Analyse et optimisation d'antennes réseaux compactes superdirectives

Analysis and optimization of compact superdirective arrays

• Auteur / Autrice : Alexandre Debard
• Direction : Christophe Delaveaud, Antonio Clemente
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofréquence
• Date : Soutenance le 28/10/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Ala Sharaiha
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Robert Staraj, Fabrice Lemoult, Philippe Pouliguen, Patrick Potier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ala Sharaiha, Anja Skrivervik

Mots clés

Mots clés contrôlés

Équipement électronique miniaturisé

Télécommunications

Antennes-réseaux

Antennes miniatures

Mots clés libres

Antennes miniatures

Réseaux d'antennes

Superdirectivité

Théorie des antennes

Electrically small antennas

Antenna arrays

Superdirectivity

Antenna Theory

Résumé

Cette thèse a pour objectif l’étude et la recherche d’amélioration de la technologie d’antenne réseau superdirective. Cette technologie a récemment été rééxaminée dans la littérature car elle peut apporter des fonctionnalités intéressantes pour les applications de télécommunication futures. L’examen de ce type d’antenne est donc conduit à travers l’outil de la décomposition en ondes sphériques qui permet l’étude générale des limites de directivité ou de gain, en considérant des pertes d’énergie dans l’antenne. La théorie classique des antennes réseau end-fire est aussi revue, dans le cas de réseaux à espace inter-éléments uniformes et à éléments indépendamments excités. Cette étude fournit une évaluation analytique de l’efficacité et de la sensibilité à la précision des coefficients d’excitation.Les dipôles infinitésimaux et les sources de Huygens sont considérés dans une proposition de développement qui lie la théorie des réseau et de la décomposition en ondes sphériques. Cette contribution fournit une preuve formelle de la limite de directivité des réseaux end-fire de sources de Huygens ainsi qu’une borne supérieure de la directivité des réseaux de dipôles, quand la distance inter-éléments tend vers zéro.. De plus, il est montré comment la théorie classique des antennes réseau peut aussi être utilisée pour extraire des coefficients d’excitations qui maximisent le gain plutôt que la directivité, quand des résistances de pertes sont considérées. Un examen est aussi fait selon la taille d’antenne pour montrer quelles conditions sont les plus favorables pour l’utilisation de réseaux end-fire optimisés pour le supergain ou pour la superdirectivité.Dans une seconde partie, les implémentations pratiques d’antennes superdirectives sont revue dans l’état de l’art, en se concentrant sur les sources de Huygens et les réseaux compacts end-fire. L’architecture d’implémentation choisie de réseau à éléments parasites est ensuite détaillée est étudiée dans le but de minimiser le recours à des résistances positives ou négatives. Cela mène à la conception et aux mesures de cinq prototypes qui visent à atteindre le maximum de gain ou de directivité possible, pour une taille d’antenne limitée, avec des réseaux end-fire de deux, trois et quatre dipôles.

The purpose of this thesis is to study and seek improvement of the superdirective antenna array technology. This technology has been recently re-examined in the literature since it can bring some interesting functionalities in the future telecommunication applications. The examination of this type of antenna is thus conducted through the use of Spherical Wave Expansion which allows for the general study of directivity limits as well as gain limits, considering lossy antennas. The classical theory of end-fire array antennas is also reviewed, in the case of uniformly spaced tapered arrays, providing theoretical evaluation of efficiency and sensitivity to source feeding precision.Infinitesimal dipoles and Huygens sources are considered in a proposed development that links array theory and Spherical Wave Expansion. This contribution provides a formal proof for the directivity limit of Huygens-source-based end-fire arrays as well as an upper bound for the directivity of dipole-based arrays, when the inter-element spacing tends to zero. Moreover, it is shown how classical array theory can also be used to derive excitation coefficients that maximize gain rather than directivity, when loss resistances are considered. An examination over antenna size is also made to demonstrate which conditions are most favorable for the use of such supergain or superdirective end-fire array optimization.In a second part, practical implementations of superdirective antennas are surveyed, focusing on Huygens sources and compact end-fire array designs. The chosen implementation architecture of parasitic element arrays is then detailed and studied, in order to minimize the requirement for negative or positive resistive loads. This lead to the design and measurement of five prototypes that aim at achieving the maximum possible gain or directivity for a limited radiator size, with two-, three- and four-dipole end-fire arrays.