En effet, ces matériaux ont la particularité de pouvoir se comporter comme un conducteur magnétique artificiel, ce qui permet de s'affranchir d'une distance d'un quart de longueur d'onde entre l'antenne et son réflecteur. L'état de l'art des méthodes de réduction du couplage électromagnétique dans le réseau est présenté.
Introduction
Cela génère une modification du comportement électromagnétique de l'antenne et du réseau : distorsion du diagramme de rayonnement, désadaptation de la résistance d'entrée, du gain, etc. Ensuite, une introduction aux matériaux artificiels sera faite pour enfin présenter un état de l'art des implications des applications des structures artificielles dans les antennes réseau.
Le couplage mutuel
Méthodes de prise en compte du couplage
Dans laquelle [Z] est la matrice des impédances mutuelles traduisant le couplage entre chaque élément, [V] et [I] sont respectivement le vecteur excitation et le vecteur courant excité. En insérant la définition du courant d'excitation (1.3) dans la définition de l'impédance active (1.9), cette dernière peut alors s'écrire.
Couplage par ondes propagatrices
Dans le cas des antennes réseau imprimées, les directions aveugles sont liées à la constante de propagation des ondes de surface et à la constante de propagation de certains modes de Floquet. Les cercles rouges correspondent à β/k = 1,22, qui est la constante de propagation des ondes de surface (mode TM0) sur une couche diélectrique de r = 3,2.
Etat de l’art des méthodes de minimisation du couplage dans les réseaux
Les méthodes conventionnelles
- Isolation des éléments rayonnants
- Modification de la permittivité effective du substrat
- Modification de l’élément rayonnant
La perte d'énergie sous forme d'ondes de surface sera réduite et l'efficacité de l'antenne sera augmentée [23]. Lorsque le rayon de l'antenne est égal au rayon de l'anneau magnétique actuel, l'antenne n'excitera pas le mode TM0.
Les structures artificielles
- Les matériaux magnétiques artificiels
- Le conducteur magnétique artificiel
- Les structures à bandes interdites électromagnétiques
Les dimensions et l'espacement des différentes inclusions métalliques sont électriquement très faibles par rapport à la longueur d'onde de l'onde électromagnétique. Plus la fréquence augmente, plus la courbe s'écarte de la raie lumineuse : les ondes rayonnées deviennent des ondes guidées étroitement couplées à la surface.
Etat de l’art des méthodes de minimisation du couplage à l’aide
- Modification du substrat
- Utilisation de superstrat
- Modification du plan de masse
L'étude par rapport à la distance entre chaque antenne est réalisée dans le plan H. La présence de ces structures artificielles permet de réduire le couplage dans le plan H de 22 dB contre -30 dB dans la configuration sans motif au BIE.
Conclusion
Zhang et Hall montrent qu'un réflecteur composé de tuiles carrées peut réduire le couplage mutuel entre deux dipôles en diamant à large bande [35]. Placées au-dessus de ce nouveau réflecteur, la bande passante de ces antennes est réduite de 32% par rapport à la bande 2,5:1 autour de 8,55 GHz en espace libre.
Introduction
Modélisation analytique de SHI
Etat de l’art des méthodes de calcul analytique
Le premier modèle électrique d'une structure contenant des transitions a été proposé par Sievenpiper pour une structure "en champignon", c'est-à-dire le parallélisme de la capacité due à l'écart entre deux blocs adjacents et l'inductance due au substrat sur le plan de masse formant un résonateur [48]. La capacité représentant l'écart est calculée de manière approchée en considérant l'écart entre deux lignes microruban.
Présentation du modèle utilisé
- Calcul du coefficient de réflexion d’une structure artificielle 28
- b Structure à bande interdite électromagnétique
- c SHI absorbante
- d SHI active
- Calcul du diagramme de dispersion d’une structure ar-
- a Méthode de la résonance transverse (MRT)
- b Méthode de la matrice chaîne
La figure 2.4 présente le changement de phase du coefficient de réflexion (2.13) du CMA en fonction de la fréquence pour différents angles d'incidence. Figure 2.4 – Phase du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence pour plusieurs angles d'incidence de SHI éclairé par : (a) le mode TM, (b) le mode TE. Cela peut être vu sur la figure 2.8, qui trace le coefficient de réflexion en fonction de la fréquence d'un SHI chargé avec différentes valeurs de résistance.
Figure 2.9 – Impédance de surface Z en fonction de la fréquence d'un SHI absorbant éclairé par une onde plane à incidence normale pour différentes valeurs d'impédance : (a) Partie réelle, (b) Partie imaginaire.
Modélisation numérique de SHI
Méthodes de calculs numériques
- Méthode temporelle
- Méthode fréquentielle
La courbe obtenue par le modèle analytique représente la constante de phase normalisée βn = βP/π en fonction de la fréquence. Ces méthodes numériques consistent en une discrétisation volumétrique de la structure pour résoudre les équations de Maxwell sur une représentation de l'objet construite à l'aide de différents types de maillage. Cette technique s'avère être une méthode efficace car elle permet d'assembler une structure sans aucune approximation de la géométrie.
La solvabilité des équations matricielles se fait selon la méthode de Ritz ou Galerkin [74].
Application aux structures artificielles
- Coefficient de réflexion d’une SHI
- Diagramme de dispersion d’une SHI
Figure 2.20 – (a) Conditions aux limites appliquées à un motif élémentaire d'un SHI, (b) Composante du champ électrique incident E, (c) Composante du champ magnétique incident H. L'utilisation d'une condition aux limites absorbante (PML, Perfect Match Layer) permet de simuler le demi-espace supérieur comme un environnement infini.
Caractérisation expérimentale
Coefficient de réflexion
La bande passante est déterminée par la propagation du mode dominant et l'angle d'incidence varie avec la fréquence. La figure 2.25 présente la phase du coefficient de réflexion de cette surface en fonction de la fréquence déterminée par les modèles analytiques, numériques et expérimentaux présentés dans les sections précédentes. Ceci est dû au fait que les dimensions du SHI étudié ne remplissent pas totalement les conditions de validité du modèle.
Figure 2.27 – Module du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence du SHI absorbant (R = 300Ω) : comparaison entre simulation numérique et mesure.
Diagramme de dispersion
Une autre méthode consiste à utiliser des antennes monopôles placées près de la surface artificielle. Cela permet de limiter le couplage air et de ne transmettre que l'onde se propageant à la surface du SHI (Fig. La méthode de la ligne pendante est utilisée pour déterminer les caractéristiques de dispersion du SHI, qui comprend un nombre fini de cellules.
La courbe de la Figure 2.16, obtenue à partir du modèle analytique de la matrice chaîne, représente la constante de phase normalisée βn correspondant à .
![Figure 2.28 – Caractérisation des propriétés dispersives de structures artificielles : Méthode de la ligne suspendue appliquée à des motifs carrés métalliques [49]](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/1bibliocom/459612.66676/68.892.358.604.145.317/caractérisation-propriétés-dispersives-structures-artificielles-méthode-appliquée-métalliques.webp)
Conclusion
En fait, les antennes sont généralement espacées d'une demi-longueur d'onde (centre à centre). L'interconnexion provient des ondes rayonnées (couplage aérien) et dans le cas particulier des antennes microruban de la propagation des ondes guidées et des ondes de surface. Une synthèse moderne avancée de différentes solutions pour réduire ce phénomène indésirable a été présentée au chapitre 1.
Différentes études ont montré que les SHI permettent de réduire le couplage entre deux antennes imprimées (rectangulaire, patch circulaire) lorsqu'elles ont la particularité d'avoir une bande interdite électromagnétique [81].
Dimensionnement du réseau d’antennes imprimées
Antenne imprimée élémentaire
Ce type d'antenne a été choisi en raison de sa faible bande passante, ce qui permettra d'observer plus facilement les différentes contributions dues à chaque solution à la réduction du couplage mutuel dans les plans E et H. Pour valider les résultats de la simulation, nous avons conçu une maquette de l'antenne microruban (Fig.3.3(b)). Le module du coefficient de réflexion et l'impédance d'entrée de l'antenne sont illustrés à la Figure 3.4.
Dans notre étude, nous considérerons que l'antenne est adaptée lorsque le module de S11 < -10 dB.
Etude du couplage entre antennes imprimées rectangulaires dans
Le module du coefficient de transmission S12 est maximal à la fréquence de résonance et est égal à -21dB et -17dB dans les plans E et H, respectivement. L'impédance d'entrée de l'antenne n'est pas modifiée du fait de la similitude de la fréquence de résonance de l'antenne élémentaire et cela lorsque l'antenne élémentaire est placée dans un réseau 1x2 dans le plan E ou H. Le couplage entre les deux antennes dans le plan H est plus élevé que dans le plan E, et cela est dû à la géométrie des antennes rectangulaires.
Ainsi les bords des deux éléments rayonnants sont plus proches dans le plan H que dans le plan E.
Techniques de réduction du couplage entre antennes imprimées
Influence des solutions conventionnelles sur le couplage mutuel
L'utilisation d'une barrière métallique entraîne un décalage de la fréquence de résonance de 260 MHz vers les hautes fréquences dans le plan H. Il s'agit d'une amélioration du découplage de 3,7 dB dans le plan E et de 7,2 dB par rapport aux configurations de base. Les ondes de surface polarisées magnétiquement transversales sont responsables du couplage mutuel entre deux antennes imprimées situées dans le plan E.
En appliquant le même ordre théorique, ce phénomène peut être transposé dans le cas où les antennes imprimées sont placées dans le plan H : le couplage mutuel serait dû à la propagation d'ondes de surface polarisées en mode TE.
Influence des SHI sur le couplage mutuel entre antennes imprimées 64
- Conducteur magnétique artificiel
- Structures à bande interdite électromagnétique
De ce fait, aucune amélioration du découplage n'est observée entre les deux antennes plaquées dans le plan H. Figure 3.16 – Paramètres S des deux antennes imprimées placées dans le plan H pour les configurations de référence (Fig. 3.6) et en présence du ruban CMP (Fig. 3.14) : (a) module du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence, (b) module du coefficient de transmission en fonction de la fréquence. Figure 3.20 – Paramètres S des deux antennes imprimées placées dans le plan E pour les configurations de référence (Fig. 3.5) et en présence d'un CMA (Fig. 3.13) : (a) module du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence, (b) module du coefficient de transmission en fonction de la fréquence.
La réduction de 3 dB dans le plan E observée lorsque le CMA est placé au niveau du plan de sol est intéressante.
Conclusion
Nous concluons que dans le cas d'une configuration d'antennes patch séparées d'une demi-longueur d'onde, l'utilisation de CMA comme barrière électromagnétique n'est pas la meilleure solution. Cependant, ce type de structure a pour intérêt de réduire le couplage mutuel entre deux antennes réseau là où une plus grande distance peut les séparer l'une de l'autre. Le temps de dimensionnement de ces motifs (CMA ou BIE) est très important pour un résultat peu satisfaisant par rapport à l'utilisation d'une cavité métallique.
À cette fin, l'utilisation d'une antenne plate à large bande ou multibande avec la capacité d'effectuer des balayages de faisceau sur de larges angles de vision est nécessaire.
Antenne réseau connectée auto-complémentaire
Description de la structure de l’antenne
Antenne réseau connectée auto-complémentaire 83 indépendante de la fréquence lorsque la forme de l'antenne est déterminée uniquement par les angles [88]. L'impédance d'entrée de l'antenne auto-complémentaire peut être dérivée de ce principe et est égale à η0/2 = 60π ≈188,5Ω. Cependant, comme nous l'avons déjà dit, l'utilisation d'un réflecteur métallique limitera la bande passante de l'antenne.
Antenne réseau couplée auto-complémentaire 85 Une pile multicouche est définie dans le but d'élargir la bande passante de l'antenne.
Modélisation analytique de l’antenne réseau connectée auto-complémentaire
Introduction
Modèle analytique
4.15) L'équation (4.15) permet ainsi de définir la matrice ABCD de l'antenne en damier en espace libre. Hannon et Balfour ont montré en utilisant des mesures de simulateur d'ondes qu'il était possible de calculer l'impédance d'entrée d'un réseau d'antennes déphasées à partir du coefficient de réflexion de la surface de l'antenne [93]. Le diagramme d'antenne complet dans SHI est alors composé du diagramme d'antenne chargé à partir de celui de SHI.
La figure 4.10 montre la ligne de transmission qui modélise le comportement de l'antenne multicouche auto-complémentaire complète.
Influence des réflecteurs artificiels sur le coefficient de réflexion de l’an-
- Antenne réseau sur CEP
- Antenne réseau sur CMP
- Antenne réseau sur SHI
- Antenne réseau sur SHI active
- Antenne réseau sur R-SHI
- Antenne réseau ultra-compacte
Le module du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence de l'antenne sur le. Figure 4.19 – Module du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence de l'antenne monocouche en damier sur un réflecteur à haute impédance (fr = 17GHz). Figure 4.26 – Module de réflexion (analytique) en fonction de la fréquence de l'antenne en damier pointant dans l'axe.
Le module de réflexion en fonction de la fréquence de l'antenne ultra-compacte en damier est illustré à la Figure 4.30.
Conclusion
L'ajout de diodes varactor entre chaque motif métallique permet de modifier la capacité SHI et implicitement la fréquence d'accord. Le réflecteur à haute impédance d'une antenne réseau ultra large bande présente l'avantage de pouvoir créer de nouvelles bandes passantes instantanées selon le modèle SHI considéré. 99 4.18 Cellule unitaire d'antenne en damier dans un réflecteur à haute impédance 99 4.19 Module du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence de l'antenne.
Liste des figures 131 4.27 Module du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence de l'antenne.
