Conception and fabrication of composite antennas : integration in land and naval platforms

Les besoins techniques et opérationnels des porteurs navals, terrestres et aériens conduisent à la conception et à l'implantation d'un nombre de plus en plus élevé d'antennes dédiées aux communications. Parallèlement, les matériaux composites sont utilisés depuis de nombreuses décennies dans les panneaux structuraux de ces porteurs en raison de leurs qualités naturelles (légèreté, performances mécaniques élevées, insensibilité à la corrosion…). L'objet de ce manuscrit concerne l'étude et le développement de matériaux composites pour des applications antennaires en hyperfréquences. Après un recensement exhaustif des caractéristiques diélectriques des différents éléments constitutifs de ces matériaux composites, la caractérisation diélectrique des matériaux composites fabriqués au Laboratoire a été réalisée via deux méthodes distinctes dans deux bandes de fréquence différentes. Parallèlement, la caractérisation électrique des tissus à base de fibres de carbone a permis d'évaluer leur possible utilisation dans la fabrication des éléments rayonnants. Dans un premier temps, deux topologies antennaires « tout composite » de géométrie carrée à base de tissus de fibres de carbone, de fibres de verre et de résine (polyester ou époxy) ont été conçues, fabriquées et caractérisées. Leurs performances similaires à celles d'antennes métalliques de référence démontrent tout l'intérêt de l'utilisation des matériaux composites en hyperfréquences. Puis, trois topologies antennaires ultra large bande en matériaux « tout composite » ont été développées spécifiquement dans le cadre du projet FUI SAMCOM (/Systèmes Antennaires en Matériaux COMposites/). La première de type Rugby-Ball couvre une octave et demi avec un gain positif et un encombrement limité à λ/4 x λ/4 x λ/10 (longueur x largeur x hauteur). La seconde configuration volumique de type dipôle et d'encombrement λ/3 x λ/3 x λ/10 couvre deux octaves et demi avec un gain toujours positif. Enfin, la troisième de structure planaire a été développée spécifiquement pour la réception de la Télévision Numérique Terrestre (TNT) et sera, à terme, intégrée dans un panneau structural d'un véhicule.The technical and operational requirements of naval, terrestrial and aerial vehicles lead to the design and installation of a great number of antennas for communications. At the same time, composite materials have been used for many decades in structural panels of vehicles for their intrinsic qualities (lightness, high mechanical performance, insensitivity to corrosion ...). The purpose of this manuscript is the study and engineering of composite materials for antenna applications at microwaves. After an exhaustive survey of the dielectric characteristics of the various elements of composite materials, dielectric characterization of composite materials manufactured in the Laboratory was carried out using two different methods in two different frequency bands. Meanwhile, an analysis of their conductive characteristics allows carbon-fiber tissues to be used in the design of radiating elements. First, two "full-composite" square shaped antennas based on carbon-fiber tissues, glass-fiber tissues and polyester or epoxy resin have been developed, fabricated and measured. Their performance, similar to that of reference metal antennas demonstrates their relevance for microwave applications. Then, three different topologies of ultra wideband "full-composite" antennas have been specifically developed for the SAMCOM (/Antenna Systems in COMposite Materials)/ FUI project. The first, a Rugby-Ball shaped antenna, has one octave and a half of bandwidth with a positive gain and λ/4 x λ/4 x λ/10 dimensions (length x width x height). The second, a 3D dipole antenna with λ/3 x λ/3 x λ/10 dimensions, has two octaves and a half of bandwidth also with a positive gain. At last, the third antenna with a planar structure has been specifically developed for the reception of digital terrestrial television (DTT) and will be, at the end, integrated into a structural panel of a terrestrial vehicle