Juxtaposition des antennes

Pour intégrer plusieurs antennes au sein d'un même terminal, une première approche consiste à disposer chaque antenne aux coins du boîtier. Ainsi, la diversité spatiale introduite est conditionnée par la taille de ce dernier. Néanmoins, la diversité d'espace entre les antennes est d'autant plus faible que le terminal est petit. La solution de rapprocher les antennes apparaît donc contradictoire avec le fait d'apporter de la diversité. Cependant, en pratique, une faible distance inter-antennes peut parfois suffire à apporter de la décorrélation entre les signaux reçus [34] surtout dans un environnement multi-trajets. C'est pourquoi cette approche est largement étudiée dans le cas des dispositifs mobiles qui le plus souvent évoluent dans un milieu très perturbé. D’autre part, quand des antennes sont rapprochées, elles se couplent et se perturbent mutuellement. Ceci modifie leur adaptation et leurs diagrammes de rayonnement respectifs. Ainsi, de la diversité de rayonnement est introduite en plus de la diversité d'espace [21]. Chaque antenne joue le rôle de perturbateur vis à vis de l’autre. Même si la diversité apportée par des antennes faiblement éloignées peut suffire à décorréler les signaux reçus, rapprocher les antennes induit généralement du couplage. Une partie de l'énergie captée par chaque antenne de réception se transmet vers les autres antennes de réception ce qui engendre une corrélation entre les signaux reçus. C'est pourquoi de nombreuses études portent sur l'intégration des systèmes multi-antennaires dans des dispositifs à encombrement réduit et notamment sur la diminution du couplage inter-éléments.

Afin de diminuer le couplage, il existe globalement trois approches :

 agir sur le système d'alimentation des antennes

 agir sur le plan de masse lorsqu’il existe

 agir sur la structure des antennes

La première solution [35] consiste à combiner un réseau de découplage au niveau de l’alimentation des antennes comme le présente la Figure 1.7. L’idée est d’introduire un pré- couplage sur chacune des antennes qui s’opposera par la suite à l’énergie introduite par le couplage entre les deux antennes, en utilisant des éléments réactifs. L’inconvénient de cette solution est la diminution de la bande passante et l’introduction de pertes supplémentaires. De plus, l’emplacement nécessaire aux réseaux augmente l’encombrement et par conséquent, le rapprochement des antennes devient impossible.

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Figure 1.7: Réseau d'adaptation et de découplage pour un système bi-antennaires [35].

Dans [36], les auteurs partent du principe que les courants se propageant sur le châssis engendrent un fort couplage entre les antennes. Un même mode du châssis peut être excité par deux ou plusieurs antennes engendrant le couplage. L’idée est de concevoir deux antennes de manière à favoriser ou non ce mode. Par conséquent, le système est composé d’une antenne sensible au champ électrique afin d’exploiter l’excitation du châssis et d’une deuxième antenne magnétique qui minimise cette excitation (voir Figure 1.8). Ce concept permet une isolation supérieure à 20 dB à 920 MHz et une efficacité totale de 80%.

Figure 1.8: Découplage par contrôle du mode d’excitation du châssis: antenne monopôle plié et antenne CLL (Capacitively-Loaded Loop) imprimée [36].

La seconde solution consiste à agir sur le plan de masse afin de diminuer le couplage.

Plusieurs approches existent. D’abord, l’insertion d’éléments résonants dans le plan de masse, aux fréquences auxquelles le couplage intervient. Par conséquent, un circuit ouvert empêchant les courants de circuler d’une antenne à une autre s’établit.

De nombreux auteurs utilisent l’insertion de fente [37][38] dont un exemple est présenté en Figure 1.9, qui permet le découplage sur les fréquences 2.4 GHz et 5.6 GHz.

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Figure 1.9: Découplage par deux lignes de transmission gravées sur le devant de l'antenne et deux fentes découpées dans le plan de masse [37].

Dans [39], les auteurs rajoutent sur le bord du plan de masse une extension sous forme de T entre les deux éléments. La forme et la taille de cette extension permettent d’isoler les deux antennes comme suit: l’antenne 1 induit des courants de couplage sur l’extension T et l’antenne 2. L’extension induit, à son tour, un courant de couplage sur l’antenne 2. En conséquence, deux courants de sens inverses circulent sur l’antenne 2 engendrant leur annulation et ainsi une forte isolation entre les antennes (|S21|<-15 dB).

Enfin, les auteurs de [40] utilisent une structure DGS (defected ground plane), qui agit comme un filtre coupe-bande permettant ainsi une isolation de 17 dB sur la bande LTE (803-823 MHz).

L’inconvénient qui peut gêner la mise en place de cette technique est son intégration dans un boîtier. Des précautions doivent être prises en compte afin que les parties démétallisées ne soient pas perturbées par d’autres composants métalliques.

D’autres travaux, plus théoriques, sur le cloaking sont proposés pour le découplage des antennes [41]. Pour illustrer le concept, on considère deux antennes A1 et A2 fonctionnant sur deux fréquences proches f1 et f2, comme l’illustre la Figure 1.10. A1 est inclus dans un milieu analogue à « une cape d’invisibilité » C1 lui permettant un fonctionnement en espace libre à f1

et A2 dans un milieu C2 lui permettant un fonctionnement en espace libre à f2. Les deux antennes sont ainsi découplées.

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Figure 1.10: Découplage de deux antennes par le « cloaking».

La dernière solution consiste à minimiser le couplage lors de la conception même des antennes. D’une part, l’introduction d’une ligne dite de « neutralisation ». Le principe est de considérer que le couplage électromagnétique entre deux antennes est essentiellement capacitif [42] [43]. En introduisant une inductance entre les deux éléments, un comportement de filtre réjecteur permet le découplage. D’autre part, l’insertion d’un élément parasite [44]

entre deux antennes bi-bandes planaires illustré sur la Figure 1.11 permet d’améliorer l’isolation du système proposé comparé au système initial. Une optimisation de la position, des dimensions et de la forme de l’élément parasite rend possible l’obtention d’un maximum d’isolation contrôlable sur les bandes WLAN 2.4–2.5 GHz et 5.15–5.82 GHz.

Figure 1.11: Découplage par insertion d’un élément parasite d’un système antennaire bi- bandes destiné au WLAN [44].

Dans [45], les auteurs utilisent une structure réalisée à base d’anneaux métalliques fendus (Split Ring Resonators ou SRR) présentant une perméabilité négative afin d’améliorer l’isolation (Figure 1.12). Toutefois, si le couplage répond aux attentes à 2.4 GHz, il n’en est pas de même de l’efficacité de rayonnement. La valeur élevée de la partie imaginaire de la perméabilité engendre des pertes élevées.

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Figure 1.12: Découplage par insertion de SRR d’un système antennaire constitué de deux ILAs (Inverted L Antennas) imprimées pour le LTE [45] .

Une autre manière de découpler les antennes est de les positionner orthogonalement l’une par rapport à l’autre comme c’est le cas dans [46]. Deux antennes patchs très proches, chacune d’entre elles ayant été conçu préalablement, sont orientées orthogonalement à 0° et 90°, comme illustré en Figure 1.13.

Figure 1.13: Deux antennes patch rapprochées sous forme de E, orientées orthogonalement et fonctionnant à 5.5 GHz [46].

La réduction de l’encombrement par rapprochement des antennes est adaptée aux terminaux mobiles dans des environnements fortement multi-trajets. Les recherches présentées offrent des solutions du découplage très intéressantes. Néanmoins, elles rendent plus complexe le système antennaire. Une étude de leurs impacts sur l’efficacité et la bande passante du système est impérative.

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