Apport des surfaces à haute impédance pour la conception d'antennes réseaux compactes et d'antennes réseaux à très large bande passante

Contribution of high impedance surface on design of compact antenna arrays and very wide bandwidth antenna arrays

• Auteur / Autrice : Fabrice Linot
• Direction : Xavier Begaud, Christian Renard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et communications
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Paris, Télécom ParisTech

Mots clés

Mots clés contrôlés

Communication ultra large bande

Simulation par ordinateur

Circuits imprimés

Antennes-réseaux

Résumé

La technologie des antennes réseaux occupe une place croissante dans les applications aéroportées modernes militaires et civiles car elle offre des performances radioélectriques et des capacités d'intégration aux porteurs inenvisageables avec d'autres technologies. Ce besoin est couplé à des contraintes liées au couplage entre éléments rayonnants ou en termes d'intégration sur des petits porteurs. Ces deux contraintes peuvent être palliées à l'aide de surfaces à haute impédance (SHI) pouvant traduire le comportement d'un conducteur magnétique artificiel et/ou la capacité à interdire la propagation des ondes de surface dans une bande de fréquence. Les travaux présentés dans ce manuscrit ont pour objectif de présenter l'apport des SHI sur la conception de réseaux compacts et d'antennes réseaux ultra large bande. Après une introduction aux SHI, une présentation de modèles analytiques, numériques et expérimentaux a été présentée. Une partie des travaux est consacrée à l'étude du couplage mutuel entre deux antennes imprimées espacées l'une de l'autre d'une demi-longueur d'onde. Par la suite les différentes contributions apportées par les SHI, lorsqu'elles sont employées comme réflecteur, sur une antenne réseau ultra large bande sont montrées. Une modélisation analytique de l'antenne réseau placée au-dessus de réflecteurs à haute impédance est validée par des simulations numériques. Les SHI montrent qu'il est possible de créer des bandes passantes supplémentaires instantanées et agiles en fréquences permettant d'augmenter la bande passante initiale de l'antenne réseau. De plus elles permettent de réduire considérablement l'encombrement et d'obtenir une bande agile unique.

Phased array antennas play a growing place in modern airborne systems because it offers radio electric performances and integration capacities which can’t be considered with others technologies. These applications can be grouped within the same system including antenna arrays with scan angle over a large frequency spectrum. Nevertheless, important antenna performance limitations are due to mutual coupling between radiating elements and to limited space available for antenna integration into aircraft. These two limitations can be removed with High Impedance Surface. HIS behaves as an artificial magnetic conductor (AMC) and/or electromagnetic band gap material which exhibits forbidden electromagnetic band gap (EBG) for surface waves at certain frequency bandwidths. After a state of the art of artificial materials and their abilities to reduce mutual coupling in an array, we present and propose analytical and numerical methods, validated by measurements, to design AMC, EBG structures, and compact absorbing material. Then we study several configurations employing classical solutions and HIS solutions used as a filter to reduce mutual coupling between two microstrip antennas spaced by a half wavelength. Finally, we present an analytical method, validated by numerical simulations, for designing a self-complementary connected antenna array located above a high impedance ground plane. Employed as reflector, HIS can create several additional bandwidths, possibly agile in frequency, and then widening the initial bandwidth of the antenna array. Moreover HIS can be designed for reducing the total antenna thickness.