Conception et caractérisation d'antennes imprimées pour systèmes

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Conception et caractérisation d’antennes impriméespour systèmes Ultra-Large-Bande impulsionnels

N. Fortino

To cite this version:N. Fortino. Conception et caractérisation d’antennes imprimées pour systèmes Ultra-Large-Bandeimpulsionnels. Autre. Université Nice Sophia Antipolis, 2006. Français. <tel-00455714>

UNIVERSITE DE NICE-SOPHIA ANTIPOLIS UFR SCIENCESEcole Doctorale des Sciences et Technologies de l'Information

et de la Communication

Laboratoire d'Electronique, Antennes et Télécommunications

pour obtenir le titre de Docteur en Sciences

de l'UNIVERSITE de Nice-Sophia Antipolis

Discipline : Electronique

Présentée et soutenue par :Nicolas FORTINO

Conception et caractérisation d'antennes imprimées

pour systèmes Ultra Large Bande impulsionnels

Thèse dirigée par : Georges KOSSIAVAS (directeur de thèse) Jean-Yves DAUVIGNAC

Date de soutenance : 16 Février 2006

Devant le jury composé de :

M. A. SHARAIHA Rapporteur Professeur à l'Université de Rennes 1M. A. SIBILLE Rapporteur Professeur à l'ENSTA

M. J. R. MOSIG Examinateur Professeur à l'Ecole Polytechnique de Lausanne

M. N. DANIELE Examinateur Ingénieur de Recherches au CEA-LETIM. G. KOSSIAVAS Examinateur Professeur à l'UNSA

M. J-Y. DAUVIGNAC Examinateur Maître de Conférences à l'UNSAM. Ch. PICHOT Invité Directeur de recherches CNRSM. Ch. DELAVEAUD Invité Ingénieur de Recherches au CEA-LETI

M. D. HELAL Invité Ingénieur de Recherches à ST MicroelectronicsM. A. PAPIERNIK Invité Professeur Emérite, UNSA

M. R. STARAJ Invité Professeur à l'UNSA

Table des matièresIntroduction........................................................................................................................................1

Chapitre I La technologie Ultra Large Bande (ULB).....................................................5

I.1 Bref historique de la technologie ULB...................................................................................5I.2 Les diverses applications de l'ULB.........................................................................................6

I.2.1 Les avantages de l'ULB.......................................................................................................6I.2.2 Les applications de l'ULB...................................................................................................8

I.3 L'ULB en communication.....................................................................................................11I.3.1 La réglementation des émissions ULB.............................................................................11

I.3.1.1 L'organisation de l'IEEE 802.15...............................................................................11I.3.1.2 Définition d'un signal ULB par la FCC....................................................................12I.3.1.3 Les régulations en cours dans le monde...................................................................13

I.3.2 Les principes de l'ULB en communications impulsionnelles...........................................14I.3.2.1 Bande passante et capacité de canal........................................................................14I.3.2.2 L'optimisation du spectre alloué...............................................................................15I.3.2.3 Les différentes modulations ULB..............................................................................17

I.3.3 Les propositions multi bandes et leurs intérêts comparés.................................................20I.3.3.1 La solution multibande..............................................................................................20I.3.3.2 La solution DS-CDMA .............................................................................................22I.3.3.3 Intérêts comparés des différentes approches............................................................23

I.4 Les challenges en communication ULB................................................................................28I.4.1 Les limitations intrinsèques..............................................................................................28I.4.2 La coexistence avec les interférences...............................................................................29I.4.3 L'estimation du canal........................................................................................................31I.4.4 Le dessin de l'antenne ULB...............................................................................................32

Chapitre II Les antennes Ultra Large Bande (ULB).....................................................37

II.1 Les antennes indépendantes de la fréquence.....................................................................37II.1.1 Les antennes équiangulaires............................................................................................38

II.1.1.1 L'antenne spirale logarithmique..............................................................................38II.1.1.2 L'antenne spirale conique........................................................................................40II.1.1.3 L'antenne à spirale d'archimède .............................................................................42

II.1.2 Les antennes log-périodiques...........................................................................................43II.1.2.1 L'antenne log-périodique circulaire........................................................................44II.1.2.2 L'antenne log-périodique trapézoïdale....................................................................45II.1.2.3 L'antenne dipôle log-périodique..............................................................................46

II.2 Les antennes élémentaires....................................................................................................48II.2.1 L'antenne biconique.........................................................................................................48II.2.2 L'antenne discone.............................................................................................................50II.2.3 L'antenne papillon............................................................................................................51II.2.4 Les monopôles plans........................................................................................................53

II.2.4.1 Le monopôle circulaire............................................................................................53II.2.4.2 Le monopôle triangulaire........................................................................................54II.2.4.3 Le monopôle trapezoïdal.........................................................................................56II.2.4.4 Le monopôle papillon..............................................................................................57

II.3 Les antennes à transition progressive.................................................................................58II.3.1 L'antenne « teardrop »......................................................................................................58II.3.2 Le cornet coaxial omnidirectionnel ................................................................................59

II.3.3 Les antennes TSA............................................................................................................59II.4 Les antennes cornets.............................................................................................................62II.5 Application aux communications ULB...............................................................................63

II.5.1 Cahier des charges de l'antenne ......................................................................................63II.5.2 Récapitulatif des caractéristiques des antennes...............................................................64

Chapitre III Conception de nouvelles antennes ULB....................................................69

III.1 Etude de l'antenne papillon................................................................................................70III.1.1 Choix de l'outil de simulation.........................................................................................70III.1.2 Dimensionnement de la base d'étude..............................................................................70

III.1.2.1 L'angle d'évasion ou « flare angle ».......................................................................71III.1.2.2 La hauteur des triangles.........................................................................................72III.1.2.3 Le choix du substrat...............................................................................................73

III.1.3 Etude paramétrique.........................................................................................................74III.1.3.1 Influence de l'angle d'évasion................................................................................74III.1.3.2 Influence de la hauteur des triangles.....................................................................77III.1.3.3 Influence du substrat..............................................................................................78III.1.3.4 Antenne papillon optimisée....................................................................................81

III.1.4 Techniques d'alimentation..............................................................................................83III.1.4.1 Par guide d'onde coaxial........................................................................................83III.1.4.2 Par ligne CPS.........................................................................................................84III.1.4.3 Par guide d'onde coplanaire .................................................................................85

III.1.5 Conclusion......................................................................................................................86III.2 Etude d'un monopôle triangulaire alimenté par CPW....................................................87

III.2.1 Etude de la ligne d'alimentation.....................................................................................87III.2.1.1 Largeur du guide d'onde coplanaire......................................................................87III.2.1.2 Longueur du guide d'onde coplanaire....................................................................89III.2.1.3 Largeur du conducteur central...............................................................................91

III.2.2 Etude des plans de masse latéraux..................................................................................94III.2.2.1 Largeur des plans de masse latéraux.....................................................................94III.2.2.2 Épaisseur des plans de masse latéraux..................................................................96

III.2.3 Réalisation du monopôle triangulaire.............................................................................99III.2.3.1 Adaptation de l'antenne..........................................................................................99III.2.3.2 Caractéristiques de rayonnement.........................................................................100

III.2.4 Etude du triangle rayonnant..........................................................................................105III.2.4.1 Insertion d'une ouverture triangulaire.................................................................105III.2.4.2 Introduction d'effet capacitif................................................................................108III.2.4.3 Optimisation de la forme de l'ouverture...............................................................111III.2.4.4 Largeur des triangles supérieurs.........................................................................112

III.2.5 Réalisation du monopôle triangulaire à ouverture........................................................113III.2.5.1 Adaptation de l'antenne .......................................................................................113III.2.5.2 Caractéristiques de rayonnement.........................................................................114

III.2.6 Réalisation du monopôle triangulaire à fentes.............................................................118III.2.6.1 Adaptation de l'antenne........................................................................................119III.2.6.2 Caractéristiques de rayonnement.........................................................................119

III.2.7 Optimisation du rayonnement .....................................................................................124III.2.7.1 Forme des plans de masses..................................................................................124III.2.7.2 Effets sur le rayonnement.....................................................................................125

III.2.8 Réalisation du monopôle triangulaire à fentes et plan de masse replié........................127III.2.8.1 Adaptation de l'antenne .......................................................................................127III.2.8.2 Caractéristiques de rayonnement.........................................................................128

III.2.9 Conclusion....................................................................................................................132III.3 Etude d'un monopôle elliptique alimenté par CPW......................................................133

III.3.1 Dimensionnement de l'ellipse rayonnante....................................................................133III.3.1.1 Rayon du disque...................................................................................................133III.3.1.2 Rapport d'ellipticité..............................................................................................134

III.3.2 Dimensionnement de la ligne d'alimentation...............................................................135III.3.3 Influence de l'écart entre la ligne d'alimentation et l'ellipse.........................................136III.3.4 L'antenne réalisée.........................................................................................................137

III.3.4.1 Adaptation de l'antenne........................................................................................137III.3.4.2 Rayonnement de l'antenne....................................................................................138

III.4 Conclusion..........................................................................................................................142

Chapitre IV Caractérisation temporelle et fréquentielle des antennes ULB......145

IV.1 Validation d'une méthode de caractérisation temporelle..............................................145IV.1.1 Protocoles de mesures..................................................................................................145

IV.1.1.1 Chaîne de mesures................................................................................................145IV.1.1.2 Configuration des antennes..................................................................................147IV.1.1.3 Méthodes de calibration.......................................................................................148

IV.1.2 Traitements des mesures .............................................................................................150IV.1.2.1 Outils de traitement du signal..............................................................................150IV.1.2.2 Modélisation du canal de propagation.................................................................154IV.1.2.3 Calcul de la fonction de transfert des antennes...................................................155IV.1.2.4 Résultats obtenus..................................................................................................156

IV.1.3 Validation des résultats ...............................................................................................159IV.1.3.1 Gain de l'antenne..................................................................................................159IV.1.3.2 Résultats issus de différentes configurations........................................................160IV.1.3.3 Reconstruction de l'impulsion reçue.....................................................................161

IV.2 Campagne de mesures dans différents plans..................................................................162IV.2.1 Banc de mesure temporel du CEA-LETI.....................................................................162IV.2.2 Isolation de la caractérisation d'une antenne................................................................163

IV.2.2.1 Fonction de transfert en émission........................................................................163IV.2.2.2 Choix de l'antenne étalon.....................................................................................165

IV.2.3 Résultats.......................................................................................................................168IV.2.3.1 Monopôle triangulaire .........................................................................................168IV.2.3.2 Monopôle triangulaire à fentes............................................................................170IV.2.3.3 Monopôle triangulaire à fentes et plan de masse replié à 60°.............................171IV.2.3.4 Monopôle triangulaire à fentes et plan de masse à double repli ........................172

IV.3 Impulsions rayonnées dans différentes directions..........................................................174IV.3.1 Génération d'une impulsion de type FCC....................................................................174IV.3.2 Monopôle triangulaire..................................................................................................175IV.3.3 Monopôle triangulaire à fentes.....................................................................................176IV.3.4 Monopôle triangulaire à fentes et plan de masse replié à 60°......................................178IV.3.5 Monopôle triangulaire à fentes et plan de masse à double repli..................................179IV.3.6 Comparaison des antennes...........................................................................................181

IV.4 Conclusion..........................................................................................................................182

Conclusion.......................................................................................................................................187

Annexe.............................................................................................................................................191

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II.2.4.1 Le monopôle circulaire

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II.2.4.2 Le monopôle triangulaire

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II.2.4.3 Le monopôle trapezoïdal

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II.2.4.4 Le monopôle papillon

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III.1.2.1 L'angle d'évasion ou « flare angle »

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III.1.2.2 La hauteur des triangles

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III.1.2.3 Le choix du substrat

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III.1.3.3 Influence du substrat

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III.1.3.4 Antenne papillon optimisée

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III.1.4.2 Par ligne CPS

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III.2.1.1 Largeur du guide d'onde coplanaire

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III.2.2.1 Largeur des plans de masse latéraux

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III.2.2.2 Épaisseur des plans de masse latéraux

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III.2.3.1 Adaptation de l'antenne

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III.2.4.1 Insertion d'une ouverture triangulaire

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III.2.4.2 Introduction d'effet capacitif

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III.2.4.3 Optimisation de la forme de l'ouverture

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III.2.4.4 Largeur des triangles supérieurs

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Annexes

Annexe : Campagne de mesures temporelles en environnement réel

Cette annexe présente les résultats obtenus lors d'une première série de mesures en rayonnementd'impulsions en environnement réel. La campagne a été menée dans les locaux de STMicroelectronics à Genève. La chaîne d'émission est ici constituée d'un générateur d'impulsionANTEC, ainsi que de deux filtres passe-haut suivis d'un amplificateur de puissance de 20 dB degain compensant les pertes de filtrage. En réception, deux amplificateurs faible bruit de 28 et 32 dBde gain augmentent le niveau du signal issu de l'antenne avant connexion sur un oscilloscopenumérique LECROY pour numérisation à 200 Giga échantillons par seconde. Ce dernier élément,synchronisé au générateur, limite la bande passante de l'ensemble du banc de mesures à 5,5 GHz.

Les mesures ont été effectuées dans un environnement proche d'un contexte en utilisation réelle,dans une grande salle contenant plusieurs bureaux ouverts. Il a tout de même été choisi de se placerdans un endroit peu sévère en trajet multiples. Ainsi, l'extrémité de la salle offre un espace dégagésuffisant pour que les antennes soient écartées d'au moins un mètre cinquante des premiers objetsalentours (Figure 1). Seuls le sol, deux piliers et des boxes de travail apporteront diversesréflexions/diffractions des signaux émis : la hauteur sous plafond est importante, et les grandesbaies vitrées ainsi que le large couloir central constituent un canal de propagation peu perturbé.

Figure 1 : vue du dessus de l'environnement de mesures et supports d'antennes utilisésBoxes de travail

Matériel demesures

Baie vitrée

Piliers

Antenne deréception

Antenned'émission

Annexes

Afin d'éloigner les antennes du sol, deux pieds réglables en hauteur ont été utilisés. Les plateauxcirculaires servant de support aux antennes sont en bois afin de peu perturber leur rayonnement,mais leur maintient est assuré par quatre vis (Figure 1), ce qui pourra créer des réflexions dessignaux émis et donc disperser l'impulsion. La hauteur des antennes est fixée à 110 cm pendant lesmesures.

Enfin, une dernière perturbation des mesures est d'ordre électromagnétique, avec notamment lestéléphones portables et le DCS/PCS aux alentours de 1800 et 1900 MHz. L'impulsion généréeoccupant un spectre de 2 à 5,5 GHz, ces fréquences sont proches de la bande étudiée. Or les niveauxd'émission bien supérieurs de ces standards nous obligeront à arrêter les mesures lorsqu'unepersonne trop proche utilisera son mobile. Même en dehors de ces périodes, un filtrage du signalreçu sera nécessaire.

• Isolation du trajet directLes antennes étant en visibilité directe, dans un environnement où les surfaces réfléchissantes sontassez éloignées de l'antenne, on peut envisager d'exploiter la totalité du signal reçu pour déterminerla fonction de transfert de l'antenne dans la direction principale mesurée. Le canal est alors modélisécomme le trajet direct inter-antennes, et les multi-trajets sont négligés. Afin de limiter lesperturbations électromagnétiques, les fréquences inférieures à 1,9 GHz sont filtrées. On peut noterque les impulsions sans l'influence des antennes sont d'amplitude inférieure aux impulsions reçues.Cela est dû au fait que les mesures de calibrations ont été effectuées avec 58dB d'atténuation(réponse plate en fréquence vérifiée sur la bande d'étude) qui ont été compensés lors des traitements.Les résultats issus de ces traitements sont présentés en Figure 2 et comparés à ceux obtenus lors desdernières mesures en chambre anéchoïques (chapitre IV-2) dans la même direction. On peutremarquer que l'amplitude des fonctions de transfert est nettement plus bruitée et de niveausupérieur aux mesures en chambre. Cela s'explique par le fait que les contributions de différentstrajets, même faibles, s'ajoutent à la seule fonction de transfert de l'antenne dans cette direction.

Figure 2 : amplitude de la fonction de transfert obtenue en multi trajets et signaux utilisés pour les traitements

Signal sans l'effet antennes/canal

Signal reçuTemps (ns)

Temps (ns)

Amplitude (mV)

Fonction de transfert obtenue pour l'antenneAmplitude (dB)

Fréquence (GHz)

Multi trajet

En chambre

Annexes

Les résultats obtenus de cette façon ont une enveloppe qui correspond tout de même avec lafonction de transfert de l'antenne mesurée en chambre anéchoïque. Les variations sont certainementimputables aux trajets multiples, et le trajet direct est isolé par fenêtrage temporel afin de s'enaffranchir. Pour cela, il faut pouvoir considérer que les différentes réflexions arrivent à l'antenne deréception avec un retard supérieur à la durée de l'impulsion. Or le signal de départ s'étale sur plus de5 ns et la distance inter-antennes est de 1,2 mètres. Cela indique que la longueur des trajetsmultiples doit être supérieure d'au moins 1,5 m (soit 2,7 m) à la distance entre antennes pour ne passe superposer au trajet direct. C'est le cas des différents trajets hormis celui provenant du sol, quidevrait apparaître aux environs de 4,33 ns après le trajet direct. Etant donné que les supports en boisatténuent déjà ce trajet réfléchi, et que l'impulsion appliquée à l'antenne d'émission présenteégalement un rebond après 4ns, les 6 premières ns du signal reçu seront considérées comme unebonne approximation du trajet direct inter-antennes.

La Figure 3 présente le signal appliqué à l'antenne d'émission, le signal considéré comme issu dutrajet direct (fenêtrage temporel), et la fonction de transfert de l'antenne calculée à partir de cesdonnées. La comparaison avec la fonction de transfert mesurée en chambre anéchoïque montre uneconcordance satisfaisante malgré un niveau légèrement supérieur, certainement dû à la contributionde trajet indirect provenant du sol. Les fortes variations présentent en trajet multiples sont icibeaucoup moins importantes.

Figure 3 : amplitude de la fonction de transfert obtenue en trajet direct et signaux utilisés pour les traitements

Signal reçuTemps (ns)

Temps (ns)

Amplitude (mV)

Fréquence (GHz)

Trajet direct

En chambre

Signal sans l'effet antennes/canal

Annexes

• Détection des trajets multiplesAprès avoir isolé le trajet direct, nous pouvons utiliser l'intercorrélation entre cette impulsion(considérée comme référence) et le signal multi trajet reçu pour identifier les différentes réflexions.En effet, l'antenne est relativement omnidirectionnelle dans le plan de mesures (en azimuth), et nousconsidérons donc dans un premier temps que sa fonction de transfert varie peu dans ce plan.

Tout d'abord, des trajets multiples supplémentaires sont créés volontairement avec une plaquemétallique. Leur longueur est mesurée aux maxima successifs d'intercorrélation (Figure 4) avecl'impulsion reçue en trajet direct (Figure 3). La concordance avec les distances réelles est bonne.

Afin de mieux cerner la provenance des différents trajets, deux configurations de mesures sonttestées. La première consiste à éliminer le trajet direct inter antennes, tandis que la deuxièmeélimine le rayonnement arrière de l'antenne d'émission. L'intérêt de supprimer le trajet direct est defaire ressortir les autres trajet. Ainsi, sur la Figure 5 on peut remarquer la réflexion issue du solestimée à 2,65 m (2,5 m en théorie), mais son faible niveau (inférieur à celui de trajets bien pluslongs) confirme l'approximation faite sur le trajet direct dans la dernière partie.

L'élimination du rayonnement arrière de l'antenne d'émission améliore l'amplitude du signal reçu, etpermet de confirmer que les principaux trajets multiples sont issus des piliers et des boxes de travailsitués à l'arrière. En effet, ces trajets de longueur 3,9 m et 5 m disparaissent lorsque la plaquemétallique est placée (Figure 5).

Figure 4 : signaux reçus en configuration multi-trajets, et intercorrélation avec l'impulsion reçue en trajet direct

D=100D=100

Plaque métallique

D=100D=100

Plaque métallique

Signal reçu

Intercorrélation entre signal reçu et impulsion reçue de référence

Signal reçu

ΔD Théorique = 200 – 120 = 80 cm ΔD Théorique = 200 – 90 = 110 cm

ΔD = 0,7 m ΔD = 1,1 m

Amplitude (mV) Amplitude (mV)

t (ns) t (ns)

Distance (m)Distance (m)

Sans plaqueAvec plaque

Annexes

Un autre intérêt de supprimer le trajet direct est de pouvoir déterminer sa contribution, pardifférence avec le signal contenant tous les trajets (sans plaque). Ainsi, la Figure 6 présente le signalobtenu par cette technique différentielle comparé au trajet direct isolé par fenêtrage temporel qui aservi de référence dans cette étude. On peut noter un bonne similitude entre ces courbes. Lesdifférences observées (10 à 12 ns) peuvent être dues au fait que l'impulsion reconstruite pardifférence ne tient pas compte de la réflexion sur le sol. Cependant, en calculant la fonction detransfert de l'antenne à partir de cette impulsion et en la comparant à celle obtenue en chambreanéchoïque, on peut remarquer que celle-ci est sensiblement différente (d'amplitude inférieure etplus bruitée).

Figure 5 : signaux reçus en configuration multi-trajets, et intercorrélation avec l'impulsion reçue en trajet direct

Signal reçu

Intercorrélation entre signal reçu et impulsion reçue de référenceΔD = 1,45 m

ΔD = 2,7 m

Amplitude (mV) Amplitude (mV)

t (ns) t (ns)

Distance (m)Distance (m)

Sans plaqueAvec plaque

ΔD = 3,8 m

d=120 Plaque métalliqued=120

Plaque métallique

Figure 6 : comparaison du signal issu du trajet direct par mesure différentielle avec le signal de référence etamplitude de la fonction de transfert obtenue

Fréquence (GHz)

Mesure différentielle

En chambre

Signal issu du trajet direct inter antennesAmplitude (mV)

Temps (ns)

Trajet direct isoléMesure différentielle

Annexes

• ConclusionLa campagne de mesures menée ici en environnement réel, pourtant peu perturbé, permet de réaliserla difficulté d'isoler l'effet des seules antennes de celui du canal de propagation. En effet, lesdifférents trajets que suivent les ondes électromagnétiques rayonnées ne sont pas faciles à séparersans dégrader le signal. De plus, plusieurs mesures sont nécessaires, ce qui additionne alors leserreurs expérimentales. Diverses solutions ont été envisagées lors de cette campagne de mesures,mais les résultats restent peu satisfaisants. Pourtant, ici nous ne nous sommes intéressés qu'àl'amplitude de la fonction de transfert des antennes, sachant que la phase est une donnée encore plussensible à mesurer. Le choix de placer les antennes en chambre anéchoïque afin de les caractérisers'est donc avéré indispensable, évitant par la même de recevoir des perturbationsélectromagnétiques.

Publications

Revues internationales à comité de lecture

« Novel Antennas for Ultra Wideband Communications », N. FORTINO, G. KOSSIAVAS, J-YDAUVIGNAC, R. STARAJ, Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 41, N° 3, pp. 166-169, May 2004.

Conférences internationales avec comité de lecture et publications des actes

« Conception et Mesures en Régime Impulsionnel d'une Antenne Ultra Large Bande », N.FORTINO, G. KOSSIAVAS, J-Y DAUVIGNAC, R. STARAJ, D. HELAL, JournéesInternationales de Nice sur les Antennes, pp. 488-489, Nov. 2004.

Conférences nationales avec comité de lecture et publications des actes

« Caractérisation en Mode Impulsionnel de Nouvelles Antennes Imprimées Ultra Large Bande », N.FORTINO, G. KOSSIAVAS, J-Y DAUVIGNAC, R. STARAJ, Ch. DELAVEAUD, J.KEIGNART, Journées Nationales des Micro-ondes, Nantes, p. 188, Mai 2005

conférences internationales avec présentation et actes

« Design of UWB Printed Antennas for Telecommunications and GPR applications. Frequency andTime Domain Characterizations », N. FORTINO, J-Y DAUVIGNAC, G. KOSSIAVAS, V.CHATELEE, Ch. PICHOT, I. ALIFERIS, R. STARAJ, Ch. DELAVEAUD, J. KEIGNART, X.DEROBERT, P. MILLOT, European Microwave Week, Paris, Oct. 2005.

Séminaires avec présentation et actes

« Conception d'Antennes pour Systèmes de Communications Ultra Large Bande », N. FORTINO,G. KOSSIAVAS, J-Y DAUVIGNAC, R. STARAJ, Journée SEE Télécommunications Ultra LargeBande, Grenoble, Oct. 2005

« Miniaturisation d'Antennes ULB Imprimées », N. FORTINO, G. KOSSIAVAS, J-YDAUVIGNAC, R. STARAJ, Ch. DELAVEAUD, J. KEIGNART, GDR Ondes, Groupe ULB, Paris,Sept. 2005.

« Antennes Imprimées Compactes pour Communications Ultra Large Bande : conception etcaractérisation », N. FORTINO, G. KOSSIAVAS, J-Y DAUVIGNAC, R. STARAJ, GDR Ondes,Paris, Dec. 2004.

Conception et caractérisation d'antennes impriméespour systèmes Ultra-Large-Bande impulsionnels

Résumé : L'essor récent des communications Ultra Large Bande a nécessité des antennesspécialement adaptées à cette technologie. Cette thèse explicite les besoins en éléments rayonnantscaractérisés ainsi que les contraintes spécifiques liées à la conception d'antennes pour ces systèmes.Un état de l'art des antennes large bande valide le choix d'une base d'étude. L'optimisation d'uneantenne papillon précède la présentation d'une nouvelle structure imprimée. Cette géométried'antenne alimentée par guide d'onde coplanaire lui confère une adaptation d'impédance à 50 Ω, unrayonnement omnidirectionnel, ainsi qu'un encombrement et un coût limités. L'insertion d'uneouverture triangulaire ainsi que de fentes capacitives au sein du triangle rayonnant améliorel'adaptation, élargit la bande passante et réduit l'encombrement. Un second travail a consisté àobtenir un rayonnement moins directif en adoptant des formes de plans de masse latérauxappropriés. Les résultats simulés ont été validés par quatre réalisations. L'effet combiné desaméliorations permet à l'antenne finale de présenter une réduction de taille de 70 % . Enfin, uneantenne imprimée elliptique alimentée par CPW est étudiée et réalisée.

Des mesures temporelles ont été nécessaires afin de caractériser les antennes. Le mode opératoire etles traitements appliqués sont décrits et validés. Les fonctions de transfert des antennes en émissionet réception sont séparées. Leur caractérisation dans différentes directions de propagation permet deprésenter les déformations subies par une impulsion référence lors de son rayonnement par lesantennes. Leur dispersion a ainsi pu être comparée selon la direction et l'antenne utilisée.

Mots clés : antennes ultra large bande, antennes imprimées, miniaturisation, caractérisationtemporelle, fonction de transfert, rayonnement d'impulsions.

Abstract : The recent use of Ultra Wide Band technology in telecommunication implies the studyof appropriated antennas. This thesis presents the needs of efficient and characterized antennas butalso the keys related to their conception. A state of the art of UWB antennas is proposed and a bow-tie structure is chosen for optimization. A novel triangular CPW-fed printed antenna is thenpresented. This shape allows a 50 Ω impedance matching, an omnidirectionnal radiation pattern, alimited size and a low cost. A triangular slot and capacitive effects are introduced in the radiatingpart of the antenna in order to confer a better matching over a wider bandwidth, and a smalleroverall size to the structure. A second work was carried out on ground planes shape to obtain moreconstant radiation patterns with frequency. The measurements of four realized antennas havevalidated the simulated results. The combined effects of these improvements on the final antennastructure result in an size reduction of 70 %. An elliptical CPW-fed printed antenna has also beenstudied and realized.

Time domain measurements were also necessary to characterize the antennas. The procedure anddata processing are first presented and validated. Antenna transmit and receive transfer functionshave been differentiated. This characterization in several plans and directions allows us to calculatethe distortion of a reference pulse during his radiation by the antenna. The dispersion that occurs canthen be calculated and compared depending on antenna under test and direction.

Keywords : Ultra wide band antenna, printed antenna, miniaturization, time domaincharacterization, transfer function, pulse radiation.

Conception et caractérisation d'antennes imprimées pour systèmes

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