Généralité sur les Antennes AVA et Technologie SIW

La course aux performances comme l’amélioration des caractéristiques des antennes dites Vivaldi antipodale et les besoins modernes de télécommunications (hausse du débit) ont été un moteur pour le développement des technologies dites Ultra Large Bande (ULB). Les développements récents des systèmes de communication RF, micro-ondes et sans fils sont caractérisés par des hautes vitesses de transfert de données et nécessitent des substrats diélectriques à faible pertes, où l’intégration est facile et avec de faibles coûts de fabrication, ce qui peut être assuré par la technologie SIW. Dans ce chapitre, nous allons tout d’abord introduire les théories physiques qui justifient la possibilité de propagation d’une onde pour entamer par la suite les antennes et leurs caractéristiques d’une manière générale. Ensuite, nous allons parler de technologie SIW et des antennes SIW nous allons aussi introduire les concepts les plus basiques. Enfin nous terminons par les différents types d’antenne ULB et des généralités sur l’antenne Vivaldi antipodal et leurs domaines d’applications et quelques exemples. L’origine du rayonnement électromagnétique

Toute charge et tout mouvement de charge sont capables de créer des champs électriques et magnétiques autour d’eux et devraient être capables de produire un rayonnement électromagnétique (création d’une onde électromagnétique qui se propage librement dans l’espace). Cependant, dans la nature, quasiment tous les objets ne rayonnent pas [4]. Dans l’exemple suivant, un courant continu se met à parcourir une petite boucle carrée à t = 0. Bien que les contributions des 2 côtés de la boucle (notés éléments 1 et 2) Soient identiques en amplitude et de signe inverse, la contribution de l’élément 1 de l’antenne arrive un peu avant celle de l’élément 2 (ou les contributions des 2 éléments sont déphasées), permettant la création d’un rayonnement électromagnétique pendant un temps très bref. Si maintenant un courant variable se met à parcourir la boucle, un rayonnement électromagnétique sera produit continuellement. Figure I. 1. Rayonnement électromagnétique créé par la variation d’un courant dans un circuit de petite taille. On peut donc voir le rayonnement électromagnétique comme la résultante des différences de phase des contributions de chaque élément de l’antenne.

Types de structures SIW

Tout comme un guide d’ondes, le SIW possède aussi une fréquence de coupure, un mode fondamental et un facteur d’atténuation. En effet, d’autres critères sont à prendre en considération dans la conception des circuits à base de la technologie SIW. Il s’agit de la taille du composant et de la bande d’opération qui sont les plus importantes. Pour la bande d’opération d’un guide d’ondes, on se limite à la bande entre la fréquence de coupure du mode « 􀜶􀜧􀬵􀬴 » et celle « 􀜶􀜧􀬶􀬴 » et comme ça, on peut garantir l’apparition du mono mode : autrement dit un seul mode qui se propage. Différentes topologies ont été proposées pour améliorer la structure SIW en termes de taille et de bande passante (Figure I.10) ; La structure SIW plié a été proposée dans [9] (Figure I.10a), et consiste à ajouter un troisième plan métallique entre les deux plans en haut et en bas et qui touche une seule rangée des trous conducteurs. Ceci permet une réduction significative de la taille accompagnée par une augmentation des pertes. Le demi-mode SIW a été introduit dans [10] (Figure I.10b). Ce dernier est basé sur une coupure verticale au milieu du guide d’ondes comme un plan magnétique virtuel; ce qui permet une réduction considérable de la taille.

Implémentation des antennes SIW Au cours des dernières années, il y a eu un intérêt croissant pour les antennes basées sur les technologies SIW. Plusieurs configurations ont été proposées, en commençant par les antennes à fentes classiques. La première antenne SIW était basée sur un réseau d’antenne à fentes quatre par quatre fonctionnant à 10 GHz [23]. Cette antenne est obtenue en gravant des fentes longitudinales sur la surface du métal guide d’ondes créé sur la base des technologies SIW. L’alimentation de ce réseau d’antenne est aussi basée sur des diviseurs de puissance SIW. Une autre topologie pour concevoir une antenne « leaky-wave », a été introduite dans [24]. Cette antenne exploite une caractéristique fondamentale du SIW, à savoir, sa propriété à produire un rayonnement quand l’espacement longitudinal entre les trous métalliques du métal est suffisamment grand. Une autre antenne SIW « leaky-wave », basée sur le mode TE20, a été proposée dans [25] et elle a donné de meilleures performances, comparées à une antenne « leaky-wave » conventionnelle. Les antennes SIW à cavité résonante ont été développées et testées dans [26]. Elles consistent en une cavité SIW alimentée par un guide d’ondes coplanaires.

L’antenne entière avec son système d’alimentation peut être facilement intégrée sur un seul substrat diélectrique. Récemment, plusieurs chercheurs se sont intéressés à l’antenne cornet dite plan H en utilisant la technologie SIW. [27- 28]. Cette antenne était combinée avec un diélectrique dans le même substrat qui a permis une augmentation de gain et une diminution de largeur du lobe principal dans les deux plans H et E. Cette topologie d’antenne a été utilisée pour former un réseau d’antennes afin d’augmenter davantage le gain. Dans [29], les auteurs ont proposés de connecter des circuits avec des fentes empilées à l’ouverture de l’antenne SIW cornet plan H. Ces dernières permettent une amélioration pas seulement de la directivité, même assure l’adaptation d’impédance (bande passante). Les antennes de petite taille présentant de bonnes performances en rayonnement et une bonne isolation sont recherchées, notamment dans le domaine de l’aéronautique des télécommunications, des systèmes embarqués. Les antennes SIW sont très appropriées pour ces applications [28-30]. Sur la Figure I.13 est présentée une antenne SIW.

Antenne Vivaldi Antipodale

La ligne à fente symétrique à double face, également appelée la ligne à fente antipodale (ou Antipodal Vivaldi Antenna) a d’abord été étudiée par W. Nester en 1985 et E. Gazit en 1988 [45] comme une solution aux problèmes d’alimentations liés à la conception originale de Gibson [40]. Dans ce cas, la transition du micro-ruban à la ligne à fente est réalisée par une ligne micro-ruban parallèle comme le montre la Figure I. 20. Figure I. 20. L’antenne Antipodale Vivaldi/micro-ruban [39]. Le micro-ruban a été utilisé comme une alimentation d’entrée, la ligne à fente pour rayonner tandis que les paires-bande (twin line) ont été principalement en région de transition donc ils ont un effet crucial sur la performance de l’antenne. Cette conception a également permis d’éviter le trou de la fente qui était nécessaire dans les modèles antérieurs. Noronha et al ont utilisé cette idée pour construire une antenne Vivaldi et ont montré de bons résultats sur une large gamme de fréquences [39]. Ils ont également découvert empiriquement que la région de transition devrait être de trois à cinq longueurs d’onde afin de prévenir une forte discontinuité entre l’alimentation et les régions de rayonnement. Cette conception a plusieurs avantages par rapport à la simple face antenne Vivaldi. Tout d’abord, la transition de la ligne micro-ruban à double ligne est assez facile à concevoir et à fabriquer. La fréquence maximale de coupure est augmentée avec l’alimentation de la ligne double. Car il n’y a pas limitation sur la largeur de la fente comme dans le cas de l’antenne Vivaldi à fente conique.

Le principal inconvénient de la configuration antipodale est la polarisation croisée, observée essentiellement pour des fréquences plus élevées. Ceci est causé par l’inclinaison des champs à fente. L’inclinaison évoluant le long de la longueur du cône, est plus élevée de l’extrémité fermée de l’antenne, où les hautes fréquences sont rayonnées, tandis qu’à l’extrémité ouverte est généralement négligeable, en fonction de l’épaisseur du substrat. Il en résulte une polarisation croisée qui peut atteindre des valeurs supérieures à -5 dB [42] et qui dépend sensiblement de la fréquence. En dehors des problèmes de polarisation, les paramètres de configuration sont semblables à la conception originale de Vivaldi dans la direction du rayonnement longitudinal. Cependant, il y a généralement un niveau plus élevé des lobes secondaires. Ce problème est particulièrement significatif lorsque des parties rayonnantes sont évasées et courbées pour minimiser la réflexion et la diffraction. Diverses améliorations et modifications de la conception aux antipodales ont été apportée d. Nester’s brevets [43] a introduit une géométrie légèrement différente de la métallisation du bas-côté, le défaut de la section double ligne. La version hybride exponentielle évasée de la Vivaldi antipodales existe aussi, comme indiqué dans le brevet de Fischer [44].

Transition

Le signal transitant par un guide d’ondes, nécessite généralement une transition intermédiaire pour faire un lien entre le circuit planaire en technologie micro-ruban et le guide d’ondes. Cette transition doit permettre d’adapter [61] en impédance le mode fondamental du guide TE10 sur le mode quasi-TEM de la ligne micro-ruban. Une transition doit être simple à réaliser, engendrer un minimum de pertes et l’adaptation doit donc être optimale. Vu que l’impédance au niveau du guide est beaucoup plus importante que celle de la ligne microruban (généralement de 50Ω dans la gamme des microondes), la conception d’un tel dispositif reste assez compliquée. Les dimensions de cette transition sont optimisées pour fonctionner dans une bande de fréquences donnée. D’autre part, depuis que les composants SIW et les circuits planaires ont pu être intégrés sur le même substrat, différentes transitions efficaces ont été proposées pour adapter des guides d’ondes avec les circuits planaires [62]. Nous citons en particulier la transition micro-ruban conique (taper) coplanaire au guide d’onde [63], facilement réalisable. La nécessité de combiner les deux technologies ensemble, celle du guide d’onde intégré dans le substrat et celle de la ligne micro-ruban, impose de dépasser les dissimilitudes physiques et électromagnétiques de ces supports de transmission. Il est apparent que les champs sont, dans les deux cas, polarisés de la même façon, par contre les champs du guide d’onde couvrent une région plus grande par rapport à ceux de la ligne micro-ruban plus concentrés entre le plan de masse et le conducteur (figure II.11). Figure II. 11. Lignes de champs dans un guide d’ondes rectangulaire et dans une ligne microruban [64]. La transition (taper) micro-ruban guide d’onde Figure II.12, laquelle est très efficace et à large bande. Cette transition est conçu essentiellement d’un taper micro-ruban reliant la ligne micro-ruban de largeur initial W1,de largeur final W2,ainsi que la longueur L de la ligne profilée.la largeur initial de la ligne micro ruban W1 est généralement choisie pour obtenir une impédance caractéristique de ZTE =50 ohm.