Conception d'antenne directive miniature et agile sur plusieurs octaves

Miniature and directive antenna design with frequency agility over several octaves

• Auteur / Autrice : Marwan Jadid
• Direction : Christophe Delaveaud, Serge Bories, Anthony Bellion
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofréquence
• Date : Soutenance le 04/12/2023
• 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 d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Ala Sharaiha
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Richard W. Ziolkowski, Fabien Ndagijimana, Mohamed Rammal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anja Skrivervik, Loïc Bernard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de télécommunications à large bande

Antennes-réseaux

Antennes miniatures

Mots clés libres

Antennes miniatures

Agilité en fréquence

Mesure d'antennes

Réseaux d'antennes

Miniature Antennas

Frequency-Agility

Antenna measruement

Antenna arrays

Résumé

La conception, l'analyse et les performances d'antennes miniatures, d'antennes super-directives et d'antennes agiles en fréquence ont été étudiées dans ce travail de doctorat pour offrir une solution originale d’antenne à rayonnement directif stable sur une large bande de fréquence. Nous avons amélioré notre compréhension de ces types d'antennes et de leurs utilisations potentielles grâce à des études théoriques, des simulations numériques et une validation expérimentale.Après un examen approfondi des méthodes de miniaturisation, nous avons proposé des idées et des stratégies pour créer des antennes miniatures mettant l'accent sur le concept de charge réactive et utilisant diverses techniques d'excitation utiles pour la miniaturisation. Nous avons proposé plusieurs modèles d'antennes, dont un basé sur le couplage en champ proche a été fabriqué et mesuré. La méthode du facteur de qualité Q modifié (MQFM), une approche de mesure d'efficacité d’antenne compacte remarquable utilisant le facteur de qualité appliqué à la technique de la sphère de Wheeler, est présentée. La technique MQFM a démontré sa précision et sa simplicité.Une méthode pour la mise en forme du faisceau d'antenne compacte est ensuite développée. La méthode est utilisée pour créer des conditions de rayonnement super-directif et super-gain pour un réseau parasite. Le processus est ensuite utilisé pour créer une antenne dipôle Huygens. L’intérêt des sources Huygens est leur capacité à rayonner de façon unidirectionnelle.La possibilité de reconfigurabilité d’antenne compactes en fréquence est ensuite explorée. Une antenne boucle miniature est étudiée pour démontrer le fonctionnement des antennes reconfigurables en fréquence. Les mesures de la boucle développée révèlent un accord avec les simulations, avec des variations mineures interprétées.L'antenne cible finale est conçue pour répondre aux spécifications du CNES pour les applications de surveillance du spectre UHF. Nous avons proposé une structure d'antenne de petite taille, à rayonnement unidirectionnel et reconfigurable en fréquence qui intégré toutes les avancées nécessaires réalisées au cours du doctorat. Utilisant des commutateurs RF, l'antenne reconfigurable combine quatre modes de fonctionnement distincts. Un rayonnement directif stable est obtenu en et attribuant à chaque mode un fonctionnement dans une certaine gamme de fréquence. La polarisation circulaire est générée en croisant deux structure d’antenne correctement alimentée. L'antenne est mesurée à des points de fréquence spécifiques pour confirmer les performances attendues par simulation.

The design, analysis and performance of miniature antennas, super-directive antennas and frequency-agile antennas were studied in this PhD work to offer an original solution for a stable directive radiating antenna over a wide frequency range. We have improved our understanding of these types of antennas and their potential uses through theoretical studies, numerical simulations and experimental validation.After an in-depth review of miniaturization methods, we proposed ideas and strategies for creating miniature antennas emphasizing the concept of reactive loading and using various excitation techniques useful for miniaturization. We proposed several antenna models, of which one based on near-field coupling was fabricated and measured. The modified quality (Q) factor (MQFM) method, a remarkable small antenna efficiency measurement approach using the quality factor applied to the Wheeler cap technique, is presented. The MQFM technique has demonstrated its accuracy and simplicity.A method for compact antenna beam shaping is then developed. The method is used to create super-directive and super-gain radiation conditions for a parasitic arrays. The process is then used to create a Huygens dipole antenna. The interest in Huygens sources is their ability to radiate unidirectionally.The possibility of reconfigurability in frequency of compact antennas is then explored. A miniature loop antenna is studied to demonstrate the operation of frequency reconfigurable antennas. Measurements of the fabricated loop reveal agreement with the simulations, with minor variations interpreted.The final target antenna is designed to meet CNES specifications for UHF spectrum surveillance applications. We proposed a small antenna structure, with unidirectional radiation and reconfigurable in frequency which integrated all the necessary advances made during the PhD work. Using RF switches, the reconfigurable antenna combines four distinct modes of operation. Stable directional radiation is obtained by assigning each mode to operate within a certain frequency range. Circular polarization is generated by crossing two properly excited antenna structures. The antenna is measured at specific frequency points to confirm expected performance through simulation.