These Schreider

Thse

prsente pour obtenir le grade de Docteur

de lcole Nationale Suprieure des Tlcommunications

Spcialit : lectronique et Communications

Ludovic SCHREIDER

Antennes trs large bande passante et de trs faible paisseur Application lintgration dantennes dans des structures de porteurs dans la bande 100MHz-1GHz

Soutenue le 12 avril 2006 devant le jury compos de

Bernard HUYART Prsident Kouroch MAHDJOUBI Rapporteurs Jean-Marc LAHEURTE Michel SOIRON Examinateurs Thierry KOLECK Xavier BEGAUD Directeur de thse Bernard PERPERE Invit

Ce travail de recherche a t ralis au sein du laboratoire Radio Frquences et Microondes de lEcole

Nationale Suprieure des Tlcommunications (ENST) de Paris dans le cadre dun contrat CIFRE

avec Thales Systmes Aroports.

Je remercie le Professeur Bernard HUYART pour mavoir fait lhonneur de prsider le jury de cette

thse et pour sa disponibilit durant ces trois ans de recherche.

Jadresse ici toute ma reconnaissance mon directeur de thse Xavier BEGAUD, matre de confrence

lENST, pour mavoir accueilli en stage de DEA, mavoir fait confiance durant la thse et pour tous

les prcieux conseils quil a pu mapporter.

Je tiens remercier Monsieur Bruno THEDREZ chef du dpartement COMELEC (qui succde

monsieur Jean-Claude BIC) de mavoir accueilli et donn les moyens ncessaires pour accomplir ce

travail.

Jadresse ici mes plus vifs remerciements messieurs Kouroch MAHDJOUBI, Professeur

lUniversit de Rennes I et Jean-Marc LAHEURTE, Professeur lUniversit de Marne la Valle pour

avoir accept dtre les rapporteurs scientifiques de cette tude et mavoir autoris soutenir ce travail.

Je tiens galement remercier messieurs Jean-Marc LOPEZ et Thierry Koleck du Centre National

dEtudes Spatiales pour lintrt quils ont port mes travaux de recherche et pour avoir particip au

jury de thse.

Je souhaite exprimer ici ma profonde reconnaissance messieurs Michel SOIRON et Bernard

PERPERE (Thales Systmes Aroports) pour mavoir propos ce sujet si passionnant, pour avoir

suivi et encadr ces travaux. Que mes collgues de chez TAS soient ici remercis (Christian RENARD

pour son expertise, Michel CATALDI pour la ralisation des maquettes, Joel HERAULT pour les

discussions passionnantes sur les antennes).

Je remercie les thsards du labo hyper Anne-Claire, Souheil, Sara, Guillaume, Ghalid, Yem, judson,

Ihssen pour tous les bons moments.

Pour mavoir permis de mener bien mes tudes je remercie chaleureusement :

Mes parents, pour leur soutien permanent et pour mavoir guid sur la voie de la raison . Mes amis

de Saumane (Yves, Gilbert, ), de lIsle Adam (Seb, JP, Cyrille, Mathieu) pour me supporter en toute

occasion.

Enfin, un grand merci Sophie pour mavoir encourag quand jen avais besoin.

Sommaire.

Sommaire. Introduction gnrale 1 Chapitre I. Analyse de linfluence dun plan rflecteur proximit dune antenne spirale 4

1 tat de lart : Antennes large bande passante, unidirectionnelles 5 1.1 Antennes indpendantes de la frquence 6

1.2 Antenne spirale quiangulaire plane deux brins 9

1.2.1 Gomtrie de lantenne 9

1.2.2 Principe de fonctionnement 10

1.3 Antenne Spirale dArchimde deux brins 12

1.3.1 Gomtrie de lantenne 13


1.3.3 Rayonnement des modes dordre suprieur 1 15

2 Outil de simulations : Microwave-studio 16 2.1 Dfinitions utilises dans le logiciel Microwave-studio 16

3 Antenne spirale dArchimde imprime en espace libre 17 3.1 Impdance dentre 18

3.2 Gain de lantenne 21

3.3 Taux dellipticit 22

3.4 Rayonnement de lantenne 23

4 Antenne Spirale dArchimde imprime proximit dun plan rflecteur 25 4.1 Plan rflecteur plac une hauteur h=/4 la frquence basse de lantenne 25 4.2 Plan rflecteur plac une hauteur h

Sommaire.

Chapitre II. Analyse dune antenne spirale microruban charge par lments discrets 38

1 Etat de lart 39 1.1 Antenne spirale micro ruban 39

1.2 Antenne spirale micro ruban charge lextrmit par une rsistance 42

1.3 Antenne spirale avec terminaison rsistive 44

2 Antenne spirale dArchimde charge sur toute la longueur par des rsistances 45 2.1 Gomtrie de lantenne 45

2.2 Impdance de lantenne 46


3 Antenne spirale dArchimde deux brins charge filtres passe-bas 50 3.1 Analyse de la distribution du courant sur lantenne 51

4 Antenne spirale place au-dessus dun plan de masse pertes 52 4.1 Impdance de lantenne 52


5 Conclusion 56

6 Rfrences 58

Chapitre III. Analyse dune antenne spirale proximit dun rflecteur bande interdite EM 59 1 Etat de lart sur les matriaux bande interdite 60 1.1 Historique 60

1.2 Description des matriaux BIE 61

1.3 Substrats BIE pour les antennes 64

1.4 Les surfaces corrugues 64

2 Surface haute impdance de Sievenpiper 67 2.1 Comportement de la surface haute impdance en fonction de w, g, h , r, r 70 2.2 Analyse dune antenne spirale proximit de la surface haute impdance de Sievenpiper 74



2.5 Limitations de la surface haute impdance de Sievenpiper 78

Sommaire.

3 Rflecteur large BIE 78 3.1 Gomtrie du rflecteur large BIE 78

3.2 Dimensionnement du rflecteur large BIE : modle ligne detransmission 79

3.2.1 Mdlisation du gap microruban 80

3.2.2 Calcul de lquation de dispersion 81

3.3 Analyse du rflecteur large BIE 85 4 Analyse dune antenne spirale proximit dun rflecteur large BIE 88 4.1 Antenne n1 : w=7mm, g=2.5mm, hbie=3.2mm, R=100 et r=2.2 89 4.1.1 Gomtrie de latenne n1 89


4.1.3 Impdance de lantenne n1 91

4.1.4 Rayonnement de lantenne n1 92

4.2 Antenne n2 : w=4mm, g=2mm, hbie=1.8mm, R=100 et r=2.2 94 4.2.2 Impdance de lantenne n2 95 4.2.3 Rayonnement de lantenne n2 96

5 Optimisation des dimensions de lantenne 99 6 Rsum 102 7 Conclusion 104 8 Rfrences 105

Chapitre IV. Applications du rflecteur large bande interdite EM 107 1 Mthode de conception 107 2 Antenne patch en E place sur un rflecteur large BIE 109 2.1 Gomtrie de lantenne 110


2.3 Rayonnement de lantenne 112 3 Antenne sinueuse deux brins place sur un rflecteur large BIE 115 3.1 Gomtrie de lantenne 115



4 Antenne diple plaque place sur un rflecteur large BIE 119 4.1 Gomtrie de lantenne 120



Sommaire.

5 Applications de la structure large BIE au blindage des circuits RF 124 6 Conclusion 125 7 Rfrences 126

Conclusion gnrale 127

Annexes 130

Liste des publications 133

Introduction gnrale.

1

Introduction gnrale

Les antennes sont omniprsentes dans notre vie quotidienne. Radiodiffusion, tlvision par voie

hertzienne ou par satellite, tlcommunications, radar, etc. sont les exemples les plus courants o

interviennent divers types dantennes comme les antennes filaires, les antennes paraboliques, les

antennes Yagi, les antennes cornets. Dans les radio communications, lantenne dsigne ce composant

indispensable lmission et la rception des ondes lectromagntiques. Selon lapplication

considre, on peut rechercher une illumination aussi uniforme que possible de lespace environnant,

ou encore un clairage trs localis dune partie de cet espace. On distingue ainsi les antennes peu

directives ou omnidirectionnelles des antennes directives. Les antennes omnidirectionnelles sont

utilises en labsence de localisation fixe et/ou connue par avance des correspondants, mission radio

ou de tlvision, tlphonie mobile. Au contraire les antennes directives le sont dans des liaisons

dites point point, tablies avec un interlocuteur privilgi dont la position est de prfrence, connue

priori.

Aujourdhui, les avions civils ou militaires sont de plus en plus performants. De ce fait, ces avions

disposent de nombreuses antennes pour remplir diffrentes missions, telles que la radio navigation,

des applications radar, des communications. Un des enjeux majeurs dans lintgration de systmes

large bande dans les avions est notamment la diminution du nombre des antennes et de leur

encombrement. En effet, le volume disponible dans ces appareils est trs restreint et pour les rendre

de plus en plus performants, il est ncessaire de faire de la place . Une des solutions est de

conformer les antennes sur la surface du porteur, il apparat alors une autre contrainte lie au

rayonnement des antennes. Pour des raisons de compatibilit lectromagntique (EM), les antennes

prsentes sur lavion ne doivent pas interfrer avec les autres systmes bord. Par consquent, les

antennes ne doivent en thorie rayonner qu lextrieur de lavion. Pour remplir des missions de

guerre lectronique par exemple, les antennes doivent tre capable de fonctionner sur des bandes de

frquences extrmement larges, de lordre de la dcade (10:1).


2

Les solutions classiques ddies aux applications large bande font habituellement appel des

antennes spirales ou sinueuses. Dans les cas o les frquences sont trs basses (UHF), des solutions

base de diples courts sont aussi de bonnes candidates, du fait de leur faible encombrement. Ces

antennes bande passante voisine de la dcade pour les meilleures candidates sont en gnral

associes des absorbants ou des charges pour maintenir leurs caractristiques constantes sur la

bande de frquence de travail. Ces solutions entranent gnralement des antennes faible efficacit.

Les matriaux absorbants utiliss pour supprimer le rayonnement arrire prsentent certains

inconvnients :

1) Caractristiques dispersives en frquences

2) Poids lev

3) Reproductibilit difficile

4) Perte de puissance (3dB)

Lobjectif de cette thse est de rduire la taille des antennes large bande, de rduire ou de supprimer

si possible lutilisation des matriaux absorbants. Pour intgrer ces antennes sur des porteurs, lide

premire est de remplacer la cavit absorbante, dpaisseur trop importante, par un plan conducteur

que lon place une distance trs faible de llment rayonnant.

Dans le premier chapitre, nous dcrivons le contexte de ltude et nous faisons un tat de lart sur

les antennes large bande de faible paisseur. Nous essaierons de mettre en vidence les problmes

lis la rduction de lpaisseur des antennes imprimes. Notamment la dsadaptation de lantenne,

la faible efficacit, la dgradation du rayonnement. Compte tenu de la bande de frquence vise

(100MHz-1GHz), les antennes intgres sur les porteurs doivent avoir une paisseur voisine de

/100 la frquence basse.

Dans le deuxime chapitre, nous proposons des solutions pour restaurer le comportement large

bande des antennes spirale micro-ruban. Ces solutions font appel des charges discrtes rparties sur

la longueur de lantenne. Les charges sont places en parallle entre llment rayonnant et le plan

conducteur. Ensuite, nous analyserons une antenne charge par filtre passe-bas pour identifier la

cause des dgradations des caractristiques de rayonnement.


3

Dans le troisime chapitre, aprs un tat de lart sur les matriaux bandes interdites

lectromagntiques (BIE), nous tudierons le comportement dune antenne spirale dArchimde

place au dessus de la surface haute impdance dite de Sievenpiper. Cette structure fait apparatre

des lments localiss de type inductif et capacitif. Sous certaines conditions, cette structure

supprime la propagation des ondes de surfaces. Nous montrerons le lien entre la bande passante de

lantenne et la bande interdite du rflecteur et tudierons les limitations de la surface haute

impdance de Sievenpiper. Dans la suite de ce chapitre, nous prsenterons une nouvelle structure

originale large BIE qui permet la conception dantennes large bande passante, de faible paisseur.

Deux prototypes ont t raliss pour valider les simulations.

Dans le quatrime chapitre, nous prsenterons quelques applications de la nouvelle structure BIE

dfinie dans le chapitre III. Lide est de montrer que la nouvelle structure large BIE peut tre

applique tout type dantenne large bande polarisation linaire ou circulaire. En premier lieu, une

antenne patch en forme de E est place sur une telle structure, puis une antenne sinueuse, et enfin une

antenne diple plaque. Les caractristiques EM de chaque antenne seront tudies.

Mes travaux de recherche ont t mens au sein du laboratoire Radio Frquences et Micro-ondes de

lEcole Nationale Suprieure des Tlcommunications (Tlcom Paris) en collaboration avec Thales

Aerospace Division (site Charles Nungesser - Elancourt)

Chapitre I. Analyse de linfluence dun plan rflecteur proximit dune antenne spirale

4

Chapitre I.

Analyse de linfluence dun plan rflecteur proximit

dune antenne spirale

Pour des raisons de compatibilit lectromagntique, les antennes prsentes sur un avion ne doivent

pas interfrer avec les autres systmes de bord et par consquent ne rayonner qu lextrieur de

lavion. Les solutions classiques ddies aux fonctions large bande font habituellement appel des

antennes spirales en cavit. Cette cavit est gnralement remplie dabsorbant pour supprimer une

partie du rayonnement et pour prserver le comportement large bande des antennes [1], [2].

Lisolation avec lenvironnement est alors trs bonne mais au prix de la perte de la moiti de la

puissance rayonne par lantenne, et dune paisseur importante. Un exemple de ralisation

dantenne large bande, bipolarisation et fonctionnant partir de f=100MHz f=500MHz est illustr

sur la figure 1.1. Lpaisseur de la cavit tant trs encombrante, h=20.9cm, une intgration sur un

porteur de petite taille nest pas envisageable. Pour concevoir une antenne unidirectionnelle, nous

commenons par remplacer la cavit absorbante par un plan rflecteur mtallique. Ce plan

conducteur doit tre plac une distance trs faible de lantenne, de lordre de 1/100ime

de

longueur donde la frquence basse pour permettre une intgration aise dans des structures de

porteurs.

Dans ce chapitre, nous allons tudier les effets dun plan rflecteur sur limpdance et le

rayonnement dune antenne spirale dArchimde. Cette tude va nous permettre didentifier


5

clairement les problmes rsoudre pour la conception dantenne trs large bande passante,

unidirectionnelle et de faible paisseur.

Figure 1.1 Antenne sinueuse bipolarisation place au dessus dune cavit absorbante

La premire partie de ce chapitre est consacre la prsentation des antennes indpendantes de la

frquence. Dans la partie suivante, nous prsenterons le logiciel de simulations lectromagntiques

que nous avons utilis : Microwave-studio de CST (Computer Simulation Technology). Le

comportement dune antenne spirale dArchimde imprime en espace libre, puis place

proximit dun plan rflecteur sera ensuite tudi.

1 tat de lart : Antennes large bande passante, unidirectionnelles

Les antennes micro ruban, trs tudies depuis de nombreuses annes, prsentent plusieurs

avantages, comme leur faible poids et encombrement, leur facilit de fabrication, leur capacit

tre conforme, etc. Elles constituent donc une solution intressante pour obtenir une antenne

unidirectionnelle. Nanmoins, un des inconvnients majeurs est leur faible bande passante, qui est

de lordre de quelques pourcents [3]. De nombreux travaux ont t effectus pour largir la bande

passante. Nous pouvons citer par exemple, lutilisation de patchs parasites coplanaires ou

superposs. Lorsque ces techniques sont employes avec un substrat classique , cest dire


6

dpaisseur voisine de 50 / et de permittivit suprieure 2, la bande passante reste faible, de

lordre de 10%. Pour obtenir des largeurs de bande suprieures, lintroduction de fentes sur le patch

permet datteindre 45% de bande [4]. Une autre technique bien connue consiste diminuer la

permittivit du substrat et augmenter son paisseur [5], [6]. Cette solution nest pas adapte aux

applications aroportes o une des principales contraintes est notamment lpaisseur des antennes.

Nous avons expliqu ci-dessus que les antennes concevoir devaient tre de faible paisseur,

environ 1/100ime

de longueur donde la frquence minimale et capable de fonctionner sur une

bande passante de lordre de la dcade, soit un rapport 10 entre la frquence haute et basse. Pour

remplir ces deux spcificits, les antennes dites indpendantes de la frquence sont certainement

les meilleures candidates.

1.1 Antennes indpendantes de la frquence

Le dveloppement de ces antennes est relativement rcent. En 1954, Rumsey a propos la thorie

de lantenne quiangulaire [7], il donne quelques annes plus tard, une thorie gnrale sur les

antennes indpendantes de la frquence (AIF). Les AIF sont des antennes dont la gomtrie est

dfinie uniquement par des angles. Les caractristiques dune antenne, impdance dentre,

diagrammes de rayonnement, polarisation de londe sont dtermins par la forme et les dimensions

de lantenne rapportes la longueur donde. Si par une transformation continue les dimensions

relatives de lantenne sont gales quelle que soit la longueur donde, ses proprits sont conserves

et sont donc indpendantes de la frquence. Les antennes quiangulaires planes ou disposes sur un

cne sont des exemples bien connus de cette famille dantenne. Pour satisfaire les conditions ci-

dessus, les antennes quiangulaires doivent stendre thoriquement depuis un ple O qui est le

point dalimentation jusqu linfini. En pratique lantenne est limite deux sphres de rayon r1 et

r2 dfinissant les frquences limites suprieure et infrieure respectivement. Le rayon r1 doit tre

petit devant la longueur donde de la frquence suprieure de la bande passante pour que la zone

dalimentation ait peu dinfluence sur limpdance dentre et la rpartition des courants sur

lantenne. En raison de la dcroissance des courants au fur mesure que lon sloigne de la zone

dexcitation, on peut tronquer lantenne sans pour autant changer notablement son impdance et les

courants lentre.


7

Le problme gnral est donc de trouver toutes les surfaces construites partir dun ple

dexpansion O, qui par un changement dchelle quivalent un changement de frquence, et une

rotation autour dun axe A passant par O donnent des surfaces identiques. Si de telles surfaces

supposes conductrices reprsentent une antenne, cette dernire prsentera des proprits

indpendantes de la longueur donde une rotation prs des axes de coordonnes.

Si ),( F= reprsente une telle surface, o , , sont les coordonnes sphriques dun point de

la surface et )','(' F= la surface dduite de la premire, la condition exprimant une expansion est

la suivante pour toutes les valeurs de (, ) :

)','(),(. FFK = (1.1)

O K est indpendant de , . Rumsey a indiqu pour la surface la plus gnrale :

)(= )+( Ge 0a (1.2)

O )(G est une fonction quelconque de , a et 0 tant des constantes. Si nous choisissons en

particulier indpendant de , lquation des surfaces prcdentes devient :

a

0e = (1.3)

Lantenne proprement dite peut tre dfinie par une association de lignes de courants (C) chacune

tant dfinie par lintersection de la surface a0e = avec une surface de rvolution daxe A dont

lquation de la mridienne est donne par la fonction :

constante=)(= H (1.4)

La ligne de courant (C) est dfinie par (1.3) et (1.4). Ces courbes sont des spirales qui pousent la

surface de rvolution H(). Un changement de frquences revient un dplacement le long de la

spirale autour de laxe de rvolution A. On peut ainsi imaginer une famille dantennes bande


8

passante thoriquement infinie, constitues par des brins rayonnants enrouls en spirale sur des

surfaces de rvolution nappes infinies et quidistantes les unes des autres en rotation autour de A.

Une variation de frquences revient pour de telles antennes effectuer sur les lignes rayonnantes

une expansion dont le ple est le sommet dune surface de rvolution et qui est accompagne dune

rotation. Pour deux frquences distinctes comprises thoriquement entre 0 et linfini, les

rayonnements EM correspondants seront identiques, une rotation prs autour de laxe de

rvolution. Ltude thorique dune telle antenne porte essentiellement sur la distribution du

courant sur les brins rayonnants et sa directivit.

Chaque brin rayonnant dfini par : 0 = (1.5)

a

0e =

sidentifie avec une spirale enroule sur un cne dangle 0 , dont la projection sur un plan

perpendiculaire laxe de rvolution A, est la spirale quiangulaire dquation :

)+(= 0ae (1.6)

La spirale se retrouve identique elle-mme aprs une rotation de 2 . On voit immdiatement que

le changement de frquence de f en f/K quivaut une rotation du diagramme de directivit autour

de (A) dun angle Ka

1ln . Le diagramme se retrouve identique lui mme pour a2eK = , cest

dire pour une priode en frquence de a2 . Langle de la tangente en M la spirale avec la

direction OM est constant et gal :

a

0sin=tan (1.7) do le nom de spirale conique quiangulaire.

Nous nous intressons dans cette tude au cas 2

0 = qui correspond la spirale quiangulaire

plane. Les gnralits sur les antennes indpendantes de la frquence sont issues des travaux de [7]


9

1.2 Antenne spirale quiangulaire plane deux brins [8], [9]

Les extrmits des deux brins rayonnants sont excites en opposition de phase par lintermdiaire

dun balun large bande. Les caractristiques de rayonnement grande distance se dduisent de la

distribution du courant sur les brins rayonnants.

1.2.1 Gomtrie de lantenne

Les paramtres dune spirale quiangulaire sont langle , le taux dexpansion a et la longueur de larc entre lorigine et un point courant M. La longueur de larc entre lorigine et un point courant

M est dfinie par lquation suivante :

cos=s (1.8)

Pour que lantenne ait une impdance indpendante de la frquence, il faut quen chaque point, la

largeur de la partie rayonnante reste proportionnelle la longueur du brin. De plus, lantenne doit

tre auto-complmentaire (principe de Babinet). Dans ce but lantenne nest pas constitue par un

simple fil mais est forme par une bande limite par deux spirales, dquation respective :

a

01 e = (1.9) et )(

02

a

e= (1.10)

dfinissant la largeur angulaire entre les deux courbes, indpendamment de . Le plus souvent, le bras de la spirale est complt par un bras en spirale symtrique dquations respectives :

)(

03

pi = ae (1.11) )(

=a

04 e (1.12)

On aboutit alors deux structures, reprsentes sur la figure 1.2. La premire est forme de deux

bras conducteurs ( gauche). Cette antenne peut tre ralise en imprimant les bras mtalliss sur

une feuille de matriau stratifie de type verre poxy ou Duroid par exemple.


10

Figure 1.2 Spirale logarithmique 2 brins

La seconde est taille dans une feuille de mtal ( droite), celle-ci peut tre considre comme une

antenne fentes ou comme une antenne mtallique suivant la largeur de la partie qui a t enleve,

car le mtal rsiduel forme lui aussi une antenne spirale. Si >90, larien se comporte alors

comme une antenne fente.

1.2.2 Principe de fonctionnement

Le point O est la fois le centre dexpansion et le centre de symtrie. Lexcitation se fait par les

points A et B. Nous considrons des courants lectriques, circulant sur ces bras partir de

lalimentation. Ceux-ci ont des sens opposs en M et M.

Figure 1.3 Spirale logarithmique plane deux brins

Les champs rayonns par des doublets de longueur ds, situs en M et M vont tre dans la direction

de la normale au plan de la spirale, de mme direction et de phase oppose. Donc si A et B sont


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aliments avec la mme amplitude et la mme phase, le champ rayonne dans la direction de la

normale au plan de la spirale est nul. Au contraire il sera maximal si les deux bras sont aliments en

opposition de phase. La figure 1.4 illustre ces deux modes de fonctionnement.

Figure 1.4 Rayonnement dune antenne spirale en fonction de son excitation

Lexcitation des extrmits des brins se fait sur un cercle de rayon 0r constant. Les dimensions de

cette zone dalimentation doivent tre faibles par rapport la longueur donde : 1.02 0


12

sensiblement circulaire dans la quasi-totalit du diagramme. Elle devient elliptique aux frquences

pour lesquelles les longueurs des bras deviennent infrieure , et tend vers une polarisation linaire lorsque cette longueur est trs petite devant . Ce critre permet de fixer la frquence la plus basse de fonctionnement de lantenne. Pratiquement celle pour laquelle la longueur du bras est

, auquel cas le taux dellipticit est denviron 0.5 ou 3dB. Du ct des frquences leves, cest la distance AB qui fixe la valeur maximale. Pour que la spirale rayonne, il faut que AB soit petit

devant , pratiquement il faut que AB reste infrieur un quart de longueur donde.

En rsum, la bande de frquence dutilisation dune telle antenne a sa borne suprieure lie la

dimension de la zone dalimentation et sa borne infrieure lie la longueur des brins rayonnants.

Si ces derniers sont courts par rapport la longueur donde, le courant lextrmit naura pas t

suffisamment attnu par le rayonnement. Cela entranera la formation dun courant rflchi

donnant lieu des interfrences avec le courant incident. Le courant rflchi produit un

rayonnement polarisation circulaire de sens inverse celui qui correspond au courant incident.

Dans ce cas, lantenne rayonne une onde polarise elliptiquement et les caractristiques de

rayonnement sont alors variables avec la frquence. Le sens de la polarisation du champ rayonn

par lantenne correspond au sens denroulement des brins, donc au sens de parcours du courant le

long de ces brins. Les antennes spirales se caractrisent par une polarisation circulaire du champ,

par un rayonnement bidirectionnel, ainsi que par un fonctionnement constant sur une bande de

frquences pouvant tre suprieure la dcade. Dans la partie suivante, nous prsentons llment

rayonnant qui sera utilis dans toute cette tude.

1.3 Antenne Spirale dArchimde deux brins [10]:

Dans le second chapitre de ce mmoire, nous analyserons le comportement dune antenne spirale

charge par lments discrets. Cette analyse est plus simple lorsque llment rayonnant est de type

spirale dArchimde et non logarithmique. En effet, la largeur des brins rayonnants dune spirale

dArchimde est constante sur toute la longueur de lantenne contrairement la largeur des brins

rayonnants dune spirale logarithmique. Limpdance caractristique rpartie le long dune spirale

dArchimde est donc constante, ce qui facilite linsertion de charges adaptes. Les charges

adaptes insrer sur une antenne spirale logarithmique varient en fonction de labscisse curviligne.


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Pour des raisons de facilit, toute la suite de ltude est effectue avec un lment rayonnant de type

spirale dArchimde. De la mme manire que lantenne quiangulaire, lantenne spirale

dArchimde rayonne dans les deux directions orthogonales au plan contenant la spirale. Cette

antenne gnre aussi une polarisation circulaire de londe, dont le sens dpend de lenroulement des

brins qui composent la spirale. La spirale dArchimde nest pas une antenne indpendante de la

frquence, en effet lespace entre chaque brin est caractris par une constante et non un angle.

Nanmoins ses performances peuvent tre relativement stables sur une bande de frquences trs

large.

1.3.1 Gomtrie de lantenne

Une antenne spirale dArchimde peut tre dcrite par lquation: ba += (1.13)

et sont les coordonnes polaires, a et b deux constantes arbitraires.

Figure 1.5 Spirale dArchimde 1 brin

En gnral, pour une spirale deux brins, le 2nd est obtenu par une rotation de 180 du premier. Si

b1 et b2 sont les paramtres qui dfinissent les 2 courbes formant les bords du brin, alors w=|b2-b1|

est la largeur du conducteur. Les paramtres sont choisis de telle sorte que lantenne soit auto

complmentaire, i.e la largeur du conducteur est gale lcart entre les conducteurs. Dans ce cas,

a et w satisfont la relation : a=2w/pi. Le rayon r1 dfinit la frquence haute de la bande passante

alors que le rayon r2 dfinit la frquence basse.


14

La zone de rayonnement dune antenne spirale dArchimde deux brins se trouve sur un cercle de

diamtre d=/pi. Le gain dune antenne spirale crot avec la frquence jusqu une valeur asymptotique lorsque d>> /pi. Lorsque le diamtre de lantenne est infrieur d=/pi, le gain est faible. En effet, tant que le diamtre est infrieur d=/pi, le courant sur les deux brins rayonnants ne sont pas en phase, le rayonnement est donc faible. Un diamtre trop petit entrane galement une

hausse du taux dondes stationnaires, et une hausse du taux dellipticit. Car lamplitude du

courant lextrmit de la spirale est importante, ce qui entrane lapparition dun courant rflchi

qui se propage de lextrmit de lantenne vers la zone dalimentation. Un diamtre trop grand a

pour consquence une distorsion des diagrammes due lexcitation de modes dordre suprieur de

rayonnement.

1.3.2 Principe de fonctionnement

Nous allons expliquer ci-dessous, quune antenne spirale dArchimde deux brins, de part sa

gomtrie se transforme en structure rayonnante. Une ligne de transmission deux brins,

despacement faible par rapport , rayonne trs peu lorsquelle est excite ses bornes. Ceci est d au fait que les courants prsents sur les deux brins sont en opposition de phase, et par consquent

le rayonnement dun brin est annul par celui de lautre. Considrons la figure 1.6 ci-dessous :

Figure 1.6 Spirale dArchimde 2 brins

Soit P un point situ sur le brin de borne A, soit Q un point diamtralement oppos sur le second

brin. P et Q sont situs sur un mme cercle de centre O. Si r, lespacement entre les fils est trs


15

petit vis vis de r, la longueur de larc QP est approximativement gale LQP=pir. Cette longueur

ne dpend pas du nombre de tours contenus dans r si l'espacement entre les fils est uniforme.

Supposons que chaque brin supporte une onde progressive de courant et que ces courants sont en

opposition de phase en A et B, les courants sont donc galement en opposition de phase en P et Q.

Quand r=/2pi, la longueur de larc QP est LQP=/2. La variation de phase lie la propagation du courant sur cet arc est pi. Alors, les 2 lments de courant aux points PP sont exactement en phase.

La zone de rayonnement de la spirale est alors contenu dans un anneau de circonfrence moyenne

gale .

1.3.3 Rayonnement des modes dordre suprieur 1

Le rayonnement de lanneau de circonfrence correspond au mode m=1, cest la premire fois que la condition de rayonnement est obtenue. Il parat raisonnable de penser que le courant

continue de se propager en dehors de lanneau de circonfrence , tout en subissant une variation de phase. Supposons que la spirale soit suffisamment longue, alors les courants seront de nouveau

en opposition de phase quand la circonfrence sera de 2 et en phase 3. Aucun rayonnement nest produit pas lanneau 2 (les courants sont en opposition de phase). Par contre, si il existe du courant 3, le rayonnement du mode m=3 est gnr. Par consquence, on peut dire que si les courants sont en opposition de phase sur les 2 points dalimentation, seuls les modes impairs de

rayonnement peuvent tre excits.

Figure 1.7 Rayonnement dune antenne spirale


16

Les diffrentes modes de rayonnement dune antenne spirale sont reprsents sur la figure 1.7.

Lexcitation de plusieurs modes de rayonnement provoque un diagramme perturb, compos dun

lobe principal et de lobes secondaires. Dans le cadre de cette tude, nous cherchons concevoir des

antennes gnrant uniquement le mode 1.

2 Outil de simulations : Microwave-studio

Nous utilisons le logiciel Microwave-studio de CST (Computer Simulation Technology). Celui-ci

utilise la mthode des intgrales finies (Finite Integral Technique) qui a t propose par Weiland

[11] en 1977. Cette mthode consiste chantillonner spatialement les quations de Maxwell sous

leur forme intgrale. Le maillage gnr est donc volumique. Dans Microwave-studio, chaque

cellule du maillage est cubique. Loutil de rsolution temporelle remplace les drives partielles

t par des diffrentielles t . Nous avons choisi ce logiciel car lutilisation dun outil de rsolution

dans le domaine temporel est trs avantageuse en terme de temps de calcul pour la simulation

dantenne large bande passante. Ce logiciel a dautre part t prouv sur dautres antennes large

bande tudies au laboratoire [12].

2.1 Dfinitions utilises dans le logiciel Microwave-studio

Pour ltude des antennes spirales, il est ncessaire dtudier diffrents paramtres. Le taux

dellipticit permet de dfinir la qualit des diagrammes. Pour un taux dellipticit de 1, la

polarisation du champ rayonn est circulaire.

Taux dellipticit (axial ratio en anglais): +++

++

=

EEEE

EEEE

AR (1.14)

Les composantes droite ou gauche de la polarisation circulaire :


17

Composante droite : ))Im()(Re(+))Re(+)(Im(= right EEEE2

1E (1.15)

Composante gauche : ))Re()(Im(+))Im(+)(Re(= left EEEE2

1E (1.16)

Gain de lantenne : ),(=),( DeG rad (1.17)

Avec totale rayonne Puissance

solideangle par rayonne PuissanceD 4 ),( pi = (1.18)

Nous pouvons constater que la dfinition du gain dans Microwave-studio ne prend pas en compte

les pertes par dsadaptation de lantenne. Un exemple de maillage dune antenne spirale imprime

deux brins est prsent sur la figure 1.8.

Figure 1.8 Exemple de maillage f=10GHz avec 10 cellules par longueur donde

3 Antenne spirale dArchimde imprime en espace libre

Dans un premier temps, nous allons analyser le comportement dune antenne spirale en fonction de

son diamtre externe. Pour cela, les caractristiques EM, module du coefficient de rflexion en

entre, gain, taux dellipticit sont calculs laide de Microwave-studio pour quelques diamtres

allant de 0.96max/pi 1.387max/pi. La largeur des conducteurs est w=2.5mm, lcart entre les conducteurs est s=2.5mm.


18

Figure 1.9 Antenne spirale deux brins

Cette tude va nous permettre de dimensionner correctement llment rayonnant pour quil

fonctionne dune frquence minimale fmin=1GHz une frquence maximale fmax=10GHz. Le but ici

nest pas danalyser tous les paramtres dune antenne spirale, tudes dj ralises par de

nombreux auteurs de la littrature [13], mais de justifier le choix de lantenne spirale dArchimde

pour notre application.

3.1 Impdance dentre

Pour notre tude, antenne adapte signifie module du coefficient de rflexion en entre infrieur -

10dB. Sur labaque de Smith (figure 1.10), nous montrons le module du paramtre S11 dune

antenne spirale de diamtre externe D=92.5mm soit 0.96max/pi, de largeur de brin w=2.5mm, dcart entre brins s=2.5mm, la spirale est place dans un milieu homogne de permittivit gale

1.


19

Figure 1.10 Impdance dune antenne spirale imprime

reprsente sur labaque de Smith

Cette impdance est normalise Z=150 . Sur cet abaque, la frquence varie de f=0GHz

f=12GHz. Nous pouvons observer sur les figures 1.11 et 1.12, la partie relle et la partie imaginaire

de limpdance respectivement.

Figure 1.11 Partie relle de limpdance dentre de lantenne


20

Il faut noter que pour les frquences infrieures f=1GHz, la partie relle de limpdance dentre

de lantenne varie priodiquement entre des valeurs faibles et leves, les maxima et minima

correspondent aux passages par laxe des rels sur labaque de Smith. Pour les frquences

suprieures f=1GHz, la partie relle de limpdance est relativement constante, la valeur moyenne

est denviron 150.

Figure 1.12 Partie imaginaire de limpdance dentre de lantenne

La partie imaginaire de limpdance de lantenne est quasiment nulle pour les frquences

suprieures f=1GHz.

Nous montrons sur la figure 1.13, que le diamtre externe de la spirale ninfluence que la frquence

basse de la bande passante, un diamtre trop petit entrane une dsadaptation de lantenne la

frquence considre. Quand D=92.5mm soit un diamtre trs lgrement infrieur 1GHz/pi, lantenne nest pas adapte. Lantenne prsente un module du coefficient de rflexion infrieur -

10dB pour un diamtre D=112.5mm soit 1.178/pi.


21

Figure 1.13 Evolution du module du coefficient de rflexion en fonction du diamtre de lantenne

Sur la bande de fonctionnement de lantenne, le niveau dadaptation est bien infrieur 10dB. Le

maillage de la structure tant effectu la plus haute frquence, tudier les paramtres de lantenne

au del de f=12GHz entrane un temps de calcul beaucoup plus long. De ce fait nous considrons

que la bande passante en impdance de cette antenne est suprieure la dcade.

3.2 Gain de lantenne

Nous allons maintenant nous intresser au gain de lantenne. Le gain dune antenne spirale crot

avec la frquence. Considrons la figure 1.14. Le gain atteint une valeur asymptotique proche de

6dB au bout de 3fmin. Le gain la frquence minimale augmente avec le diamtre de lantenne. Le

gain fmin=1GHz varie entre 2.3dB et 2.4dB pour un diamtre compris entre 0.96max/pi et 1.387max/pi. Le diamtre externe de lantenne ninfluence pas le gain aux frquences hautes de la bande de fonctionnement. Lefficacit de lantenne est proche de 1 sur toute la bande passante, car

le mtal constituant lantenne est un conducteur lectrique parfait (PEC). La figure 1.14 montre

bien que le gain dune antenne spirale auto-complmentaire et bien dimensionne est constant avec

la frquence.


22

Figure 1.14 Evolution du gain en fonction du diamtre de lantenne

3.3 Taux dellipticit

Nous prsentons sur la figure 1.15 lvolution du taux dellipticit en fonction du diamtre de

lantenne :

Figure 1.15 Evolution du taux dellipticit en fonction du diamtre de lantenne


23

A linverse du gain, le taux dellipticit de lantenne diminue lorsque le diamtre augmente. La

rfrence tant un taux dellipticit suprieur 3dB, il est ncessaire de choisir un diamtre

externe suffisamment grand pour obtenir une bonne polarisation circulaire aux frquences basses.

Pour un taux dellipticit suprieur -3dB la frquence basse f=1GHz, il faut que le diamtre de

lantenne soit suprieur ou gal D=132.5mm. Au del de f=2GHz, le taux dellipticit de

lantenne est proche de 0dB, ce qui met en vidence une bonne polarisation circulaire. Il est

possible damliorer le taux dellipticit de lantenne la frquence minimale sans faire varier le

diamtre externe. Une solution consiste redimensionner llment rayonnant avec un taux

dexpansion plus faible, soit un nombre de tours plus important pour un mme diamtre. Le choix

du taux dexpansion de la spirale est dterminant et joue un rle prpondrant pour la qualit de la

polarisation ainsi que pour la bande passante de lantenne.

3.4 Rayonnement de lantenne

La figure 1.16 et 1.17 illustre quelques diagrammes dans les plan phi=0 et phi=90 de lantenne de

f=2GHz f=8GHz. Le rayonnement maximum reste dans la mme direction (=0) sur toute la bande passante de lantenne, seul le mode 1 est gnr. Les diagrammes prsentent une bonne

symtrie de rvolution.


24

Figure 1.16 Composante droite de la polarisation circulaire dans le plan phi=0

Figure 1.17 Composante droite de la polarisation circulaire dans le plan phi=90


25

Nous observons sur la figure 1.18 la rpartition du courant f=8GHz. Le courant qui se propage sur

lantenne dcrot de manire exponentielle cause du rayonnement. De ce fait, lorsque le courant

atteint la zone active du mode 3 (cercle rouge), soit un diamtre correspondant D=3/pi, le courant est trop faible, le mode 3 nest pas gnr.

Figure 1.18 Distribution du courant sur lantenne f=8GHz et zone active du mode 3

Lanalyse prsente dans ce paragraphe, montre que le comportement de lantenne est stable sur

toute la bande passante. Cette antenne nest pas une antenne indpendante de la frquence mais elle

prsente nanmoins des performances constantes sur une bande de frquence trs large. Ltude

complte des diffrents paramtres dfinissants cette antenne nest pas ralise car ses applications

sont limites. En effet, dans la plupart des cas, lantenne spirale dArchimde est associ un

rflecteur ou une cavit pour rduire les interfrences avec son environnement.

4 Antenne Spirale dArchimde imprime proximit dun plan rflecteur

Dans la suite de ltude, le diamtre de llment rayonnant est D=122.5mm, larien est plac dans

un milieu homogne de permittivit r=1.

4.1 Plan rflecteur plac une hauteur h=/4 la frquence basse de lantenne

Lorsque que lantenne spirale est associe un rflecteur, son comportement est analogue pour

chaque frquence celui dun diple sur un plan de masse. Le gain dans laxe est proportionnel


26

h2sin , h est la distance entre la spirale et le plan de masse. Le gain de lantenne augmente

progressivement jusqu un maximum pour h=/4 et dcrot ensuite vers un minimum pour h=/2, ce qui correspond un nul dans laxe. h=/4 est la configuration idale en terme de fonctionnement la longueur donde . En effet, lorsque llment rayonnant est plac un quart de longueur donde dun plan mtallique, les ondes qui se dirigent vers ce plan rflecteur subissent une variation

de phase de pi/2 avant darriver sur le mtal, la variation de phase entrane par la rflexion sur un

mtal est pi, puis les ondes subissent de nouveau une variation de phase de pi/2 soit une variation de

phase totale gale 2pi. Londe rflchie sur un mtal, lorsque celui-ci est plac un quart de

longueur donde, sadditionne en phase avec londe directe. Cest dans cette configuration que le

gain de lantenne est maximum. Ce comportement est obtenu sur une bande de frquence limite.

En effet, lorsque la distance entre le plan de masse et llment rayonnant est gal une demie

longueur donde, londe rflchie sur le plan mtallique gnre un rayonnement en opposition de

phase avec londe directe, le rayonnement total est faible.

Lorsque lantenne est associe un plan rflecteur, elle produit un rayonnement unidirectionnel.

Sur la figure 1.19, nous illustrons le comportement de lantenne place aux distances h=/4 et h=/2 dun plan rflecteur.

Figure 1.19 Rayonnement dune antenne spirale h=/4 et h=/2 dun plan conducteur

Contrairement une antenne spirale imprime en espace libre, la distribution des courants sur les

brins rayonnants est modifie par le plan rflecteur lorsque celui-ci est plac une distance


27

infrieure un quart de longueur donde. On obtient alors une ellipticit qui crot lorsque le

diamtre de lantenne diminue. Nous avons vu prcdemment que la bande passante dune antenne

place au dessus dun plan mtallique est infrieure loctave (2:1). Afin de remdier ce

problme et pour concevoir une antenne unidirectionnelle qui fonctionne sur une large bande

passante, des matriaux absorbants sont gnralement ajouts entre llment rayonnant et le plan

de masse (figure 1.1). Selon les applications et la bande de frquences considres, ce type de

solution peut aboutir des antennes relativement lourdes. En effet pour des applications UHF par

exemple, une paisseur /4 correspond une paisseur physique de quelques dizaines de centimtres. Pour remplir la cavit, la quantit de matriaux absorbants ncessaire est alors

importante. Un autre inconvnient de cette solution, est que la moiti du rayonnement de lantenne

est perdu dans la cavit. Enfin ces matriaux absorbants ont des caractristiques dispersives, il est

donc difficile de raliser plusieurs antennes ayant rigoureusement les mmes performances.

Dans le cadre de cette thse, lobjectif est de rduire au minimum la distance entre llment

rayonnant et le plan rflecteur. Nous allons donc maintenant rapprocher le plan rflecteur de

lantenne afin de rduire son encombrement et faciliter son intgration.

4.2 Plan rflecteur plac une hauteur h


28

4.2.1 Impdance dentre en fonction de h

Nous montrons sur la figure 1.20 lvolution du module du coefficient rflexion en fonction de la

distance h. Pour h=3mm soit 1/100ime

de longueur donde f=1GHz, lantenne est dsadapte des

frquences basses jusqu f=7GHz. Le module du paramtre S11 devient infrieur -10dB lorsque

la distance entre llment rayonnant et le plan rflecteur est suprieure environ 1/12ime

de

longueur donde.

Figure 1.20 Module du coefficient de rflexion en fonction de h

Plus la distance entre llment rayonnant et le plan rflecteur est petite, plus lantenne est

dsadapte. Lorsque la distance h est faible devant la longueur donde, le taux dondes stationnaires

est important. Lorsque la distance h est proche dun quart de longueur donde, lantenne prsente

une bonne adaptation dimpdance en entre, mais la bande passante de lantenne reste limite

cause de leffet prsent au paragraphe prcdent.


29

4.2.2 Taux dellipticit en fonction de h

Figure 1.21 Taux dellipticit (AR) en fonction de h

La figure 1.21 ci-dessus montre que lorsque llment rayonnant est plac trs prs du plan

rflecteur, le taux dellipticit dans laxe est important. Ce phnomne est principalement d la

rflexion des ondes en bout de brin. La polarisation devient elliptique puis circulaire lorsque la

distance entre la spirale et le plan rflecteur augmente. En effet, lorsque cette distance augmente, la

rflexion des courants en bout de brin diminue, ce qui amliore le taux dellipticit.

4.2.3 Rayonnement de lantenne pour h=/100

Nous montrons quelques exemples de diagrammes pour diffrentes frquences. Nous avons choisi

de montrer les diagrammes les plus perturbs pour mettre en vidence les problmes lis au plan de

masse.


30

f=4GHz f=5.5GHz

f=6.5GHz f=8GHz

Figure 1.22 Rayonnement dune antenne spirale dArchimde h=max/100 dun plan conducteur

La figure 1.22 montre quel point les diagrammes sont instables sur la bande 1GHz-10GHz. Nous

traons sur la mme figure les plans de coupe phi les plus perturbs.


31

Figure 1.23 Rayonnement les plus perturbs dune antenne spirale dArchimde

place h=max/100 dun plan conducteur

La figure 1.23 montre que les creux prsents dans le lobe principal des diagrammes peuvent tre

suprieur 10dB. Lantenne ne pourra donc mettre ou recevoir des ondes EM correctement dans

les directions correspondantes ces creux. Les zones actives des modes impairs de rayonnement

f=8GHz sont reprsentes sur la figure 1.24. Lamplitude du courant lextrieur de la zone active

du mode 1 est suffisamment importante pour produire un rayonnement parasite . Le

rayonnement parasite est un rayonnement d aux modes impairs suprieurs 1.

Figure 1.24 Zone active des modes impairs et rpartition des courants f=8GHz


32

La qualit des diagrammes de rayonnement dpend donc de la distance entre llment rayonnant et

le plan de masse. Plus la distance est faible, plus les diagrammes sont perturbs.

5 Ralisation dune antenne spirale microruban

Pour valider les rsultats de simulation, nous avons ralis une antenne spirale dArchimde micro

ruban dimensionne pour une frquence minimale fmin=1GHz et une frquence maximale

fmax=10GHz. Cette spirale est imprime sur un DUROID 5880 de permittivit dilectrique r=2.2 et

dpaisseur h=1.8mm. Cette paisseur est infrieure 1/100ime

de longueur donde la frquence

minimale. Cette antenne dimpdance moyenne gale 150 ohms doit tre alimente a laide d un

balun prsent dans le paragraphe suivant.

5.1 Balun progressif

Pour alimenter cette antenne, nous utilisons un balun (balanced-to-unbalenced) progressif [14]. Le

balun progressif permet d'adapter une impdance de charge Za de type bifilaire sur une impdance

Z0 de type microstrip suivant une loi de variation de l'impdance caractristique en fonction de la

distance. Limpdance Za correspond limpdance dentre de lantenne. Cette loi peut tre

dfinie selon diffrents modles, modle de Klopfenstein, exponentiel, Chebyshev [15]. Ce modle

permet de dterminer la variation dimpdance optimale qui minimise la rflexion des ondes. Le

coefficient de rflexion maximal est oa

oa

ZZ

ZZ

+

=max

Suivant la loi et la longueur de la transition progressive (taper), le coefficient de rflexion la

frquence basse est plus ou moins important. Nous prsentons sur la figure 1.25 la gomtrie de

deux baluns monts en tte-bche pour la mesure des paramtres S.


33

Figure 1.25 Face infrieure et suprieure du balun

Figure 1.26 Paramtres S du balun

La figure 1.26 montre que le balun est dimensionn pour une frquence minimale fmin=1GHz. Le

balun prsente un module du paramtre S11 bien infrieur 10dB jusqu une frquence

f=12GHz. La courbe correspondant au module du paramtre S12, montre que la transmission entre

les ports 1 et 2 est bonne, il y a peu de pertes insres par le balun. Le balun qui vient alimenter

lantenne spirale est orthogonal au plan de lantenne. Lantenne associe son systme

dalimentation prsente alors un encombrement trs important. Nous avons utilis ce type de balun,

car sa ralisation est relativement simple grce la technologie classique des circuits imprims. Un

des objectifs de cette thse est de rduire lpaisseur des antennes, il existe dj des topologies de

balun coplanaire lantenne. Il va de soi que lantenne qui sera intgre dans un porteur utilisera un

systme dalimentation coplanaire.


34

5.2 Rayonnement de lantenne ralise

Quelques diagrammes de rayonnement mesurs en chambre anchoque sont montrs sur les figures

1.27 et 1.28. Ces diagrammes de rayonnement sont perturbs, avec de fortes oscillations ou creux,

pouvant tre suprieures 10dB dans le lobe principal. La polarisation circulaire inverse est

importante cause dun taux dondes stationnaires lev.

Figure 1.27 Diagrammes de rayonnement mesurs dans le phi=90, composante gauche de la

polarisation circulaire (LHCP)


35

Figure 1.28 Diagrammes de rayonnement mesurs dans le plan phi=90, composante droite de la

polarisation circulaire (RHCP)

Ces diagrammes de rayonnement nous montrent que lantenne ne peut pas tre utilise dans cette

configuration. La suite de ce mmoire est entre autre consacre lamlioration de ces diagrammes.

Nous navons pas jug intressant de prsenter la mesure du module du coefficient de rflexion de

lantenne, sachant que lantenne est totalement dsadapte.

6 Conclusion

Dans ce premier chapitre, nous avons dcrit le contexte de cette tude. Aprs une prsentation des

AIF, nous avons montr que le comportement dune antenne spirale dArchimde en espace libre et

correctement dimensionne est constant sur une bande de frquences pouvant dpasser la dcade.

Lanalyse dune spirale dArchimde place au dessus dun plan rflecteur nous a permis de

montrer les perturbations apportes lorsque celui-ci est plac une distance faible, de lordre de

1/100ime

de longueur donde la frquence basse de llment rayonnant. Une mauvaise adaptation

dimpdance en entre, des diagrammes de rayonnement perturbs et une forte dgradation de la

polarisation circulaire ont t mis en vidence. La ralisation de cette antenne a permis de montrer

que lantenne spirale microruban ne peut tre utilise dans sa configuration initiale.


36

7 Rfrences

[1] R.G. Corzine, J.A. Mosko, Four arm spiral antennas , Artech House, 1990.

[2] J. Thaysen, K. B. Jakobsen, J. Appel-Hansen, A logarithmic spiral antenna for 0.4 to 3.8

GHz , Applied Microwave and Wireless, Feb 2001, pp32-45.

[3] I.J. Bahl, P. Bartia, Microstrip antennas , Artech House 1980.

[4] K.F. Lee, K.M. Luk, K.F. Tong, Experimental and simulation studies of the coaxially fed

U-solt restangular patch antenna , IEE Proceeding Microwaves, Antennas and Propagation,

Vol.144, n5, October 1997.

[5] E. Chang, S. A. Long, W. F. Richards, An experimental investigation of electrically thick

rectangular microstrip antennas , IEEE Trans AP Vol. 34 n6 june 1986, pp767-772.

[6] K.R. Carver, J.W. Mink, Microstrip antenna technology , IEEE Trans. On Antennas and

Propagation, Vol.29, n1, January 1981, pp.2-24.

[7] V.H. Rumsey, Frequency independent antennas , Academic press, New-York 1966.

[8] J.D. Dyson, The equiangular spiral antenna , IRE Transactions on Antennas and

Propagation, vol. AP-7, pp181-187, April 1959.

[9] J.D. Dyson, The equiangular spiral antenna , University of Illinois, PhD dissertation

1957.

[10] J. A. Kaiser, The Archimedean two-wire spiral antenna , IEEE Transactions on Antennas

and Propagation, Vol. 8, issue 3, may 1960, pp312-323.


37

[11] T. Weiland, A discretization method for the solution of Maxwells equations for six-

component fields , International journal of electronics and communications, Vol. 31, 1977,

pp116-120.

[12] A-C. Lepage, Analyse et optimisation dantennes tridimensionnelles : applications la

conception dantennes compactes intgres dans un systme de communication UWB ,

Thse de lENST, Juin 2005

[13] H. Nakano, Helical and Spiral Antennas A Numerical Approach , Research studies

press, 1978.

[14] X. Begaud, Analyse dantennes et de rseaux dantennes large bande et bipolarisation par

une mthode dlments finis de surface , Thse de luniversit de Rennes, France,

Dcembre 1996.

[15] R.W. Klopfenstein, A transmission line taper of improved design ,

Proceeding of the IRE 1956, Vol. 44, pp31-35.

Chapitre II. Analyse dune antenne spirale microruban charge par lments discrets

38

Chapitre II.

Analyse dune antenne spirale microruban charge

par lments discrets

Nous avons montr dans le 1er chapitre, quune antenne spirale dArchimde place 1/100

ime de

longueur donde dune surface conductrice est totalement dsadapte, que les diagrammes de

rayonnement sont trs instables, que la polarisation circulaire est fortement dgrade. Dans ce 2ime

chapitre, nous proposons de placer des charges rsistives pour absorber localement les courants

indsirables. Avec cette mthode, nous esprons restaurer les diagrammes de rayonnement, ainsi que

la polarisation circulaire. Ce chapitre commence par un tat de lart sur les antennes spirales

charges. Nous montrerons les limitations des solutions prsentes. Dans la 2ime

partie, nous

analyserons le comportement dune antenne spirale dArchimde deux brins charge par des

rsistances. Contrairement aux autres solutions rpertories dans la littrature, les rsistances sont ici

rparties sur toute la longueur de lantenne. Nous montrerons les limitations de cette mthode en

terme de gain. Ltude dune antenne spirale dArchimde charge par un filtre passe-bas permettra

didentifier la cause initiale qui entrane la dgradation du rayonnement et de ladaptation

dimpdance. Enfin, nous montrerons dans la dernire partie de ce chapitre quil est possible de

placer une antenne spirale une distance infrieure 1/100ime

de longueur dun plan de masse

pertes, que lantenne prsente une trs bonne adaptation dimpdance sur une bande de frquences

trs large, que les diagrammes de rayonnement de lantenne sont stables et bien forms. En 1956,

King a dmontr thoriquement et vrifi exprimentalement que la distribution de courant sur des

antennes linaires de petites tailles est stationnaire [1]. Les travaux raliss par Altshuler [2] ont

montr que la distribution de courant est progressive jusqu lemplacement dune charge adapte. Si


39

la charge adapte est localise avant lextrmit de lantenne, la distribution de courant sera

progressive jusqu cette position et sera stationnaire entre lextrmit et la charge. Le but pour notre

application est de placer des charges lextrmit de lantenne spirale pour obtenir une distribution

de courant exclusivement progressive. Le fait de placer la charge adapte avant lextrmit de

lantenne et donc, de laisser une portion ondes stationnaires, limite le comportement frquentiel. Il

existe diffrentes solutions dans la littrature pour concevoir des antennes large bande passante,

faible paisseur et unidirectionnelle. Toutes ces solutions remplissent seulement une partie des

spcifications requises, une bonne adaptation dimpdance sur une large bande de frquences. Dans

ce deuxime chapitre nous fixons lpaisseur de lantenne 1/100ime

de longueur donde la

frquence basse, et nous tudions son comportement en prsence de diffrentes charges.

1 Etat de lart

1.1 Antenne spirale micro ruban

En 1991, Johnson Wang invente et dveloppe lantenne spirale micro-ruban [3], [4]. Cette antenne

dpaisseur relativement faible par rapport la longueur donde, prsente une bande passante en

impdance et en rayonnement trs large. De manire gnrale, les antennes micro-ruban sont

caractrises par une bande passante troite. Pour rtablir le comportement large bande de lantenne

spirale micro ruban, Wang ajoute une couronne dabsorbant entre llment rayonnant et le plan de

masse sur le dernier tour de la spirale. La gomtrie de lantenne est prsente sur la figure 2.1.

Figure 2.1 Gomtrie de lantenne spirale microruban charge

par une couronne dabsorbant


40

Lantenne est dimensionne pour fonctionner partir dune frquence minimale f=1GHz. Le

diamtre de lantenne est =102.5mm. La largeur des brins rayonnants est want=2.5mm, lcart entre les brins est sant=2.5mm. Les caractristiques de labsorbant Alkard SF75 entre 0GHz et 15GHz

sont : =10, =3, =2, =1. La figure 2.2 prsente le module du coefficient de rflexion pour h1=10mm et h2=3mm, soit 1/30

ime et 1/100

ime de longueur donde f=1GHz :

0 1 2 3 4 5 6 7 8-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Frquences (GHz)

dB

h1=10mmh2=3mm

Figure 2.2 Module du coefficient de rflexion

Lantenne est bien adapte sur une bande de frquences suprieure 8 1. En effet, lorsquune

couronne dabsorbant est place lextrmit, lamplitude du courant en bout de brin est faible, il y a

peu de courant rflchi et donc lantenne est bien adapte. Un exemple de diagramme de

rayonnement est prsent sur la figure 2.3 ci-dessous f=6GHz:


41

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

Theta (degr)

dB

h1=10mm

h2=3mm

Figure 2.3 Exemple de diagramme de rayonnement f= 6GHz dans le plan phi=135

Nous constatons sur la figure 2.3 un creux important dans le lobe principal f=6GHz lorsque

lpaisseur est gale h2=3mm. Lorsque lpaisseur de lantenne devient infrieure 30 / , la

couronne dabsorbant sur le dernier tour de la spirale ne permet pas dobtenir un bon rayonnement.

Pour expliquer le fonctionnement, considrons les distributions de courant de la figure 2.4 :

Figure 2.4 Distribution du courant sur lantenne pour une paisseur

h1=1GHz/30 ( gauche) et h2=1GHz/100 ( droite) f=6GHz

Lamplitude du courant reste leve sur la quasi totalit de la structure pour une paisseur gale

1/100ime

de longueur donde la frquence basse. Lorsque le courant atteint le troisime anneau de

rayonnement, lamplitude du courant est encore lev, le rayonnement correspondant ce 3ime

anneau est gnr. Pour remdier ce problme, une solution consiste tendre la couronne

dabsorbant vers la zone dalimentation mais cette solution ncessite une quantit importante de


42

matriaux absorbant, et par consquent nous retrouvons les inconvnients cits dans le premier

chapitre. Lantenne prsente dans ce paragraphe prsente de bonnes performances pour une

paisseur suprieure ou gale 30 / .

1.2 Antenne spirale micro ruban charge lextrmit par une rsistance

Avec le dveloppement des systmes large bande, la demande sest accrue en terme dantenne ultra

large bande (UWB en anglais), compacte, faible encombrement, lgre, faible cot. Dans la plupart

des applications utilisant la technologie UWB, on suppose que le rayonnement de lantenne est soit

omnidirectionnel, soit que la puissance rayonne maximale est dirige vers le rcepteur. Une

solution pour raliser ces exigences est lantenne spirale dArchimde. Nous avons dj montr

quune antenne spirale dArchimde microruban est totalement dsadapte lorsque son paisseur est

voisine de 1/100ime

de longueur donde. La solution propose par Kinezos en 2003 [5] est inspire

des travaux de Altshuler sur les antennes ondes progressives. En accord avec le principe de

Rumsey, la frquence basse de fonctionnement est dfinie par : r

o

r

Cfpi max

min2

= (2.1)

Nous prsentons la gomtrie de lantenne sur la figure 2.5 :

Figure 2.5 Gomtrie de lantenne spirale dArchimde monobrin

charge par une rsistance

Llment rayonnant de cette antenne tait lorigine une spirale dArchimde mono-brin. Pour

symtriser le rayonnement de lantenne et pour tre cohrent avec les autres solutions prsentes


43

dans ce chapitre, nous analysons une antenne spirale dArchimde deux brins. Le brin rayonnant

est assimile une ligne microruban dimpdance caractristique z=135. La rsistance

lextrmit de la spirale est une rsistance CMS et permet dadapter lantenne sur une trs large

bande de frquences. Llment rayonnant est plac une hauteur h=3mm au dessus du plan de

masse.

Un taux dondes stationnaires infrieur 2.5 est obtenu sur une bande passante suprieure la

dcade. Le gain de lantenne varie entre 10dB et 9dB. Nous traons quelques digrammes de

rayonnement sur la figure 2.6.

Figure 2.6 Rayonnement de lantenne

Les diagrammes de rayonnement sont instables. Linstabilit des diagrammes est due lexcitation

des modes dordre suprieur 1.


44

1.3 Antenne spirale avec terminaison rsistive

Dans le paragraphe 1.1, nous avons prsent lantenne spirale microruban dveloppe par Wang.

Une autre solution consiste insrer sur lantenne une terminaison rsistive [6]. Cette terminaison

permet de supprimer la rflexion des ondes EM en bout de brin. Le modle de Klopfenstein [7]

permet de dimensionner la variation dimpdance optimale qui minimise la rflexion. Avec cette

mthode, lpaisseur de lantenne est proche de 30 / , cette solution a lavantage de ne pas utiliser

de matriaux absorbants. En revanche, elle ne permet pas de rduire lpaisseur de lantenne au del

de 30 / . Lorsque lpaisseur est infrieure 1/30ime

de longueur donde, les diagrammes de

rayonnement sont instables. Dautres solutions base de mandre permettent galement dobtenir

une bonne adaptation dimpdance [8]. Les caractristiques des antennes prsentes dans ltat de

lart sont rsumes dans le tableau 2.1 ci-dessous :

Antennes Dimensions Bande

passante Gain Commentaires

Antenne spirale

microruban [3]

1.1max/pi h=max/30

8:1 De 0dB 6dB

-Matriaux absorbant

-Diagrammes instables pour

hmax/30

Antenne spirale

UWB [5]

=max/pi h=max/100

>10:1 De 10dB

9dB

-Rayonnement instable

-Gain faible

Antenne spirale

avec terminaison

rsistive [6]

=max/pi h=max/30

5.3:1 De 7.5dB

6 dB

-Difficile raliser

-Diagrammes instables pour

hmax/30

Tableau 2.1 Etat de lart

Chaque solution prsente dans ce bref tat de lart sur les antennes spirales charges fait apparatre

des inconvnients qui limitent leur intgration. Nanmoins, ces trois solutions sont trs intressantes

pour des applications dont la bande de fonctionnement est infrieure 3:1. Dans le paragraphe

suivant, nous proposons de rpartir des charges sur toute la longueur de lantenne pour reformer les

diagrammes de rayonnement et rtablir une bonne polarisation circulaire.


45

2 Antenne spirale dArchimde deux brins charge sur toute la longueur par des

rsistances

Les diffrentes solutions dcrites prcdemment ne permettent pas la conception dantenne

dpaisseur infrieure 1/30ime

de longueur donde la frquence basse de la bande de

fonctionnement. Lorsque lpaisseur de lantenne est infrieure 1/30ime

de longueur donde, les

solutions prsentes dans le paragraphe prcdent permettent obtenir une bonne adaptation

dimpdance sur une large bande de frquences. En revanche, lamplitude du courant reste leve

avant le dernier de tour de la spirale, par consquent les diagrammes de rayonnement sont dforms.

Pour concevoir une antenne spirale dpaisseur proche de 1/100ime


frquence basse, nous proposons dinsrer des rsistances sur toute la longueur de lantenne [9]. Le

but ici est dabsorber les courants parasites qui gnrent le rayonnement de modes suprieurs 1 (cf.

chapitre I).

2.1 Gomtrie de lantenne

Llment rayonnant de lantenne est une spirale dArchimde deux brins. Le circuit rayonnant est

place une hauteur h=1/100ime

de longueur donde f=1GHz au dessus dun plan conducteur. le

diamtre externe de la spirale est =102.5mm, la largeur des brins rayonnants est want=2.5mm, et lcart entre les brins rayonnants est sant=2.5mm. Llment rayonnant est place une hauteur

h=3mm soit 1/100ime

de longueur donde f=1GHz.

Figure 2.7 Gomtrie de lantenne spirale dArchimde charge par des rsistances


46

Les rsistances sont places en parallle entre llment rayonnant et le plan de masse (nous avions

lors dune 1re

tude plac les rsistances en srie sur les brins rayonnants sans obtenir de bon

rsultats). Les rsistances sont rparties sur toute la longueur de lantenne. Le nombre et la valeur des

rsistances sont plus importants que leur position sur llment rayonnant. En effet, lessentiel est de

supprimer le courant lextrieur de la zone de rayonnement du mode m=1. Cette zone de

rayonnement se dplace sur la spirale en fonction de la frquence, il est donc difficile de favoriser

une position plutt quune autre.

2.2 Impdance de lantenne

Lvolution du module du coefficient de rflexion est trace en fonction de la valeur des rsistances

sur la figure 2.8 :

Figure 2.8 Evolution du module du coefficient de rflexion en fonction des rsistances

Plus les rsistances sont faibles, meilleure est ladaptation dimpdance. La bande passante en

impdance est suprieure la dcade lorsque les rsistances sont infrieures ou gales R=2k.


47


Nous prsentons sur les figures 2.9 et 2.10 quelques diagrammes de rayonnement dans les plan

phi=0 et phi=90 lorsque la valeur des rsistances est R=500.

Figure 2.9 Diagrammes de rayonnement dans le plan phi=0

Figure 2.10 Diagrammes de rayonnement dans le plan phi=90


48

Les diagrammes de rayonnement pour R=500 sont bien forms et stables, ils prsentent une bonne

symtrie de rvolution. Nous traons sur la figure 2.11 lvolution du gain de lantenne en fonction

de la valeur des rsistances :

Figure 2.11 Evolution du gain en fonction des rsistances

Le courant qui se propage de la zone dalimentation vers lextrmit de lantenne est absorb dans

les diffrentes rsistances. Par consquent, lamplitude du courant qui atteint les zones de

rayonnement correspondant aux basses frquences est trs faible. Le gain de lantenne est donc trs

faible aux frquences basses. Les rsistances tant places lextrieur de la zone de rayonnement de

la frquence suprieure de la bande de fonctionnement, le gain cette frquence est comparable au

gain dune antenne spirale sans charge. Pour amliorer le gain aux frquences basses, il faut

augmenter la valeur des rsistances. Si la valeur des rsistances est trop leve, la qualit des

diagrammes de rayonnement est moins bonne. Lorsque R=500, les diagrammes sont bien forms et

stables, le gain la frquence basse est gal 28dB. Cette valeur de rsistance est le meilleur

compromis entre une bonne qualit de rayonnement et gain la frquence basse pas trop faible.

Lvolution du taux dellipticit de lantenne est trace sur la figure 2.12 pour des rsistances variant

entre R=250 et R=1k.


49

Figure 2.12 Taux dellipticit en fonction de la valeur des rsistances

(courbes traces avec un pas de 250MHz)

On observe sur la figure 2.12 que plus les rsistances sont leves, moins bonne est la polarisation de

lantenne. En effet, la meilleure polarisation circulaire est obtenue pour R=250. La distribution du

courant sur lantenne pour diffrentes valeurs de rsistances est prsente sur la figure 2.13 :

R=250 R=500


50

R=750 R=1k

Figure 2.13 Evolution de la rpartition des courants sur lantenne f=10GHz en fonction

de la valeur des rsistances de charge

Les distributions de courant reprsentes sur la figure 2.13 montrent que lorsque la valeur des

rsistances augmente, lattnuation du courant est plus faible. Le courant lextrieur des zones de

rayonnement augmente et la qualit des diagrammes de rayonnement se dgrade. De plus,

lamplitude du courant lextrmit de lantenne est plus grande, ce qui implique un courant rflchi

plus important et donc une moins bonne polarisation circulaire. Linsertion de rsistances sur toute la

longueur de lantenne permet de restaurer ladaptation dimpdance et une bonne polarisation

circulaire sur une bande de frquence trs large. Le choix de la valeur des rsistances est trs

important, le meilleur compromis pour raliser une antenne bien adapte, avec un rayonnement

stable et une bonne polarisation circulaire est R=500. En revanche cette solution entrane une

importante chute de gain aux frquences basses de la bande de fonctionnement. Dans le paragraphe

suivant, nous remplaons les rsistances, qui dissipent une puissance constante quelle que soit la

frquence par des filtres passe-bas.

3 Antenne spirale dArchimde deux brins charge filtres passe-bas

Les modes de rayonnement dordres suprieurs 1 sont gnrs par des courants parasites situs

lextrieur des zones de rayonnement du mode m=1. Linsertion de rsistances sur toute la longueur

de lantenne permet de rduire lamplitude de ces courants et donc de supprimer le rayonnement de

ces modes. La dformation des diagrammes lie au rayonnement des modes suprieurs apparat pour

les frquences suprieures 3fmin, fmin tant la frquence infrieure de la bande de fonctionnement.


51

En dautres termes, linsertion de rsistances permet de rduire lamplitude des courants parasites,

mais galement lamplitude des courants de frquences infrieure 3fmin. Ce qui entrane une

importante chute de gain aux frquences basses. Dans ce paragraphe, lide est de remplacer les

rsistances par des filtres passe-bas pour empcher la propagation des courants parasites uniquement

et donc amliorer le gain aux frquences basses. Nous montrons dans le paragraphe suivant que cette

solution ne fonctionne pas.

3.1 Analyse de la distribution du courant sur lantenne

Nous montrons sur la figure 2.14 la distribution de courant f=10GHz sur une antenne spirale

dArchimde deux brins charge par un filtre passe-bas de type RC. La frquence de coupure du

filtre est dfinie par :

CRfc

pi21

= (2.1)

Cette frquence de coupure est fixe f=3GHz. Il nest pas utile dempcher la propagation des

courants de frquence infrieure 3GHz car lantenne est trop courte pour gnrer des modes de

rayonnement dordre suprieur 1. La rsistance du filtre est R=1 et la capacit C=53pF. Le filtre

est plac lextrieur de la zone de rayonnement du mode m=1 la frquence suprieure de la bande

de fonctionnement.

Figure 2.14 Distribution du courant f=10GHz dune antenne spirale microruban

charge par un filtre passe-bas


52

Nous constatons sur la distribution de courant sur lantenne f=10GHz, que lamplitude du courant

est leve sur la quasi-totalit de lantenne. Le filtre passe-bas permet dattnuer la propagation du

courant sur le brin rayonnant. En revanche, la propagation du courant sur le plan de masse induit un

courant parasite sur le circuit rayonnant qui ne peut tre supprim par le filtre passe-bas. Cette

solution ne permet donc pas de supprimer le rayonnement des modes suprieurs 1. Linsertion de

filtre passe-bas le long des brins rayonnant apparat ici comme un chec sur les performances

obtenues. En revanche, cette tape a permis de dterminer lorigine des courants parasites et a

joue un rle prpondrant sur lorientation des travaux.

4 Antenne spirale place au-dessus dun plan de masse pertes

Nous avons montr dans le chapitre I, quune antenne spirale place une distance faible dun plan

conducteur gnre un rayonnement instable. Dans le paragraphe prcdent, lanalyse des courants sur

une antenne spirale charge par filtres passe-bas a permis de dterminer la cause initiale des

problmes. A savoir, que la dtrioration du rayonnement et de la dsadaptation de lantenne est lie

la propagation des courants sur le plan de masse. Dans cette partie, nous analysons les

performances dune antenne spirale dArchimde deux brins place une hauteur infrieure

1/100ime

de longueur donde au dessus dun plan de masse pertes. Llment rayonnant est

dimensionn pour fonctionner partir de f=1GHz. Ses caractristiques sont les mmes que dans le

paragraphe prcdent. Le plan de masse est caractris par une trs faible conductivit =1S/m.

Un matriaux dont la conductivit est de lordre de 1S/m nest pas un conducteur. Il sagit dun

matriaux dilectrique pertes. Pour supprimer la totalit du rayonnement arrire, il faudrait en

pratique utiliser un matriaux dune certaine paisseur. Cependant, une utilisation dtourne du

logiciel Microwave-Studio (MWS) a permis darriver au mme rsultat en utilisant un matriaux

pertes dpaisseur trs fine. Il est important de noter ici que les rsultats issus de MWS nont pas

dexplication physique.

4.1 Impdance de lantenne

La figure 2.15 prsente le module du coefficient de rflexion dune antenne spirale dArchimde

deux brins place une hauteur h=1.8mm dun plan de masse non conducteur :


53

Figure 2.15 Module du coefficient de rflexion dune antenne spirale place une hauteur

h=1.8mm dun plan de masse pertes

Lorsque lantenne spirale est place au dessus dun plan de masse pertes, son impdance

sapparente celle dune antenne spirale en espace libre. Le courant qui se propage de la zone

dalimentation vers lextrmit de la spirale dcrot exponentiellement. Lorsquil atteint lextrmit

de lantenne, son amplitude est trs faible. Ainsi il ny a pas de courant rflchi et donc lantenne est

trs bien adapte.


Les figures prsentent quelques diagrammes de rayonnement dans les plans de coupe phi=0 et

phi=90 :


54

Figure 2.16 Diagramme de rayonnement dans le plan phi=0

Figure 2.17 Diagramme de rayonnement dans le plan phi=90


55

On observe sur les figures 2.16 et 2.17 une trs bonne stabilit et une trs bonne symtrie de

rvolution. Pour justifier la forme des diagrammes, nous montrons les distributions de courants sur

lantenne aux frquences correspondantes :

f=2GHz f=4GHz

f=6GHz f=8GHz

Figure 2.18 Distribution du courant sur une antenne spirale dArchimde place 1/100ime

de

longueur donde la frquence basse au dessus dun plan de masse pertes

Nous constatons que le courant sur le plan de masse reste localis lintrieur des zones de

rayonnement et qu lextrieur de ces zones le courant dcrot trs rapidement. Avec un plan de

masse pertes, le courant sur larien est similaire au courant sur une antenne spirale en espace libre,

ceci explique que seul le mode m=1 est rayonn par lantenne. Le gain de lantenne est trac sur la

figure 2.19 :


56

Figure 2.19 Gain dune antenne spirale dArchimde place 1/100ime


frquence basse au dessus dun plan de masse pertes

Le gain de lantenne crot avec la frquence. Le gain f=1GHz est gal 13dB. Ce gain est

relativement faible, mais nettement suprieur au gain de lantenne spirale charge par rsistances.

Dans ce paragraphe nous avons montr quen supprimant la propagation des courants sur le plan de

masse, le comportement large bande de lantenne est restaur. Lantenne prsente alors une bonne

adaptation dimpdance sur une bande passante suprieure la dcade. Son rayonnement est stable,

le gain de lantenne est similaire au gain dune antenne spirale charg par une cavit absorbante. La

difficult rside dsormais dans la ralisation dun plan de masse pertes ou haute impdance.

5 Conclusion

Aprs un bref tat de lart sur les antennes spirales charges, nous avons analys les caractristiques

dune antenne spirale dArchimde deux brins charge par des rsistances. Les rsistances sont

disposes entre llment rayonnant et le plan de masse pour supprimer les courants parasites. Nous

avons montr quavec ces rsistances, une bonne polarisation circulaire est ralise sur une bande de

frquences trs large. Les diagrammes de rayonnement sont bien forms car le courant sur lantenne


57

reste localis lintrieur des zones de rayonnement du mode m=1. Linconvnient majeur de cette

solution est le gain aux frquences basses. Ltude dune antenne spirale charge par un filtre passe-

bas situe lextrieur de la zone de rayonnement de la frquence suprieure de la bande de

fonctionnement a permis de dterminer la cause initiale des problmes. Dans la dernire partie de ce

chapitre, nous avons montr quen supprimant la propagation des courants sur le plan de masse, il

tait possible de raliser une antenne trs large bande passante, de trs faible paisseur. Le

rayonnement de lantenne est alors trs stable et une bonne polarisation circulaire est mis en

vidence.


58

6 Rfrences

[1] R.W.P King, The theory of linear antennas, Harvard University, Cambridge, MA, 1956.

[2] E. Altshuler, The travelling wave linear antenna, IRE Transaction on Antennas and

Propagation, July 1961, pp.324-329.

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