Miniaturisation et reconfiguration électronique d’antenne miniature pour objets communicants

Mots clés  : 
Electromagnétisme, Radiofréquence, Miniaturisation, Antenne Compacte, Microtechnologie,

Résumé :
La miniaturisation des antennes pour l'internet des objets est un réel défi technologique, dont le centre névralgique est situé dans le compromis entre les performances de communication, à maintenir en adéquation avec le besoin, et la taille physique de l'antenne. Par leur déploiement dans une grande variété de systèmes électriques et une multitude d'environnements, les technologies de l'internet des objets sont en train de devenir quasiment omniprésentes dans notre société. Les progrès réalisés dans la réduction de l'encombrement des antennes peuvent avoir une incidence gargantuesque sur le déploiement des systèmes, en favorisant leur effacement et en simplifiant leur installation. Des limites fondamentales existent entre la dimension électrique d'une antenne, ses propriétés de rayonnement (efficacité de rayonnement, gain) et sa bande passante. Malheureusement infranchissables, certaines de ces limites sont cependant encore difficilement atteignables à ce jour. Ce trouble entre théorie et implémentation questionne, laissant place à la recherche, d'une part, de nouvelles limites plus proches des résultats mesurés, et d'autre part, de nouvelles méthodes d'implémentation pour optimiser la réalisation des antennes, afin d'atteindre ces mêmes limites.
Le point central de cette thèse est d'explorer les conceptions (design) possibles pour intégrer une antenne directement sur le boîtier d'une puce RadioFréquence (RF), tout en assurant une bande passante et une efficacité suffisante pour une application IoT. Étant donné qu'aux tailles électriques concernées, la bande ne peut intégralement être couverte, la solution développée doit reposer sur un système reconfigurable, permettant une agilité en fréquence de l'antenne.
Alors que les limites fondamentales en matière de bande passante et de directivité des petites antennes ont généré par le passé un important volume de travaux, ce n’est que récemment, en raison de la plus grande complexité physique des phénomènes de dispersion, que des auteurs se sont penchés sur le développement de limites fondamentales sur l’efficacité de rayonnement des antennes. En lien avec l’analyse de ces limites, un état de l’art d’antennes électriquement petites de la littérature est présenté et discuté à la lumière de ces nouvelles limites fondamentales. Un chapitre théorique dédié examine les limites sur le facteur de qualité de structures d’antennes résonantes et adaptées en impédance. Des modèles, basés sur les circuits équivalents des modes sphériques de Chu, sont proposés pour un dipôle canonique ainsi qu’une boucle planaire sur substrat. Les modèles développés ont fourni des résultats précis sur une bande passante définie et ont montré un fort potentiel dans la compréhension des limites de ces structures, ainsi que sur l’influence des dispersions de matériaux environnants et des conducteurs. Enfin, des travaux ont été menés sur des structures d’antennes adaptées aux géométries cubiques. Après avoir évalué plusieurs architectures, un design optimisé a été proposé pour l’intégration sur un boîtier de puce RF. Deux prototypes ont ainsi été fabriqués et mesurés au cours du travail. Le premier, servant de preuve de concept, a permis le développement du second design, intégrant un système d'excitation multiple novateur, visant à améliorer l’agilité en fréquence de l’antenne. Les deux prototypes ont été l'objet d’analyses détaillées, démontrant la faisabilité de l’approche proposée. 

Membres du jury :

• Tan Phu VUONG, PROFESSEUR DES UNIVERSITES - Grenoble INP - UGA :  Directeur de thèse
• Robert STARAJ, PROFESSEUR DES UNIVERSITES - Université Côte d’Azur : Examinateur
• Ala SHARAIHA, PROFESSEUR DES UNIVERSITES - Université de Rennes : Rapporteur
• Anja SKRIVERVIK, PROFESSEURE - Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne : Rapporteur
• Pascal XAVIER, PROFESSEUR DES UNIVERSITES - Grenoble INP - UGA : Examinateur
• Christophe DELAVEAUD, DIRECTEUR DE RECHERCHE - CEA Centre de Grenoble : CoDirecteur de thèse
• Laure HUITEMA, MAITRESSE DE CONFERENCES HDR -  Université de Limoges : Examinateur
• Erika VANDELLE, DOCTEURE EN SCIENCES - CSEM : Examinateur