pour systèmes Ultra-Large-Bande impulsionnels

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Submitted on 11 Feb 2010

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pour systèmes Ultra-Large-Bande impulsionnels

Nicolas Fortino

To cite this version:

Nicolas Fortino. Conception et caractérisation d’antennes imprimées pour systèmes Ultra-Large-Bande impulsionnels. Autre. Université Nice Sophia Antipolis, 2006. Français. �NNT : �. �tel-00455714�

Ecole Doctorale des Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication

Laboratoire d'Electronique, Antennes et Télécommunications

THESE

pour obtenir le titre de

Docteur en Sciences

de l'UNIVERSITE de Nice-Sophia Antipolis Discipline : Electronique

Présentée et soutenue par : Nicolas FORTINO

Conception et caractérisation d'antennes imprimées pour systèmes Ultra Large Bande impulsionnels

Thèse dirigée par : Georges KOSSIAVAS (directeur de thèse) Jean-Yves DAUVIGNAC

Date de soutenance : 16 Février 2006 Devant le jury composé de :

M. A. SHARAIHA Rapporteur Professeur à l'Université de Rennes 1

M. A. SIBILLE Rapporteur Professeur à l'ENSTA

M. J. R. MOSIG Examinateur Professeur à l'Ecole Polytechnique de Lausanne

M. N. DANIELE Examinateur Ingénieur de Recherches au CEA-LETI

M. G. KOSSIAVAS Examinateur Professeur à l'UNSA

M. J-Y. DAUVIGNAC Examinateur Maître de Conférences à l'UNSA

M. Ch. PICHOT Invité Directeur de recherches CNRS

M. Ch. DELAVEAUD Invité Ingénieur de Recherches au CEA-LETI

M. D. HELAL Invité Ingénieur de Recherches à ST Microelectronics

M. A. PAPIERNIK Invité Professeur Emérite, UNSA

M. R. STARAJ Invité Professeur à l'UNSA

Introduction...1

Chapitre I La technologie Ultra Large Bande (ULB)

I.1 Bref historique de la technologie ULB...5

I.2 Les diverses applications de l'ULB...6

I.2.1 Les avantages de l'ULB...6

I.2.2 Les applications de l'ULB...8

I.3 L'ULB en communication...11

I.3.1 La réglementation des émissions ULB...11

I.3.1.1 L'organisation de l'IEEE 802.15...11

I.3.1.2 Définition d'un signal ULB par la FCC...12

I.3.1.3 Les régulations en cours dans le monde...13

I.3.2 Les principes de l'ULB en communications impulsionnelles...14

I.3.2.1 Bande passante et capacité de canal...14

I.3.2.2 L'optimisation du spectre alloué...15

I.3.2.3 Les différentes modulations ULB...17

I.3.3 Les propositions multi bandes et leurs intérêts comparés...20

I.3.3.1 La solution multibande...20

I.3.3.2 La solution DS-CDMA ...22

I.3.3.3 Intérêts comparés des différentes approches...23

I.4 Les challenges en communication ULB...28

I.4.1 Les limitations intrinsèques...28

I.4.2 La coexistence avec les interférences...29

I.4.3 L'estimation du canal...31

I.4.4 Le dessin de l'antenne ULB...32

Chapitre II Les antennes Ultra Large Bande (ULB)

II.1 Les antennes indépendantes de la fréquence...37

II.1.1 Les antennes équiangulaires...38

II.1.1.1 L'antenne spirale logarithmique...38

II.1.1.2 L'antenne spirale conique...40

II.1.1.3 L'antenne à spirale d'archimède ...42

II.1.2 Les antennes log-périodiques...43

II.1.2.1 L'antenne log-périodique circulaire...44

II.1.2.2 L'antenne log-périodique trapézoïdale...45

II.1.2.3 L'antenne dipôle log-périodique...46

II.2 Les antennes élémentaires...48

II.2.1 L'antenne biconique...48

II.2.2 L'antenne discone...50

II.2.3 L'antenne papillon...51

II.2.4 Les monopôles plans...53

II.2.4.1 Le monopôle circulaire...53

II.2.4.2 Le monopôle triangulaire...54

II.2.4.3 Le monopôle trapezoïdal...56

II.2.4.4 Le monopôle papillon...57

II.3 Les antennes à transition progressive...58

II.3.1 L'antenne « teardrop »...58

II.3.2 Le cornet coaxial omnidirectionnel ...59

II.5 Application aux communications ULB...63

II.5.1 Cahier des charges de l'antenne ...63

II.5.2 Récapitulatif des caractéristiques des antennes...64

Chapitre III Conception de nouvelles antennes ULB

III.1 Etude de l'antenne papillon...70

III.1.1 Choix de l'outil de simulation...70

III.1.2 Dimensionnement de la base d'étude...70

III.1.2.1 L'angle d'évasion ou « flare angle »...71

III.1.2.2 La hauteur des triangles...72

III.1.2.3 Le choix du substrat...73

III.1.3 Etude paramétrique...74

III.1.3.1 Influence de l'angle d'évasion...74

III.1.3.2 Influence de la hauteur des triangles...77

III.1.3.3 Influence du substrat...78

III.1.3.4 Antenne papillon optimisée...81

III.1.4 Techniques d'alimentation...83

III.1.4.1 Par guide d'onde coaxial...83

III.1.4.2 Par ligne CPS...84

III.1.4.3 Par guide d'onde coplanaire ...85

III.1.5 Conclusion...86

III.2 Etude d'un monopôle triangulaire alimenté par CPW...87

III.2.1 Etude de la ligne d'alimentation...87

III.2.1.1 Largeur du guide d'onde coplanaire...87

III.2.1.2 Longueur du guide d'onde coplanaire...89

III.2.1.3 Largeur du conducteur central...91

III.2.2 Etude des plans de masse latéraux...94

III.2.2.1 Largeur des plans de masse latéraux...94

III.2.2.2 Épaisseur des plans de masse latéraux...96

III.2.3 Réalisation du monopôle triangulaire...99

III.2.3.1 Adaptation de l'antenne...99

III.2.3.2 Caractéristiques de rayonnement...100

III.2.4 Etude du triangle rayonnant...105

III.2.4.1 Insertion d'une ouverture triangulaire...105

III.2.4.2 Introduction d'effet capacitif...108

III.2.4.3 Optimisation de la forme de l'ouverture...111

III.2.4.4 Largeur des triangles supérieurs...112

III.2.5 Réalisation du monopôle triangulaire à ouverture...113

III.2.5.1 Adaptation de l'antenne ...113

III.2.5.2 Caractéristiques de rayonnement...114

III.2.6 Réalisation du monopôle triangulaire à fentes...118

III.2.6.1 Adaptation de l'antenne...119

III.2.6.2 Caractéristiques de rayonnement...119

III.2.7 Optimisation du rayonnement ...124

III.2.7.1 Forme des plans de masses...124

III.2.7.2 Effets sur le rayonnement...125

III.2.8 Réalisation du monopôle triangulaire à fentes et plan de masse replié...127

III.2.8.1 Adaptation de l'antenne ...127

III.2.8.2 Caractéristiques de rayonnement...128

III.3.1 Dimensionnement de l'ellipse rayonnante...133

III.3.1.1 Rayon du disque...133

III.3.1.2 Rapport d'ellipticité...134

III.3.2 Dimensionnement de la ligne d'alimentation...135

III.3.3 Influence de l'écart entre la ligne d'alimentation et l'ellipse...136

III.3.4 L'antenne réalisée...137

III.3.4.1 Adaptation de l'antenne...137

III.3.4.2 Rayonnement de l'antenne...138

III.4 Conclusion...142

Chapitre IV Caractérisation temporelle et fréquentielle des antennes ULB

IV.1 Validation d'une méthode de caractérisation temporelle...145

IV.1.1 Protocoles de mesures...145

IV.1.1.1 Chaîne de mesures...145

IV.1.1.2 Configuration des antennes...147

IV.1.1.3 Méthodes de calibration...148

IV.1.2 Traitements des mesures ...150

IV.1.2.1 Outils de traitement du signal...150

IV.1.2.2 Modélisation du canal de propagation...154

IV.1.2.3 Calcul de la fonction de transfert des antennes...155

IV.1.2.4 Résultats obtenus...156

IV.1.3 Validation des résultats ...159

IV.1.3.1 Gain de l'antenne...159

IV.1.3.2 Résultats issus de différentes configurations...160

IV.1.3.3 Reconstruction de l'impulsion reçue...161

IV.2 Campagne de mesures dans différents plans...162

IV.2.1 Banc de mesure temporel du CEA-LETI...162

IV.2.2 Isolation de la caractérisation d'une antenne...163

IV.2.2.1 Fonction de transfert en émission...163

IV.2.2.2 Choix de l'antenne étalon...165

IV.2.3 Résultats...168

IV.2.3.1 Monopôle triangulaire ...168

IV.2.3.2 Monopôle triangulaire à fentes...170

IV.2.3.3 Monopôle triangulaire à fentes et plan de masse replié à 60°...171

IV.2.3.4 Monopôle triangulaire à fentes et plan de masse à double repli ...172

IV.3 Impulsions rayonnées dans différentes directions...174

IV.3.1 Génération d'une impulsion de type FCC...174

IV.3.2 Monopôle triangulaire...175

IV.3.3 Monopôle triangulaire à fentes...176

IV.3.4 Monopôle triangulaire à fentes et plan de masse replié à 60°...178

IV.3.5 Monopôle triangulaire à fentes et plan de masse à double repli...179

IV.3.6 Comparaison des antennes...181

IV.4 Conclusion...182

Conclusion...187

Annexe...191

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II.1.1.3 L'antenne à spirale d'archimède

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II.1.2.1 L'antenne log-périodique circulaire

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II.1.2.2 L'antenne log-périodique trapézoïdale

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II.2.4.1 Le monopôle circulaire

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