Conception et caractérisation d’antennes à métamatériaux sur textiles

26/08/2017
Publication REE REE 2013-4 Dossier Les métamatériaux
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2013-4:19567
DOI :

Résumé

Conception et caractérisation d’antennes à métamatériaux sur textiles

Métriques

18
4
483.15 Ko
 application/pdf
bitcache://0e48ede1b6f44d2008ff2aa8e5492e0933e3c681

Licence

Creative Commons Aucune (Tous droits réservés)
<resource  xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
                xmlns="http://datacite.org/schema/kernel-4"
                xsi:schemaLocation="http://datacite.org/schema/kernel-4 http://schema.datacite.org/meta/kernel-4/metadata.xsd">
        <identifier identifierType="DOI">10.23723/1301:2013-4/19567</identifier><creators><creator><creatorName>Mohamad Mantash</creatorName></creator><creator><creatorName>Anne-Claude Tarot</creatorName></creator><creator><creatorName>Sylvain Collardey</creatorName></creator><creator><creatorName>Kouroch Mahdjoubi</creatorName></creator></creators><titles>
            <title>Conception et caractérisation d’antennes à métamatériaux sur textiles</title></titles>
        <publisher>SEE</publisher>
        <publicationYear>2017</publicationYear>
        <resourceType resourceTypeGeneral="Text">Text</resourceType><dates>
	    <date dateType="Created">Sat 26 Aug 2017</date>
	    <date dateType="Updated">Sat 26 Aug 2017</date>
            <date dateType="Submitted">Tue 15 May 2018</date>
	</dates>
        <alternateIdentifiers>
	    <alternateIdentifier alternateIdentifierType="bitstream">0e48ede1b6f44d2008ff2aa8e5492e0933e3c681</alternateIdentifier>
	</alternateIdentifiers>
        <formats>
	    <format>application/pdf</format>
	</formats>
	<version>33297</version>
        <descriptions>
            <description descriptionType="Abstract"></description>
        </descriptions>
    </resource>
.

68 REE N°4/2013 LES MÉTAMATÉRIAUX Mohamad Mantash, Anne-Claude Tarot, Sylvain Collardey et Kouroch Mahdjoubi Institut d’Electronique et Télécommunica- tions de Rennes (IETR), Université de Rennes 1 Introduction Dans le domaine des systèmes de communications sans fil, grâce aux progrès récents effectués dans la conception des réseaux intelligents [1] et dans les tech- niques de miniaturisation des objets communicants, les réseaux sans fil de proximité (WPAN) ou centrés sur la personne (WBAN) concentrent aujourd’hui toutes les attentions grâce au large éventail d’applications qu’ils permettent. Les capteurs sur la personne sont déjà largement répandus : on trouve ainsi des capteurs intégrés aux textiles avec la notion de vêtements intelli- gents qui peuvent véhiculer toute sorte d’informations (communications, localisation, diffusion, RFID, surveil- lance de paramètres physiologiques vitaux, gestion de situations d’urgence). Les applications visées sont diverses et variées, aussi bien militaires que civiles. Ces systèmes présentent des éléments rayon- nants de façon à assurer des communications sans fil. Pour cela, il est nécessaire de caractériser les antennes en présence du corps humain mais aussi d’en limiter l’interaction avec les tissus biologiques. Beaucoup de contraintes sont également à prendre en compte comme l’encombrement réduit (faible épaisseur), la flexibilité mais aussi le faible coût de l’antenne. Pour résoudre ces différents problèmes comme l’interaction ondes-corps humain, nous avons choisi d’associer aux antennes des structures CMA 2D. Ce papier est composé de deux parties. Tout d’abord, une étude complète d’un matériau CMA double bande utilisé pour des applications Wi-Fi et 4G/LTE est abordé. Cette étude présente la phase en fonction de la fréquence. Une fois le matériau Conception et caractérisation d’antennes à métamatériaux sur textiles This paper describes the design and characterization of textile metamaterial antennas developed in the framework of the ANR/ VERSO METAVEST (metamaterials for smart vestments) project. First, a dual band AMC structure (Artificial Magnetic Conduc- tor) based on a double hexagonal geometry was studied, for wireless applications and 4G/LTE. Then the AMC structure was associated with a dual-band antenna. The results of measurements (reflection coefficients, gain and radiation patterns) are also presented. ABSTRACT Figure 1 : Schéma de la SHI et structure CMA planaire étudiée. REE N°4/2013 69 Conception et caractérisation d’antennes à métamatériaux sur textiles CMA caractérisé, il sera ensuite associé à une antenne double bande pour laquelle les coefficients de réflexion, les gains et les diagrammes de rayonnements seront pré- sentés. Les surfaces à haute impédance (SHI) Géométrie étudiée La cellule SHI utilisée dans notre travail, présentée sur la figure 1, est basée sur une structure double hexagone et est utilisée pour les applications Wi-Fi (WLAN et WBAN) et 4G/LTE. Elle a été choisie à cause de sa caractéristique double bande pouvant couvrir les deux fréquences 2,5 GHz et 5,5 GHz. L’hexagone intérieur de la structure définit la résonance supérieure tandis que la boucle externe est res- ponsable de la première fréquence de résonance. Ces deux fréquences de résonance sont obtenues en contrôlant les longueurs des lignes métalliques Hex_out et Hex_in. La feutrine ayant les caractéristiques suivantes [3] : r = 1,22 et tan = 0,016 et h = 2 mm a été utilisée comme substrat et l’électro-textile de type Shieldit comme conducteur. La structure CMA, constituée de 3 x 3 cellules unitaires de SHI, est placée sur un substrat réalisé en combinant deux substrats de type feutrine. L’épaisseur finale du substrat est égale à 4mm. Phase du coefficient de réflexion La figure 2 présente les phases du coefficient de ré- flexion obtenues en simulation et en mesure. La bande passante mesurée est de 285 MHz à 2,513 GHz (soit 11,34 %) alors que la bande passante simulée est de 300 MHz à 2,55 GHz (11,76 %). Quant à la phase du coef- ficient de réflexion de la bande de fréquence, la bande passante mesurée autour de 5,35 GHz est de 1,13 GHz (21,12 %) alors que celle simulée à 5,5 GHz présente une bande passante de 1 GHz (18,18 %). Les mesures sont en bon accord avec les simulations pour les deux bandes de fréquences. Structure Antenne-CMA Une fois la surface CMA optimisée (dimensions : 87 x 77 mm² ), on se propose d’étudier la modification des performances d’une antenne quand elle est posée sur la surface. Figure 2 : Phase du S11 mesuré et simulé du CMA hexagonal. Figure 3 : Prototype de l’antenne double G sans et avec une structure CMA. Figure 4 : S11 mesuré de l’antenne textile double G avec et sans CMA. 70 REE N°4/2013 LES MÉTAMATÉRIAUX L’antenne textile proposée (figure 3) est un monopole en forme de lettre G dupliquée autour de son axe de symétrie (ligne CPW). Cette structure symétrique permet d’obtenir un comportement bi-bande. Les deux fréquences de résonance sont obtenues en contrôlant les longueurs des brins. Cette antenne est réalisée sur le même substrat que la structure CMA double hexagone mais avec une épaisseur égale à 2 mm. Sur la figure 4, les coefficients de réflexion mesurés de l’antenne double G sans et avec la structure CMA double hexagonale sont comparés. Pour l’ensemble antenne-CMA, nous avons deux bandes passantes : [2,34 - 2,94 GHz] ; - sante [4,24 - 5,9 GHz]. Les résultats obtenus pour cette structure rayonnante sont en bon accord et mettent bien en évidence le comportement double bande pour les applications Wi-Fi. Les gains mesu- rés de l’antenne avec et sans CMA sont représentés sur la figure 5. On note une augmentation importante du gain réa- lisé dans les deux bandes de fréquences Wi-Fi (de 4 dB à 2,5 GHz et de 3 dB à 5 GHz). Une optimisation de l’élément rayonnant ou du CMA doit permettre de compenser le déca- lage observé pour la bande supérieure. Afin de vérifier que l’utilisation d’une surface réflectrice double hexagonale réduit le rayonnement arrière émis par l’antenne seule, une mesure des diagrammes de rayonne- ment dans le plan E et le plan H a été réalisée, à la fréquence de 2,7 GHz. Les résultats sont représentés sur la figure 6. Le diagramme de rayonnement de l’antenne seule dans les plans E et H montre un diagramme identique à celui d’une antenne monopole (en espace libre). Le diagramme de rayon- nement de l’antenne placée sur la surface CMA dans le plan H montre que le rayonnement arrière est réduit de 10 dB. Conclusion Dans un premier temps, une structure CMA planaire double bande (2,5 GHz et 5,5 GHz) composée de 3 x 3 Figure 5 : Gain réalisé mesuré de l’antenne textile double G avec et sans CMA. Figure 6 : Diagramme de rayonnement mesuré de l’antenne G dans les deux plans E et H. REE N°4/2013 71 Conception et caractérisation d’antennes à métamatériaux sur textiles cellules double hexagonale a été conçue, puis associée à une antenne textile double bande. Le coefficient de réflexion, le gain et les diagrammes de rayonnements ont été étudiés et les résultats de mesure montrent que le gain de l’antenne augmente d’au moins 3 dB lorsque l’antenne est posée sur la structure CMA. Enfin, d’après les résultats obtenus, on a montré que la structure « antenne Double G-CMA double hexagone » répond à tous les critères imposés par le projet METAVEST, qui exige la couverture des bandes de Wifi et 4G/LTE tout en protégeant le corps humain. Références bibliographiques [1] S. Zhu, R. Langley, “Dual-Band Wearable Textile Antenna on an EBG Substrate”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.57, no.4, pp.926-935, April 2009. [2] M. Mantash, A.-C. Tarot, S. Collardey & K. Mahdjoubi, “Investigation of Flexible Textile Antennas and AMC Reflectors”, International Journal of Antennas and Propagation, vol. 2012, 10 pages, 2012. Mohamad Mantash est titulaire d’un master recherche en sciences de l’ingénieur, systèmes électroniques et micro-ondes de l’université Pierre et Marie Curie (Paris VI). En 2012, il obtient son doctorat en traitement du signal et télécommunications de l’université de Rennes 1 pour sa thèse sur les antennes sur tex- tiles à base de métamatériaux, travaux menés à l’Institut d’Elec- tronique et de Télécommunications de Rennes (IETR). Depuis, il travaille depuis dans le domaine de la radio numérique terrestre. Anne-Claude Tarot est titulaire d’un doctorat (1995) et d’une habilitation à diriger les recherches (2011) de l’université de Rennes 1. Ses activités de recherche concernent la conception d’antennes sur de nouveaux matériaux (magnéto-diélectriques, métamatériaux, textiles, PDMS..). Sylvain Collardey est titulaire d’un doctorat de l’université de Rennes 1 sur les structures périodiques et la signature radar des antennes. Ces activités de recherche au sein de l’IETR regroupent notamment l’étude sur les matériaux artificiels ainsi que la minia- turisation des systèmes antennaires. Kouroch Mahdjoubi est professeur à l’université de Rennes 1 et appartient au département antennes et dispositifs hyperfré- quences (ADH) de l’IETR. Ses domaines d’activité de recherche comprennent : antennes miniatures, métamatériaux et antennes pour onde électromagnétique à moment angulaire orbital (OAM). LES AUTEURS