Design of 2D and 3D antennas on flexible materials

Le travail de thèse a été réalisée dans le cadre du projet ANR «Stick’It» visant à développer de nouvelles technologies peu coûteuses et innovantes dédiées à la conception de composants radiofréquences (RF) 2D, 2,5D et 3D, notamment des antennes imprimées sur des matériaux conformes. Les applications ciblées sont principalement des appareils de réseaux domestique, tels que les décodeurs, dont les formes et les dimensions sont très variées. Par conséquent, il est nécessaire de concevoir des antennes sur des substrats souples.Selon nos besoins pour un matériau de substrat flexible, peu coûteux, avec de bonnes propriétés RF, la capacité de recyclage et en particulier la capacité à fabriquer des structures 3D, après avoir étudié différents matériaux diélectriques pour l’électronique flexible, le papier s'est trouvé le plus adapté.Les travaux de cette thèse se sont déroulés en trois phases.Dans la première phase, c'était l'étude des méthodes de caractérisation des matériaux pour obtenir leurs propriétés électromagnétiques. Après l'analyse, la méthode de perturbation utilisant une cavité cylindrique a été choisie pour la caractérisation du papier. Les premiers résultats de ce processus ont été vérifiés en réalisant et en testant des antennes simples telles que des monopoles alimentés par CPW sur du papier et du PET. Ensuite, la mesure du papier E4D a été effectuée avec 50 échantillons découpés dans différentes feuilles de papier E4D de trois épaisseurs différentes, 104 m, 210 m et 387 m. Les résultats ont été analysés statistiquement et ont donné r = 3.184, tan = 0.092. Les dispersions des résultats mesurés à 2,5 GHz sont 0.25% pour r et 0.26% pour tan. Ces résultats ont été utilisés pour la phase suivante.Au cours de la deuxième phase, les antennes différentes ont été conçues sur le papier E4D d'épaisseur 0,104 mm et 0,21 mm, notamment des IFA, des antennes SIW et des antennes monopoles alimentées par une ligne microruban. Les prototypes ont été réalisés à l'aide d'une technique de sérigraphie et testés pour déterminer les propriétés de l'adaptation et les diagrammes de rayonnement.Dans la troisième phase, les antennes proposées ont été étudiées dans des conditions d'emballage réalistes, où un boîtier décodeur était en plastique ABS avec différentes dimensions. Le premier cas concernait deux antennes MIMO placées orthogonalement dans des boîtiers ABS différents, avec un espace suffisant pour que les deux puissent rester plats. Le second cas était une boîte à hauteur limitée, de sorte qu’au moins une des antennes doit être pliée.Ainsi, une étude de l'effet de flexion a été réalisée, tout d'abord avec un simple dipôle droit et un monopole droit sur le papier E4D, puis avec une antenne à large bande proposée dans la seconde phase. L’étude a montré que la flexion n’affecte pas beaucoup l’adaptation de l’antenne sur une large bande de fréquences. Cependant, ses diagrammes de rayonnement tournent dans le plan E avec un angle de rotation dépendant de la position de pliage et de l'angle de flexion.Ensuite, le système MIMO de deux antennes placé orthogonalement dans un boîtier ABS de hauteur limitée, de sorte qu’une antenne doit être pliée et une autre reste plate. Dans tous les cas de système d'antenne MIMO, nous avons obtenu une bonne isolation (> 20 dB) et un coefficient de corrélation (ECC) inférieur à 0,05.The thesis was carried out within the ANR project « Stick’It » that aimed at developing new, low-cost and innovative technologies devoted to the design of 2D, 2,5D and 3D radiofrequency (RF) components including antennas printed on conformable materials. The targeted applications are primarily home-networking devices such as set-top boxes where their forms and dimensions are widely varied. Therefore, it is necessary to design antennas on flexible substrates.According to our needs for a substrate material that is flexible, low cost, with good RF properties, recycling ability, and especially ability to make 3D structures, after considering various dielectric materials for flexible electronics, paper substrate appeared to be the most suitable for our purpose.The work of this thesis conducted in three phases.In the first phase, it was the study of methods for characterization of materials to obtain their electromagnetic properties. After analysis, the method of perturbation using a cylindrical cavity was chosen for characterization of paper. The first results of this process were verified by realization and testing of simple antennas such as CPW-fed monopoles on paper and PET. Then, the measurement of E4D paper substrate was performed with 50 samples cut from various E4D paper sheets of three different thicknesses, 104 m, 210 m and 387 m. The results were analyzed statistically and gave r = 3.184, tan = 0.092.The dispersions of the results measured at 2.5 GHz are 0.25% for r and 0.26% for tan. These results were used for the next phase.In the second phase, different antennas were designed on 0.104-mm and 0.21-mm thick E4D paper including IFAs, SIW cavity-back antenna and microstrip-fed wideband monopole antennas. The prototypes were realized using screen printing technique and tested for matching property and radiation patterns.In the third phase the proposed antennas were studied in realistic package conditions, where a set-top box was made of ABS plastic with different dimensions. The first case was with two MIMO antennas orthogonally located in different ABS boxes with sufficient space, so that both of them can remain flat. The second case was a box with a restricted height, so that at least one of the antennas needs to be bent.Thus, a study of bending effect was carried out, first of all, with a simple straight dipole and a straight monopole on E4D paper, then with a wideband antenna proposed in the second phase. The study showed, that bending does not much affect the matching of the antenna over a wide frequency band. However, its radiation patterns rotate in the E-plane with a rotation angle depending on the bending location and bending angle.Then, the MIMO system of two antennas placed orthogonally in an ABS box with restricted height so that one antenna needed to be bent and another remained flat. In all cases of MIMO antenna system, we obtained good isolation (>20 dB) and Envelope Correlation Coefficient (ECC) less than 0.05