Proposition d’une nouvelle démarche de conception pour les antennes filtrantes planaires

Pour résoudre le problème de la compacité des structures radiofréquences fonctionnant sur plusieurs bandes de fréquence, les caractéristiques de rayonnement doivent être maîtrisées dans chacune des bandes couvertes. En général, ces antennes sont mises en œuvre à partir de la modification d’une antenne conventionnelle, en la faisant évoluer en ajoutant un résonateur supplémentaire, ou en chargeant l’antenne avec des courts-circuits [2.1] par exemple. Cependant, ces méthodes présentent certains inconvénients :

9 Les largeurs de bande que l’on obtient ne sont pas toujours suffisantes pour les applications envisagées actuellement en communications sans fil (notamment la réception de la télévision numérique terrestre TNT) ;

9 La maîtrise des fréquences de fonctionnement n’est pas simple si les fréquences considérées ne sont pas des fréquences harmoniques de la fréquence de résonance fondamentale du résonateur de base ;

9 En général, la taille physique augmente lorsque l’on ajoute au résonateur de base un résonateur supplémentaire pour augmenter sa bande passante.

Par ailleurs, aucune démarche de conception claire n’a encore été proposée pour résoudre le problème de maîtrise conjointe du rayonnement et de la bande passante d’une antenne.

Cette volonté d’aboutir à la maîtrise conjointe de la bande passante et du rayonnement est également liée à la nécessité de diminuer le nombre d’interconnexions afin de diminuer les pertes dans le récepteur et donc le facteur de bruit de ce récepteur.

De ce fait, nous nous sommes intéressés aux structures possédant des géométries proches qui étaient proposées soit pour réaliser une fonction de filtrage, soit pour réaliser une antenne. Dans ce cadre, nous proposons d’abord de rappeler les principes et les caractéristiques des antennes et des filtres. Ensuite, nous proposons une première étude permettant la comparaison entre fonction de filtrage et fonction de rayonnement à partir d’une géométrie simple et leur modélisation.

Les antennes planaires sont des antennes très répandues car elles ont l’intérêt de pouvoir être intégrées directement sur une carte de circuit imprimé. Elles sont peu coûteuses, faciles à fabriquer et peu épaisses. Ces structures peuvent être réalisées de différentes manières, mais elles possèdent différentes caractéristiques présentées ci-dessous.

Les deux caractéristiques qui doivent être simultanément obtenues pour que l’antenne soit opérationnelle concernent d’une part son adaptation, qui caractérise sa capacité à transformer toute l’énergie présente au niveau de l’alimentation en énergie rayonnée, et d’autre part sa caractéristique de rayonnement, qui indique comment l’antenne répartit spatialement l’énergie. L’application à laquelle est destinée l’antenne détermine la bande de fonctionnement et les propriétés de rayonnement de l’antenne.

Les paramètres permettant de caractériser le rayonnement des antennes sont :

o la surface caractéristique de rayonnement,

o le diagramme de rayonnement,

o la directivité,

o le gain

o l’efficacité

o la polarisation de l’onde rayonnée

¾ Surface caractéristique de rayonnement et diagramme de rayonnement

La surface caractéristique de rayonnement est une représentation 3-D des champs ou de la puissance rayonnée loin de la source. Compte tenu des symétries constatées généralement au niveau de cette surface, on peut aussi donner des coupes particulières de celle-ci appelées diagrammes de rayonnement. On donne en général deux formes principales de ces diagrammes : le diagramme en élévation et le diagramme en azimut. La combinaison des deux graphes permet d’accéder à une représentation 3-D de la façon dont l’énergie est rayonnée autour de l’antenne (Figure 2. 1(c)).

¾ Directivité d’une antenne

La directivité d’une antenne est une mesure de la concentration de la puissance rayonnée dans une direction particulière. Elle peut être considérée comme la capacité à envoyer l’énergie dans une direction donnée. C’est généralement le ratio de l’intensité du rayonnement dans une direction donnée à la moyenne de l’intensité du rayonnement. Elle est définie comme la puissance P(θ, φ) rayonnée dans la direction (θ, φ) divisée par la puissance Pr que rayonnerait une source isotrope par unité d’angle solide dΩ (2.1) : D(θ,ϕ) = P(θ ,ϕ) (2.1 a)

Pr  = ∫0π ∫02π P(θ , ϕ)dΩ (2.1 b)

d Ω = sinθ d θ dϕ (2.1 c)

¾ Gain de l’antenne/efficacité de rayonnement

Le gain de l’antenne est le rapport de la puissance admise par l’antenne à sa puissance de sortie. Ce gain est le plus souvent donné en dBi, qui est le gain par rapport à l’antenne isotrope, c’est à dire à l’antenne fictive dont le diagramme de rayonnement est parfaitement omnidirectionnel. Le gain est relié à la directivité de l’antenne par l’efficacité de rayonnement (ou rendement) de l’antenne η : G(θ ,ϕ) =ηD(θ,ϕ) (2.2 a) η = Pr (2.2 b) Pr + Pp

Pr et Pp représentent respectivement la puissance rayonnée et la puissance perdue au sein de l’antenne. Cette puissance perdue est principalement due aux pertes métalliques et diélectriques mais également aux ondes de fuites dans le substrat dans le cas de structures planaires. Il convient de maximiser l’efficacité de rayonnement pour optimiser le bilan de liaison.

¾ Polarisation des champs rayonnés par une antenne

Les ondes électromagnétiques émises par l’antenne loin de la source sont en général polarisées, c’est à dire que le vecteur champ électrique présente une direction privilégiée. Suivant les circonstances et les applications envisagées, différents types de polarisations sont utilisés. La polarisation d’une antenne peut être linéaire, (verticale, horizontale ou oblique), ou elliptique (droite, gauche). Un cas particulier de la polarisation elliptique est la polarisation circulaire (droite (RHCP, Right Hand Circular Polarization) ou gauche (LHCP, Left Hand Circular Polarization)). L’utilisation de polarisations croisées permet d’augmenter le débit d’information transmis par l’antenne en limitant les interférences entre les signaux émis en même temps sur ces deux polarisations.

Du point de vue de son alimentation, l’antenne peut être modélisée par un résonateur possédant une admittance complexe dépendante de la fréquence Y(f)=G(f)+jB(f) comme le montre la figure 2.2. La partie réelle de cette admittance, la self-conductance G(f), modélise les pertes par rayonnement et les pertes dans l’antenne, alors que la partie imaginaire, la self-susceptance B(f), modélise l’énergie réactive stockée dans le volume électromagnétique de l’antenne. Cette énergie est déterminée par les champs évanescents associés à l’antenne. Il est nécessaire d’adapter ce résonateur, c’est-à-dire d’optimiser la puissance acceptée par l’antenne. On doit pour cela minimiser le coefficient de réflexion ρ(f) en tenant compte de l’admittance caractéristique de la ligne d’alimentation de l’antenne Y0.

Dans ce cas, la bande passante de l’antenne dépend directement de son facteur de qualité Q=f0/Δf. Ce facteur de qualité dépend de l’énergie réactive pouvant être stockée dans le résonateur et des pertes de celui-ci (2.3) :

Le facteur de qualité total de l’antenne planaire, QT, peut être défini en fonction des facteurs de qualité associés aux différents types de pertes dans l’antenne. Il y a quatre sources de pertes possibles (métalliques, diélectriques, par rayonnement et par ondes de surface) (2.4). QTQmQdQr1=1+1+1+1 (2.4

Comme nous étudions par la suite des antennes planaires, il nous a semblé nécessaire de rappeler, à titre d’exemple, la manière dont on peut étudier le rayonnement des lignes planaires ouvertes. C’est ce que nous faisons dans le paragraphe suivant.

L’antenne planaire la plus simple est le « patch » microruban. Elle est constituée d’un élément imprimé sur un substrat et d’un plan de masse situé sous celui-ci. C’est donc une structure de type cavité ouverte.

Dans cette partie, nous rappelons le modèle utilisé pour caractériser les phénomènes de rayonnement sur une antenne microruban à partir du modèle de la ligne de transmission. L’antenne

à caractériser est constituée d’un motif rectangulaire de longueur L et de largeur W sur un substrat de permittivité εr et de hauteur h (Figure 2.3).

Cette antenne est excitée par une ligne microruban de largeur Wm et longueur Lm, qui a pour admittance caractéristique normalisée yc,m et pour constante de propagation γm.

L’antenne microruban est représentée par un tronçon de ligne de transmission d’admittance caractéristique normalisée yc et de constante de propagation γ. Dans les plans AA’ et BB’, cette antenne présente des discontinuités en circuit-ouvert qui peuvent être représentées par Ys=Gs+jBs.

Gs représente les pertes par rayonnement et Bs est une capacité de dimensions W*ΔL sur un substrat d’épaisseur h (2.5 et 2.6) [2.1]

Les progrès concernant la miniaturisation des équipements électroniques ont généré un besoin croissant d’antennes de petites dimensions. En effet, l’emploi d’antennes miniatures s’est généralisé dans les différents systèmes de télécommunications modernes, notamment dans le domaine des communications mobiles et plus récemment dans celui des communications sans fil, à travers le développement d’antennes de faible encombrement et de faible coût qui répondent à des contraintes d’intégration dans des terminaux portatifs. De plus, l’augmentation du nombre de standards de ces systèmes mobiles (GSM « Global System for Mobile Communications », DCS « Distributed Control System », PCS « Personal Communications Service », UMTS « Universal Mobile Telecommunications System », DVB-H « Digital Video Broadcasting-Handheld ») et sans fil (Bluetooth, Wi-Fi) a conduit à la recherche et à la réalisation d’antennes multifréquences et large bande.
Ces caractéristiques amènent à dissocier trois types de techniques:
9 Les techniques de miniaturisation pour obtenir une antenne de dimensions réduites par rapport à la longueur d’onde de fonctionnement :
Une antenne ou un circuit peut être miniaturisé en perturbant les trajets des courants. Le principe repose sur l’allongement des longueurs électriques par rapport aux longueurs physiques, réelles, des composants.
9 Les techniques d’élargissement de bande réalisant l’adaptation d’au moins deux résonances couplées sur une large bande passante :
Si un système vérifie les conditions imposées sur une large bande cela implique que ces conditions sont vérifiées sur toutes les sous bandes incluses. Toutes les bandes utiles sont alors disponibles en même temps mais aussi les bandes non souhaitées. Ces dernières peuvent venir perturber les bandes de fonctionnement souhaitées, il est donc nécessaire de trouver des solutions pour éviter cela. De plus il est nécessaire de résoudre les inconvénients des structures de ce type, notamment : les antennes larges bandes doivent aussi présenter a priori des caractéristiques constantes sur toute la bande d’adaptation des antennes, notamment en diagramme de rayonnement. Le système n’est pas optimisé du point de vue du bruit, car il permet d’émettre et de recevoir dans les bandes désirées, mais aussi dans les bandes intercalées et adjacentes.
9 Les techniques de fonctionnement multibandes, réalisant l’adaptation d’au moins deux résonances non couplées sur des bandes de fréquences distinctes :
Les structures multibandes réalisent des fonctions qui présentent les caractéristiques voulues dans toutes les bandes de fréquence utilisées de manière simultanée. Il faut noter que les contraintes systèmes imposées sur les bandes passantes sont difficiles à tenir compte tenu, d’une part, des phénomènes physiques associés à la réalisation des différentes fonctions de filtrage et, d’autre part, des limitations associées aux technologies de réalisation utilisées. Une architecture basée sur ce type de fonctions possède ainsi des avantages mais au prix de beaucoup de contraintes sur tous les éléments de la chaîne, par exemple : l’antenne doit être adaptée sur les différentes bandes et avoir un diagramme de rayonnement potentiellement différent sur chaque bande. Les filtres sont très complexes à réaliser car les bandes peuvent être très proches mais disjointes.
Les antennes larges bandes et multibandes sont obtenues soit en créant de nouvelles résonances plus ou moins proches en fréquence, soit en perturbant les modes supérieurs des éléments. Les objectifs de miniaturisation, d’élargissement de bande et de fonctionnement multibandes reposent sur les mêmes principes. Les techniques utilisées classiquement par les concepteurs radiofréquences sont :
9 la modification de la géométrie de l’élément rayonnant ou du circuit [2.2-2.10],
9 l’utilisation d’un substrat à haute constante diélectrique [2.11],
9 l’ajout de courts circuits verticaux entre le composant et le plan de masse [2.12],
9 l’ajout de résonateurs parasites aux éléments rayonnants [2.13-2.16],
9 l’insertion de fentes [2.3, 2.17, 2.18],
9 l’utilisation d’un chargement capacitif [2.19, 2.20],
9 l’utilisation de chargements capacitifs et inductifs réalisés par des composants localisés [2.21, 2.22],
9 la modification de l’alimentation [2.23]
9 l’utilisation de plusieurs résonateurs [2.24, 2.25]
9 l’ajout de l’interdiction de bandes [2.26, 2.27]
9 l’emploi combiné de plusieurs de ces techniques [2.3, 2.18, 2.28].

Les courts-circuits verticaux ajoutés entre l’élément rayonnant et le plan de masse peuvent être de types filaires, plans ou languettes [2.12]. De manière générale, ils sont utilisés pour réduire les dimensions de l’antenne. Les courts-circuits engendrent des phénomènes différents sur les modes de cavité qui sont fonctions de leur type, de leur nombre, de leur position sur l’élément rayonnant, mais aussi de la forme et des dimensions de cet élément. Alors que les antennes utilisées en téléphonie mobile sont de plus en plus amenées à être multistandards, le principal inconvénient des courts-circuits est d’éliminer certains modes de cavité.
L’ajout d’un court-circuit entraîne l’apparition d’une inductance dont la valeur est directement liée aux dimensions de celui-ci. De manière générale, plus un court-circuit est long et fin, plus l’effet selfique qu’il engendre est important. Une inductance différente est créée par chaque type de court-circuit et sa position par rapport à l’alimentation permet de contrôler à la fois l’impédance d’entrée de l’antenne et sa fréquence de résonance. L’impédance d’entrée d’une antenne possédant un ou plusieurs courts-circuits sera donc plutôt inductive.
Au niveau du rayonnement, les antennes possédant des courts-circuits présentent une sensibilité aussi bien à la polarisation verticale qu’à la polarisation horizontale car elles sont composées d’éléments planaires et de courts-circuits rayonnants suivant ces deux directions. Malgré tout, cette propriété en fait des antennes très attractives pour les communications mobiles car, d’une part, le portable et son antenne intégrée ne sont jamais immobiles et d’autre part les deux types de polarisations coexistent en milieu urbain.

Une des techniques permettant d’obtenir un fonctionnement large bande et de réduire les dimensions est de réaliser une antenne constituée de plusieurs résonateurs. Un seul résonateur est alimenté, les autres, excités par couplage électromagnétique, sont considérés comme des résonateurs parasites. Tous ces résonateurs ont leurs propres fréquences de résonance fondamentale et supérieures. Pour obtenir une large bande passante, il faut choisir les longueurs résonantes de chaque pavé du même ordre de grandeur. Pour travailler plutôt sur plusieurs bandes de fréquences distinctes, il faut alors dimensionner différemment chaque résonateur. En cumulant les deux principes précédents, il est ainsi possible de réaliser des antennes à la fois larges bandes et multibandes. Ces résonateurs parasites sont placés à proximité du résonateur principal. [2.13-2.15] présentent des exemples d’antennes patches pour lesquelles les résonateurs parasites sont placés soit dans le même plan, soit dans un plan différent. Le cas où les deux méthodes sont combinées existe également mais là nous ne sommes plus dans le domaine des antennes miniatures pour la téléphonie mobile car l’augmentation du volume global est importante [2.16].

Si l’on pratique une ouverture de forme quelconque dans une surface conductrice et que l’on applique une différence de potentiel entre deux bords opposés de cette même ouverture, on obtient un système rayonnant appelé fente. Dans le cas général, la fente rayonne de façon identique dans les deux demi-espaces délimités par la surface conductrice. Si l’on souhaite que la fente rayonne seulement vers un demi-espace, il est alors nécessaire de blinder le coté opposé à ce demi-espace en adossant la fente à une cavité. L’avantage de cette fente par rapport à une fente demi-onde est bien entendu de pouvoir l’utiliser à une fréquence deux fois moindre pour la même longueur. La découpe de fentes dans certaines parties d’un élément rayonnant peut permettre l’émergence de nouveaux résonateurs. Nous pouvons par exemple citer l’utilisation d’une fente non débouchante en forme de U ou l’utilisation de fentes débouchantes de formes quelconques [2.17, 2.18]. Grâce à ce procédé et aux effets capacitifs créés, des antennes à la fois miniatures, larges bandes et multibandes peuvent être conçues.

Les principes utilisés sont non seulement de forcer les trajets des courants conditionnant les fréquences de résonance des modes fondamentaux et supérieurs à contourner les fentes inscrites et ainsi à les allonger, mais aussi de créer des effets capacitifs bords à bords répartis tout autour de la fente. Ces principes, menant tous deux à une diminution de la fréquence des résonances, sont obtenus avec les deux types de fentes. Pour les fentes non débouchantes, le procédé utilisé est d’insérer une fente rectiligne à proximité de chaque bord rayonnant d’un résonateur et parallèlement à ces bords. Pour les fentes débouchantes, la technique est de disposer des fentes rectilignes perpendiculairement aux bords non rayonnants de l’élément. Une première fente est tout d’abord insérée sur un des bords, puis une deuxième sur le bord opposé, ceci obligeant les courants à accomplir des “zigzags” à la surface du résonateur. C’est la généralisation de ce principe au cas de n fentes qui a conduit à réaliser des antennes à méandres latéraux très étroits [2.3].