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Conception d’antenne directive miniature et agile sur plusieurs octaves

Description

Dans le sillage du «New Space », les prochaines générations de constellations de micro-satellites nécessitent de revoir l’agencement des antennes disposées sur la face ‘Terre’ des satellites d’observation. Au regard des contraintes de poids et d’encombrement, la stratégie d’une unique antenne à rayonnement directif unidirectionnel et très large bande (2.5 octaves à partir des bandes VHF) est fortement attractive. Le défi technique consiste à concevoir des structures rayonnantes électriquement petites dans les bandes les plus basses puis de maitriser la qualité et la stabilité du rayonnement à double polarisation circulaire sur le reste de la bande. Concernant les antennes directive très large bande, la réduction de l’épaisseur contraint fortement les performances en terme de bande passante. L’objectif ambitieux est d’atteindre un facteur de miniaturisation de 4 en surface et de 2 en épaisseur par rapport à l’antenne de type dipole magnéto électrique (DMEC) [1].

La stratégie innovante proposée par le CEA LETI vise à contourner le problème des limites physiques des antennes électriquement petite en tirant profit du compromis miniaturisation/bande passante/efficacité [2]. En effet les récepteurs couvrant une très large bande, ne fonctionnent instantanément que sur une sous-bande passante bien plus étroite. L’innovation majeure de la thèse exploite cette réduction de la bande instantanée pour miniaturiser fortement des sources de type Huygens (naturellement uni-directionnelles [3]) par chargement capacitif. En intégrant des composants pilotables (de type banc de capacités commutées développé au CEA LETI [4]) à même la structure rayonnante de l’antenne, on démontrera que l’antenne peut adresser une excursion de plusieurs octaves. L’enjeu scientifique est de dégager une solution générique de type double source de Huygens agile en fréquence et d’en étudier les performances en fonction de la largeur de bande instantanée, des caractéristiques des composants pilotables (excursion, pertes).  Des développements seront menés pour optimiser le chargement de la structure antennaire, limiter les phénomènes de pertes. Des analyses viseront à développer des modèles permettant de dégager des stratégies de conception et de se confronter aux limites théoriques bande passante/miniaturisation et efficacité [5]. Une attention sera portée à la sensibilité au contexte de ce genre d’antenne miniature et des solutions pour atténuer cet effet seront suggérées. Enfin plusieurs prototypes fonctionnels seront réalisés et caractérisés expérimentalement dans la grande chambre anéchoïde au CEA LETI ou au CNES pour démontrer par la mesure les avancées réalisées en matière d’antennes miniatures directives agiles en fréquence.

[1] A. Kaddour, S. Bories, A. Bellion and C. C. Delaveaud, "3D Printed Compact Wideband Magneto-Electric Dipoles with Circular Polarization," in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters.

[2] J. S. McLean, "A re-examination of the fundamental limits on the radiation Q of electrically small antennas," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 44, no. 5, pp. 672-, May 1996.

[3] P. Alitalo, A. O. Karilainen, T. Niemi, C. R. Simovski and S. A. Tretyakov, "A linearly polarized huygens source formed by two omega particles," Proceedings of the 5th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP), Rome, 2011, pp. 2302-2305.

[4] D. Nicolas et al., "SOI CMOS tunable capacitors for RF antenna aperture tuning," 2014 21st IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS), Marseille, 2014, pp. 383-386.

[5] Morteza Shahpari, David V. Thiel, "Fundamental limitations for antenna radiation efficiency", accepted for publication in IEEE TRANS. ANTENNAS PROPAG. VOL. 66, NO. X, 2018 1

Profil

Master 2 ou grande école d’ingénieurs avec une spécialité en Hyperfréquence, antennes.

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : Laboratoire d’antennes, Propagation et Couplage Inductif du CEA LETI (CEA/DRT/LETI/DSYS/STSF/LAPCI)
Directeur(rice) de thèse/recherche : Delaveaud Christophe
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : christophe.delaveaud@cea.fr
Responsable Cnes de l'offre : BELLION Anthony

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