Antennes miniatures

Développer de nouvelles antennes compactes et ultra-miniatures performantes dans les bandes HF/VHF/UHF en rupture avec les solutions actuelles tels sont les objectifs de cette thématique.

Description de l’axe de recherche

Développer de nouvelles antennes compactes et ultra-miniatures performantes dans les bandes HF/VHF/UHF en rupture avec les solutions actuelles tels sont les objectifs de cette thématique. Cela nécessite de développer et d'utiliser des approches innovantes afin de dépasser les limitations actuelles en termes d'efficacité et de bande passante mais également de directivité. La longue expérience de l’équipe dans ces domaines a permis de développer de nouvelles stratégies, par exemple passives à base de matériaux fonctionnels et artificiels et également plus complexes en utilisant des circuits actifs (circuit non-Foster, transistor) combinées avec des approches standards (structuration de la géométrie, charges, …) et en y associant dans certains cas des algorithmes d’optimisation. Toutes ces approches permettent d'améliorer les performances et de lever les verrous technologiques tant sur le point de vue de la conception que de la caractérisation pour de nombreuses applications.

Antennes miniatures associées à des matériaux

Une des orientations choisies pour un fonctionnement très basse fréquence (adaptation/agilité/rayonnement) s'appuie sur l'usage de matériaux fonctionnels. Plusieurs pistes complémentaires ont été développées en étudiant l’impact des différents matériaux sur les performances des antennes miniatures; à savoir les matériaux magnéto-diélectrique nanocomposite, ferromagnétiques (utilisés traditionnellement pour des applications à basse fréquence), ferroélectriques (BST) utilisés comme supports commandables d'antennes agiles en fréquence, des diélectriques à forte permittivité ou encore un nouveau matériau céramique dense STLTO possédant des pertes diélectriques très faibles (< 5.10-3 à 3 GHz) associées à des permittivités (60 à 130). D’autres matériaux très innovants comme les ferroélectriques nécessitent néanmoins une amélioration de leurs propriétés en termes de pertes ainsi que d’accordabilité afin de concevoir des capacités performantes pour les antennes agiles en fréquence.

L'équipe CUTE a réussi à répondre et résoudre des problématiques dans plusieurs secteurs : aéronautique (Figure 1), maritime (Figure 2), civile et militaire.

Les applications portent sur des antennes pour l'émission, la réception, la goniométrie, le brouillage et la détection des objets enfouis. Certaines antennes présentent des dimensions extrêmement faibles : plus grande dimension égale à lambda/70 et une épaisseur égale à lambda/1400, alors que d'autres ont une bande de plusieurs octaves.

 

Antennes miniatures à géométries optimales et charges localisées

Plusieurs pistes ont été étudiées pour la réduction des dimensions et l’amélioration des performances des antennes miniatures utilisant des approches standard et des nouvelles stratégies associant l’antenne à des composants actifs (transistor, des circuits non Foster) ou passifs et une méthode d’optimisation couplée avec une analyse modale des structures antennaires.

Des antennes à géométries optimales dans un volume réduit ont été conçues telles que les sinueuses large bande miniaturisées par l’usage des motifs sinueux sur les brins [collaboration Thales] pour les applications de goniométrie militaire (Figure 3), ou une structure hélicoïdale repliée dans un boitier [FUI FLEXBA] et intégrée dans des balises maritimes de détresse en mer fonctionnant à 162 MHz.

Plusieurs nouvelles pistes ont été investies pour la réduction des dimensions et l’amélioration des performances des antennes miniatures utilisant des composants actifs. On peut citer les antennes à transistor intégré faisant partie de l'antenne agissant comme un adaptateur d'impédance. Le circuit non-Foster par exemple développé à partir d’un convertisseur d'impédance négative (NIC) est réalisé pour obtenir des condensateurs de valeurs négatives de façon à adapter des antennes miniatures sur une large bande de fréquence. Ces travaux sont toujours en cours, et les circuits sont optimisés pour réduire les pertes et améliorer l’efficacité. Les miniaturisations peuvent dépasser la bande passante limite formulée par la théorie de Bode-Fano définie pour les circuits passifs.

Très prometteurs, de nouvelles techniques de conception pour optimiser les performances des Antennes Electriquement Petites (ESA) tout en visant un meilleur compromis entre les paramètres de conception ont été développées. Pour cela, les travaux de l’IETR se sont appuyés sur l’analyse des modes caractéristiques de l’antenne multiport ou «Network Characteristic Modes» (NCM) (Figure 4) de façon à fournir des informations physiques approfondies sur les modes de l’antenne. Notre approche a consisté à intégrer des charges sur l’antenne devenue multi-accès ce qui permet en ajustant au mieux les charges à modifier ou contrôler les courants et donc les modes de l'antenne pour obtenir à des objectifs visés en terme d’optimisation sur la bande passante.

Antennes miniatures superdirectives

L’application de techniques de formation du rayonnement des antennes miniatures se basant sur la superdirectivité représente une piste de recherche originale encore assez peu développée. Des avancées significatives dans la conception de systèmes antennaires compacts à rayonnement directif par la réalisation des réseaux compacts superdirectifs ont été obtenues par notre équipe en termes de bande passante et d’efficacité de rayonnement dans les gammes de fréquences inférieures au gigahertz (Figure 5).

Les réseaux superdirectifs décrits dans la littérature permettent de dépasser la limite de Harrington sur la directivité mais n’offraient jusqu’à maintenant que des bandes passantes et des efficacités négligeables. Nos travaux ont permis de montrer non seulement la possibilité de réaliser des antennes superdirectives avec des éléments rayonnants miniatures (Figure 6) mais aussi l’utilisation de sources miniatures large bande permettant de concevoir des réseaux superdirectifs compacts avec des bandes passantes et efficacités supérieures à celles présentées dans les publications scientifiques de nos collègues tant nationaux qu’internationaux