Design and ptototyping of a metamaterial ultra-compact antenna : Application to a small GNSS antenna
Etude et réalisation d'antennes ultra-compactes à base de métamatériaux : Application à la réalisation d'une antenne GNSS miniature
Résumé
In this thesis, original solutions are proposed for antennas not sensitive to their environment. These antennas are designed for GNSS applications and more precisely for multi-bands ones. So the solutions are developed keeping in mind the GNSS specifications. Two different research axis are discussed. The first one deals with the natural properties of an antenna composed of different radiating structures. So an helix structure is associated with a metallic plate. The specifications of this antenna are in line with the ones of commercial antennas. Nevertheless, this antenna is only one band and in linear polarization which is not conform to the GNSS specifications. To satisfy these specifications a second axis is developed. In this second axis an electric antenna is associated with a specific reflector : a High Impendance Surface. Theorically, this surface allows to place the antenna very close and so reduce the thickness of the whole structure without disturbing the radiation of the antenna. Firstly, the High Impendance Surface and more precisely its periodic patterns is studied. Both one band and dual-band pattern are designed. The one band pattern has a good bandwidth (13%) compared to its size (2,5mm). The dual-band pattern designed by pattern enclosing realized the GNSS specifications in simulation. This is followed by measures. The aim of the thesis is to place the antenna above the designed HIS so a lot of antennas are designed to test and tune the surface. Firstly dipoles are used to study the coupling effects and secondly circular polarized antenna are used to reach the GNSS specifications. For both axis, the radiation pattern and the size of the whole system is optimized. So the proposed solutions are the thinnest ones. To conclude the characteristics of the proposed structures are compared to specifications and to existing antennas and future work is proposed
Nous proposons d'explorer dans le cadre de la thèse des solutions originales permettant d'obtenir des caractéristiques de rayonnement peu dépendantes du support de l'antenne. Les antennes étudiées et conçues visent à être utilisées pour des applications GNSS et plus précisément pour des applications multi-bandes du GNSS. Nous les développerons donc en respectant un cahier des charges associé. Deux axes de recherche indépendants sont explorés. Le premier montre les propriétés naturelles d'une antenne composée de plusieurs structures rayonnantes. Nous associons ainsi une structure hélicoïdale équivalente à un dipôle magnétique et un plan métallique équivalent à un dipôle électrique. La taille et les performances de l'antenne ainsi réalisée sont comparables par bien des aspects aux antennes que l'on trouve actuellement dans le commerce pour les applications GNSS. L'antenne réalisée est une antenne mono-bande en polarisation rectiligne ; ce qui n'est pas en accord avec les spécifications de l'application envisagée. Pour compléter cette première étude et satisfaire les exigences d'applications GNSS multi-bandes, nous nous orientons vers une autre technologie qui est exposé dans le second axe. Dans le second axe, nous associons une antenne électrique et un plan réflecteur particulier : une Surface Haute Impédance. L'association de ces deux éléments permet en théorie de réduire l'épaisseur qu'aurait un dispositif classique composé d'une antenne électrique et d'un plan réflecteur métallique. Nous commençons donc par étudier la particularité du plan réflecteur choisi, c'est-à-dire la Surface Haute Impédance. Cette surface étant composé de motifs périodiques nous étudierons le motif qui permet d'obtenir les caractéristiques les plus proches de celles de l'application visée. Nous débutons par une étude en monobande suivi de l'étude d'un motif bi-bande. Le motif mono-bande conçu en simulation présente une très bonne bande-passante (13%) au vue de sa taille minimale (2,5mm). Le motif bi-bande réalisé par imbrication de motifs mono-bande permet d'obtenir en simulation des performances conformes aux attentes dans deux bandes GNSS choisies. L'étude de cette surface se poursuit par une phase de mesure. Le but de l'étude étant de pouvoir placer une antenne au-dessus de la surface fabriquée, une collection d'antennes sera développée afin de régler la surface haute impédance et dans le même temps de tester le dispositif complet. Ainsi dans un premier temps, nous utiliserons des dipôles pour tester et régler la Surface Haute Impédance. Dans cette partie le couplage entre l'antenne et la surface haute impédance placée en-dessous sera notamment étudié. Dans un deuxième temps, afin d'obtenir une polarisation circulaire nous utiliserons d'autres antennes supportant cette polarisation (dipôle croisé et spirale). Dans chaque phase de mesure, le réglage antenne et Surface Haute Impédance sera optimisé et divers paramètres de réglage seront identifiés. Pour les deux axes de recherche, ce sont non seulement le rayonnement que nous cherchons à maîtriser mais aussi la taille de la structure. Ainsi les structures réalisées sont les plus compactes possibles surtout en terme de finesse. Nous concluons sur les performances des antennes réalisées par rapport au cahier des charges et aux autres antennes existantes et exposons les perspectives du travail réalisé
Origine : Version validée par le jury (STAR)