Composition du GNSS
Pour le bon fonctionnement des programmes GNSS trois parties distinctes sont primordiales. Chaque partie est appelée segment. Il y a donc :
Le segment spatial : ce segment est constitué par la constellation de satellites associés au système GNSS. Suivant le programme GNSS, l’orbite des satellites, leur altitude et par conséquent la période à laquelle le même satellite se retrouve au-dessus du même point sont différentes. Chaque satellite transmet continuellement des messages qui incluent : l’heure précise à laquelle le message est transmis, les informations orbitales précises, appelées éphémérides, l’état de santé général du système et les orbites approximatives de tous les satellites, appelés almanachs. Pour le GPS chaque satellite contient 3 à 4 horloges atomiques ; ceci permet à long terme une bonne stabilité entre le temps GPS et le temps des satellites.
Le segment sol : ce segment est constitué par les stations de contrôle situées au sol. Leur nombre varie suivant le programme . Elles servent à piloter et surveiller le système. Elles mettent à jour, entre autre, les informations transmises par les satellites, comme les éphémérides et les paramètres d’horloge, et contrôlent leur bon fonctionnement.
Le segment utilisateur : ce segment regroupe tous les utilisateurs qui reçoivent et exploitent les données satellitaires. Ces utilisateurs utilisent des récepteurs GNSS. Chaque récepteur GNSS peut être alloué à un système ; cependant si les bandes de fonctionnement et le codage du signal le permettent, certains récepteurs peuvent être interopérationnels et donc fonctionner pour plusieurs constellations GNSS.
Canal de propagation, estimation des retards
Le canal de propagation est le milieu qui sépare l’antenne émettrice (satellite) et l’antenne réceptrice (utilisateur). Ce canal est composé de : la charge utile et l’antenne satellite, la propagation en espace libre, la propagation à travers l’atmosphère (ionosphère + troposphère), les réflexions et/ou diffractions, les interférences entre les différents systèmes GNSS (intra et inter-système), les interférences externes intentionnelles ou non intentionnelles.
Quasiment chaque erreur ou retard dus aux composantes du canal de propagation peut être compensé par une conception de l’antenne réceptrice. Nous nous intéressons donc à l’effet de chaque composante sur le signal transmis et à la correction que peut apporter l’antenne réceptrice.
L’antenne réceptrice
Les antennes des récepteurs GNSS sont développées pour une intégration maximale. Ainsi leur taille, leur poids et leur coût sont réduits au maximum. Le choix d’antennes minces minimisant ces paramètres est alors pertinent. De ce qui a été présenté précédemment, plusieurs caractéristiques peuvent être dégagées sur l’antenne en elle-même :
la sélectivité : l’antenne doit limiter la puissance des interférences entrantes hors-bande utile (filtre spectral) d’où l’intérêt d’antennes à bande étroite ou multibandes pour des antennes multifréquences (les antennes large bande sont donc à éviter à moins qu’elles soient associées à un dispositif de filtrage, ie spirale sur SHI), le gain de l’antenne est idéal s’il est constant pour tous les satellites au-dessus d’un angle d’élévation donné (antenne omnidirectionnelle), le gain doit être faible pour des élévations faibles ou négatives afin de rejeter les multi-trajets et les interférences, la polarisation doit être RHCP pour les élévations faibles et LHCP faible derrière l’antenne.
Limites théoriques de la miniaturisation d’antennes
C’est Wheeler en 1947 qui fut le premier à théoriser la miniaturisation antennaire. C’est lui aussi qui plus tard commença à se poser la question des limites de cette miniaturisation. En approximant les antennes par un circuit RLC parrallèle ou série, suivant leur mode de fonctionnement, il établit le lien entre les paramètres de l’antenne et ses propriétés radiatives grâce au Facteur de Puissance Rayonnée (FPR) (rapport entre la puissance rayonnée et la puissance réactive de l’antenne). Ainsi il fut le premier à comprendre que la diminution de la taille d’une antenne impliquait que sa bande passante avait une limite fondamentale. Le FPR a un lien direct avec le volume de l’antenne et il est en fait équivalent à l’inverse du facteur de qualité Q, donc est équivalent à la bande passante des antennes miniatures.
La théorie de Wheeler bien que posant les premiers jalons de la miniaturisation antennaire était valable uniquement pour des antennes extrêmement petites. Il ne prenait en effet pas compte des modes sphériques rayonnés des antennes dont la taille était plus importante mais toujours miniature.
Les travaux de Chu qui suivent cette voie proposent quant à eux en 1948 de trouver le facteur de qualité minimum d’une antenne omni-directionnelle comprise à l’intérieure de la sphère de Chu . Pour ceci il étudie les modes sphériques (il décompose le champ rayonné en une somme de modes sphériques) qui faisaient justement défaut dans la théorie de Wheeler. Il exprime alors ces modes par des schémas électriques équivalents. Bien que ces travaux se limitent à un type d’antenne omnidirectionnelle très particulier, sa contribution est la base de nombreux travaux par la suite.
Les techniques de miniaturisation des antennes
Maintenant que l’on a vu la limite théorique de miniaturisation, nous allons voir quelles sont les techniques que l’on peut utiliser pour miniaturiser une antenne donnée. Pour comprendre comment miniaturiser une antenne, il faut d’abord comprendre comment elle fonctionne. Le propre d’une petite antenne passive est d’avoir une fréquence de résonance et de rayonner à cette fréquence de résonance. Grâce au théorème d’équivalence , les propriétés de rayonnement d’une antenne peuvent être déduites du calcul de rayonnement de la distribution de courants équivalents électrique et magnétique associée au mode résonant considéré. Un aspect essentiel de la miniaturisation est de conserver les propriétés de l’antenne (diagramme, impédance, polarisation). Les éléments associés à l’antenne (circuit, câble d’alimentation) doivent être également considérés dans la conception de l’antenne s’ils participent au rayonnement. Les courants équivalents associés au mode résonant de l’antenne peuvent être modélisés soit par des méthodes analytiques pour des cas simples (antennelaire, cornet) soit par des méthodes numériques (résolution numérique des équations de Maxwell). En tous cas, ces courants sont la clef du rayonnement et donc la clef de la miniaturisation. C’est en jouant sur ces courants, ou plus précisément sur le trajet, la vitesse ou la réflexion de ces courants qu’une antenne va pouvoir être miniaturisée.
Les techniques de miniaturisation peuvent être classées suivant deux grandes familles : La miniaturisation par structuration, La miniaturisation par modification du substrat.
Table des matières
Introduction générale
1 Le GNSS et les spécifications techniques des antennes associées
1.1 Introduction au GNSS
1.1.1 Historique
1.1.2 Principe de fonctionnement
1.1.3 Composition du GNSS
1.1.4 Bandes de fréquences GNSS
1.1.5 Transmission du signal
1.1.6 Positionnement
1.2 Canal de propagation, estimation des retards
1.2.1 Antenne satellite
1.2.2 La propagation en espace libre
1.2.3 La propagation dans l’atmosphère
1.2.4 Les trajets multiples
1.2.5 Les interférences
1.3 Le récepteur
1.4 L’antenne réceptrice
1.5 Cahier des charges GNSS ‘idéal’ pour une antenne
2 La miniaturisation d’antennes
2.1 Introduction et définition
2.1.1 Taille des antennes
2.1.2 Facteur de qualité
2.1.3 Facteur de miniaturisation
2.1.4 Taille du support d’antenne/plan métallique
2.2 Limites théoriques de la miniaturisation d’antennes
2.3 Les techniques de miniaturisation des antennes
2.3.1 Miniaturisation par structuration
2.3.2 Miniaturisation par ondes lentes
2.4 Antenne GNSS miniature
2.4.1 Les antennes mono-fréquence
2.4.2 Les antennes large bande et multibandes : définition et état de l’art
2.5 Conclusions
3 La miniaturisation par ondes lentes
3.1 Principes théoriques
3.1.1 Les antennes Hélices
3.1.2 Outils de simulation
3.2 L’Antenne Hybride Compacte
3.2.1 Circuit Electrique Equivalent de l’antenne
3.2.2 Diagramme de dispersion, dimensionnement de Ls
3.2.3 Le rayonnement
3.2.4 Excitation
3.3 Mesures
3.3.1 Réalisation de l’antenne
3.3.2 Caractéristiques de l’antenne composite en mesures
3.4 Intérêts et Limites de l’antenne
3.4.1 Intégration
3.4.2 Taille du plan métallique
3.4.3 Comparaison des performances par rapport à celles d’un patch des récepteurs commerciaux
3.4.4 Limites et perspectives
3.4.5 Antenne miniature autodirective
3.5 Conclusions
La miniaturisation avec une Surface Haute Impédance
4 La surface Haute Impédance
4.1 Généralités
4.1.1 Analyse des réseaux périodiques
4.1.2 Coefficient de réflexion
4.1.3 Rapport bande passante/taille
4.1.4 Protocole de simulations
4.1.5 Mesures des SHI
4.2 Motif maximisant le rapport bande passante/taille
4.2.1 Cellule SHI avec ou sans via
4.2.2 Circuit Electrique Equivalent amélioré d’une cellule SHI
4.2.3 Résultats de simulation
4.2.4 Comparaison avec les cellules de la littérature
4.3 La SHI bi-bandes
4.3.1 La cellule bi-bandes
4.3.2 Simulations de la cellule bi-bandes
4.4 Réalisation de la SHI
4.4.1 Réalisation des capacités localisées de chaque motif
4.4.2 Réalisation du motif bi-bandes
4.5 Conclusions
5 Caractérisation de l’ensemble ‘antenne + SHI’
5.1 Généralités
5.1.1 Schéma de l’ensemble ‘antenne + SHI’
5.1.2 Le couplage antenne SHI
5.1.3 Simulations électromagnétiques
5.1.4 Les Baluns
5.1.5 les techniques de mesure
5.1.6 Résultats de mesures
5.2 Le couplage ‘antenne SHI’
5.2.1 Problématique
5.2.2 Simulations pour le mono-bande
5.2.3 Simulations couplage antenne/ SHI bi-bandes
5.2.4 Hauteur antenne/SHI
5.3 Mesures de l’ensemble antenne sur Surface Haute Impédance
5.3.1 Les antennes dipôles à réaliser
5.3.2 Les dipôles sur la SHI
5.3.3 Conclusions
5.4 Réglage des fréquences
5.4.1 Réglage de l’épaisseur de la SHI
5.4.2 Ajout de capacité
5.4.3 Conclusions sur le réglage des fréquences
5.5 Conclusions
6 Recherche de la polarisation circulaire
6.1 Généralités
6.1.1 La polarisation circulaire
6.1.2 Recombinaison des mesures en RHCP
6.1.3 Le dipôle croisé
6.1.4 L’antenne spirale d’Archimède
6.1.5 Simulations
6.2 Dipôle croisé sur SHI
6.2.1 Réalisation
6.2.2 Mesures
6.2.3 Conclusions
6.3 l’antenne spirale sur la SHI
6.3.1 Réalisation
6.3.2 Spirale sur SHI
6.3.3 Optimisation de l’épaisseur de la structure
6.4 Conclusions
7 Conclusions
7.1 Travail réalisé
7.2 Perspectives
A Les Baluns
A.1 Le Balun quart d’onde
A.2 Le Balun large bande
B Techniques de mesure en chambre anéchoïque
C Confirmation des fréquences des bandes de la SHI
D La spirale d’Archimède
D.1 Géométrie de la spirale
D.2 Principe de fonctionnement
