Antenne Multifonction pour Radar et Communication Samir Ouedraogo To cite this version: Samir Ouedraogo. Antenne Multifonction pour Radar et Communication. Autre. Université Paris Saclay (COmUE), 2018. Français. ￿NNT: 2018SACLC010￿. ￿tel-01735750￿ HAL Id: tel-01735750 https://theses.hal.science/tel-01735750 Submitted on 16 Mar 2018 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. Multifunction Antenna for Radar 0 1 0 and Communication C L C A S 8 1 Thèse de doctorat de l'Université Paris-Saclay 0 2 préparée à CentraleSupélec : T N N École doctorale n°575 electrical, optical, bio: physics and engineering (EOBE) Spécialité de doctorat : électronique et optoélectronique, nano- et microtechnologies Thèse présentée et soutenue à Gif-sur-Yvette, le 09 janvier 2018, par Samir Ouedraogo Composition du Jury : Elodie Richalot Professeur des universités, Université Paris-Est Marne-La-Vallée Président Marc Hélier Professeur des universités, Université Pierre et Marie Curie Rapporteur Thierry Monédière Professeur des universités, Université de Limoges Rapporteur Mohammed Serhir Professeur adjoint, CentraleSupélec Examinateur Israel Hinostroza Professeur assistant, CentraleSupelec Encadrant de thèse Régis Guinvarc’h Professeur, CentraleSupelec Directeur de thèse Raphaël Gillard Professeur des universités, INSA de Rennes Invité REMERCIEMENT Je tiens tout d’abord à remercier Israel Hinostroza, mon encadrant de thèse, avec qui j’ai aimé travailler. Je lui exprime toute ma reconnaissance pour le temps qu’il m’a consacré et pour ses précieux conseils. Il a su tout au long de ces trois années faire preuve d’une grande écoute et d’une grande compréhension. J’espère bien qu’on aura encore l’occasion dans un futur proche de travailler ensemble sur de nouvelles thématiques. Je remercie Régis Guinvarc’h, mon directeur de thèse et Raphaël Gillard, mon co-endrant pour leur aide très précieuse. À travers leurs expertises scientifiques et leur professionnalisme, ils ont contribué énormément à la qualité de cette thèse. Ils ont su être disponibles malgré un emploi du temps assez chargé pour répondre à mes multiples questions. Enfin, j’ai beaucoup apprécié les réunions organisées à Rennes où on discutait pendant des heures sur mes travaux. Ces moments étaient très important pour moi car je pouvais tirer profit de leurs expertises et expériences et je sortais le plus souvent de ces réunions avec de nouvelles idées. J’espère pouvoir profiter aussi longtemps que possible de votre expertise à travers des collaborations afin d’enrichir ma carrière professionnelle. Je remercie également Sylvain Azarian, directeur du laboratoire SONDRA et Jérôme Sol, assistant ingénieur à l’INSA de Rennes pour le temps qu’ils ont consacré respectivement à la réalisation de la maquette et aux mesures. Je remercie tous ceux sans qui cette thèse ne serait pas ce qu'elle est : aussi bien par les discussions que j'ai eu la chance d'avoir avec eux, leurs suggestions ou contributions. Je pense ici en particulier à l’ensemble du personnel du laboratoire SONDRA. J’exprime ma profonde reconnaissance pour leur accueil, leur aide, leur gentillesse et pour la bonne ambiance qui règne au laboratoire. Pour finir, j’adresse un remerciement particulier à ma famille, notamment à ma fiancée pour l’encouragement et le soutien qu’ils m’ont apportés tout au long de la thèse. Ils ont tous cru en moi du début à la fin. Merci à vous tous… RÉSUMÉ ÉTENDU Introduction Afin de répondre à la demande croissante de nouveaux services, les objets que nous utilisons au quotidien (tels que les smartphones, les voitures, les avions, etc.) tendent à intégrer de plus en plus de systèmes radio tandis que l’espace disponible pour l’intégration de ces éléments est de plus en plus réduit. Ces systèmes radio nécessitent l’utilisation de plusieurs antennes devant répondre à des critères de compacité, d’isolation, de coût, etc. À titre d’illustration, un smartphone contient plusieurs antennes pour assurer des fonctions telles que la téléphonie, la navigation, la connexion à internet par WiFi, les liaisons Bluetooth, la technologie NFC (Near- Field Communications) et ce nombre tend à s’accroitre considérablement avec l’émergence de nouveaux services. Le même phénomène se retrouve également au niveau des plateformes aéroportées où des fonctions telles que la communication, la navigation, le radar, etc. sont utilisées. Cela conduit donc à la nécessité de réduire le nombre d’antennes en regroupant par exemple plusieurs fonctions au sein d’une même et unique antenne. Cependant, regrouper les fonctionnalités de plusieurs systèmes radio au sein du même élément rayonnant présente un réel défi. Dans de précédents travaux de recherches, J. Euzière a démontré la possibilité de combiner une fonction radar et une seconde fonction (ici de communication) en utilisant un réseau de 16 monopoles initialement dédié au seul radar, grâce au Time Modulated Array (TMA). De cette façon, les deux fonctions utilisaient la même fréquence et étaient alimentées par une seule source. L’objectif principal de cette thèse est de proposer une solution d’antenne multifonction pour radar et communication encore plus compacte (constituée d’une seule antenne). L’idée est de partir d’une solution antennaire déjà existante et d’y apporter les modifications nécessaires à l’ajout d’une seconde fonction, sans pour autant augmenter la surface de l’antenne ni la complexité du système. Pour les besoins du radar, le choix s’est porté sur une antenne directive, à savoir une antenne cornet. L’objectif est donc d’étudier la possibilité de modifier le diagramme de rayonnement de l’antenne cornet à travers l’ajout d’éléments contrôlables (des fentes) afin de transmettre un signal de communication modulé directement au niveau de l’antenne. La diversité de polarisation étant un moyen attractif d’assurer une meilleure isolation entre les deux fonctions, cet aspect sera pris en compte dans la conception de l’antenne. 1.1. Classification des antennes multifonctions Afin de faciliter la compréhension du principe de fonctionnement et de conception des antennes multifonctions, on se propose d’en faire une classification en se basant sur les solutions présentées dans cette thèse (cf. Figure 1). On s’intéressera ici uniquement aux solutions offrant un fonctionnement simultané des fonctions et se basant sur la modification de l’élément rayonnant. Ainsi, en fonction du type d’applications considérées, les fonctions peuvent être réalisées dans la même direction ou dans des directions différentes. Dans le cas où celles-ci sont I réalisées dans la même direction, les diversités de polarisation et de fréquence peuvent être utilisées pour améliorer l’isolation entre les fonctions. Il faut noter que ces deux techniques peuvent également être combinées pour les antennes multifaisceaux (dans des directions différentes), cf. Tableau 1. Pour les applications réalisées dans des directions différentes, le choix de la direction offre un degré de liberté additionnel dans la réduction du couplage entre les différentes fonctions considérées. En ce qui concerne les antennes multifaisceaux, elles peuvent être alimentées à travers un seul ou plusieurs ports d’accès. Les avantages de l’utilisation d’un port unique sont entre autres la réduction de la surface totale et la possibilité de réaliser la modulation directe qui ne nécessite pas l’utilisation d’une électronique complexe (cf. Tableau 1). Figure 1: classification des antennes multifonctions Pour la suite, on se focalisera sur le principe du partage d’ouverture rayonnante pour concevoir l’antenne multifonction. La possibilité d’utiliser la modulation directe pour générer un lien de communication discret sera également étudiée. Contrairement aux travaux de J. Euzière, on utilisera cette fois-ci une seule antenne. Généralement, pour les applications multifonctions, des antennes différentes sont considérées à l’émission et à la réception afin d’éviter que les différents signaux ne se perturbent. L’antenne proposée pour cette thèse fonctionnera uniquement en mode émission. II Multifaisceau Diversité Nombre de Modulation ports Directe Réseau de Patch Carré [5- chap.1] Non Polarisation 2 Non Réseau empilé de patch circulaire Oui Polarisation et 4 Non et résonateur à frequence anneau rectangulaire [19 - chap.1] Réseau de Oui Polarisation 2 Non Vivaldi [9 - chap.1] Réseau ALTSA Oui Non 4 Non [11 - chap.1] Guide à fentes [6 Oui Polarisation et 2 Non - chap.1] frequence Réseau de Oui Non 1 Oui Monopole [7 - chap.1] Tableau 1: Résumé des antennes multifonctions utilisant la technique du partage d’ouverture III 1.2. Validation expérimentale de l’antenne Multifonction 1.2.1. Principe de fonctionnement On rappelle que pour les besoins du radar, le système est composé d’un cornet standard alimenté par un guide d’onde et rayonnant un faisceau directif dans la direction x (cf. Figure 2). Le principe de la solution proposée est de prélever une faible quantité de l’énergie se propageant dans le guide avant qu’elle ne soit rayonnée par le cornet et de l’utiliser pour transmettre de l’information. Il faut noter que cette caractéristique additionnelle de communication ne doit pas perturber le fonctionnement du radar, c’est-à-dire pas de modifications dans lobe principal du cornet. De plus, le système doit être le plus simple possible afin de ne pas accroitre la complexité de l’ensemble. Figure 2: L’antenne cornet et son guide d’alimentation (w = 20.1 mm, w = 10.3 mm, w = 62.3 mm, h =73.8 mm, h = 68.6 a b l l b mm, h = 88.2 mm) a Pour ce faire, deux fentes seront réalisées dans la face supérieure du guide d’onde d’alimentation. Ainsi, en utilisant un mécanisme de commutation pour activer une des fentes à un instant t donné, une partie de l’énergie dans le guide sera rayonnée à travers la fente active, offrant ainsi un lien de communication dans la direction z. Comme on le verra, grâce au mécanisme de commutation (à base de diode PIN, HSMP-381Z) entre les fentes, une modulation de type BPSK sera générée dans la direction de communication. 1.2.2. Conception de l’antenne Comme il a été mentionné précédemment, on considère un cornet standard rayonnant un faisceau directif polarisé linéairement suivant l’axe z dans la direction ( = 90°;  = 0°), cf. Figure 2. Deux fentes identiques (de dimensions L = 29 mm et l = 1.5 mm placées à D = 12.5 mm du centre du guide d’onde, cf. Figure 3) sont réalisées dans la face supérieure du guide d’onde avec pour IV objectif de rayonner une fraction de l’énergie se propageant dans le guide dans la direction ( = 0° ;  = 0°). Étant donné que les fentes sont placées longitudinalement à l’axe du guide d’onde, le champ rayonné résultant est polarisé suivant l’axe y. Ceci implique que la fonction radar et la fonction communication seront réalisées dans des directions et polarisations orthogonales pour plus d’isolation entre les fonctions. De plus, les fentes étant placées de façon symétrique au centre du guide d’onde (cf. Figure 2), un déphasage de 180° du champ rayonné est obtenu à chaque fois que l’on commute entre les deux fentes [6 – chap. 2]. Ceci nous amène à définir deux configurations complémentaires pour notre étude (cf. Figure 3). La configuration 1 correspond au cas où la diode 1 est à l’état OFF (la fente 1 rayonne) et la diode 2 à l’état ON (la fente 2 ne rayonne pas). La configuration 2 n’est rien d’autre que l’inverse de la précédente. Figure 3: Configuration de l’antenne (L = 29 mm, l = 1.5 mm, D =12.5 mm, hp = 38.6 mm) 1.2.3. Résultats de mesures de l’antenne multifonction Figure 4: Prototype de l’antenne multifunction V