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Mémoire présenté en vue de l’obtention du titre de MAGISTER En Génie électrique

Mémoire présenté en vue de l’obtention du titre de MAGISTER En Génie électrique Option : Signaux et Communications ETUDE ET CARACTERISATION D’ANTENNES IMPRIMEES POUR SYSTEME ULTRA-LARGE BANDE Présenté par : Soltane Samia Soutenu publiquement le 17/11/2015 Devant le jury composé de : Président : SBAA Salim M.C.A. Université de Biskra Rapporteur : BENAKCHA Abdelhamid M.C.A. Université de Biskra Examinateur : BOUMEHRAZ Mohammed Professeur Université de Biskra Examinateur : ABDOU Latifa M.C.A. Université de Biskra الجوهىريت الجسائريت الديوقراطيت الشعبيت République Algérienne Démocratique et Populaire وزارة التعلين العالي و البحث العلوي Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université Mohamed Khider – Biskra Faculté des Sciences et de la technologie Département : Génie électrique Ref :……………… جاهعت هحود خيضر بسكرة كليت العلىم و التكنىلىجيا قسن الهندست الكهربا ئيت :الورجع…………… i REMERCIEMENTS Tout d’abord, je tiens à remercier « DIEU » le Tout Puissant de m’avoir donné le courage, la volonté, la force et la patience pour mener ce travail. Je remercie, ensuite, Dr. BENAKCHA Abdelhamid, maître de conférences à l'Université Mohammed Khider –Biskra, qui a dirigé ce travail. Je le remercie pour m’avoir proposé ce sujet, pour m’avoir fait bénéficier de ses compétences scientifiques et sa constante disponibilité. Je remercie également les membres du jury qui ont accepté de juger mon travail :  Dr. SBAA Salim, maître de conférences à l'Université Mohammed Khider –Biskra,  Dr. BOUMEHRAZ Mohammed, Professeur à l'Université Mohammed Khider – Biskra,  Dr. ABDOU Latifa, maître de conférences à l'Université Mohammed Khider – Biskra, Mes remerciements vont également à tous les membres de ma famille qui n’ont cessé de m’aider et m’encourager. Je tien à remercier toute personne qui a contribué de près ou de loin à l'aboutissement de ce travail. Finalement, je remercie toute la communauté scientifique. ii Résumé L’objectif de ce mémoire est de présenter d'une façon non exhaustive la technologie ULB et les performances des antennes imprimées utilisées par cette technologie, fonctionnant sur plusieurs Gigahertz tout en répondant aux contraintes spécifiques des applications grand public. Dans ce mémoire, on s'est intéressé à la caractérisation des antennes imprimées à travers la détermination de leurs paramètres hyperfréquences (fréquence de résonance, bande passante, diagramme de rayonnement, gain, etc..) à l'aide du logiciel de simulation électromagnétique HFSS. L’analyse par le logiciel est basée sur la méthode des éléments finis. Les résultats de simulation numérique obtenus concernent le champ électrique, la densité de courant, le coefficient de réflexion, le diagramme de rayonnement. Ils sont en général en bon accord avec ceux trouvés dans la littérature. Mots clés : ULB, Antennes imprimées, Caractérisation micro ondes, matériaux, HFSS. Abstract The objective of this memory is to present in a no exhaustive way UWB technology and the performances of the printed antennas used by this technology, functioning on several Gigahertz while answering the specific constraints of the general public applications. In this memory, we where interested in the characterizations of the antennas printed through the determination of their parameters ultra high frequencies (frequency of resonance, band- width, diagram of radiation, profit, etc.) using the electromagnetic software of simulation HFSS. The analysis by the software is based on the finite element method. They got results of digital simulation relate to the electric field, the density of current, the coefficient of reflection, the diagram of radiation. They are in general in concord with those found in the literature. Keywords: UWB, printed Antennas, waves micro Characterization, materials, HFSS. الملخص ٍنهذف ي هذِ انًذكزة هى تقذٌى تكُىنىجٍاUWB غٍز حصزٌت وأداء انهىائٍاث انًطبىعت انتً تستخذيها هذِ انتكُىنىجٍا، انتً تعًم عهى جٍجاهٍزتز يتعذدة يع تهبٍت يتطهباث يحذدة يٍ انتطبٍقاث االستهالكٍت. ، فً هذِ انًذكزة اهتًًُا ب ىصف انهىائٍاث انًطبىعت انتً َشٍز إنٍها بخصائصٌفً يٍذا ،ٍٍَانًٍكزووٌف (تزدد انز عزض ,)انُطاق انتزددي، ويخطط اإلشعاع وانزبح، انخ ًعهى أساس انبزَايج انكهزويغُاطٍسHFSS انذي ٌعتًذ عهى انعُاصز انًحذودة. وٌستُذ هذا انتحهٍم عهى طزٌقت انعُاصز انًحذودة. ،ًَتائج انزقًٍت و انتشخٍص انتً ًٌكٍ انحصىل عهٍها تتعهق بانحقم انكهزبائ وكثافت انتٍار، ويعايم االَعكاس، ويخطط اإلشعاع، باستخذا و بزَايجHFSS . الكلمات المفتاحية: ULB ، ،انهىائٍاث انًطبىعت تشخٍص فً يٍذاٌ انًٍكزووٌف ، ،انًىادHFSS Liste des abréviations iii LISTE DES ABREVIATIONS 2D et 3D: Deux et trois dimensions. α : Coefficient d’atténuation. : Constante de propagation. ζ : Conductivité. BP : Bande Passante. BPSK: Bi-Phase Shift Keying. β : Constante de phase. ⃗ ⃗ : Induction magnétique. C : Condensateur. CEPT : European Conférence of Postal and Télécommunications Administration. DSP : Densité spectrale de puissance. DAA : Detect Avoid Technology. ⃗ ⃗ : Champ d’induction électrique. ECC : Electronic Communication Committee. ETSI : European Technical Standard Institute. ⃗ : Champ électrique. εr : permittivité relative. ε : Permittivité diélectrique. FCC : Federal Communications Commission. fh : les fréquences limites hautes. fl : les fréquences limites basses du spectre de signal. Liste des abréviations iv fc : Fréquence de coupure. FDTD: Finite difference Time Domain method. FEM: Finite Element Method. fr : Fréquence de résonance. GPR : Ground Penetrating Radar en Anglais ou Radar à pénétration de surface. G : Conductance. HFSS: High Frequency Structure Simulator. HDTV : haute définition des télévisions. h : Epaisseur du substrat. ⃗⃗ : Champ magnétique. IR : I’impulse Radio. IDA : Infcom Development Authority. IEEE : Institut pour les ingénieurs électriques et électroniques. LPD: faible probabilité de détection. LPI: faible probabilité d’interception. L : Longueur λ: Longueur d'onde. Leff : Longueur effective. MIC : Ministry of international affairs and communications. MBOA: Multi Band OFDM Alliance. MOM: Method Of Moment. µ : Perméabilité magnétique. µ0 : Perméabilité magnétique du vide. µr: Perméabilité relative. OOK: On Off Keying. Liste des abréviations v PIRE1 : Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente. PPM : Pulse Position Modulation. PAM : Pulse Amplitude Modulation. Pr : Puissance rayonnée. Pf : Puissance fournie. Q : Facteur de qualité. Qs : Densité de charges surfaciques. RF : Radio Frequency. RFID: Identification Radio Fréquence. R : Résistance. ROS : Rapport d’ondes stationnaires. S11 : Coefficient de réflexion. TH : Time Hopping Codes. tan(δ): Tangente des pertes. Γ : Coefficient de réflexion. TEM : Transverse électromagnétique. TE : Transverse électrique. TM : Transverse magnétique. VCO : Voltage Control Oscillator. VSWR: Voltage Standing Wave Ratio. La pulsation de résonance. W : Largeur. WLAN: Wireless Local Area Network. Liste des illustrations vi LISTE DES ILLUSTRATIONS N° de figure Titre N°de page I.1 Comparaison en temporel et fréquentiel d'un signal à bande étroite et d'un signal ULB. 07 I.2 Comparaison entre la DSP d'un signal à bande étroite et d'un signal ULB. 07 I.3 Masque d’émission autorisé par la FCC en 2002. 09 I.4 Masque d’émission en Europe. 10 I.5 Masque d’émission en Asie. 11 I.6 Propagation par trajets multiples. 14 I.7 Impulsions de forme Gaussienne, leurs dérivées et leurs spectres fréquentiels. 16 I.8 Illustration de bits "0" et "1" avec une modulation PPM. 18 I.9 Illustration de bits "0" et "1" avec une modulation PAM. 18 I.10 Illustration de bits "0" et "1" avec une modulation BPSK. 19 I.11 Différentes applications de l'Ultra Large Bande. 20 I.12 Capacité de débit en fonction de la portée de plusieurs technologies existantes. 21 I.13 Illustration montrant les domaines dans lesquels l'ULB apporte des solutions intéressantes. 22 I.14 Domaines d'applications quotidiennes envisagées avec la technologie ULB. 23 I.15 Routeur intégrant la technologie ULB de chez BELKIN. 24 I.16 Exemple de produit sous forme de clé USB avec l'intégration de la technologie ULB. 24 I.17 Illustration montrant le mode de fonctionnement des différents produits (applications) ULB de WISAIR. 25 I.18 Illustration montrant la puce ScenSor. 25 II.1 Présentation d’une antenne imprimée. 28 Liste des illustrations vii II.2 Diverses géométries du conducteur métallique. 29 II.3 Schéma équivalent du dispositif à l’émission. 33 II.4 Patch alimenté par ligne micro ruban à travers un bord rayonnant. 36 II.5 Patch alimenté par ligne micro ruban à travers un bord non rayonnant. 36 II.6 Patch couplé capacitivement à ligne micro ruban. 36 II.7 Antenne micro ruban alimenté par câble coaxial. 37 II.8 Alimentation couplée par ouverture 38 II.9 Alimentation couplée par proximité. 38 II.10 antenne patch (a) La géométrie d’une antenne patch alimentée par une sonde coaxiale (b) Circuit équivalent rectangulaire. 41 II.11 Exemple de diagramme de rayonnement d’antenne. 46 II.12 Fréquence de résonance pour W =3.07 cm, L=2.32 cm, . 47 II.13 Longueur effective pour L=23.2 mm, f0=2.1, rmax=9.8et min=2.45. 47 II.14 Variation de largeur du Patch pour L=23.2 mm, f0=2.1, rmax=9.8et rmin=2.45. 48 II.15 Modèle de la cavité. 49 II.16 Circuit équivalent idéal d’un résonateur. 49 II.17 Représentation de la cavité dans un repère (O,x,y,z). 50 III.1 Cavité de forme parallélépipédique 58 III.2 Cavité de forme parallélépipédique simulée par HFSS 59 III.3 Excitation d’une cavité résonante en guide d'onde rectangulaire par HFSS. 61 III.4 Schéma du principe de la méthode de mesure en espace libre 62 III.5 Exemple d’un échantillon planaire. 62 III.6 Configuration de la sonde coaxiale 66 III.7 Schéma électrique équivalent. 66 III.8 Répartition de champs E de ligne coaxiale pour la caractérisation large bande par simulation HFSS. 67 III.9 Guide d’ondes chargé 68 III.10 Différents types et configurations de structures de lignes de transmission. 70 Liste des illustrations viii III.11 Configuration uploads/Litterature/magister-en-genie-electrique.pdf