Métamatériaux pour la réduction des couplages électromagnétiques dans les réseaux d’antennes planaires

par Xiaoke Han

Thèse de doctorat en Électronique, optronique et systèmes

Sous la direction de Habiba Ouslimani et de Alain Priou.

Soutenue en 2013

à Paris 10 .


  • Résumé

    Un des impératifs, en premier d’ordre commercial, des opérateurs de communications mobiles et d’équipementiers électroniques modernes est d’augmenter l'intégration des systèmes pour accroitre leur fonctionnalité tout en réduisant l'espace et le coût final : « obligation de compacité ! ». Cela répond à la nécessité de transmettre des informations à très haut débit pour satisfaire la demande des utilisateurs : « De plus en plus d’antennes de fonctionnalité très variée sur des bandes de fréquences au nombre incalculable et de dimensions de plus en plus petites, à insérer dans de volumes réduits (systèmes miniaturisés) en préservant leurs performances ». Or c’est dans ces confinement que les niveaux des interférences électromagnétiques (IEM) et des couplages mutuels sont les plus forts. Ils peuvent présenter une réelle menace pour le fonctionnement des systèmes en réduisant considérablement leurs performances et en particulier pour certains de ces composants qui travaillent à de faibles niveaux de tension de seuil, vulnérables aux bruits EM. La réduction du niveau de ces perturbations devient un enjeu crucial auquel est confronté les concepteurs aussi bien d'équipements électroniques (circuits intégrés, carte de circuits imprimés, interconnections,. . ) que de systèmes d’antennes et de réseaux d’antennes. Le problème qui nous intéresse ici est celui des perturbations EM et couplages mutuels « intentionnels » dus au fait que les éléments rayonnants soient placés à proximité les uns des autres et partagent souvent, un plan de masse (ou de référence) commun. Plusieurs stratégies ou techniques peuvent être mises en œuvre et/ou développées pour réduire ces perturbations électromagnétiques (IEM et couplages EM). Parmi ces techniques, on trouve l'isolation des composants critiques par le blindage, l'adaptation, le filtrage, l'ajout de matériaux et absorbants, et des matériaux à pertes… Cependant, on notera que toutes les techniques sont valables pour une certaine bande de fréquence et qu’elles ne peuvent pas protéger le système pour les IEM qui se produisent à des fréquences différentes ; en dehors de ces bandes. C’est une limitation principale de ces stratégies. Pour le domaine des antennes (Entrées-multiples et sorties-multiples MIMO mobiles ou système d’antennes pour émission/réception par exemple), plusieurs procédés (stratégies ou techniques) de découplage ont été proposés pour améliorer l'isolation entre deux antennes rapprochées. Elles sont développées en fonction du niveau de l’isolation demandée, pour une distance inter-élément imposée par l’application en cours. Ainsi par exemple, 10 - 15 dB d’isolation sont généralement suffisants pour obtenir une faible corrélation dans les MIMO leur permettant d’assurer de bonnes performances, alors qu’une isolation, meilleure que 60 dB est exigée pour une application d’antenne radioaltimètre ! On veillera systématiquement à vérifier par la mesure, que l’efficacité, le gain et les diagrammes de rayonnement des prototypes antennes conçues avec ces stratégies d’isolation soient conformes aux spécifications et qu’aucune altération n’est introduite, bien au contraire on devrait réaliser une amélioration pour certains de ces paramètres. Parmi les techniques proposées récemment, celle qui utilise un élément parasite (sans aucun contact avec les antennes actives) de faibles dimensions par rapport à la longueur d’onde pouvant fournir l'effet de découplage attendu. L’élément parasite est inséré à mi-distance entre les antennes. Il peut être conçu comme : - Un défaut dans le plan de masse ou « Defected Ground Structure ; DGS ». - Un métamatériau tel que les surfaces à haute impédance (SHI) de Sievenpiper (travaux de 1999). Ces structures peuvent fournir une caractéristique très appréciée, celle de supprimer la propagation des ondes de surface dans une bande de fréquence donnée. Les travaux présentés dans cette thèse sont focalisés sur l’étude des structures métamatériaux (MTM) et de leurs propriétés de suppression des ondes de surface et le potentiel de leur application à réduire les couplages mutuels entre les antennes imprimées sur un substrat microruban. On étudiera spécialement la réduction des couplages mutuels liés aux courants de surface à travers le substrat. Nous proposerons l’étude de plusieurs structures métamatériaux de propriétés très différentes : - Les structures périodiques présentant une bande interdite (ou bandgap) totale pour tous les modes de propagation ; dites EBG, - Les structures Uni-planaires qui arrêtent de propagation des ondes de surface (TE et/ou TM) dans une direction privilégiée. Ce sont des matériaux qui présentent soit une permittivité négative (ENG) soit une perméabilité négative (MNG). Et de ce fait, les modes de propagation sont des modes évanescents.

  • Titre traduit

    Metamaterials for reducing electromagnetic couplings in planar antenna arrays


  • Résumé

    One of the requirements, commercial in the first order, of mobile operators and modern electronic equipment is to increase the integration of systems with the aim to boost functionality while reducing space and the final cost “requirement of compactness!” This responds to the need to transmit information at very high speed to meet the demands of users: "Inserting more and more smaller antennas of a huge functionality with a high variety of innumerable frequency bands, into small volumes (miniaturized systems) still maintaining their performances. ” But in that containment, the levels of electromagnetic interference (EMI) and mutual coupling is the strongest. They can present a real threat to the functioning of the systems, by significantly reducing their performances and especially for some of these components that work with low level of threshold voltage, vulnerable to EM noise. Reducing the level of these disturbances becomes a critical issue faced by designers as well as electronic equipment (integrated circuits, printed circuits, interconnections. . . ) as antenna systems and antenna arrays. The problem that concerns us here is that of EM interference and mutual coupling "intentional" due to the fact that the radiating elements are placed close to each other and often share a ground plane (or reference) common. Several strategies and techniques can be implemented and/or developed to reduce electromagnetic interference (EMI coupling and EM). Among these techniques is the isolation of critical components for the shield, adaptation, filtering, adding of material absorber, and losses materials. . . However, note that all techniques are valid for a certain frequency band and they cannot protect the system for EMI that occur at different frequencies; outside these bands. This is a major limitation of these strategies. In the field of antennas (multiple-input and multiple-output, or MIMO mobile antenna system for transmitting/receiving for example), several processes (strategies or techniques) decoupling have been proposed to improve the isolation between two antennas. They are developed based on the level of insulation required for inter-element imposed by the current application remotely. For example, 10 to 15 dB of isolation are generally sufficient to obtain a low correlation in MIMO enabling them to ensure good performance, whereas isolation better than 60 dB is required for an application of radio altimeter antenna! We always take care to check the extent that the effectiveness, gain and radiation patterns of prototype antennas designed with these strategies insulation conform to specifications and that no alteration is made; rather they should achieve an improvement in some of these parameters. Among the techniques recently proposed, which uses a parasitic element (without any contact with the active antennas) of small dimensions relative to the wavelength which can provide the expected effect of decoupling? The parasitic element is inserted midway between the antennas. It can be designed as: - Defected Ground Structure; DGS. - A metamaterial as high surface impedance (SHI) of Sievenpiper (work of 1999). These structures can provide a very popular feature that suppress the propagation of surface waves in a given frequency band. The work presented in this thesis focused on the study of metamaterial structures (MTM) and their properties suppression of surface waves and their potential application to reduce the mutual coupling between microstrip antennas printed on a substrate. We specifically consider reducing mutual coupling associated with surface currents through the substrate. We propose the study of several metamaterial structures very different properties: - Periodic structures with a total bandgap for all modes of propagation; named EBG - Unit-planar structures that stop the propagation of surface waves (TE and/or TM) in a preferred direction. These are materials that have either a negative permittivity (ENG) or a negative permeability (MNG). And thus the propagation modes are evanescent modes.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (161 f.)
  • Annexes : Bibliogr. p.155-161.

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  • Bibliothèque : Université Paris Ouest Nanterre La Défense. Service commun de la documentation.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : T13 PA10-076
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