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HDR19 juin 2007

Contribution à la recherche d’un système antennaire pour la radio logicielle

Habilitation à Diriger les Recherches

Xavier Begaud

Groupe RFM – Département COMELEC

GET– Telecom Paris, CNRS UMR 5141

46 rue Barrault 75634 Paris Cedex 13 – France

Mon parcoursThèse & ATER

1996-1998Univ. Rennes 1

1998: création d’un poste de Maître de Conférences à l’ENST dans la spécialité Antennes HDR

Antennes & réseaux

Large bandeBipolarisation

Prog.OTANFurtivité

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

Antennes & réseaux:Mise en place d’outils Couplage - CEM

Matériaux BIE

Sondage de canalThèse A. Kazemipour

Thèse A.C. Lepage

Thèse L. Schreider

Thèse H. GhannoumThèse M. Vahdani

Thèse V.Y. Vu

Thèse K.Mabrouk

Thèse A.Hajar

Plan de la présentation

1. Introduction

2. Synthèse des activités de recherches

Conception d’antenne à très large bande passante et àdouble polarisation

Conception de systèmes antennaires pour applications large bande et pour la mesure du canal de transmission

3. Activités d’enseignement, d’encadrement & d’animation de la recherche

4. Perspectives de recherche

L’évolution

Services télécoms& Multimédia dédiés

Convergence des services & ubiquité d’accès

Antennes dédiées Aujourd’hui

Services universels,complexes & agrégés

Radio logicielle

Plateformespropriétaires

PlateformesInteropérables & ouvertes

Plateformescoopératives

Antennesmultiples

multimode

Terminal VirtuelAdaptation dynamiquedes contenus et interactivité

MultimédiaVoix & messagerie

Antennes et réseaux

« intelligents »

Après demain

Demain

Système antennaire pour la radio logicielle

Contraintes :

Disponibilité spectrale

Adéquation à l’environnement

Agilité

Discrétion

Besoins :

Antennes large bande / multibandes

Antennes à double polarisation

Antennes/ réseaux d’antennes reconfigurables

Antennes compactes

Fil conducteur (plus ou moins bon )

Du point de vue du concepteur d’antennes:

De l’antenne vers le réseau d’antennes

Du point de vue de l’application:

ULB, Radar, CEM, Sondage de canal

Du point de vue de la méthode:

Mise en place d’outils, de méthodes, prise en compte de l’environnement…

⇒ Convergence vers le système antennaire pour la radio logicielle

Positionnement et stratégieConstat : la majorité des travaux de recherche traitent de la conception d’antennes omnidirectionnelles.

Essayer de devenir un spécialiste dans un domaine très pointu et, si possible peu commun (« l’ approche suisse »1).

Antennes et réseaux d’antennes directives très large bande et multipolarisation

Activités groupe RFM: autour du 5 ports, nouvelles activités.

Masse critique: contrats de collaboration avec l’ENSTA et l’IETR.

1. J. Mosig lors de la réunion générale "Interférences d'Ondes" du GDR ONDES 21-23 novembre 2005 à la maison de l'économie de Besançon.

Synthèse des activités de recherches

Conception d’antenne à très large bande passante et à double polarisation

Pour des applications Ultra Large Bande

Pour des applications Radar

Analyse et prise en compte des couplages dans les réseaux d’antennes

Réseau d’antennes pour la mesure du canal de transmission

Antenne à très large bande passante et à double polarisationSystèmes antennaires pour applications large bande et mesure du canal de transmission

Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement

& d’animation de la recherchePerspectives de recherche

Pour des applications Ultra Large BandeContexte : Recommandation FCC 2002 (USA)

-41.3 dBm/MHz

3.1 GHz 10.6 GHz

ETSI Indoor LimitFCC Indoor Limit

Deux types d’approches : Impulsionnelle vs frequentielle (2003)

Antenne à très large bande passante et àdouble polarisationSystèmes antennaires pour applications large bande et mesure du canal de transmission

- 10 -

Applications :

Etudes:

- Antenne compacte

(BP: octave)

- Antenne pour le

test de plateformes

- Antenne en présence du corps (BAN)

- Antenne à double polarisation

- 11 -

Antennes compactes

Plan de masse

Sonde en F

Connecteur SMA

Problématique: compromis encombrement / gain / bande passante (3-6 GHz)

Contrat dans le cadre du FP5 Ultrawaves (Wisair, Philips, RadioLabs, ENSTA, University of Oulu and University of Chalmers) 2002-2005

Choix de l’antenne sonde en F + rectangle - compacité- alimentation coaxiale- plan de masse

antenne directive isolation des circuits

- bande passante très large

Elément rayonnant

- 12 -

Antennes compactes

4.5 GHz 8.0 GHz

4.5 GHz 8 GHz

Problème de la stabilité en fréquence du diagramme de rayonnement

Explication par l’étude des courants sur le patch

Excitation successive de 2 modes du rectangle

Instabilité en fréquence du diagramme de rayonnement

- 13 -

Antennes compactes

Pour améliorer la stabilité du diagramme en fréquence :

patch rectangulaire patch triangulaire isocèle

Puis, redimensionnement et optimisation dans la bande (3-6GHz)

Caractérisation temporelle et fréquentielle

3.2 GHz 5.0 GHz

- 14 -

Antennes compactes

Campagne de mesure ENSTA

Pour améliorer la stabilité du diagramme en fréquence :

patch rectangulaire patch triangulaire isocèle

Puis, redimensionnement et optimisation dans la bande (3-6GHz)

Caractérisation temporelle et fréquentielle

Techno IETRStantec

Thèse Anne Claire Lepage 2002-2005Co-direction A. Sharaiha

- 15 -

Antennes pour plateforme

Problématique: construction d’une plate-forme modulaire => support de test et démonstrateur

Plate-forme UWB : contrat incitatif GET (INT, ENST) 2003 (Impulsionnel 3-6 Ghz)

UWB DOMO : contrat incitatif GET (EURECOM, ENST Br, INT, ENST) 2004 (multibande Impulsionnel 3-10.6 Ghz)

Débits: 10Mb/s/bande

- Durée de conception réduite

- Faible coût

- Possibilité d’intégration de module avec l’antenne

P. E. Lys stage de DEA 2004

- 16 -

Antenne BANEtude conjointe antenne/canal pour des commu-nications ULB en présence du corps humain:

- Dépendance fréquentielle de l’interaction antenne/corps

- Mécanisme de propagation dominant sur le corps : diffraction

- Modèle statistique de la distribution d’atténuation: distribution lognormale

Thèse Hassan Ghannoum 2003-2006 (A. Sibille / C. Roblin / X. Begaud)

- 17 -

Antenne à double polarisation

Conception d’antenne ultra large bande compacte et bipolarisation

Système d’alimentation compact

Système d’alimentation

coplanaire

Intégration avec BIE

Thèse M. Vahdani 2004-2007

- 18 -

- 19 -

Pour des applications Radar|Γ| < -10dB

Rayonnement stableContexte: antennes large bande ≈ 10:1

- Intégration sur avion Réduire l’épaisseur

Rayonnement «unidirectionnel »

- Bonne isolation entre avion et antennes

Solutions classiques: antennes spirales ou sinueuses chargées par cavité absorbante

Inconvénients : 1) Perte de 3dB sur le rayonnement

2) Épaisseur

3) Dispersion des caractéristiques des matériaux absorbants

- 20 -

Réflecteur large bande & BIE

Bande passante limitée à l’octave et solution encombrante

Gain élevé, faible encombrement, mais

bande passante limitée

Modèle

« Approche japonaise »Réflecteur à large BIE

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Matériaux BIE chargésDispositif permettant de remplacer les matériaux absorbants

⇒ Réduction de l’épaisseur et du poids des structures, reproductibilité

Réalisation d’antenne à très large bande passante (>16:1) et de très faible épaisseur (λmax/200)

⇒ Intégration d’antennes à 100MHz possible!

Thèse Ludovic Schreider 2003-2006 Cifre Thales Aerospace Division

Brevet et prix de la thèse

h=15mm Antennes conformes

Bande 100MHz-1GHz

- 22 -

- 23 -

Analyse et prise en compte des couplagesObjectif:

Obtention rapide d’une information précise sur le couplage entre antennes.

Méthode:

Connaissance des distributions de courants sur l’antenne (filaire, imprimée ou 3D)

=> modèle analytique de l’impédance mutuelle et du couplage.

Applications:

Calcul du facteur d’antenne pour une application CEM (Étude ENST/ LNE Laboratoire National d’Essais)

Thèse Alireza Kazemipour 2000-2003

- 24 -

Analyse et prise en compte des couplages

Mesure et calcul du facteur d’antenne :

- E est le champ électrique reçu par le dipôle,

- VR est la tension récupérée à l’entrée du dipôle,

- θ est l’angle entre le dipôle et la direction d’incidence de l’onde reçue.

RVEAF =)(θ

Transmitter

Receiver

h1:fixe h2:variable

ground plane

• Outils et résultats:- Modèle analytique- Modèle numérique

(NEC2)Prise en compte des balunsRéalisations des antennes couvrant 30 MHz – 2 GHz

- 25 -

Analyse et prise en compte des couplagesExtension aux antennes imprimées rectangulaires

Extension aux réseaux d’antennes à large bande et à double polarisation

Méthode approchée du calcul

du diagramme de rayonnement

(même fortement couplés)

- 26 -

- 27 -

Problématique: connaissance du canal de transmission

Nouvelle activité RFM

Originalité : mesures simultanées sur plusieurs capteurs àl’aide du réflectomètre 5 ports

Sondeur de canal mono-capteur:

Indoor

Fréquentiel

BP: 400 MHz

autour 2.4 GHz

- 28 -

Antenne du sondeur de canal mono-capteur:

Caractéristiques du sondeur:

mesures des retards de propagation de trajets multiples. (estimés par IFFT classique et MUSIC + algorithme lissage spatial pour dé-corréler les signaux cohérents)

- 29 -

Sondeur de canal multi-capteurs:

Estimation des

DDAs Azimuth (2)°

Estimation conjointe

DDAs et retards (MUSIC 2D associé

au lissage spatial 2D):

Possibilité d’ estimer un nbre de

sources > au nbre d’antennes !

- 30 -

Sondeur de canal multi-capteurs:Mesure des directions d’arrivée dans le plan azimutal et le plan

d’élévation (2)°

Calibrage:

- Précalibrage du 5-ports

- Longueurs de câble (mesure

des réponses impuls.)

- Effet des antennes

Perspectives : polarisation, MIMO et ULB (3 thèses en cours)

Thèse Van Yem Vu 2003-2006

- 31 -

Antennesdédiées

Aujourd’hui DemainULBRadar

SondeurDouble Polar

Couplage & Beamforming

Antennesmultiples

multimodeMIMO

Antennes et réseaux

intelligents

ThématiquesConception conjointe & Co-design

canal et circuitsEnvironnement

NIntégration

Matériaux

Réseau

Antenne Après demain

Evolution

Plateformescoopératives

PlateformesInteropérables & ouvertes

Plateformespropriétaires

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Activités d’enseignementA l’Université de Rennes I: Vacations (1995) et ATER (1996-1997)

A l’ENST (environs 200 h par année):

Dans les trois années du cycle ingénieur : cours, travaux dirigés et travaux pratiques sur la propagation, les antennes et les circuits hyperfréquences. Coordination d’un module.

En Master M2 : (Electronique et systèmes de télécommunications): cours et travaux dirigés sur les antennes et la propagation.

En formation continue : coordination et animation (conception d’antenne et sur l’Ultra Large Bande). Interventions: interface radiofréquence et radio logicielle.

Encadrement des stages, thèses professionnelles et mémoires de fin d'étude.

- 33 -

Activités d’encadrement de recherche

Encadrements

5 thèses soutenues, 3 thèses en cours, 12 stages de DEA/Masters

Publications

Environs 70 publications dont : 10 revues internationales, 2 revues nationales, 36 conférences internationales avec actes.

3 brevets.

Contrats de recherche (Thales, LNE, Ultrawaves, PSA, …)

Responsabilité de 6 contrats de recherche

Participation à une dizaine de contrats de recherche

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Activités d’animation de la recherche

Activités d’animation de la rechercheOrganisateur de l’école d’automne sur l’ULB (octobre 2006)

Animateur en compagnie de J. Y. Dauvignac du groupe de travail sur les antennes réseaux à très large bande dans le cadre du club des partenaires du GDR ONDES (2007).

Participation aux actions spécifiques Radio-Logicielle et Antennes Intégrées (CNRS), aux groupes de travail (GDR ONDES, 2005-2006) et au comité d’expert du CNRS (2005).

Expertise:Annales des Télécommunications depuis 1999.

Comité de lecture de ANTEM2005.

Comité de lecture des JNM (Journée Nationale Micro-ondes) depuis 2006.

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Perspectives de recherche

1- Conception et réalisation d’un système de télécommunication MIMO

Mise en œuvre d’une plateforme 2.4-2.48 GHz

Etude de l’effet de la corrélation des signaux RF due au couplage entre antennes, afin d’optimiser la capacité du système MIMO.

Diversité en polarisation en diversifiant les antennes du réseau.

Thèse K. Mabrouk

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Perspectives de recherche2- Sondeur de canal de propagation pour application

MIMO-UWB

Mesure de l’étalement en fréquence et en temps des signaux radiofréquences ainsi que leurs directions d’arrivées.

Etudes théoriques : l’adaptation des méthodes actuelles de calcul des DOAs et TOAs de signaux RF de bande de fréquence étroite en mode step CW aux signaux large bande en mode FM-CW.

Thèse H. El Arja

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3- Etude des réseaux d’antennes à très large bande passante sur structures à bande interdites électromagnétiques (collaboration Thales)

Analyse d’antennes réseaux placé au-dessus de matériaux à bande interdite électromagnétiques chargés.

Réduire ou contrôler le couplage entre éléments rayonnant au sein d’un même réseau et sur une très large bande de fréquence.

Stage F. Linot

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4- Antennes pour applications THz

Développement d'une source THz à semiconducteur par photo-génération à 1.3-1.5 µm

Détection du rayonnement THz pour la caractérisation des sources réalisées.

Antennes d’émission et de réception associées à la source et au détecteur.

Collaboration: Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (CNRS)

Contrat Pastel CDD J. Zbitou

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Système antennaire pour la radio logicielle

Sondeur de canal

Multi PolarMIMO

Radio flexible

Merci pour votre attention !

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