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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUP

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Université de Batna ﺗ ﺎ ﺑ ﺔ ﻌ ـ ـ ﻣ ﺎ ﺟ ﺗ ﺎ ﺑ ﺔ ﻌ ـ ـ ﻣ ﺎ ﺟ ﺗ ﺎ ﺑ ﺔ ﻌ ـ ـ ﻣ ﺎ ﺟ ﺗ ﺎ ﺑ ﺔ ﻌ ـ ـ ﻣ ﺎ ﺟ ـ ـ ـ ـ ﺔ ـ ـ ـ ﻨ ﺔ ـ ـ ـ ﻨ ﺔ ـ ـ ـ ﻨ ﺔ ـ ـ ـ ﻨ Faculté Des Sciences de l’Ingénieurﻴ ﻠ ﻛ ﻴ ﻠ ﻛ ﻴ ﻠ ﻛ ﻴ ﻠ ﻛـ ـ ـ ـ ـ ـ ـ ـ ﺔ ـ ـ ﺳ ﺪ ﻨ ﻬ ﻟ ﺍ ﺔ ﺔ ـ ـ ﺳ ﺪ ﻨ ﻬ ﻟ ﺍ ﺔ ﺔ ـ ـ ﺳ ﺪ ﻨ ﻬ ﻟ ﺍ ﺔ ﺔ ـ ـ ﺳ ﺪ ﻨ ﻬ ﻟ ﺍ ﺔ Département d’Electroniqueﺴ ﻗ ﺴ ﻗ ﺴ ﻗ ﺴ ﻗـ ـ ـ ـ ـ ـ ـ ـ ﻧ ﻭ ﺮ ﺘ ﻟﻜ ﻻ ﺍ ﻢ ﻧ ﻭ ﺮ ﺘ ﻟﻜ ﻻ ﺍ ﻢ ﻧ ﻭ ﺮ ﺘ ﻟﻜ ﻻ ﺍ ﻢ ﻧ ﻭ ﺮ ﺘ ﻟﻜ ﻻ ﺍ ﻢ ـ ـ ـ ـ ﻴﻚ ﻴﻚ ﻴﻚ ﻴﻚ MÉMOIRE Présenté en vue de l’obtention du diplôme de Magister en Electronique OPTION Micro-ondes pour Télécommunication Par Mourad HASSAD THEME Soutenance le 17 juin 2009 devant le jury composé de Président : Mr. Djamel BENATIA Prof. U. Batna Rapporteur : Mr. Tarek FORTAKI M.C. U. Batna Examinateurs : Mr. Djemai ARAR M.C. U. Batna Mr. Abdelkader DJELLOUL M.C. U. Khenchela Mr. Abderraouf MESSAI M.C. U. Constantine MODÉLISATION D'UNE ANTENNE PATCH RÉALISÉE SUR UN SUBSTRAT À TENSEURS DE PERMITTIVITÉ ET DE PERMÉABILITÉ DIAGONAUX Remerciements J’exprime ma profonde gratitude à mon encadreur Dr. Tarek FORTAKI, Maître de conférence à l’Université de BATNA, pour m’avoir accueilli au sein de son équipe et pour avoir dirigé ce travail de thèse avec autant de dévouement. Je le remercie très sincèrement pour la qualité de ses conseils, sa disponibilité, sa patience et son aide tout au long de ma thèse. Mes vifs remerciements à monsieur Djamel BENATIA Professeur à l’université de BATNA pour avoir accepté de présider mon jury, et Je le remercie pour son aide fraternel, et ces encouragements incessants. J’adresse mes plus sincères remerciements aux membres de jury : à monsieur Djemai ARAR maître de conférence à l’université de BATNA, monsieur Abdelkader DJELLOUL maître de conférence à l’université de KHENCHELA, et à monsieur Abderraouf MESSAI maître de conférence à l’université de CONSTANTINE pour avoir accepté d’être membres en dépit de la distance et de leurs obligations. Je tiens à remercier particulièrement tout le personnel de département de l’électronique pour leur gentillesse et leur disponibilité. Mes remerciements vont également à tous les enseignants et les responsables de notre Institut, qui ont veillent sur notre formation. Enfin, nous exprimons notre remerciement à tous ceux qui ont contribué de prés ou de loin à l’élaboration de ce travail. SOMMAIRE INTRODUCTION GENERALE----------------------------------------------------------------------------------------------2 CHAPITRE I GENERALITES SUR LES ANTENNES MICRO-RUBANS I.1. INTRODUCTION------------------------------------------------------------------------------------------------------------5 I.1.2. Définition et généralité sur les antennes-------------------------------------------------------------------------------5 I.2 CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES----------------------------------------------------------------------------------6 I.2.1. Impédance d’entrée de l’antenne----------------------------------------------------------------------------------------6 I.2.2. Coefficient de réflexion et R.O.S----------------------------------------------------------------------------------------6 I.3 LES ANTENNES PLAQUEES----------------------------------------------------------------------------------------------7 I.3.1. Définitions des antennes plaquées--------------------------------------------------------------------------------------7 I.3.2. Caractéristiques des antennes miniatures-----------------------------------------------------------------------------8 I.4. EXEMPLES------------------------------------------------------------------------------------------------------------------9 I.4.1. Dipôle imprimé------------------------------------------------------------------------------------------------------------9 I.4.2. Antenne imprimée sur substrat diélectrique -------------------------------------------------------------------------10 I.5. LES MODELES------------------------------------------------------------------------------------------------------------12 I.5.1. Modèle avec ouvertures-------------------------------------------------------------------------------------------------12 I.5.2. Modèle en cavité simple-------------------------------------------------------------------------------------------------12 I.6. RECAPITULATION ET LIMITATION DES ANTENNES ETUDIEES---------------------------------------------13 I.7. ANALYSE DE L’ALIMENTATION D’UN PATCH--------------------------------------------------------------------14 I.7.1. Influence de l’épaisseur du substrat h sur la bande passante-----------------------------------------------------16 I.7.2. Influence de l’épaisseur du substrat sur la fréquence de résonance---------------------------------------------17 I.8. AVANTAGES ET LIMITATIONS DES ANTENNES PATCH--------------------------------------------------------17 I.9. CONCLUSION-------------------------------------------------------------------------------------------------------------18 CHAPITRE II FORMULATION THEORIQUE DU PROBLEME II.1. INTRODUCTION---------------------------------------------------------------------------------------------------------20 II.2. FORMULATION THEORIQUE DU PROBLEME DE LA FONCTION DE GREEN---------------------------20 II.2.1. Transformées vectorielles de Fourier : -----------------------------------------------------------------------------21 II.2.2. Equations de propagations du champ électrique Ez et magnétique Hz -----------------------------------------22 II.3. LA REPRESENTATION [TM(e), TE (h)] DU TENSEUR SPECTRAL DE GREEN-----------------------------26 II.4. DETERMINATION DU TENSEUR DE GREEN POUR LA STRUCTURE ETUDIEE--------------------------29 II.5. FORMULATION DES PARAMETRES CARACTERISTIQUES DE L'ANTENNE------------------------------33 II.5.1. Equation intégrale du champ électrique----------------------------------------------------------------------------33 III.5.2. Résolution de l'équation intégrale par la procédure de Galerkin-----------------------------------------------33 II.5.3. Calcul de la fréquence de résonance et la bande passante-------------------------------------------------------35 II.6. CHOIX DES FONCTIONS DE BASE----------------------------------------------------------------------------------35 II.6.1. Détermination de la transformer de Fourier des fonctions de base---------------------------------------------37 II.7. Conclusion-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------38 CHAPITRE III DISCUSSION DES RESULTATS NUMERIQUES III.1. INTRODUCTION--------------------------------------------------------------------------------------------------------40 III.2. INTEGRATION DES ELEMENTS DE LA MATRICE IMPEDANCE---------------------------------------------40 III.3. COMPARAISON DES RESULTATS NUMERIQUES AVEC LA LITTEERATURE----------------------------41 III.4.L’ EFFET DES PARAMETRES PHYSIQUE DE L’ANTENNE SUR----------------------------------------------44 LA FREQUENCE DE RESONANCE COMPLEXE ET LA BANDE PASSANTE III.4.1. L’effet de l’épaisseur d’un substrat isotrope-----------------------------------------------------------------------44 III.4.2. L’effet de la permittivité d’un substrat isotrope-------------------------------------------------------------------46 III.4.3. L’effet de la perméabilité d’un substrat isotrope------------------------------------------------------------------48 III.5. RESULTATS D’UNE ANTENNE A ANISOTROPIE UNIAXIALE------------------------------------------------50 III.5.1 Variation de la fréquence de résonance en fonction de εx et εz---------------------------------------------------50 III.5.2 Variation de la fréquence de résonance en fonction de µx et µz--------------------------------------------------54 III.6. EFFET DE L’ANISOTROPIE UNIAXIALE--------------------------------------------------------------------------58 III.6.1 L’effet de l’anisotropie électrique------------------------------------------------------------------------------------58 III.6.2 L’effet de l’anisotropie magnétique----------------------------------------------------------------------------------60 III.7. EXPLICATION PHYSIQUE DES RESULTATS OBTENUS-------------------------------------------------------62 III.8. La forme simplifiée de la fréquence de résonance pour une épaisseur mince du substrat---------------------63 III.9. CONCLUSION-----------------------------------------------------------------------------------------------------------64 CONCLUSION GENERALE------------------------------------------------------------------------------------------------66 BIBLIOGRAPHIE REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUE---------------------------------------------------------------------------------------69 ANNEXE ANNEXE A-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------76 INTRODUCTION GENERALE INTRODUCTION GENERALE 2 INTRODUCTION GENERALE La démocratisation des systèmes électroniques (informatique, multimédia,...) a engendré ces dernières années, pour des raisons d’encombrement et de coût, une course à la miniaturisation qui s’est traduite notamment par de très grands progrès dans la taille des transistors. Les systèmes de télécommunications n’échappent pas à ce phénomène. Cela a donné naissance à ce que l’on appelle la technologie MMIC (Circuit Intégré Monolithique Micro-onde). En particulier, en raison de l’essor de la téléphonie mobile, Ces composants passifs permettent notamment de différencier et de sélectionner les ondes reçues et émises par les systèmes de télécommunications. Les applications se situent dans les systèmes embarqués dans les avions, qui nécessitent d’excellentes communications. Il est tout à fait envisageable de reproduire, sous forme intégrée, le comportement hyperfréquence de tels composants micro-ondes. Plusieurs études ont déjà été réalisées sur les antennes à base de substrat anisotrope. Les chercheurs poursuivent, depuis plusieurs années, des recherches visant à la réalisation sous forme de couches, Pour ce faire, ils disposent en effet de plusieurs dispositifs de dépôt, la pulvérisation cathodique, la co-évaporation au canon à électrons et l’ablation laser. Il a été montré que le paramètre le plus sensible lors de l’estimation des performances d’une antenne microbande est la constante diélectrique du substrat. Cependant, beaucoup de substrats pratiques utilisés dans les structures microbandes exhibent un taux significatif d’anisotropie, spécialement l’anisotropie uniaxiale électrique et magnétique. Parmi ces substrats pratiques nous citons le saphir, l’Epsilam-10 et la Nitrure de Bore. Cette anisotropie affecte les performances des antennes imprimées, et donc une caractérisation et conception précises de ces dernières doivent tenir compte de cet effet. Dans ce travail, les effets de l’anisotropie uniaxiale électrique et magnétique sur la fréquence de résonance, la bande passante et le facteur de qualité sont étudiés. Au meilleur de notre connaissance ce sujet n’a pas été traité au paravent dans la littérature ouverte ; uniquement l’effet de l’anisotropie uniaxiale électrique à été reporté par [1], [2], [3], [4] et [5]. Le premier chapitre dressera donc un état de l’art des antennes imprimées. Nous présenterons la définition et les paramètres électriques des antennes micro-bande. Les contraintes imposées par les caractéristiques de l’antenne en terme de taille et de performances, nous ont conduit à une étude paramétrique. En effet, nous avons examiné dans ce chapitre, l’influence d’un substrat diélectrique sur la fréquence de résonance, et la hauteur du substrat sur la bande passante (déjà connue dans la littérature ouverte). Le rôle de INTRODUCTION GENERALE 3 l’excitation est aussi évoqué, nous avons présenté les avantages et les inconvénients des différents types d’alimentation. Dans le deuxième chapitre, le problème de la fréquence de résonance est formulé sous formes d’une équation intégrale via les transformées vectorielles de Fourier. Dans le domaine spectral et en utilisant ces transformées, une nouvelle technique est proposée pour le calcul du tenseur de Green, on montre par la même occasion que pour un substrat à anisotropie uniaxiale ce tenseur est toujours diagonal en représentation TM, TE. La méthode des moments/procédure de Galerkin est utilisée pour discrétiser l’équation intégrale pour la ramener à un système linéaire d’équations algébriques. Une solution non triviale de ce système donne la fréquence de résonance. Cette fréquence est complexe due aux pertes par rayonnement. À ce moment, La bande passante et le facteur de qualité sont aisément calculés. Le troisième chapitre est consacré à la discussion des résultats obtenus. Nous avons tout d’abord réalisé des études de calculs numériques et nous avons poursuivi en confrontant nos résultats avec les données expérimentales et théoriques disponibles dans la littérature. L’influence de l’épaisseur, la permittivité, et de la perméabilité du substrat sur la fréquence de résonance et la bande passante est discuté. Enfin, nous discutons en détails les effets de l’anisotropie uniaxiale électrique et magnétique dans le substrat sur la fréquence d’opération de l’antenne, ainsi que sur la bande uploads/Geographie/inj-hassad-mourad.pdf