Antenne à métamatériaux pour les applications aéronautiques
par Tangjie Yuan
Thèse de doctorat en Electronique, Optronique et Système
Sous la direction de Habiba Ouslimani et de Alain Priou.
Soutenue en 2012
à Paris 10 , dans le cadre de École doctorale Connaissance, langage et modélisation (Nanterre) .
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Résumé
Cette thèse porte le sous-projet SP1 de Matériaux et Structures Intelligentes pour l’Électromagnétisme (MSIE) vise à un besoin pour les avionneurs serait d’aller vers une réelle intégration des structures antennaires à la structure de l’avion et de passer de la structure antennaire vue comme équipement embarqué à la structure antennaire devenue équipement intégré. Cette approche est devenue possible grâce à l’emploi de nouveaux matériaux, appelés "métamatériaux" ou de structures à métamatériaux qui pourraient être utilisés pour constituer les futures structures antennaires intégrables sur avions. Nous allons évaluer les concepts de structures antennaires encastré et vissé dans le fuselage ou la dérive d’avion. L'épaisseur de l'équipement doit être inférieure à 20 mm (dimensions du connecteur non comprise à 130 MHz -140 MHz). Nous allons étudier les deux types de solutions : respectivement solution 1 et solution 2 aux fréquences VHF. La première est une nouvelle antenne compacte a fente circulaire utilisant des techniques de « charge » et des tiges métalliques court-circuitées ayant un comportement de type monopôle. La seconde est une antenne « de type » ruban à base de métamatériaux mettant une structure double couches EBG ou BIE. Les simulations et les optimisations des deux antennes ont été faites dans la bande VHF. Cependant, comme on ne dispose pas de moyens de mesure à ces fréquences (f<400 MHz), les deux antennes ont été de nouveau étudiées avec un facteur d’échelle 1/10 ou 1/15 pour fonctionner autour de 1,3 GHz ou 2 GHz respectivement). Les performances de ces deux démonstrateurs (TOS, gain, diagramme de rayonnement) seront mesurées expérimentalement et comparées aux résultats théoriques obtenus en simulation. Suivant les résultats expérimentaux obtenus, une seule des deux configurations sera choisie pour la fabrication d’un démonstrateur à l’échelle 1. Il s’agit de la solution 2. La thèse est présentée en trois chapitres : Le premier chapitre présente les propriétés d’antenne omnidirectionnelle et plus particulièrement d’antenna monopôle classique. On présentera un rapide aperçu de l’état de l’art sur les antennes. Dans le deuxième chapitre, on présente la conception, l’optimisation et les caractérisations numériques et expérimentales de l’antenne fente circulaire utilisant les techniques de « charges » : Solution 1. Les résultats simulés et mesurés sont en excellent accord. Une bande passante expérimentale de 5,1% (S11 = -10 dB) est démontrée avec un gain maximum de 3,7 dB à la fréquence de 2,04 GHz (dans le plan azimutal). En plus, plusieurs paramètres de l’antenne sont bien analysés pour améliorer l’antenne. Surtout, la bande passante de l’antenne a été étendue à une large bande d'antenne jusqu'à 11,5% avec un rôle important au rayon des tiges métalliques. Dans le troisième chapitre, on présente la conception, l’optimisation et les caractérisations numériques et expérimentales de l’antenne de type ruban à base de métamatériaux fonctionnant à 1,3 GHz: Solution 2. Un prototype d’antenne type ruban à base de la structure double couches BIE avec très faible hauteur (λo/36) a été proposé et fabriqué. L’antenna a été mesuré avec une large de bande passante atteint 24,4% de manière à S11 = -10 dB. Le diagramme de rayonnement mesuré est représenté avec un gain maximal 8,7 dB. Les résultats entre simulations et mesures ont d’une différence très légère. Un réseau de deux antennes identiques placées de part et d’autre de la dérive d’avion forme une antenne de type sabre. Les diagrammes de rayonnement expérimentaux sont combinés et analysées. L’antenne présente une large bande passante ~24,4% et un gain maximum 8 dB à 1,45 GHz. Enfin, des études paramétriques s’appuyant sur l’ensemble des résultats de simulations validés expérimentalement, permettent d’apporter des améliorations en particulier de la bande passante sans modification majeure.
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Titre traduit
Metamaterial antenna for aeronautical applications
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Résumé
This thesis concerns sub-project SP1 from “Matériaux et Structures Intelligentes pour l’Électromagnétisme” (MSIE) is a need for manufacturers will be constituting a genuine integration of antenna structures in aircraft structure as integrated equipment. This approach became possible through the use of new materials called "metamaterials" structures that could be used to form future integrated antenna structures on aircraft. We will evaluate the concepts of antenna structures embedded in the fuselage and/or drift plane. The thickness of the equipment should be less than 20 mm (excluding connector dimensions of 130 MHz -140 MHz). We will study two types of solutions: solution 1 and solution 2 respectively to the VHF frequencies. The first is a new compact antenna using a circular slot and shorted shorting-pins loading techniques behaves as a standard monopole antenna. The second antenna is the bent monopole antenna based a dual-layer EBG structure ground plane. The simulations and the optimizations of the two antennas were made in the VHF band. However, experimental facilities in the VHF are not available in our laboratory. The two antennas were again studied with a scale factor of 1/10 or 1/15 to operate around 1. 3 GHz or 2 GHz respectively. The performance of the two antennas (TOS, gain, radiation pattern) will be measured experimentally and compared with the theoretical results obtained by simulation. According to experimental results, one of the two configurations will be selected for the manufacture of an antenna at scale 1. This is the solution 2. This thesis is presented in three chapters: The first chapter presents the properties of a standard monopole antenna, and we will present a brief overview of the state of the art antennas. The second chapter, we present the design, optimization, and numerical and experimental characterizations of the circular slot antenna using the loading techniques: Solution 1. The simulated and measured results are in excellent agreement. An experimental bandwidth of 5. 1% (S11 = -10 dB) is presented with a maximum gain of 3. 7 dB at a frequency of 2. 04 GHz (in the azimuthal plane). In addition, several antenna parameters are analyzed to improve the antenna. Particularly, the bandwidth of the antenna has been extended to a wideband up to 11. 5% with an important role in radius of shorting pins. In the third chapter, we present the design, optimization, numerical and experimental characterizations of the metamaterials bent monopole antenna operating at 1. 3 GHz: Solution 2. A prototype of the antenna based on dual-layer EBG structure with a very low height (λo/36) was proposed and fabricated. The antenna was measured with a wide bandwidth of 24. 4% (S11 = -10 dB). The measured radiation pattern is represented with a maximum gain of 8. 7 dB. Results between simulations and measurements have a very slight difference. An array of the two identical metamaterials antennas disposed on both sides of the aircraft plane is to forms a Sabre-type antenna. The experimental radiation patterns are combined and analyzed. The antenna has a bandwidth ~ 24. 4% and a maximum gain of 8 dB at 1. 45 GHz. Finally, parametric studies based on all the validated experimentally simulating results are possible to improve in particular the bandwidth without major changes.
