Thèse Antenne à Résonateur Diélectrique Multi-Port et Compacte Exploitant les Propriétés Multumodales H/F - 74

Établissement : Ecole Nationale de l'Aviation Civile
École doctorale : GEETS - Génie Electrique Electronique,Télécommunications et Santé : du système au nanosystème
Laboratoire de recherche : ENAC-LAB - Laboratoire de Recherche ENAC
Direction de la thèse : Christophe MORLAAS ORCID 0000000345331711
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-03-30T23:59:59

L'objectif de ce travail est d'exploiter la diversité modale d'une antenne à résonateur diélectrique (DRA) afin de proposer une antenne multi-ports dans une même bande de fréquence. Lorsque les modes excités fonctionnent à la même fréquence, il est possible de reconfigurer le diagramme de rayonnement et la polarisation, ouvrant ainsi la voie à des applications avancées telles que les systèmes à entrées multiples et sorties multiples (MIMO), la localisation et la reconfiguration de diagramme de rayonnement..

Une antenne multiport composée de trois dipôles électriques orthogonaux et de trois dipôles magnétiques orthogonaux est appelée antenne vectorielle (VA). Chaque composante d'une onde électromagnétique incidente peut être récupérée grâce au diagramme de rayonnement de chaque dipôle concerné. Grâce à ces propriétés spécifiques, les antennes vectorielles peuvent être utilisées dans différentes applications comme par exemple :
- La radiogoniométrie, qui peut être utilisée pour la recherche de signaux de détresse, la navigation autonome et la surveillance du spectre radioélectrique. Pour les deux premières applications, le radiogoniomètre doit être embarqué. Dans ce cas, le capteur doit être petit afin de minimiser sa taille et son poids. Une VA est alors une solution intéressante pour minimiser la complexité de l'intégration.
- Les systèmes mondiaux de navigation par satellite (GNSS) qui peuvent être vulnérables aux interférences intentionnelles ou accidentelles. Les antennes à diagramme de rayonnement contrôlé (CRPA) capables de former des faisceaux et de orienter les zéros sont donc une solution technologique particulièrement intéressante. Cette approche peut ainsi améliorer la robustesse et la fiabilité des systèmes critiques tels que ceux utilisés dans l'aéronautique, la défense et les infrastructures civiles.
- Les antennes MIMO qui sont utilisées dans les réseaux 4G/5G, les systèmes de communication par satellite et les réseaux de l'Internet des objets (IoT) pour optimiser l'utilisation du spectre radioélectrique. Afin de minimiser la corrélation des signaux, il est possible d'utiliser la diversité spatiale et la diversité de polarisation.
Les exigences communes à ces applications sont une réduction du couplage entre les éléments et une compacité accrue. Si la colocalisation des modes de rayonnement orthogonaux garantit en théorie de bonnes propriétés de rayonnement avec une diversité de polarisation, il reste difficile d'alimenter chaque mode indépendamment sans dégrader l'isolation entre eux. De plus, pour obtenir un rayonnement multimodal dans une même bande de fréquence, il peut être nécessaire de recourir à l'ingénierie des matériaux afin de translater les résonances appropriées en une même bande de fréquence.
À l'ENAC, plusieurs projets de recherche se sont concentrés sur le développement de capteurs vectoriels pour la détection des balises de détresse dans la bande GSM [1,2] et pour le positionnement des avions dans la bande 5G [3]. Ces études ont démontré les capacités des VA à estimer la direction d'arrivée (DoA) des ondes électromagnétiques dans l'espace 3D à l'aide de petits capteurs d'antenne [4]. En collaboration avec l'ISAE-SUPAERO, le contrôle de la fréquence modale d'une DRA a été étudié de manière approfondie dans des travaux antérieurs [5,6,7] et a démontré la capacité à exploiter l'inhomogénéité, l'anisotropie et la dispersion des matériaux diélectriques artificiels imprimés en 3D.

Dans ce travail de doctorat, nous proposons de fabriquer une antenne capable d'avoir six diagrammes de rayonnement orthogonaux dans la même bande de fréquences. La combinaison de différents modes sera être exploitée pour ajouter des diagrammes de rayonnement supplémentaires permettant des propriétés de formation de faisceaux et de balayage.

Pour une antenne DRA les modes de résonance sont bien connus. Pour une forme du résonateur cubique, trois modes orthogonaux de type dipôle magnétique existent le long de chaque axe d'un système de coordonnées cartésiennes en tant que modes fondamentaux à la même fréquence. Trois modes électriques orthogonaux supplémentaires existent à une fréquence plus élevée. Ces modes électriques et magnétiques sont orthogonaux les uns par rapport aux autres en raison de leurs caractéristiques de polarisation.
Le premier défi consiste à réduire la fréquence de ces modes électriques à celle des trois modes fondamentaux. Pour y parvenir, nous prévoyons d'exploiter les propriétés anisotropes et hétérogènes des matériaux diélectriques artificiels fabriqués par impression 3D.
Le deuxième défi consiste à piloter ces modes indépendamment afin de préserver leurs propriétés d'orthogonalité tout en minimisant le couplage entre les ports et en évitant l'excitation de modes parasites à des fréquences de résonance proches. Afin de minimiser l'impact de ces modes parasites, un degré de liberté supplémentaire est nécessaire. Dans cette optique, les comportements de décalage de fréquence des modes requis et indésirés peuvent être séparés en tenant compte des matériaux anisotropes et non homogènes. Une autre approche consiste à annuler l'excitation de certains modes impropres à l'aide d'un circuit d'alimentation spécifique qui exploite les propriétés de symétrie et d'antisymétrie.