Nouveau concept de « circulateur-antenne » multi-Bandes Intégré à polariSation circulaire à base de maTéRiAUx ferrites – BISTRAU

L’approche menée a été progressive avec plusieurs étapes et validations intermédiaires :

- Dans un premier temps nous nous sommes attachés à développer un circulateur bi-bandes à ferrite en technologie microstrip avec un rapport de fréquences f2/f1 de 1,5 (20 et 30 GHz). La difficulté portait ici sur la maitrise de l’écart entre les modes fondamentaux et supérieurs du résonateur à ferrite au cœur de la conception.

- Dans un deuxième temps nous avons développé une antenne bi-bandes ou large bande sur un substrat alumine. Le circulateur et l'antenne ont été chainés afin de fournir des résultats issus d'une conception disjointe.

- Dans un troisième temps une méthode de co-conception du « circulantenne » bi-bandes ou large bande a été développée. Les topologies de départ du circulateur et de l’antenne ont servi de base de travail mais la conception conjointe n'imposait pas de mettre au point chaque dispositif sur 50 Ω. L’antenne a été conçue en optimisant ses caractéristiques de rayonnement (gain, efficacité, …) sans se préoccuper de son impédance d’entrée « seule ». L’adaptation a porté donc sur le dispositif dans sa globalité. Une approche globale de celui-ci a été nécessaire.

Un prototype de « circulantenne » a bien entendu été réalisé et mesuré avec succès. Les performances des dispositifs issus des conceptions disjointes et conjointes ont été comparées.

Plusieurs dispositifs/méthodes intermédiaires ont été conçus ou développés dans cette étude. Ainsi:

- Un Circulateur bi-bandes 5-7,5GHz a été conçu, réalisé et mesuré.

- Une antenne large bande sur substrat alumine a été réalisée et mesurée.

- Le Chainage des deux composants a été effectué.

- Une Méthode semi analytique de mise au point d'un "circulantenne" a été développée et validée sur un dispositif monobande.

- L'application de la méthode à la conception d'un circulantenne large bande sur substrat entièrement ferrite a été faite.

- La conception et la modélisation du nouveau composant sur un substrat "tout ferrite" a été effectuée.

- La réalisation et la mesure du nouveau composant ont également été effectuées avec succès.

Les résultats sont à notre connaissance à l'état de l'art.

Nous allons dans un futur proche publier les résultats obtenus. Ainsi trois communications ont déjà été faites sur ses travaux, deux aux JNMs2024 et une au congrès IEEE CAMA2024. Actuellement deux nouvelles communications sont acceptées au congrès JMNs 2026 à Lille. Nous préparons:

- deux communications internationales pour les EuMW2026 à Londres.

- Une (ou deux) publication(s) dans un revue internationale à comité de lecture (IEEE MTT). Elles seront soumises dans les semaines qui viennent.

D'un point de vue scientifique, le dispositif mis au point pour le moment rayonne de la polarisation linéaire. Le prochain défi va consister à mettre au point un circulantenne rayonnant de la polarisation circulaire. Nous utiliserons pour cela la capacité naturelle des ferrites polarisés à générer des ondes polarisées circulairement.

Les systèmes de communication pour les applications civiles comme militaires deviennent de plus en plus complexes. Ils tendent à agglomérer de multiples standards, ce qui entre souvent en contradiction avec les exigences de miniaturisation des terminaux. Deux éléments essentiels des Front End RF sont les antennes et les circulateurs placés en amont de celles-ci. Ceux-ci sont généralement conçus séparément et adaptés sur une impédance normalisée, le plus souvent égale à 50 Ohms. L’augmentation de la compacité et la diminution des pertes passera par le regroupement de ces deux éléments via une conception conjointe Antenne/circulateur ceci afin d’éviter les étages d’interconnexion. Par ailleurs le regroupement des standards de communication sur le même Front-End semble aussi pertinent et passe par la mise au point d’antennes multi-bandes mais aussi de circulateurs multi-bandes. Enfin l’émission et/ou la réception en polarisation circulaire est/sont de plus en plus souvent demandées, particulièrement pour des applications spatiales. Les matériaux ferrites polarisés sont au cœur de la conception des circulateurs passifs. De plus, ils permettent de générer naturellement des ondes polarisées circulairement ce qui en fait également de bons candidats pour les antennes à polarisation circulaire.
Le projet présenté dans ce document a donc pour objectif de développer une nouvelle méthodologie de conception conjointe d’un « circulantenne » (association circulateur-antenne) multi-bandes compact rayonnant de la polarisation circulaire grâce aux propriétés originales des ferrites. Cette co-intégration passera par l’utilisation d’un substrat commun de ferrite constitué d’une ou deux couches (empilement des fonctions). Dans tous les cas une topologie nouvelle de circulateur microstrip sera développée en raison de son plus faible encombrement. Nous profiterons ici de la propriété qu’ont les ferrites aimantés de générer naturellement des ondes polarisées circulairement droite et gauche. Une application dans la bande SatCom (20-30 GHz) sera visée.
Ainsi, pour résumer plusieurs verrous seront adressés dans ce projet :
• La mise au point et la réalisation du premier circulateur bi-bandes en technologie microstrip avec un rapport f2/f1=1.5.
• La conception et la réalisation de la première antenne ferrite bi-bandes à polarisation circulaire avec un rapport f2/f1=1.5. La maitrise de l’écart fréquentiel est un vrai challenge.
• Le développement d’une méthode de co-conception « circulantenne » bi-bandes sans passer par une impédance « restrictive » de 50 Ohms avec là encore un rapport de fréquence de 1,5.
La technologie microstrip sera également privilégiée. Une phase expérimentale sera effectuée.
Par ailleurs une comparaison des performances de la conception conjointe et d’une conception séparée sera effectuée.