Conception et optimisation d'antennes et de surfaces de porteurs de géométrie conformées pour amélioration des caractéristiques de rayonnement

• Auteur / Autrice : Raphael Notter
• Direction : Ala Sharaiha, Loic Bernard
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Inscription en doctorat le 02/11/2022
• Etablissement(s) : Université de Rennes (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Mathématiques, informatique, signal et électronique et télécommunications.
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : INSTITUT d'ELECTRONIQUE et de TELECOMMUNICATION de RENNES

Résumé

La diversité des véhicules volants ou roulants de moyenne à petite taille (drones, projectiles, robots roulants, etc), présente le point commun d’utiliser des moyens de communication sans fil et de navigation par signaux GNSS. Cela implique l’intégration à des volumes parfois restreints de plusieurs antennes ou d’antennes multi-fonctions dans la gamme [1 ;3] GHz typiquement. Ce besoin de recevoir et de transmettre des informations entre ces véhicules et avec des stations fixes ou mobiles est en perpétuel augmentation, accompagné de demande de débits plus élevés, de distances de communications plus importantes, avec une fiabilité et une discrétion accrue en environnements perturbés ou hostiles. Ces derniers pré-requis peuvent nécessiter des systèmes de reconfiguration des antennes (direction du lobe de rayonnement, diversité de polarisation, changement de fréquence) pour atteindre l’agilité attendue. Par ailleurs, l’intégration d’une ou de plusieurs antennes sur un porteur spécifique de relatives petites dimensions et de géométrie pouvant être complexe, est un challenge en termes d’espace alloué mais également d’interaction électromagnétique avec ce même porteur. En effet, les caractéristiques initiales de l’antenne (en dehors de son environnement) sont souvent dégradées une fois intégrée sur le porteur (réduction de bande passante, modification du diagramme de rayonnement, dégradation de la polarisation circulaire, etc). La tenue mécanique de l’antenne (notamment dans le cas d’accélérations importantes ou de chocs) peut être assurée par la mise en cavité de l’antenne, mais au détriment de ses pleines performances (réduction de bande passante typiquement). La prise en compte du porteur dès les premières étapes de conception de l’antenne est donc primordiale. Dans ce cadre, la théorie des modes caractéristiques notamment peut offrir une nouvelle perspective pour étudier les conceptions de systèmes d'antennes intégrés à une plateforme. Mais ce raisonnement peut être poussé plus loin pour tirer profit du porteur pour atteindre des caractéristiques que ne présenterait pas l’antenne seule ; en effet, si l’antenne est souvent de petite taille, le porteur quant à lui, peut offrir une relativement grande surface métallique autour de celle-ci, et ainsi augmenter son gain. Notamment dans le cas d’un porteur cylindrique ou d’un projectile, suivant le type de l’antenne et sa localisation, des courants de surface se propagent sur ce corps métallique, générant des lobes secondaires dans le diagramme de rayonnement et inclinant la direction du lobe principal (en fonction des géométries des surfaces conductrices de part et d’autre de l’antenne). En insérant des motifs sur ce corps qui autoriseraient ou non la propagation de ces courants (corrugation, métasurface), le diagramme de rayonnement pourrait être contrôlé et optimisé (niveau de rayonnement arrière, direction du maximum de rayonnement, etc). In fine, si des éléments actifs comme des diodes PIN sont disposés de manière optimale, ce diagramme de rayonnement pourrait être reconfiguré pour présenter des capacités de dépointage du lobe (augmentation du gain dans la direction de l’interlocuteur) ou de création de « nul de rayonnement » avec une seule antenne ou un nombre réduit d’antennes (lutte contre le brouillage). Dans cette étude nous proposons, notamment au moyen de l’analyse des modes caractéristiques, d’optimiser une ou plusieurs antennes en présence de son/leur porteur afin d’apporter des caractéristiques particulières (augmentation de la bande passante, polarisation circulaire de qualité et sur une bande passante suffisamment large, contrôle du diagramme de rayonnement). Les bandes visées sont les bandes GNSS ([1.164 ; 1.610] MHz) et de télémesure IRIG 106 ([2.2 ;2.4] GHz et [5.10 ;5.25] GHz). Les porteurs considérés seront des micro-drones et des projectiles de gros calibre ; d’autres géométries pourront être étudiées en fonction des résultats obtenus et des intérêts de la DGA. Les aspects agilité du rayonnement et reconfiguration par éléments actifs pourront être envisagés au cours de l’étude en fonction des avancées. Ces objectifs se trouvent en accord avec celles du domaine de recherche « Ondes Acoustiques et Radioélectriques » publiées par la DGA, notamment sur les aspects « optimisation des capteurs embarquées » et « agilité pour antennes multi-fonctions ».