Miniaturisation d’antennes en bande VHF pour applications spatiales

Antenna miniaturization in VHF bandwidth for spatial applications

• Auteur / Autrice : Olivier Ripoche
• Direction : Hervé Aubert, Anthony Bellion
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro-ondes, Électromagnétisme et Optoélectronique
• Date : Soutenance le 06/11/2013
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes / LAAS

Mots clés

Mots clés libres

Antenne large-bande

Uwb

Miniaturisation

Vhf

Spirale

Wideband antenna

Uwb

Miniaturization

Vhf

Spiral

Résumé

Le développement de l’électronique embarquée et miniaturisée est pleinement d’actualité de nos jours, dans les domaines tels que l’armement, la médecine, et les télécommunications. La miniaturisation des antennes large-bande, opérationnelles sur plus d’une décade, présentent un défi particulier. Ces travaux de thèse proposent de travailler sur la miniaturisation d’une antenne spirale, afin d’en réduire l’encombrement, à savoir son diamètre, tout en conservant au mieux ses caractéristiques de rayonnement et polarisation intrinsèques. Cette recherche sera appliquée à la bande des Très hautes Fréquence (Very High Frequencies – VHF), allant de 30MHz à 300MHz La géométrie inédite proposée consiste à associer à une antenne spirale un ensemble d’anneaux résonnants, dont le diamètre n’excède pas celui de la spirale, et permettant de diminuer la fréquence basse de fonctionnement. Pour un ensemble de cinq anneaux associé à la spirale, la réduction de la fréquence basse de fonctionnement est de plus de 30%. Pour deux antennes spirales de même fréquence basse de fonctionnement, l’antenne miniaturisée a donc un diamètre réduit de 30%, soit une surface réduite de 50%. Les performances de l’état de l’art d’après lesquelles les réductions sur le diamètre des antennes spirales n’excèdent pas 15% sont donc dépassées. De plus, d’après cet état de l’art, les méthodes de réduction appliquées aux antennes large bande dégradent en général le gain et l’axial ratio dans les bandes basses de fréquences de fonctionnement. La méthode proposée permet de conserver l’efficacité de l’antenne, voire de l’augmenter, dans les fréquences proches de la fréquence basse de fonctionnement. Le rayonnement de l’antenne spirale miniaturisée dans la bande passante de l’antenne sans anneaux n’est pour autant pas modifiée. Ces résultats très encourageant ont été confirmés par la mesure d’antennes spirales miniaturisées, réalisées pour un diamètre de 8cm et de 1m : une réduction de 30% du diamètre sans dégradation du rayonnement a été observée. Les mesures ont par ailleurs donné lieu à l’étude de la réalisation d’une antenne en bande VHF, avec pour implication les problématiques de réalisation (masse, encombrement, résistance mécanique) et de mesure (isolation, effets parasites en VHF avec une longueur d’onde de 4m).

Miniaturizing electronic devices is a great challenge in crucial research domain such as defense, medicine, and telecommunications. Wideband antenna miniaturization operating on more than a decade is a particular issue. This thesis presents an original method for miniaturizing a spiral antenna, reducing its diameter while keeping its bandwidth, its radiating performances and its axial ratio characteristics. This method is applied to UHF spiral antenna (from 750MHz) and VHF antenna (from 75MHz). The new geometry adds stacked resonant rings to an Archimedean spiral antenna. Their diameter are the same, hence no rise of the antenna diameter. For a 5-ring spiral antenna, the lowest operating frequency reduction is higher than 30%. That is equivalent to a 30% reduction of the diameter for two antennas sharing the same lowest operating frequency, hence a 50% reduction of the area of the antenna. These reduction factors surpass the reduction factors of the state of art of 15%. Besides, according to the state of art, the miniaturizing techniques imply some degradation of the gain and axial ratio performances at the lowest operating frequencies. The new method improves on the other hand these characteristics at these frequencies. At higher frequencies, the rings do not interfere with the matching of neither the spiral antenna nor its radiation characteristics. These results were validated by fabricated antenna measurements. A 30% reduction of the diameter was obtained on a 5-ring-8cm-large antenna as well as on a 5-ring-1m-large antenna. No impairment was noticed on the radiation of the antennas, even at the lowest operating frequencies. The thesis also discusses the difficulties which came in addition for the fabrication (mass, size and mechanical resistance) and measurement (radiation interferences and measurement isolation – the wavelength being 4m) of the VHF antenna.