Miniaturization and integration of printed antennas for UWB pulsed communications systems
Miniaturisation et intégration d'antennes imprimées pour systèmes communicants ULB pulsés
Résumé
This thesis is part of the project MIMOC (Methods of Integration and Miniaturization of communicating objects), which was completed in partnership with the laboratory IM2NP of Marseille, the company InsightSiP in Sophia Antipolis and Orange Labs La Turbie. The project targets the pulse transmission systems over a very wide band frequency spectrum (Ultra Wide Band signals : UWB). Within this project, the work of this thesis is focused on the development, miniaturization and integration of antennas for UWB communications systems conform to United States (FCC : 3.1 - 10.6 GHz) and European standards (ECC : 6 - 8.5 GHz). The antenna was developed by adjusting the various parameters which influences its matching and radiation. We led a preliminary study to create a database that was useful later in various phases of the project to modify the antenna to fit in its environment changes. A printed radiating element constituted by several rectangular layers, fed by ground coplanar waveguide line (GCPW), matched to the FCC frequency band, served as the basis for this study. This antenna has been studied in two configurations corresponding to two types of applications : credit card and USB key, mainly distinguished by the width of their ground planes. The study began with a large ground plane structure that was miniaturized in a second phase. The miniaturization aimed to reduce the width of the ground planes by changing the geometry of the structure to keep its radio-electrical performances. Several techniques have been studied, including reducing the size by 2D and 3D folding. The most effective technique was the one based on the insertion of slots in the side ground planes as well as in the lower ground planes. A well optimized dimension of these slots has achieved a structure 5 times smaller with a good impedance matching over all the FCC frequency band. These structures were then fabricated and the prototypes have been characterized. The characterization of the prototypes was obtained after several measurement campaigns in the LEAT and Orange Labs La Turbie. A test bench has been fully developed and measured in time and frequency domains. It permits us to extract the performances of antennas : gain, radiation pattern, impulse response, fidelity factor, etc... The capacity of a transmission through these prototypes was tested in a real environment. High data rate up to 500Mbits/s was obtained. The third phase of the work was to model a UWB chip pulse generator and integrate it together with the antenna in the system. This study was performed in the ECC band. A new printed miniature element with a good matching in this frequency band had to be designed. The chip has been fully modeled and parameterized, so it is taken into account in the design of the system. MIMOC project was completed successfully. The good partnership with all members has been very constructive and has achieved the co-design of the antenna and the microelectronics. Following this work, another project aiming to develop UWB communications systems operating in contact with the human body (RUBY) has just started.
Cette thèse a fait partie du projet MIMOC (Méthodes d'Intégration et de Miniaturisation d'Objets Communicants) qui a été mené à terme en partenariat avec le laboratoire IM2NP de Marseille, la société InsightSiP à Sophia Antipolis et Orange Labs La Turbie. Le projet cible les systèmes de transmission par impulsions occupant une très large bande de fréquences (signaux Ultra Large Bande : ULB). Au sein de ce projet, les travaux de cette thèse ont été concentrés sur le développement, la miniaturisation et l'intégration des antennes dans des systèmes de communications ULB conformes aux normes Américaines (FCC :3.1-10.6 GHz) et Européennes (ECC : 6-8.5 GHz). Le développement d'une antenne consiste à en maîtriser les différents paramètres en analysant leurs influences sur l'adaptation et le rayonnement de celle-ci. Une étude préliminaire a permis de créer une base de données qui a été utilisée par la suite dans les différentes phases du projet afin de réadapter l'élément en fonction de l'évolution de son environnement. Un élément rayonnant imprimé constitué de plusieurs étages rectangulaires, alimenté par la ligne ground coplanaire (GCPW), adapté dans la bande de fréquence FCC, a servi de base d'étude. Cette antenne a été étudiée dans deux configurations correspondant à deux types d'applications : un format carte de crédit et un format clé USB, principalement distinguées par leur encombrement lié à la largeur des plans de masse. L'étude a débuté avec une structure à plan de masse large et a été suivie, dans une deuxième phase, par des travaux de miniaturisation. La miniaturisation consiste à réduire la largeur des plans de masse en modifiant la géométrie de la structure afin de conserver ses performances radioélectriques. Plusieurs techniques ont été étudiées, notamment la réduction de l'encombrement par repliements 2D et 3D. La technique la plus efficace fut celle basée sur l'insertion de découpes au niveau des plans de masse latéraux ainsi qu'au niveau des plans de masse inférieurs. Une bonne maîtrise des dimensions de ces encoches a permis d'obtenir une structure réduite d'un facteur 5 avec une bonne adaptation sur toute la bande de fréquences. Ces structures ont ensuite été réalisées et les prototypes ont été caractérisés. La caractérisation s'est déroulée lors de plusieurs campagnes de mesures au LEAT et à Orange Labs à La Turbie. Un banc de test a été entièrement développé et des mesures dans les domaines temporel et fréquentiel ont permis d'extraire les performances des antennes : gain, diagramme de rayonnement, réponse impulsionnelle, facteur de fidélité, etc. La capacité d'une transmission à travers ces prototypes a été vérifiée en environnement réel. Des débits allant jusqu'à 500Mbits/s ont été atteint. La troisième phase des travaux a consisté à modéliser une puce génératrice d'impulsions ULB et l'intégrer en l'assemblant avec l'antenne dans un système. Cette étude a été réalisée dans la bande ULB européenne ECC. Un nouvel élément imprimé et miniaturisé adapté dans cette bande de fréquences a du être conçu. La puce a totalement été modélisé et paramétrée de façon à ce qu'elle soit prise en compte lors de la conception du système. Le projet MIMOC a été achevé avec succès. Le bon partenariat avec tous les membres s'est avéré très constructif et a permis de réaliser le codesign de la partie "antenne" et de la partie "microélectronique". Suite à ces travaux, un autre projet qui consiste à développer des systèmes communicants en contact avec le corps humain (RUBY) vient de démarrer.
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