Antenne Ultra Miniature Adaptative pour Applications IoT - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Adaptive Ultra Miniature Antenna for IoT Applications

Antenne Ultra Miniature Adaptative pour Applications IoT

Résumé

Today, the development of very low consumption IoT sensors with long range features (telemetering, logistic application) requires very compact form factor and covers low frequency bands (ex. LTE 800 for NB IoT). However, reducing the size of the antenna leads to fundamental physical limits (drop in efficiency and bandwidth). For such antenna miniaturization challenge, frequency agile antennas present an innovative design strategy that makes it possible to maintain the performance of the small antenna on a sub-band, which can be tuned on a larger frequency excursion. This technique is studied in this thesis for an inverted F antenna in order to find the best compromise between the small antenna size, its bandwidth and its efficiency.In this thesis, an analytical model is first developed to predict the impedance and the radiation efficiency of the IFA antenna without resorting to electromagnetic simulators. This model aims to better understand and interpret the loss phenomena in miniature antennas while constituting a tool to aid in the optimized design of miniature antenna. The second part aims to test the model to assess its adequacy with the physical limitations brought by the introduction of miniaturization techniques. Antenna loading optimization is studied with the developed model. The electrical dimensions of the loaded small antenna are reduced to λ/9 × λ/22 at 863 MHz. Miniature printed antenna prototypes are made to experimentally verify model validity domain and the fullwave simulated results. Finally, the frequency reconfiguration capability with the study and development of an active compact antenna covering the 868 MHz and LTE 800 bands are addressed. The antenna is matched at -10 dB across the entire band with a relative instantaneous band of 0.25 % and a maximum total efficiency of 52 %. Different performance criteria are discussed with regard to the miniaturization and frequency agility of the antenna.
Aujourd'hui, les besoins des futurs nœuds communicants pour l’Internet des Objets très basse consommation exigent un effort de miniaturisation de l’antenne. En fonctionnant sur des bandes de fréquences inférieures à 1 GHz pour une meilleure propagation, la longueur d’onde devient largement supérieure à la taille du capteur. Cependant, la théorie sur la miniaturisation des antennes prédit que l’efficacité de rayonnement d’une antenne miniaturisée peut être conserver si sa bande passante est également réduite. De ce fait, la technique d’agilité fréquentielle est une des stratégies de conception qui permet de maintenir les performances de l’antenne miniaturisée sur une sous bande qui peut être pilotée sur une excursion en fréquence plus large. Cette technique est évaluée dans ce travail pour une antenne F inversée afin de repousser les limites liées à la miniaturisation des antennes.Le premier objectif de cette thèse est de développer un modèle analytique prédisant l’impédance et l’efficacité de rayonnement de l’antenne IFA sans avoir recours à des simulateurs électromagnétiques. Ce modèle vise à mieux comprendre et interpréter les phénomènes de pertes dans les antennes miniatures tout en constituant un outil d’aide à la conception optimisée d’antenne miniature. La deuxième partie vise à tester le modèle pour évaluer son adéquation avec les limitations physiques apportées par l’introduction de techniques de miniaturisation. L’optimisation du chargement de l’antenne est étudiée avec le modèle développé. Les dimensions électriques de l’antenne chargée se réduisent à λ/9 × λ/22 à 863 MHz. Des prototypes d’antenne imprimée miniature sont réalisés pour vérifier expérimentalement les résultats du modèle et des simulations. Une troisième partie aborde la capacité de reconfiguration en fréquence avec l’étude et la mise au point d’une antenne compacte active couvrant la bande 868 MHz puis LTE 800. L’antenne est adaptée à -10 dB sur toute la bande avec une bande instantanée relative de 0.25 % et une efficacité totale maximale de 52 %. Différents critères de performance sont discutés au regard de la miniaturisation et de l’agilité fréquentielle de l’antenne.
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BERRO_2022_archivage.pdf (12.67 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03691758 , version 1 (09-06-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03691758 , version 1

Citer

Rana Berro. Antenne Ultra Miniature Adaptative pour Applications IoT. Optique / photonique. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2022. Français. ⟨NNT : 2022GRALT014⟩. ⟨tel-03691758⟩
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