Réseaux d’antennes miniatures super-directifs reconfigurables basses fréquences pour l’IoT

Reconfigurable low-frequency super-directive miniature antenna arrays for the IoT

• Auteur / Autrice : Sana Souai
• Direction : Jean-Marc Ribero, Taoufik Aguili
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 07/04/2021
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur en cotutelle avec Université de Tunis El-Manar. Faculté des Sciences de Tunis (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique, antennes et télécommunications (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) - Systèmes de Communications (Tunis)
• Jury : Président / Présidente : Fethi Chouban
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Ribero, Taoufik Aguili, Fethi Chouban, Mohamed Himdi, Khaled Nouri, Rabah Attia, Aliou Diallo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohamed Himdi, Khaled Nouri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Internet des objets

Antennes miniatures

Mots clés libres

Antennes miniatures

Super-directivité

Antennes reconfigurables

Éléments Non Foster

Miniature antennas

Super-directivity

Reconfigurable antennas

Non Foster elements

Résumé

L'Internet des objets (IoT) fait référence à tout système où les objets sont connectés à Internet, il intègre une architecture de connectivité réseau, des capteurs et des appareils intelligents. Selon des recherches récentes, environ 30 milliards d'objets collectent désormais des données et effectuent toutes sortes de tâches. Déployées dans des environnements intelligents, tels que les maisons intelligentes, les villes intelligentes et les transports intelligents.Le but de cette thèse est le développement dans un espace réduit, réseau d'antennes miniatures basse fréquence, en vue d’atteindre une super directivité et reconfigurable pour une communication longue portée et dans des zones difficiles d'accès. Le couplage sera pris en compte dans cette tâche et les pondérations optimales nécessaires pour maximiser la directivité seront déterminées. Des prototypes seront également produits pour valider les résultats de la simulation. L'étude et la simulation électromagnétique 3D des antennes seront réalisées principalement avec des logiciels commerciaux (HFSS, CST,…).Dans notre première étude, un réseau parasite d’antennes formé de deux éléments électriquement petits pour les applications Internet de l’objet, déployé à la fréquence 868 MHz , a été présenté qui est capable de commuter son faisceau suivant deux directions différentes. La reconfigurabilité est obtenue à l'aide de diodes PIN pour réduire le rayonnement arrière et diriger le faisceau dans la direction souhaitée. La structure proposée génère une directivité élevée de 6,8 dBi en simulation et 6,7 dBi en mesure à 868 MHz pour chaque direction dans le plan azimutal.Dans la seconde étude, nous avons tenté d'améliorer le gain de l'antenne présentée précédemment. En nous inspirant de la structure de l'antenne Yagi, nous avons pensé à ajouter quatre directeurs de chaque coté pour améliorer la directivité et orienter le lobe principal dans deux directions différentes. La directivité simulée est d’environ 8,5 dBi en simulation et de 8,4 dBi en mesure à 868 MHz dans deux directions différentes dans le plan azimutal.En vue de réduire le rayonnement arrière, le potentiel de l’électronique active a été exploité. Nous proposons l'utilisation d'un circuit Non-Foster pour convertir une impédance positive en impédance négative, comme charge à appliquer sur l'élément parasite. La partie résistive de la charge a été prise en considération pour maximiser le gain total du réseau. L'autre avantage de ce type de circuit est qu'il facilite la reconfigurabilité dans plusieurs directions en faisant simplement varier l'impédance de charge à convertir.

The Internet of Things (IoT) refers to any system where objects are connected to the Internet; it incorporates network connectivity architecture, advanced sensors and devices. According to recent research, about 30 billion objects are now collecting data and performing all sorts of tasks.The aim of this thesis is the development in a small space of a low frequency miniature and super-directive antenna array. Coupling will be taken into account in this work and the optimal weightings necessary to maximize directivity will be determined. Prototypes will also be produced to validate the simulation results. The study and 3D electromagnetic simulation of the antennas will be carried out mainly with commercial software (HFSS, CST, …).In our first study, a switchable beam and super-directive Electrically Small Antenna (ESA) dipole deployed at an IoT network gateway at 868 MHz was presented. Reconfigurability is achieved using PIN diodes to reduce the back radiation and to steer the beam to the desired direction. The proposed structure generates a high directivity of 6.8 dBi in simulation and 6.7 dBi in measurement at 868 MHz for each beam in the azimuth plane.In the second study, we thought about improving the antenna gain previously presented. Getting inspired by the Yagi antenna structure, we added four directors to each element to enhance the directivity and to steer the main bean in two different directions. A simulated directivity of 8.5 dBi in simulation and 8.4 dBi in measurement at 868 MHz for both directions.To maintain low-side lobes, we propose the use of a Non-Foster circuit to convert positive impedance into negative impedance, as a load for the parasitic element to take into account the resistive part of the load and thus maximize the gain of the array. The other advantage with this kind of circuit is that it facilitates reconfigurability in several directions by just varying the load impedance to be converted.