pour terminaux mobiles LTE

D'autre part, l'influence de la présence d'un utilisateur mais aussi de l'intégration dans une borne multimédia sur les performances des systèmes est étudiée. Le terminal doit pouvoir communiquer dans les deux bandes LTE : 790-862 MHz et 2,5-2,69 GHz, mais aussi dans la bande haute du TVWS (TV White Space).

Chapitre 1: Systèmes antennaires compacts utilisant la diversité

Introduction

Techniques multi-antennaires

• La formation de faisceau
• La diversité d’antennes
• La diversité d'espace
• La diversité de polarisation
• La diversité de rayonnement
• La diversité de phase
• Les techniques de diversité
• Le multiplexage spatial

Même dans le cas de deux antennes identiques, déformer les diagrammes pour les rapprocher et apporter une diversité de rayonnement [14]. Le principe de la diversité de code est de transmettre des données simultanément et dans la même bande de fréquence.

Analyse de la diversité antennaire

• Le coefficient de corrélation d’enveloppe
• Le gain effectif moyen (MEG) et le gain de diversité (DG)
• Le gain Effectif Moyen (MEG)
• Le gain de Diversité (DG)
• La distribution angulaire des signaux dans l’analyse de la diversité

La section précédente a présenté les systèmes MIMO qui exploitent la diversité des antennes pour augmenter le rapport signal sur bruit de la liaison. La corrélation d'enveloppe est largement utilisée dans la littérature pour quantifier et analyser la diversité apportée par les dispositifs d'antenne.

État de l’art des stratégies mises en œuvre au niveau antennaire pour réduire

• Antenne seule : Compromis taille/efficacité/bande
• Taille de l’antenne dans un terminal mobile
• Efficacité de rayonnement et efficacité totale de l’antenne
• Bande passante de l’antenne
• Système antennaire : Compromis encombrement/isolation
• Juxtaposition des antennes
• Co-localisation des antennes
• Antennes reconfigurables en rayonnement
• Etat de l’art des systèmes antennaires compacts pour le LTE

L'inconvénient de cette solution est la réduction de la bande passante et l'introduction de pertes supplémentaires. Deux configurations ont été testées pour avoir une diversité de rayonnement et de polarisation.

Conclusion

Les performances de ces systèmes sont analysées et comparées à nos solutions d'antennes, au chapitre 3. Cela nous permet ensuite de positionner nos prototypes par rapport aux systèmes existants.

Chapitre 2: Conception de système antennaire compact bi-bandes à diversité privilégiant

Introduction

Géométrie du système

Les deux monopôles sont alimentés par deux lignes coplanaires CPW (Coplanar Waveguides) d'impédance caractéristique de 50 Ω gravées directement dans le plan de masse, comme le montre la figure 2.1 (b) afin d'éloigner les connecteurs des éléments rayonnants et d'éviter d'éventuelles perturbations pouvant apparaître lors de la mesure du diagramme de rayonnement. La méthode FIT est une généralisation de la méthode Finite-Difference Time-Domain.

Études paramétriques sur les éléments constituant le système antennaire

• Optimisation de la géométrie du plan de masse
• Influence de la zone d’alimentation des monopôles
• Influence de la position des connecteurs
• Influence de la longueur du plan de masse
• Influence de la largeur du plan de masse
• Conclusion
• Optimisation de l’isolation entre antennes
• Extension du plan de masse
• Insertion d’encoche
• Optimisation de la géométrie des éléments rayonnants
• Influence du nombre de brins
• Influence de la longueur des méandres L mea
• Influence de la largeur des méandres W mea
• Conclusion
• Etude de la sensibilité

La modification de la géométrie de la plaque de masse a un effet significatif sur les performances du système d'antenne. Lorsque Wgd3 augmente, la bande basse se décale vers des fréquences plus basses (voir Figure 2.20(a)). La figure 2.27 montre la variation des paramètres S dans deux bandes de fréquences : 0,7-1 GHz et 2-3 GHz, obtenues pour différentes longueurs d'encoche et pour une largeur de 1,5 mm.

La figure 2.39 montre la répartition des courants de surface au niveau du sol aux deux fréquences centrales 781 MHz et 2,6 GHz. Pour étudier l'impact de la variation de la largeur des enroulements, on fait varier Wmea de 0,3 à 2 mm (voir Figure 2.41). Ces dimensions contrôlent le bord du plan de masse le plus proche des éléments rayonnants (voir Figure 3.36).

Réalisation et mesures du système optimisé

On constate lors de ces simulations qu'une variation de 100 µm sur des dimensions relativement grandes telles que Wgd1, Wgd3, Lgd3, Lm, Lf ne modifie que peu les bandes passantes avec une variation maximale de 3,5 MHz sur les deux bandes et une variation du niveau d'adaptation de 0,72 dB. Ceci n'est pas vérifié pour les paramètres Lgd2 et Wgd2, qui donnent une variation de bande maximale de 35 MHz et une variation de niveau d'ajustement de 5 dB. En revanche, la même variation effectuée sur des dimensions relativement faibles de la structure telles que Wm, Wmea Wf, Lmea présente des variations plus importantes du module du coefficient de réflexion avec une variation maximale de 28 MHz pour les deux bandes et une variation du niveau d'adaptation qui peut être au plus de 7 dB.

Nous nous intéressons maintenant à comparer les rendements simulés totaux du système initial (1 toron, sans extension du plan de masse ni insertion d'encoche) présenté à la Figure 2.1 et celui optimisé présenté à la Figure 2.42. Les diagrammes de rayonnement simulés et mesurés sont illustrés à la Figure 2.45 pour les fréquences 781 et 2,6 GHz. La composante principale du champ rayonné par l'antenne 1 sur la figure 2.45 correspond à Eφ dans le plan XZ et Eθ dans le plan YZ.

Etude de la diversité pour différentes orientations des antennes

• Rotation des antennes autour de l’axe X (connecteurs selon X)
• Coefficient de corrélation
• Gain Effectif Moyen
• Rotation des antennes autour de l’axe X (connecteurs selon Z)
• Coefficient de corrélation
• Gain Effectif Moyen
• Rotation des antennes autour de l’axe Y (Antennes sur le plan XZ)
• Coefficient de corrélation
• Gain Effectif Moyen
• Conclusion

L'influence de la rotation de l'antenne sur le gain effectif moyen en fonction de l'angle de rotation pour les deux fréquences centrales : 781 MHz et 2,6 GHz, est illustrée à la Figure 2.57. La position du système varie par rotation autour de l'axe X comme le montre la figure 2.60. L'influence de la rotation de l'antenne sur le coefficient de corrélation en fonction de l'angle de rotation pour les deux fréquences centrales : 781 MHz et 2,6 GHz est représentée sur la figure 2.61.

L'effet de la rotation de l'antenne sur le gain effectif moyen en fonction de l'angle de rotation pour les deux fréquences centrales : 781 MHz et 2,6 GHz, est illustré à la Figure 2.63. L'effet de la rotation de l'antenne sur le coefficient de corrélation en fonction de l'angle de rotation pour les deux fréquences centrales : 781 MHz et 2,6 GHz est illustré à la Figure 2.68. L'effet de la rotation de l'antenne sur le gain effectif moyen en fonction de l'angle de rotation pour les deux fréquences centrales : 781 MHz et 2,6 GHz, est illustré à la Figure 2.71.

Conclusion

La corrélation et le MEG sont sensibles à l'orientation des antennes, à la distribution des ondes incidentes et à la dépolarisation de l'environnement. Cependant, grâce à la capacité du système conçu à fournir de la diversité (dans l'espace, en polarisation et en rayonnement), le coefficient de corrélation et le MEG obtenus pour la plupart des cas étudiés vérifient les conditions de bonne diversité (ρ< 0,5 et k > - 3 dB).

Chapitre 3 : Conception de systèmes antennaires bi-bandes à diversité privilégiant la

Introduction

Système bi-bandes à un seul élément rayonnant

• Géométrie de l’antenne
• Adaptation d’impédance
• Etude de la sensibilité

La figure 3.5 illustre l'évolution de l'impédance d'entrée et du coefficient de réflexion en fonction de w2. La figure 3.6 illustre l'évolution de l'impédance d'entrée et du coefficient de réflexion en fonction de w1. Le niveau de réglage de la bande haute est légèrement amélioré (allant de -5 à -6,3 dB) avec un décalage de 340 MHz vers les hautes fréquences.

Nous nous intéressons à l'évolution de l'impédance d'entrée de la structure et du module du coefficient de réflexion pour l'antenne sans retour de masse et les trois configurations. A partir de la figure 3.9, l'insertion du retour de masse montre le déplacement des courbes d'impédance des trois configurations par rapport à l'axe réel du diagramme de Smith. En bande haute, on observe une variation maximale de 0,5 MHz sur la bande passante et de 1,21 dB sur le niveau d'adaptation.

Système bi-bandes à deux éléments rayonnants à polarisations orthogonales

• Choix de la position des antennes
• Réalisation et mesures
• Réduction du couplage
• Influence des dimensions de la ligne de neutralisation
• Réalisation et mesures
• Intégration dans un terminal de dimensions 100×55×0.7 mm 3

Les diagrammes de rayonnement simulés et mesurés sont illustrés à la Figure 3.24 pour les fréquences de 826 MHz et 2,6 GHz. Afin d'améliorer l'isolation du système, une ligne de neutralisation est insérée entre les deux antennes, comme le montre la figure 3.25. Les changements dans les dimensions de la ligne de neutralisation introduisent des effets inductifs (longueur de ligne) et capacitifs (entre les antennes et la ligne ou entre la ligne et la plaque de masse), comme le montre la Figure 3.29.

Les diagrammes de rayonnement simulés et mesurés sont présentés à la Figure 3.44 pour les fréquences 826 MHz et 2,6 GHz. Les dimensions de l'antenne 2 sont les mêmes que celles du prototype représenté sur la figure 3.22. Le rayonnement tridimensionnel du système d'antennes avec ligne de neutralisation est représenté sur la Figure 3.53 et la Figure 3.54.

Etude de la diversité pour différentes orientations des antennes

• Rotation des antennes autour de l’axe X
• Coefficient de corrélation et gain effectif moyen
• Rotation des antennes autour de l’axe Y
• Coefficient de corrélation et gain effectif moyen

On rappelle les distributions des angles d'arrivée dans le système antennaire dans le plan de site (XZ) sur la figure 3.63. L'effet de la rotation de l'antenne sur le coefficient de corrélation et le gain effectif moyen en fonction de l'angle de rotation pour les deux fréquences centrales : 826 MHz et 2,6 GHz est illustré à la Figure 3.65 et à la Figure 3.66, respectivement. La Figure 3.68 et la Figure 3.69 illustrent la direction de l'onde incidente dans le système d'antenne ainsi que les positions des antennes dans l'espace, pour les environnements extérieur et intérieur respectifs.

Parce que la distribution angulaire de Laplace est très étroite, elle coïncide avec les chutes de rayonnement de l'antenne 1, comme le montre la Figure 3.70(b), entraînant un déséquilibre de la puissance reçue. La position du système varie par rotation autour de l'axe Y, comme le montre la Figure 3.75. L'impact de la rotation de l'antenne sur le coefficient de corrélation et le gain RMS moyen en fonction de l'angle de rotation pour les deux fréquences : 826 MHz et 2,6 GHz est illustré dans la Figure 3.76 et la Figure 3.77, respectivement.

Conclusion

Comme on peut le voir au chapitre 2, la corrélation et la MEG sont sensibles à l'orientation des antennes, à la propagation des ondes incidentes et à la dépolarisation de l'environnement. Les systèmes d'antennes conçus montrent que même avec des dimensions plus petites, il y a une contribution notable à la diversité. Cette affirmation a été prouvée par les résultats obtenus en calculant le coefficient de corrélation et les gains effectifs moyens pour différentes orientations de l'un des systèmes.

Par rapport au système présenté par [56], qui est le seul fonctionnant à 700 MHz, notre système a l'avantage d'être multi-bande avec une bande passante de 21,9% au lieu de 2,1%, pour une taille globale de λlow/3 × λlow/5 au lieu de λlow/4 × λlow/9 (λlow fréquence représente la pour la longueur d'onde représentant la fréquence). Par rapport au système de bobinage, ils ont des dimensions plus petites, jusqu'à λlow/4 × λlow/7 pour le système IFA à antenne repliée. Ce dernier par rapport au système double bande de [40] offre, en plus d'une diversité de rayonnement, une bande basse plus large (de 11% au lieu de 2,5%) avec un meilleur gain maximum (de 1,8 dB au lieu de -4 dB) pour un même isolement et dimensions.

Chapitre 4: Influence de l’environnement sur les performances des systèmes antennaires

Introduction

Interaction avec le corps humain

• Influence de la présence de la tête sur les performances des antennes
• Système antennaire à base de méandres
• Une seule antenne IFA
• Effet de la main, de la tête, et du torse sur les performances des antennes
• Système antennaire à base de méandres
• Système antennaire à base de IFAs avec ligne neutralisation

En général, on constate que la présence de la tête fausse les diagrammes de rayonnement. On voit également la réduction de gain obtenue dans la direction opposée à la tête (φ = 0°), qui augmente pour une grande distance E (Figure 4.9 et Figure 4.11). La recherche porte sur l'influence de la tête sur l'impédance d'entrée de cette antenne en fonction de la distance E.

Cependant, les observations faites pour la configuration où l'antenne est sur le côté de la tête sont similaires. La figure 4.33 montre les coefficients de réflexion mesurés du système d'antenne seulement alors en présence de KEVIN et de la main. La figure 4.39 montre les coefficients de réflexion mesurés du système seul et en présence de la tête et de la main.

Intégration dans un ordinateur portable

• Système antennaire à base de méandres
• Système antennaire à base de IFAs avec ligne de neutralisation

Les résultats des mesures apparaissent plus rapides que ceux de la simulation. Par exemple, le temps de simulation d'une tête SAM en présence du système d'antennes dure plus de 24 heures sur un ordinateur avec un processeur de type Intel® Xeon® 4 cœurs (8M Cache, 2,26 GHz) et 12 Go de RAM. Néanmoins, les résultats de la simulation ont permis de mieux voir certains phénomènes, notamment dans l'étude paramétrique où le pas de variation était faible.

Etude de la diversité

Conclusion