Study and design of reconfigurable antennas using plasma medium

par Mohd Taufik Jusoh Tajudin

Thèse de doctorat en Traitement du signal et télécommunications

Sous la direction de Mohamed Himdi et de Olivier Lafond.

  • Titre traduit

    Étude et conception d'antennes reconfigurables basées sur des matériaux plasma


  • Résumé

    Le milieu plasma correspond au 4ème état de la matière présentant une permittivité diélectrique complexe qui peut être exploitée pour les systèmes de communication. Sa permittivité négative a été étudiée dans de nombreux travaux de recherche démontrant que le plasma peut avoir des caractéristiques similaires à celles d'un métal en termes de conductivité électrique. En considérant une perméabilité positive, le plasma peut ainsi réagir de la même manière qu'un métal en présence d'une onde électromagnétique. Cette thèse a pour objectif de démontrer que le plasma est une alternative au métal pour la réalisation d'antennes reconfigurables. La première partie du travail concerne la caractérisation du milieu plasma en utilisant des sources plasma commerciales à savoir des lampes à Néon. Cette caractérisation est primordiale afin de pouvoir ensuite simuler ce type de source. La seconde partie des recherches a concerné la conception et la réalisation d'antennes plasma reconfigurables en rayonnement et ceci à la fréquence de 2.4 GHz. Le premier concept est un réflecteur circulaire et le second un réflecteur à angle droit tous les deux réalisés à partir de différentes lampes à Néon et illuminés par une antenne source monopole. Le réflecteur circulaire permet de dépointer le faisceau d'antennes sur 360° alors que le réflecteur à angle droit permet de reconfigurer le faisceau rayonnant et de passer d'un faisceau directif à deux faisceaux avec un creux dans l'axe. Ces dispositifs rayonnants innovants basés sur des lampes à Néon ont été validés expérimentalement et les résultats de mesure (S11 et rayonnement) sont en bonne adéquation avec les résultats de simulation. Ces deux types d'antennes réflecteurs possèdent également de bons résultats en termes de gain, ce qui valide l'utilisation et la caractérisation des lampes plasma de commerce utilisées. Dans la troisième partie du travail, ce même type de lampe à néon a été utilisé pour concevoir cette fois un élément rayonnant excité par couplage capacitif. La réalisation d'un prototype à permis de démontrer la faisabilité d'une telle source rayonnante. Enfin, la dernière partie des recherches concerne une étude de la Surface Equivalente Radar des antennes réflecteur conçues précédemment. L'étude a démontré que ces antennes réflecteurs plasma présentent des SER largement inférieures lorsqu'elles sont éteintes ainsi qu'à fréquence haute (8 GHz) comparativement à celles d'antennes métalliques équivalentes ce qui en fait des antennes furtives d'un point de vue radar.


  • Résumé

    Plasma is the 4th state of matter with complex permittivity that can be exploited to give advantages in communication system. Its negative permittivity has been studied in many research papers and it was proven to have similar characteristics as metal material in terms of electrical conductivity. While keeping permeability in the positive region, plasma will respond to electromagnetic waves in the similar manner as metal. Therefore, this thesis aimed to use plasma as an alternative to metal in the construction of reconfigurable antennas. The first part of this thesis is dedicated to characterize a plasma model based on the commercially available plasma source. Since there are many type of plasma source in terms of their electrical properties and physical shapes, it is important to characterize a particular plasma source so that it can be modeled in simulations to construct other types of plasma antennas. The second part presents the realization of plasma reflector antennas. Two types of plasma reflector antennas have been simulated, fabricated and measured at 2.4 GHz. The first one is are round reflector antenna (RRA) and the second one is corner reflector antenna (CRA). The performances of RRA have been validated and it was proven to provide beam shaping and beam scanning capability. The measured radiation patterns are in a good agreement with simulation ones. The capability of RRA is exceptional since it can steer its main beam from 0° up to 360°. Moreover, the scanning gain remains the same as the main beam is being moved from one direction to another. The CRA that has been introduced in this thesis is a novel design since it integrates two corner-reflector antennas on a single ground plane. The CRA offers three beam shapes which are electrically switchable from one shape to another. The CRA was simulated, fabricated and finally its performances were validated throughout a series of agile measurements. The measured reflected radiation patterns are in good agreements with the simulation ones. The measured gains of the RRA and CRA are 5 dB higher than the gain of classical monopole antenna with an identical size of finite ground plane. The fourth part deals with plasma as radio waves radiator. Two plasma antennas using commercially available U-shaped compact fluorescent lamp (CFL) have been fabricated and measured and it was proven that these antennas can be to radiate radio signal. The last part discusses about radar cross section performance of the plasma reflector antennas. The two plasma reflector antennas (RRA and CRA) were tested and measured for their RCS performance.


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