CONTEXTE GENERAL SUR L'ULTRA LARGE BANDE
G ENERALITES SUR L 'U LTRA L ARGE B ANDE
- Histoire et définition
- Comparaison système ULB / Système à bande étroite
- Caractéristiques principales de l'Ultra Large Bande
- La réglementation de l'ULB
D IFFERENTS TYPES DE SIGNAUX ULB
- Train d’impulsions pour les systèmes ULB
- Systèmes ULB impulsionnels
- Système ULB multi bande
- Comparaison entre les deux types de systèmes ULB
D IFFERENTS TYPES D ' APPLICATIONS DE L 'U LTRA L ARGE B ANDE
- Applications liées aux communications
- Applications liées au radar
- Localisations et suivi
C ARACTERISTIQUES " CLASSIQUES " DES ANTENNES
- Caractéristiques d’adaptation
- Caractéristiques de rayonnement
- Polarisation
E TUDE SPECIFIQUE POUR LES ANTENNES U LTRA L ARGE B ANDE
- Problématique
- Antennes ULB idéales
- Généralités sur le problème de la distorsion pour les antennes ULB
A NTENNES INDEPENDANTES DE LA FREQUENCE
- Les antennes spirales
- Antenne log-périodique
A NTENNES OMNIDIRECTIONNELLES
- Antennes biconiques et ses dérivées
- Dipôles/ monopoles électriques ultra large bande
Il est possible d'obtenir des antennes présentant naturellement à la fois une très large bande passante et un diagramme de rayonnement omnidirectionnel. L'élément peut être de forme elliptique [37], mais un rapport elliptique élevé dégrade la bande passante de l'antenne.
A NTENNES DIRECTIVES
- Cornet
- Antenne à transition progressive (Vivaldi)
La figure II.40 montre le diagramme de rayonnement du monopôle à fils repliés avec une alimentation centrée dans le plan H (θ=π/2) pour différentes valeurs de la fréquence. La figure III.19 rassemble les résultats de la fonction de fidélité dans le plan E (ϕ=0) : forme.
C ONTEXTE APPLICATIONS DE LA THESE
A NTENNES COURAMMENT UTILISEES SUR LA BANDE 0.1-2 GH Z
- Les antennes avec couches résistives et/ ou capacitives
- Les antennes monopoles large bandes
- Les antennes à ondes progressives
C AHIER DES CHARGES
Les figures ci-dessous montrent les diagrammes de rayonnement du monopôle rectangulaire décalé dans le plan H pour différentes valeurs de la fréquence. On retrouve l'effet classique de la distance entre le plan de masse et le monopôle sur l'impédance d'entrée de l'antenne.
O BJECTIFS : CHOIX DES STRUCTURES A CONCEVOIR
E TAT DE L ' ART SUR LE FACTEUR DE QUALITE D ' UNE ANTENNE
- Concept d'antenne électriquement petite
- Théorie "classique" du facteur de qualité d'une antenne
E LEMENTS DE CONCLUSION
R APIDE ETAT DE L ' ART SUR LES MONOPOLES ULB
E TUDE DU MONOPOLE RECTANGULAIRE ULB
- Adaptation du monopole rectangulaire ULB
- Caractéristiques de rayonnement
Les figures ci-dessous représentent le diagramme de rayonnement du monopôle rectangulaire avec alimentation centrée dans le plan H aux fréquences 0,5 GHz, 0,8 GHz, 1,2 GHz et 1,5 GHz. Les figures ci-dessous représentent le diagramme de rayonnement du monopôle rectangulaire avec alimentation centrée dans le plan E (ϕ=0) aux fréquences 0,5 GHz, 1 GHz et 1,5 GHz. Dans cette partie, nous nous intéresserons à l'influence de l'offset d'alimentation sur le diagramme de rayonnement.
A noter que le diagramme de rayonnement reste omnidirectionnel sur toute sa bande de fonctionnement comme dans le cas précédent. Les figures ci-dessous montrent le diagramme de rayonnement du monopôle rectangulaire avec alimentation décalée dans le plan E (ϕ=0) aux fréquences 0,5 GHz, 1,5 GHz, 3 GHz. Le décalage de l'alimentation électrique affecte également le diagramme de rayonnement dans le plan d'élévation.
E TUDE DU MONOPOLE RECTANGULAIRE FILAIRE ULB
- Etude de la répartition des courants surfaciques du monopole ULB
- Etude paramétrique du monopole rectangulaire filaire
- Caractéristiques de rayonnement
W la longueur de la ligne de transmission en U : (par rapport à l'antenne filaire, on a T=3W). Nous étudierons d'abord l'influence de la longueur des fils rayonnants sur l'impédance d'entrée de l'antenne. L'impédance d'entrée de l'antenne filaire repliée peut maintenant être déterminée à partir des équations (14) et (15) et de la théorie des lignes de transmission.
La figure III.48 montre une comparaison du temps d'ensemble de la fonction de transfert monopolaire du fil plié en filaments épais. La Figure III.66 montre une comparaison de la fonction de fidélité après le gain monopolaire transitoire du toron épais plié dans le plan H, obtenue à partir de simulations et mesurée. La figure III.67 présente une comparaison de la fonction de fidélité après le gain de temps du monopôle de fil replié optimisé à l'aide des sections de ligne du plan H obtenues à partir de simulations et mesurées.
M ONOPOLE FILAIRE REPLIE : A NTENNE U LTRA L ARGE B ANDE DANS LA BANDE 0.5-2 GH Z
- Techniques de miniaturisation des antennes filaires
- Monopole filaire replié
C OMPARAISON ENTRE LES TROIS TYPES D ' ANTENNES POUR L 'ULB EN BANDE BASSE
On commence par l'étude de la phase de la fonction de transfert de ces antennes. Les figures III.9 montrent les variations de la moyenne des temps de groupe ainsi que leur écart type dans le plan E (ϕ=0). Les figures ci-dessous montrent les diagrammes de fonction de fidélité ainsi que le gain d'énergie dans le plan H pour différentes valeurs de la longueur des brins rayonnants.
Vous trouverez ci-dessous une comparaison des temps de groupe simulés et mesurés (temps et fréquence) de la fonction de transfert dipolaire à cadre replié. La Figure III.49 montre les temps mesurés et calculés du groupe de fonctions de transfert monopôle du fil optimisé à l'aide de tronçons de ligne. 70 : (a) Tension totale à l'entrée de la ligne de transmission (b) Dérivée de la tension totale à l'entrée de la ligne de transmission.
M ODELISATION RETENUE DE L ' ANTENNE FILAIRE REPLIEE
- Modèle à alimentation centrée
- Modèle à alimentation décalée
- Modèle avec couplage non négligeable
V ALIDATION DES MODELES : M ETHODE EMF
- Résultats et discussions
- Conclusion
M ODELISATION APPROFONDIE DE L ' ANTENNE FILAIRE REPLIEE
- Méthode d'analyse d'antenne cylindrique
- Modélisation complète de l'antenne filaire repliée
- Schéma électrique équivalent de l'antenne filaire repliée
P ROBLEMATIQUE
O PTIMISATION DE L ' ANTENNE FILAIRE REPLIEE PAR L ' AJOUT DE TRONÇONS DE LIGNES
- Mise en équation du problème
- Exemple d'optimisation par ajout de tronçons de lignes
O PTIMISATION DE L ' ANTENNE FILAIRE REPLIEE PAR EPAISSISSEMENT DES BRINS RAYONNANTS
- Etude paramétrique
- Exemple d'optimisation
E LEMENTS DE CONCLUSION SUR LA MODELISATION DE L ' ANTENNE FILAIRE REPLIEE ET DE SON
D ESCRIPTION DES ANTENNES DANS LE DOMAINE TEMPOREL
- Introduction: Pourquoi étudier les antennes ULB en régime impulsionnel ?
- Systèmes d'antennes ULB
- Modèle à l'émission
- Modèle à la réception
- Modèle en transmission
En termes de diagramme de rayonnement, il devient nécessaire d'étudier la phase du champ rayonné en fonction de la fréquence. En d'autres termes, le temps de groupe doit être constant, ou dit de manière identique, la phase du champ rayonné de l'antenne d'émission ou de réception doit varier linéairement en fonction de la fréquence. Un point important est la caractérisation de la relation entre une antenne d'émission et une antenne de réception.
Cette relation, qui dépend de la fréquence, est déterminée par la formule classique de Friis [1]. L'impulsion rayonnée par l'antenne d'émission est obtenue par simple convolution de la hauteur effective normalisée de l'antenne avec l'impulsion d'excitation. En d'autres termes, la réponse impulsionnelle de l'antenne d'émission doit être proportionnelle à la dérivée de la réponse impulsionnelle de l'antenne de réception.
D ESCRIPTEURS
- Linéarité de la phase de la fonction de transfert
- Notion de fidélité et de gain temporel
- Coefficient de réflexion énergétique et rapport d'adaptation au signal
- Eléments de conclusion
Ces deux critères de performance sur la linéarité de phase (temps de groupe constant) permettent de comparer deux antennes UWB si elles ont la même bande passante. Dans le cas d'un système de transmission, la fonction de fidélité (ou de similarité), notée FFe, est calculée en fonction du champ rayonné par l'antenne d'émission Eray et de l'impulsion initiale, c'est-à-dire la tension aux bornes du générateur Vgo. Dans le cas d'un système récepteur, cette fonction, notée FFr, est déterminée à partir du champ électrique incident Einc et de la tension aux bornes de la charge Vs.
Ce paramètre a été défini sachant que la transformée de Fourier de la fonction d'autocorrélation de la réponse temporelle est égale au gain dans le domaine fréquentiel. Plusieurs descripteurs ont été définis précédemment qui permettent de quantifier la distorsion apportée par l'antenne : phase de la fonction de transfert d'antenne, fonction de fidélité et quelques descripteurs concernant les impulsions elles-mêmes. Ici, le descripteur le plus pertinent est la fonction de fidélité, qui doit être la plus élevée possible et qui doit présenter la plus petite variation selon la direction.
C OMPARAISON D ' ANTENNES ULB
- Rappel des caractéristiques fréquentielles des antennes ULB
- Etude de la phase de la fonction de transfert des antennes
- Etude temporelle des antennes ULB en bande basse
- Eléments de conclusion
8 : (a) Temps de groupe moyen dans le plan H (b) Écart type du temps de groupe dans le plan H 9 : (a) Temps de groupe moyen dans le plan E (b) Écart type du temps de groupe dans le plan E
La figure ci-dessous montre une comparaison mesure-simulation des impulsions émises par un monopôle à fil épais plié dans le plan E. 59 Impulsions émises depuis un monopôle optimisé avec des extrémités de ligne dans le plan H (bleu : simulation, rouge : mesures de temps). Une simulation est présentée ci-dessous - une comparaison des mesures de différents descripteurs temporels d'un monopôle à fils pliés dans le plan E.
A NTENNE FILAIRE REPLIEE
- Effet de la longueur des brins rayonnants
- Effet du plan de masse: dimensions et formes
E LEMENTS DE CONCLUSION
C HAINE DE MESURES UTILISEE EN TEMPOREL ET EN FREQUENTIEL
- Banc de mesures impulsionnel
- Chaîne de mesures dans le domaine fréquentiel
- Discussions
P OST - TRAITEMENT DES MESURES EN TEMPOREL ET EN FREQUENTIEL
- Traitement des mesures
- Validation des mesures par l'antenne à encoches
A NTENNE FILAIRE REPLIEE : V ERSION MONOPOLE ET DIPOLE
- Adaptation de la version monopole de l'antenne filaire repliée
- Adaptation de la version dipôle de l'antenne filaire repliée
- Caractéristiques de rayonnement du dipôle
A NTENNES U LTRA L ARGE BANDE : ANTENNES DE LONGUEUR DE 200 MM
- Antenne filaire repliée à brins épais
- Antenne filaire repliée optimisée à l'aide de tronçons de lignes
Les figures III.44 montrent une comparaison entre les simulations et les mesures temporelles des diagrammes de rayonnement dans le plan E du monopôle à fil replié optimisé à l'aide de segments pour différentes valeurs de fréquence : 0,25 GHz, 0,7 GHz et 1,3 GHz. La figure III.53 montre une comparaison entre la simulation et la mesure des impulsions émises par le dipôle filaire replié dans le plan H puis dans le plan E (temps et fréquence). On présente ci-dessous une comparaison entre la simulation et la mesure des impulsions émises par le monopôle à fil replié, optimisé à l'aide de sections de ligne dans le plan E.
La figure III.62 montre une comparaison de différents descripteurs temporels du monopôle repliés dans le plan H, obtenus à partir de simulations et mesurés. On trouvera ci-dessous une comparaison de différents descripteurs temporels simulés et calculés du dipôle à cadre replié dans le plan H. La Figure III.65 illustre une comparaison de différents descripteurs temporels du dipôle à cadre replié dans le plan E obtenus à partir de la simulation et mesurés.
E LEMENTS DE CONCLUSION
E TUDE DE LA PHASE DE LA FONCTION DE TRANSFERT
- Phase du monopole et du dipôle filaire replié
- Phase du monopole filaire replié à brins épais
- Phase du monopole filaire replié optimisé avec des tronçons de lignes
Deux exemples de détermination de la moyenne et de l'écart type du temps de groupe de la fonction de transfert du monopôle à fil replié d'une part et du dipôle d'autre part sont illustrés aux Figures III.46 et III.47, respectivement. Aussi bien dans le plan H que dans le plan E, les mesures temporelles du monopôle fil épais correspondent bien aux simulations en moyenne, mais comme nous l'avons vu pour les mesures temporelles du dipôle fil replié, les mesures temporelles restent très bruitées. La figure ci-dessous illustre une comparaison entre les impulsions émises par le monopôle à fil replié dans le plan H, puis dans le plan E obtenues par des simulations et par des mesures de fréquence.
Dans cette partie, nous avons caractérisé dans le domaine temporel quatre types d'antennes UWB utilisables dans la bande basse du spectre (0,2-2 GHz). La Figure III.71 montre une comparaison des mesures du coefficient de réflexion du dipôle filaire replié effectuées à l'aide d'un analyseur de réseau vectoriel et d'une réflectométrie dans le domaine temporel. 72 : (a) Le principe de base d'une mesure d'antenne unique (b) Configuration d'antenne unique dans le domaine temporel.
I MPULSIONS RAYONNEES DANS DIFFERENTES DIRECTIONS
- Monopole filaire replié
- Dipôle filaire replié
- Monopole filaire replié à brins épais
- Monopole filaire replié optimisé avec des tronçons de lignes
D ESCRIPTEURS TEMPORELS
- Monopole filaire replié
- Quelques conclusions sur les mesures des antennes ULB en bande basse
- La réflectométrie temporelle, un moyen efficace de mesurer les antennes
On observe un bon accord entre les mesures et les simulations tant au niveau de la détermination de la fonction de fidélité qu'à celui du gain temporel. On note que même si la version dipôle de l'antenne fil repliée n'est pas une structure équilibrée (la dimension du câble coaxial a une influence sur la valeur de son coefficient de réflexion), elle présente de meilleures caractéristiques temporelles que la version monopôle : une fonction de fidélité de 94% contre 90% pour un monopôle. Afin d'obtenir une caractérisation qualitative dans le domaine temporel à partir de mesures temporelles, l'impulsion émise doit avoir la même bande passante que l'antenne sous test, sinon l'impulsion rayonnée par l'antenne est déformée et présente de nombreuses oscillations parasites (cas du monopole du fil replié à filaments épais).
Pour conclure cette étude, nous présenterons une autre méthode de caractérisation des antennes Ultra Large Bande dans le domaine temporel : la réflectométrie temporelle. Dans notre cas, cette étape n'est pas nécessaire car la bande passante à -6 dB de l'excitation est de 13 GHz, alors que pour le dipôle fil replié elle n'est que de 2 GHz. Il y a une bonne similitude entre les simulations et les deux types de mesures différents, à la fois avec l'analyseur de réseau et avec un TDR ; Cependant, le réflectomètre dans le domaine temporel montre que nous sommes capables de mesurer l'alignement de n'importe quelle antenne dans le domaine temporel.
METHODE DE FORCE ELECTROMOTRICE
INFLUENCE DE L'IMPULSION SUR LES DESCRIPTEURS TEMPORELS
Conception de nouvelles antennes ULB en bande basse
Ses dimensions sont de 1 m sur 1 m (λ×λ) où λ est la longueur d'onde à basse fréquence de la bande passante de l'antenne. Dans cette section nous étudierons l'influence de la hauteur du monopôle sur son impédance d'entrée. Deuxièmement, il est nécessaire de déterminer l'expression analytique de l'impédance caractéristique de la ligne bifilaire en U, afin de pouvoir exprimer l'impédance d'entrée de l'antenne repliée.
On suppose maintenant qu'on tient compte de la résistance de rayonnement de la ligne bifilaire et qu'on est dans le cas d'une antenne optimisée (h=11mm). En étudiant l'antenne filaire repliée, nous avons vu qu'il nous fallait une matrice d'impédance Z de deux dipôles couplés. Lorsque cette constante est calculée, on obtient la partie réelle de l'impédance d'entrée vue par les deux dipôles couplés, c'est-à-dire la résistance de rayonnement de la ligne de transmission.
Nous étudierons ensuite l'influence du rayon de la ligne de transmission sur l'impédance d'entrée du monopôle à fils repliés. Les figures suivantes représentent les parties réelles et imaginaires de l'impédance d'entrée du monopôle à fil replié optimisé pour les fils épais, en tenant compte de la résistance au rayonnement de la ligne bifilaire.
Caractérisation des antennes ULB dans les domaines fréquentiel et temporel
La figure III.8 montre la variation des temps moyens de groupe ainsi que leur écart type dans le plan H (θ=π/2). On peut donc espérer une valeur élevée de la fonction de fidélité pour cette antenne. Le monopôle filaire est l'antenne la plus dispersive : faibles valeurs de fidélité, instabilité de l'écart type du temps de groupe de la fonction de transfert.
Les figures ci-dessous présentent la comparaison entre les simulations électromagnétiques et les mesures de groupe temporel de la phase de la fonction de transfert de l'antenne à fente.
