine or in the bio-medical field … However, miniaturized antennas are generally characterized by low efficiencies and poor performances and with the presence of lossy media in the vicinity, enhancing its efficiencies becomes not straightforward task. Methods developed to enhance the performance of electrically small antennas ESAs are generally focused on one of the antenna key parameters since there is a compromise trade-off between the size, bandwidth, impedance matching and radiation efficiency. Most of these methods require trial and error and rely on understanding the physical mechanism of the ESA. Moreover, they are limited to canonical structures. On the other hand, there are methods based on the evaluation of the net energy stored in the near field region. By minimizing this stored energy, the quality factor can be enhanced and the radiation mechanism can be improved. These methods are principally based on the use of modal analysis that decompose the surface current response into modes and to extract the eigenvalues and eigenvectors of each mode. It has also been shown that the use of the artificial materials known as metamaterials can play a key role in energy compensation (magnetic coupled to electrical energy and vice versa). It could enhance efficiency, thus mitigating power effects. To date, these methods have been proposed for ESAs radiating in free space.The aim of this thesis is therefore to propose a general method for designing, analyzing andimproving ESAs radiating into lossy media. This work is based on the evaluation of the netstored energy method and the use of the metamaterials for mitigating the effects of losses.Modal methods are also investigated thanks to their useful and powerful metrics for analyzing the electromagnetic response of the structure in the near and far-field regions. The Expansion Eigen Method EEM is used to evaluate the different metrics such as the eigenmodes, eigencurrents and net stored energy to have a full information about the electromagnetic response of the antenna when it is placed in lossy media. The multi-layer substrate model is used to design the surrounding environment and each layer has the dielectric properties that correspond to the host bodies while keeping the 3D radiating structure. The use of the multi-layer substrate model is to avoid the time consuming issue of classical 3D methods. The proposed generic method show usefulness for designing and analyzing of parasitic metamaterials systems to enhance electrically small antennas in complex and lossy media