Oumy Diop

GENERALITES SUR LES ANTENNES

Introduction

Le défi technologique actuel est de développer une partie externe d'un implant cochléaire sans fil dans le but de le rendre invisible. Ce boîtier ne doit pas dépasser 6 mm de diamètre et 10 mm de hauteur et contiendra des composants électroniques dont une antenne.

Définition et performances d’une antenne électriquement petite

Il peut également être défini comme la limite entre les champs proche et lointain d'une antenne. Dans ce qui suit, nous définirons les différents paramètres permettant de caractériser une antenne et tenterons de poser le problème de la miniaturisation des SEEE.

Caractérisation d’une antenne électriquement petite

• Impédance d’entrée
• Coefficient de Réflexion
• Bande passante
• Efficacité
• Les régions du champ électromagnétique
• Directivité, Gain et Diagramme de rayonnement

Souvent, la fréquence de résonance d'une antenne est celle où le coefficient de réflexion est minimal. La bande passante d'une antenne est souvent dérivée de sa courbe de coefficient de réflexion.

Problématique de conception des antennes électriquement petites

• Impact de la miniaturisation sur les caractéristiques des antennes
• Compromis entre taille, bande passante et efficacité

Le diagramme de rayonnement est la représentation géométrique des champs électromagnétiques existant en champ lointain dans les différentes directions de l'espace. Le produit de la bande passante et de l'efficacité apparaît donc étroitement lié à la taille d'une antenne lors de la miniaturisation d'une antenne.

Conclusion

Une expression du facteur de qualité donnée par Chu (équation [I.18]) est exprimée en fonction des dimensions de l'antenne. Cependant, l'équation précédente [I.3] nous montre la relation entre la bande passante, le facteur de qualité et l'efficacité de rayonnement d'une antenne.

ETAT DE L’ART SUR LE FACTEUR DE QUALITE DES ANTENNES

Introduction

Plusieurs expressions reliant le facteur de qualité à la bande passante et à l'efficacité rayonnée ont été développées. En effet, la définition du facteur de qualité est directement liée à cette énergie stockée [Chu 1948].

Définitions des méthodes de calcul du facteur de qualité d’une antenne électriquement petite

• Etat de l’art sur les théories des limites fondamentales du facteur de qualité
• Expression du facteur de qualité en fonction de l’impédance d’entrée d’une antenne et de
• Synthèse des différents méthodes

Pour établir la relation entre la bande passante et le facteur de qualité Q d'une antenne, Yaghjian et Best ont utilisé deux définitions de la bande passante. Par exemple, ils ont déterminé une autre expression de la bande passante à partir de la formule [I.8] du ROS.

Etat de l’art sur les techniques de miniaturisation

• Miniaturisation par structuration
• Utilisation de matériaux pour la miniaturisation

La longueur ainsi que la largeur et le nombre de fentes affecteront la fréquence de résonance de l'antenne. D'après la formule II-26, nous voyons que l'augmentation de µr revient à augmenter la bande passante de l'antenne.

Conclusion

Plusieurs études ont montré que lors de la fabrication de ces substrats, le contrôle de la permittivité εr et de la perméabilité μr joue un rôle essentiel dans la miniaturisation. Par exemple, lorsqu'un métamatériau est utilisé comme plan de masse, il conduit à une diminution de la vitesse de phase des ondes dans la cavité conduisant à une augmentation de sa permittivité et permettant de réduire la taille de l'élément rayonnant.

ETUDE DU FACTEUR DE QUALITE D’ANTENNES MINIATURES ET

Introduction

Dans le chapitre précédent, une étude théorique a été réalisée sur le facteur de qualité des antennes. Le facteur de qualité Qz des antennes sera alors calculé à partir de la formule [II.21] de Yaghjian et Best [Best 2005].

Influence du Q sur les performances des antennes

• Comparaison du Q d’antennes monopoles sur des tailles de plan de masse variables
• Comparaison d’un monopole sur un plan de masse et d’un dipôle

Comparaison du facteur de qualité d’antennes adaptées et non adaptés : Etude de monopoles

• Géométrie des antennes
• Antennes monopoles de différentes tailles
• Synthèse

Comparaison du facteur de qualité de dipôles dans plusieurs configurations par rapport au

• Contexte de l’étude
• Géométrie des antennes
• Etude du facteur de qualité d’antennes dipôles dans différentes configurations
• Synthèse des résultats obtenus

Lorsque la taille du plan de masse passe de λ/4 à λ/2, on observe une amélioration de l'adaptation d'antenne. On note que pour λ/4 et pour λ/2 le plan de masse contribue également au rayonnement de l'antenne. Une comparaison entre le coefficient de réflexion mesuré et simulé et l'impédance d'entrée de ces deux antennes est illustrée à la Figure III-9 ci-dessous.

On calcule ensuite leur facteur de qualité et on représente la courbe Qz (calculée à partir de l'impédance des antennes) en fonction de la fréquence.

Conclusion

92 IV.6.1 Etude de la variation de la taille du plan de masse de l'antenne monopôle. En fonction de leurs orientations, nous avons étudié le comportement de l'antenne dans le conduit auditif. Nous obtenons un décalage de fréquence lorsque nous simulons l'antenne dans le conduit auditif.

L'influence de la polarisation de l'antenne sur le facteur de qualité peut également être étudiée.

MODELISATION ET REALISATIONS D’ANTENNES MONOPOLES EN

Introduction

Le défi technologique est de concevoir un système totalement invisible, la partie externe doit donc être contenue dans une capsule insérée dans le conduit auditif de la personne et reliée à la partie interne via une connexion sans fil, nécessitant une antenne émettrice et une antenne réceptrice. Dans ce chapitre, notre objectif est de concevoir une antenne miniature de dimensions maximales de 6x8 mm2, fonctionnant à 2,45 GHz et placée dans le module de la partie externe d'un implant cochléaire. Dans un premier temps, un état de l'art sur les antennes intégrées est réalisé, puis nous présentons la technologie IPD de la société STMicroelectronics.

Enfin, nous placerons ces antennes dans un modèle simplifié de la tête pour étudier leur comportement dans cet environnement.

Etat de l’art sur les antennes intégrées

Notre défi consiste donc à miniaturiser l'antenne et en même temps à maintenir une bonne performance, c'est-à-dire essayer de s'approcher des limites fondamentales de Wheeler et Chu [Chu 1948]. Puis nous détaillons le cahier des charges pour définir le contexte général de la modélisation de l'antenne et effectuons l'étude d'un monopôle sinueux sur un substrat IPD fonctionnant à 2.45GHz alimenté successivement par une ligne microruban et par une ligne CPW. Dans la capsule de composants électroniques, l'antenne résonne à 360 MHz, a une bande passante de 785 MHz à -6 dB et un diagramme de rayonnement omnidirectionnel.

Un très petit plan de masse, de la taille de l'antenne, est situé en dessous.

Présentation de la technologie Integrated Passive Devices

A noter que tous les résultats présentés ci-dessus sont principalement des résultats de simulation, car c'est une réelle difficulté de caractériser uniquement ces antennes, non intégrées à l'électronique de l'implant et fonctionnant dans leur environnement final. L'avantage d'utiliser un processus microélectronique lors de la miniaturisation du pliage est qu'il offre une meilleure résolution que sur un substrat de carte de circuit imprimé (PCB) conventionnel, notamment en termes de largeur de ligne et d'espacement des méandres. De plus, le substrat de verre peut également être utilisé comme interface entre la carte de circuit imprimé (par exemple FR4) et une puce, facilitant les connexions existantes entre une puce de silicium et une antenne sur IPD [Calvez 2010].

Conception d’une antenne monopole sur un substrat IPD

• Description de l’antenne étudiée
• Résultats obtenus

Nous réaliserons deux études d'une antenne monopôle alimentée séquentiellement par une ligne microruban et par une ligne coplanaire (CPW). La position de l'antenne est déterminée par rapport au système de coordonnées cartésiennes, comme illustré à la Figure IV-13. L'antenne microruban a un gain réalisé simulé maximum de -10,45 dB et l'antenne CPW a un gain réalisé simulé maximum de -10,49 dB.

Dans la simulation, les performances obtenues pour l'antenne alimentée par CPW sont légèrement meilleures que celles obtenues pour le monopôle alimenté par la ligne microruban.

Etude de l’influence du connecteur et du plan de masse sur de petites antennes monopoles

• Contexte de l’étude
• Etude de l’effet de la variation de la longueur du câble

En simulation, on constate qu'à mesure que l'on augmente la longueur du câble de liaison, la fréquence de travail diminue pour le minimum |S11| de l'antenne. Comme nous l'avons montré lors de la mesure de cette antenne dans la section précédente, l'existence de ces courants sur le câble modifie la fréquence de travail de l'antenne. En effet, le câble coaxial perturbe la zone de champ réactif de l'antenne car il y a des courants de fuite de son côté.

Ces méthodes éliminent les effets du courant dans le câble puisque la fibre tout plastique ne provoque pas de courants supplémentaires en provenance de l'antenne [Tokuda 1992], [Fukasawa 2005], [Grynckel 2007], [Yanakiev 2011].

Antenne monopole avec un PCB et avec un plan de masse plus grand

• Etude de la variation de la taille du plan de masse de l’antenne monopole
• Comparaison de la simulation de l’antenne avec un connecteur coaxial et sans connecteur
• Validation expérimentale

Dans cette partie, nous comparons la simulation de l'antenne modélisée sans connecteurs et avec connecteurs, avec une ligne microruban sur un circuit imprimé et sur un plan de masse plus large. Nous vous confirmerons que pour cette taille de plan de masse, la prise n'a plus d'impact sur les performances. La fréquence de fonctionnement de cette antenne est égale à 1,9 GHz, ce qui est certainement dû, comme nous l'avons montré précédemment, à l'augmentation de la taille de son plan de masse [Garg 2001], [Huynh 2003].

En augmentant la taille du support et donc du plan de masse, on observe une baisse de la fréquence de fonctionnement de l'antenne.

Etude des antennes monopoles placées dans l’oreille

• Description du conduit auditif
• Etude des antennes dans le conduit auditif

Enfin, nous avons étudié le comportement de la bobine pilotée par CPW insérée dans le conduit auditif sans contact avec la peau. Les résultats de |S11| et l'impédance d'antenne avec un symétriseur acquis sont indiqués ci-dessous. A noter que les mesures effectuées sont très délicates du fait de la taille de l'antenne.

On compare le |S11| et les impédances d'entrée de l'antenne placée dans le conduit auditif et l'antenne en espace libre.

Conclusion

ANTENNES DIPOLES EN TECHNOLOGIE IPD

Introduction

Dans le chapitre précédent, nous avons défini les spécifications pour placer une antenne miniature dans une capsule. Cependant, des problèmes se sont posés quant à la caractérisation de ces antennes, notamment quant à l'accord avec les simulations. Par conséquent, il devient difficile de les mesurer car la plupart des dispositifs utilisés pour alimenter ces antennes (câbles coaxiaux, connecteurs, dispositifs à pointes) participent à leur rayonnement et modifient ainsi leurs caractéristiques [Nassar 2011].

Enfin, une étude sera réalisée sur ces antennes dans un modèle simplifié de tête humaine.

Etat de l’art sur les ferrites et les baluns

La limitation de ce type de système est qu'il n'est pas à large bande, mais des appareils à double bande sont conçus. Dans la plupart des cas, ce type de Balun est utilisé dans les chaînes d'émission-réception radiofréquence car il convertit les signaux de mode commun reçus par une antenne en signaux différentiels exploitables par des circuits de traitement. Il est constitué d'un self (L1) en série avec un condensateur (C1) relié à la masse.

Un transformateur de mode est caractérisé par quatre paramètres principaux : les pertes d'insertion (IL), la différence de niveau d'amplitude de sortie (déséquilibre d'amplitude), la différence de phase sur les signaux de sortie (déséquilibre de phase) et les pertes de réflexion.

Conception de dipôles méandrés sur substrat IPD

• Description du dipôle méandré
• Performances simulées du dipôle méandré seul
• Performances simulées du dipôle méandré avec un balun intégré

Les résultats de la simulation de l'antenne sans connecteur et avec connecteur UFL sont présentés dans la Figure V-14 ci-dessous. Le diagramme de rayonnement 3D de l'antenne est toujours omnidirectionnel et est illustré ci-dessous. Nous allons maintenant essayer de confirmer ces résultats simulés en réalisant des mesures d'antenne.

On va maintenant comparer les gains de co-polarisation et de cross-polarisation de l'antenne à la fréquence f0.

Etude d’un dipôle méandré sur substrat IPD et sur PCB

• Performances simulées de l’antenne sans connecteur
• Validation expérimentale

Nous présentons ci-dessous les résultats du coefficient de réflexion, de l'impédance d'entrée (Figure V-31) et du gain (Figure V-32). Comme pour le cas précédent, les dimensions de l'antenne sont très délicates en raison de la taille. Nous présentons ici les résultats de |S11| et l'impédance d'entrée de l'antenne simulée et mesurée avec un câble d'environ 80 mm de long.

Nous allons maintenant comparer les gains Thêta et Phi de l'antenne à la fréquence f0. Enfin, nous avons démontré la faisabilité en terme de performance de cette antenne dans son environnement qu'est le conduit auditif. 59 Figure III-10 : Qz des antennes avec le rapport l/d=12 simulé (rouge) et mesuré (bleu) en cas d'antenne dépareillée (traits pointillés) et d'antenne adaptée (trait plein).

Synthèse comparative des deux dipôles

Simulation des dipôles dans le conduit auditif

• Etude du dipôle méandré sur le verre dans l’oreille
• Etude du dipôle méandré à la fois sur le PCB et sur le verre dans l’oreille

Nos dipôles sont enfouis dans le conduit auditif et n'ont aucun contact avec la peau. Les impédances d'entrée ainsi que le rayonnement de ces antennes introduites horizontalement dans le conduit auditif seront certainement modifiés [Andersen 1972]. Lorsque l'antenne est placée dans le canal, les résultats sont quasiment identiques dans les deux sens.

Les diagrammes de rayonnement obtenus dans le cas où les antennes sont orientées différemment sont quasiment les mêmes.

Conclusion

Best, “State-of-the-art in the design of electrically small antennas”, in Proceedings of the 5th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP), April, p. D'Errico, "Miniatuurantenne vir mikro-SD-kaart", in Antennas and Propagation (EuCAP), Proceedings of the seventh European Conference on, 2013, p. Magneto-elektriese substrate in antenna-miniaturisering: potensiaal en beperkings”, Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol.

McLean, "A Reexamination of the Fundamental Limits on the Radiation Q of Electrically Small Antennas", Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol.