Dans le second axe, on connecte une antenne électrique et un plan réecteur spécifique : une surface à haute impédance. Nous proposons ensuite une structure d'antenne bi-bande à polarisation circulaire à épaisseur réduite qui utilise une surface à haute impédance.
Introduction au GNSS
- Historique
- Principe de fonctionnement
- Composition du GNSS
- Bandes de fréquences GNSS
- Transmission du signal
- Positionnement
Cela représente la bande passante maximale utilisable pour une antenne que nous plaçons au-dessus du SHI. On voit aussi un passage en polarisation rectiligne entre les deux bandes du SHI.
Canal de propagation, estimation des retards
Antenne satellite
Il faut alors que l'antenne du récepteur soit également dans la bonne polarisation circulaire (RHCP) afin de ne pas avoir de pertes de dépolarisation liées au croisement des couches ionosphérique et atmosphérique. Pour les basses altitudes, il est important de maintenir un bon RHCP pour se prémunir contre les trajets multiples.
La propagation en espace libre
Leur amplification est telle que la puissance reçue à la surface de la Terre est constante (il faut donc compenser la différence de propagation dans différentes directions). De plus, les satellites d'intérêt n'étant pas tous au zénith, il est intéressant de disposer d'un diagramme d'antenne de réception semi-omnidirectionnel pour capter les signaux de tous les satellites au même degré, quel que soit leur angle d'élévation.
La propagation dans l'atmosphère
L'ionosphère est dispersive, c'est-à-dire le retard induit est fonction de la fréquence du signal émis. Le décalage ionosphérique est le plus grand au milieu de la journée (14h00) et le plus petit au milieu de la nuit.
Les trajets multiples
C'est un milieu non dispersif et affecte donc de la même manière les signaux transmis à différentes fréquences. Le retard troposphérique dépend essentiellement de la pression, de l'humidité relative et de la température.
Les interférences
Au niveau de l'antenne, on aura donc un mélange d'un signal direct et d'un signal retardé, atténué et déphasé. Dans certains cas, le signal direct peut être très faible et le signal le plus fort peut être à trajets multiples.
Le récepteur
L'antenne réceptrice
La structure fonctionne également en RHCP pour une antenne large bande couvrant les bandes du SHI (spirale). La bande haute du SHI ne varie pas selon les antennes que nous utilisons.
Cahier des charges GNSS idéal pour une antenne
Taille des antennes
Ainsi on caractérise la largeur de bande du coefficient de réflexion en fonction de la hauteur. Les diagrammes de rayonnement dans ces bandes de la structure avec la spirale de 22 mm du SHI à deux bandes sont donnés à la Figure 6.15.
Facteur de qualité
Facteur de miniaturisation
Taille du support d'antenne/plan métallique
Limites théoriques de la miniaturisation d'antennes
Parmi tous ces travaux récents, Best et Yaghjian [27] ont exprimé le facteur de qualité à partir des équations de Maxwell et ont notamment exprimé Q en fonction de l'impédance d'entrée de l'antenne (2.3). Cela permet de comparer les performances de l'antenne en termes de bande passante par rapport à une enceinte idéale.
Les techniques de miniaturisation des antennes
Miniaturisation par structuration
Comme le montre la figure 2.4, un dipôle avec une torsion aura une fréquence de résonance plus élevée. Ceci est valable en 3D, comme le montre la Figure 2.7, ou en plan comme sur la Figure 2.8.
Miniaturisation par ondes lentes
Les propriétés de cette antenne sont déterminées par les dimensions de la pastille métallique imprimée. Les antennes GPS commerciales sont en céramique, ce qui, comme on le voit à la section 2.3.2, permet la miniaturisation de l'antenne, figure 2.19. Pour les besoins de la thèse, ce type d'antenne a été simulé avec un logiciel commercial utilisant la méthode des éléments finis (HFSS).
Selon [73] si la forme d'une antenne ne peut être définie que par des angles, alors cette antenne est indépendante de la fréquence.
Principes théoriques
Les antennes Hélices
Une antenne spirale est une série de boucles connectées les unes aux autres, comme illustré à la Figure 3.1. La distribution des courants magnétiques équivalents dans l'antenne est représentée sur la figure 3.4. pour C >> λ et pour plus d'un tour, l'état T2 de l'hélice sera excité. Pour que le mode longitudinal rayonne, une antenne hélicoïdale multi-lar est nécessaire en pratique.
Avec λL la longueur d'onde des spires de l'hélice (λL = λ0 si l'hélice est réalisée dans l'air) et λg la longueur d'onde au centre de l'hélice.
Outils de simulation
L'Antenne Hybride Compacte
- Circuit Electrique Equivalent de l'antenne
- Diagramme de dispersion, dimensionnement de Ls
- Le rayonnement
- Excitation
Plus précisément, l'antenne est composée de deux parties, une hélice aplatie placée au-dessus d'une plaque métallique, comme le montre la figure 3.12. La longueur, la largeur et la hauteur de l'hélice sont respectivement notées L, W et h et sont représentées sur la figure 3.11. Un premier modèle grossier consiste à considérer l'hélice comme équivalente à une inductance (Ls) placée à une distance h d'une surface métallique avec des capacités réparties (Cs) entre la partie inférieure des spires (c'est-à-dire celle qui fait face à la surface métallique) et la surface métallique, comme représenté sur la figure 3.13.
La figure 3.14 montre le diagramme de dispersion obtenu pour la section de notre vis et pour la même section en espace libre (dans cette simulation d . =6mm).
Mesures
Réalisation de l'antenne
L'efficacité peut donc être améliorée en réalisant l'antenne en mousse (εr ≈1) au lieu de verre.
Caractéristiques de l'antenne composite en mesures
Intérêts et Limites de l'antenne
- Intégration
- Taille du plan métallique
- Limites et perspectives
- Antenne miniature autodirective
En regardant l'influence de la présence des plots sur l'impédance d'entrée de l'antenne Figure 3.28, on constate que cette impédance subit une variation de En simulation, une augmentation de la taille du plan métallique augmente le rendement de l'antenne de 50% à 61%. La faible sensibilité de l'antenne à son environnement lui permet de s'intégrer dans tous types de matériaux (métal, plastique, circuits intégrés).
La meilleure façon d'intégrer les deux modes de résonance est la forme en anneau, Figure 3.31.
Conclusions
- Analyse des réseaux périodiques
- Coecient de réexion
- Rapport bande passante/taille
- Protocole de simulations
- Mesures des SHI
Pour nos surfaces périodiques, la zone de Brillouin est le motif de base de la surface périodique. L'effet du lissé de surface ne sera pas abordé dans ce chapitre. L'onde plane est générée par un cornet que l'on place près de la surface périodique à mesurer.
De plus, notre surface périodique est un SHI, nous n'avons aucune transmission à travers la surface.
Motif maximisant le rapport bande passante/taille
- Cellule SHI avec ou sans via
- Circuit Electrique Equivalent amélioré d'une cellule SHI
- Résultats de simulation
- Comparaison avec les cellules de la littérature
La ceinture haute du SHI est entraînée mais le balun n'est pas assez large. Nous réalisons un dipôle croisé pour une fréquence hors des bandes de travail du SHI bi-bande. Dans les bandes SHI (1,54 et 1,62 GHz), les diagrammes de rayonnement présentent une bonne polarisation circulaire droite.
En et les modèles choisis pour la réalisation de SHI bi-bande sont carrés.
La SHI bi-bandes
La cellule bi-bandes
Nous réalisons la cellule bi-bande en entrelaçant deux cellules aux deux fréquences prévues. On remarque que la cellule L5 n'est qu'une variante de la cellule optimale utilisée pour la cellule L1. Ainsi, pour la réalisation de la cellule bi-bande, les condensateurs discrets localisés sont remplacés par des condensateurs localisés à base de plaques parallèles.
L'utilisation de condensateurs sur les cellules permet une large plage de réglage entre la taille de la cellule et la valeur du condensateur.
Généralités
- Schéma de l'ensemble antenne + SHI
- Le couplage antenne SHI
- Simulations électromagnétiques
- Les Baluns
- les techniques de mesure
- Résultats de mesures
Dans la bande passante autour de la fréquence de résonance de SHI, l'impédance de surface sera beaucoup plus élevée que la résistance de l'espace libre, l'efficacité du rayonnement sera élevée. Le taux de rayonnement maximal se produit à la fréquence de résonance du SHI où la réactance de surface est infinie. En dehors de la bande passante SHI, les courants de surface annulent les courants d'antenne et le rayonnement est réduit.
On peut montrer que le rayonnement est divisé par deux lorsque l'impédance de surface est égale à l'impédance dans l'espace libre (|Zs|=η).
Le couplage antenne SHI
- Problématique
- Simulations pour le mono-bande
- Simulations couplage antenne/ SHI bi-bandes
- Hauteur antenne/SHI
Dans le chapitre précédent, nous avons conçu des SHI qui présentent un déphasage nul pour la fréquence cible dans le plan du SHI. Pour cela on fait varier la hauteur entre l'antenne et le SHI autour de la valeur optimale. Cependant, la valeur de la hauteur limite est loin de la valeur théorique de λ/36.
Nous remarquons seulement que nous ne pouvons pas placer notre antenne dans le plan du SHI, même pour un SHI qui présente un déphasage nul à la fréquence de résonance de l'antenne.
Mesures de l'ensemble antenne sur Surface Haute Impédance
Les antennes dipôles à réaliser
Les dipôles sur la SHI
Le SHI est composé de la surface périodique, mais doit également avoir un plan métallique en dessous pour fonctionner. Le gain total mesuré est donc plus élevé pour le dipôle au-dessus du SHI que la référence dans les bandes de résonance. Nous ne devrions voir que les deux bandes de fonctionnement du SHI à 1,175 GHz et 1,575 GHz à son meilleur.
Selon le chapitre 1, un changement de h (la hauteur entre la surface périodique et le plan métallique) provoque le changement des fréquences des bandes SHI.
Conclusions
Nous avons une réduction d'épaisseur de 30% avec l'utilisation d'un SHI par rapport au plan métallique. Pour les performances du dipôle 1.175 GHz que le SHI génère et rayonne, même s'il est en dehors de ses bandes de travail, nous trouvons l'adaptation de ce dipôle tout à fait satisfaisante, même s'il est placé à moins de λ1.17/4 d'une surface non CMA. On a une réduction d'épaisseur de 55% dans ce cas par rapport au même dipôle à λ1.17/4 d'un CEP et un fonctionnement tri-bande.
Réglage des fréquences
Réglage de l'épaisseur de la SHI
Ainsi, la bande passante des bandes du SHI avec la spirale est de 9% sur la bande basse et plus étroite pour la bande haute (2,5%). Par conséquent, une série de mesures est effectuée avec la spirale à une hauteur ha de la bi-bande SHI. Avec un excitateur RHCP en dehors des bandes du SHI (dipôle croisé), la structure avec le SHI fonctionne correctement en RHCP.
Avec l'excitateur RHCP en dehors des bandes SHI (dipôle croisé), la structure avec SHI fonctionne correctement dans RHCP.
Ajout de capacité
Conclusions sur le réglage des fréquences
Nous avons également identifié le bug qui provoquait le décalage de la bande basse des simulations. Les spécifications de bande passante GNSS sont respectées et nous avons une réduction d'épaisseur de 30 % par rapport à l'antenne λ/4 au-dessus d'un plan métallique. Cependant, nous notons que nous avons ici une troisième bande que nous n'utiliserons pas (la deuxième bande du SHI).
La comparaison des performances de ce système avec les spécifications est donnée dans le tableau 5.10.
Conclusions
- La polarisation circulaire
- Recombinaison des mesures en RHCP
- Le dipôle croisé
- L'antenne spirale d'Archimède
- Simulations
Nous commençons par étudier un dipôle croisé conçu à une fréquence hors des bandes SHI et qui excite et rayonne SHI dans ses propres bandes. Pour créer une polarisation circulaire, on alimente deux dipôles en quadrature de phase. La polarisation circulaire ainsi créée est une combinaison de deux polarisations rectangulaires en quadrature de phase.
Les antennes en polarisation circulaire, aussi bien le dipôle croisé que la spirale, n'ont malheureusement pas les mêmes symétries électromagnétiques que les dipôles simples.
Dipôle croisé sur SHI
Réalisation
Mesures
Concernant les mesures en polarisation rectiligne, on constate que le gain total de l'antenne sur le SHI est plus élevé (directivité accrue car antenne + SHI est plus grand) que le dipôle de référence. On note également au vu du gain en fréquences que le dipôle croisé présente une polarisation RHCP de bonne qualité. Le rapport axial indique que le système antenne + SHI est en RHCP pour 1 GHz, 1,5 GHz et 1,62 GHz.
Bien que la fréquence de résonance du dipôle soit très éloignée des bandes SHI, nous voyons la réponse SHI dans son.
Conclusions
Réalisation
![Table 1.3 Bandes de fréquences des diérentes constellations GNSS en MHz [3]](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/1bibliocom/459551.66625/28.892.141.670.607.823/table-bandes-fréquences-diérentes-constellations-gnss-mhz.webp)
![Figure 1.3 Spectre du signal autour de L1 pour les diérentes constellations [4].](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/1bibliocom/459551.66625/29.892.248.655.235.572/figure-spectre-signal-l-diérentes-constellations.webp)
![Figure 1.7 Pertubations du signal dues au canal de propagation [2].](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/1bibliocom/459551.66625/33.892.247.660.733.975/figure-pertubations-signal-dues-canal-propagation.webp)
