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Antennes & Signaux

L'équipe Antennes & Signaux mène des recherches sur de nouvelles architectures et des solutions technologiques pour adresser les fonctionnalités évoluées des systèmes antennaires (agilité, efficacité, …), dans les domaines des télécommunications, des radars et du spatial. Les travaux ont pour objectif d’apporter une alternative aux solutions conventionnelles, pour simplifier les architectures RF (topologies de réseaux à éléments parasites réactifs, multiplexage compressif,  systèmes à commande optique, …), en associant des solutions technologiques pour la recherche d’efficacité et permettre une montée en fréquence (co-conception front-end, matériaux spécifiques : VO2, ferroélectriques, céramiques).

Les recherches sont structurées autour de trois axes principaux :

Architectures pour les systèmes multiantennes

Pour les besoins des systèmes de télécommunications à formation de faisceaux, les antennes actuelles nécessitent un grand nombre d’éléments rayonnants, et par conséquent de formateurs de faisceaux très complexes, encombrants, et possédant des rendements réduits. Pour franchir ces verrous, l’équipe propose des architectures analogiques en rupture qui favorisent la stimulation et l’exploitation des couplages inter-éléments plutôt que leur minimisation. Dans ce cadre, des antennes à éléments parasites reconfigurables sont développées, proposant alors des antennes à nombre de voies RF réduites, à la frontière entre les réseaux classiques et les réseaux lacunaires. A cela s’ajoute la possibilité de gérer dynamiquement l’adaptation de l’antenne (gestion du TOS actif), ce qui laisse entrevoir des perspectives intéressantes pour la construction d’un front-end complet, en incluant les voies actives.

Schéma de principe d'une antenne à éléments parasites reconfigurable


Antenne à élément parasite reconfigurable avec exemple de diagramme sectoriel et adaptation - comparaison simulation/mesure

Une problématique similaire existe pour l'adressage multi-antennes dans le domaine de l’imagerie radar, dans le cas des applications de sécurité par exemple. Le challenge consiste à optimiser l’ouverture rayonnante, pour garantir un maximum de résolution, tout en réalisant un rafraîchissement temps réel. Les solutions actuelles peinent à concilier conjointement sensibilité, résolution, temps de traitement et compacité. Ces limitations sont liées à la nécessité d’adresser un grand nombre d’antennes. Pour répondre à cette problématique, un nouveau principe de répartiteur chaotique passif à retournement temporel a été développé, pour piloter un système multi-antennes par une unique forme d’onde transmise. Ces travaux précurseurs ont permis d’initier une nouvelle thématique de recherche au sein de l’équipe sur les multiplexeurs compressifs qui se positionne dans le domaine émergent des méthodes d’acquisition compressives appliquées aux microondes. Ces multiplexeurs réalisent un codage analogique des signaux reçus par un système antennaire sur une sortie unique. Le décodage numérique de la forme d’onde autorise autant de souplesse que les systèmes MIMO pour l’imagerie microonde, mais sur un nombre de voies restreint.

(a) Cavité surdimensionnée pour l’imagerie MIMO 1 shot, (b) Multiplexeurs chaotique planaire pour l’imagerie microondes, (c) Multiplexage multi-antennes par filtres SAW à codage de fréquences

Pour les applications d’imagerie nécessitant de fortes puissances transmises, d’autres voies sont explorées, avec la même volonté de simplifier l’architecture RF et minimiser le temps d’acquisition. Dans ce cas, l’utilisation de l’optoélectronique pour la conception de  dispositifs multi-sources de détection a permis l’élaboration d’un système radar dont l’originalité tient à sa rapidité et son autonomie de balayage obtenues par un mode de déclenchement des rayonnements parfaitement maîtrisé, à sa configuration de détection et à l’algorithme d’imagerie original associé. L’émetteur se compose d’une source laser, d’un répartiteur de puissance et n sources rayonnantes ultra large bande optoélectroniques dont la fréquence de récurrence varie d’une source à l’autre.

Antenne ULB intégrant un photo-commutateur pour radar à balayage

 

Méthodes de co-conception pour la synthèse de fonctions RF

Au-delà de la recherche de nouvelles architectures, l’optimisation des efficacités des antennes passe également par la mise en œuvre systématique de méthodes de co-conception pour intégrer les critères système. La finalité d’une approche de co-conception est de définir la meilleure façon d’appairer des fonctions. Les plans d’interface entre les fonctions constituent ainsi des degrés de liberté qui peuvent être utilisés pour libérer des contraintes lors d’une optimisation globale.  Au niveau des dispositifs antennaires la co-conception peut être appliquée au raccordement de fonctions de filtrage, de LNA ou d’amplificateurs de puissances. Mais elle peut également être envisagée de façon encore plus globale par la réalisation de fonctions distribuées associées à des antennes multi-éléments rayonnants dans le but de participer à la réalisation de diagrammes de rayonnements. Les exigences de miniaturisation des antennes et de montée en fréquence peuvent également être avantageusement servies par la co-conception en reportant les difficultés d’adaptation d’impédance sur l’optimisation des dispositifs à connecter. Cette approche est bien sûr rendue possible par la mise en commun de compétences croisées entre antennistes et concepteurs de circuits passifs et/ou actifs

Antenne ultra-compacte bande X pour une application sur plate-forme Cubesat réalisant un rayonnement quasi-isoflux en polarisation circulaire

 

Conception conjointe d'un réseau focal BIE pour application spatiale multifaisceaux en bande Ka (démonstrateur à 14 sources)

 

Antennes miniatures et développement de solutions reconfigurables à base de matériaux innovants

Un autre axe de recherche de l’équipe a pour objectif de développer de nouveaux matériaux, en collaboration avec l'équipe MINT,  permettant la réalisation et l’intégration de composants innovants offrant des propriétés optimisées au sein d’antennes dans des domaines fréquentiels allant de la RF au millimétrique (500 MHz à 64 GHz). Ces matériaux intelligents et fonctionnels exploitent l’agilité des matériaux ferroélectriques (dont la permittivité varie en fonction du champ qui leur est appliqué) et la capacité des matériaux à changement et à transition de phase de passer d’un état isolant à un état conducteur. L’état de l’art montre que les performances des dispositifs intégrés actuels sont limitées en termes d’efficacité de rayonnement, de bande passante, de sécurité et de débit. De plus, celles-ci sont particulièrement sensibles à leur environnement et leur contexte d’utilisation qui peuvent altérer leurs performances, faire varier leur rayonnement ou leur fréquence de fonctionnement. Il est donc indispensable de concevoir des antennes agiles qui sauront s’adapter aux conditions d’utilisation en étant par exemple capable de compenser des perturbations telles qu’un décalage de la fréquence de fonctionnement ou encore un diagramme de rayonnement altéré.

L’implémentation de composants reconfigurables (matériaux ferroélectriques) et de commutateurs faible consommation (matériaux à changement/transition de phase) permet d’améliorer drastiquement le fonctionnement des antennes à plusieurs niveaux :

- La fréquence de fonctionnement de l’antenne peut être réglée finement par l’utilisation de matériaux ferroélectriques et permet ainsi de compenser l’effet de l’environnement dans lequel est utilisée l’antenne.

- Le diagramme de rayonnement peut être modifié en agissant sur les commutateurs.

C’est le choix de cette approche interdisciplinaire allant du matériau au dispositif qui fait l’originalité de ces travaux.

Miniaturisation d'une antenne à 2.5 GHz en effectuant une co-conception filtre-antenne

 

Réalisation de capacités accordables à l'aide de matériaux ferroélectriques (à gauche) - Antenne millimétrique reconfigurable en fréquence par l’utilisation d’un matériau à transition de phase (VO2)