Les fractales optimisent la géométrie des antennes
Pour concevoir une antenne au format d'une carte de paiement, au prix unitaire de quelques centimes d'euros, Schneider Electric exploite l'architecture fractale.
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Fabriquer une antenne petite, pas chère et rayonnant dans toutes les directions... Tous les fabricants rêvent de résoudre l'équation insoluble. D'autant que les clients ou les designers de produits ne veulent plus voir cet appendice enlaidir leurs équipements. Or la miniaturisation d'une antenne se fait au détriment du prix. A moins que... l'on y glisse une pincée de fractales dans sa conception. C'est l'idée exploitée par Fabrice Roudet, un chercheur de la division sans fil de Schneider Electric. «L'antenne est en fait constituée de plusieurs petites antennes composées à partir de motifs identiques», explique-t-il. A l'origine des premiers développements en 2004 alors qu'il terminait ses études d'ingénieur, il a poursuivi ses recherches au sein du groupe de matériel électrique. C'est là qu'il a pu améliorer son l'antenne. «Les résultats mesurés sont conformes aux prévisions théoriques. Le prototype est industrialisable », annonce Fabrice Roudet.
Un objet répond à une architecture fractale quand il présente des détails similaires quelle quen soit l'échelle à laquelle on l'observe, grande ou petite. Dans la nature, la fougère ou l'arbre avec leur système de ramification et de branchage, présente une telle structure. Exemple: le triangle de Sierpinski (ci-dessus).
En fait, c'est le dispositif d'alimentation de l'antenne, l'une des parties essentielles avec l'élément rayonnant, qui obéit à une architecture fractale. Le principe est simple : il s'agit de reproduire des motifs en forme d'arc de cercle. Combinés, ces motifs forment à leur tour des arcs de cercle, à plus grande échelle. Outre la miniaturisation, cette géométrie permet au dispositif d'alimentation de remplir deux missions : éviter de créer des interférences grâce à sa longueur différente de celle de l'élément rayonnant et introduire des déphasages entre les signaux émis par les sous-antennes afin d'en optimiser la combinaison. Pour obtenir le déphasage souhaité, on ajuste la longueur du brin d'alimentation en jouant sur le nombre de motifs fractals.
L'intégration de cette architecture fractale, aboutit à la conception d'une antenne aux caractéristiques prometteuses : «Elle ne dépasse pas le format d'une carte de crédit », explique le chercheur. Elle peut donc s'insérer dans des badges de sécurité, des systèmes d'étiquetage RFID... Ensuite, l'antenne est quasi omnidirectionnelle, c'est-à-dire qu'elle rayonne dans toutes les directions. Ainsi, il n'est pas besoin de l'orienter dans un sens précis pour capter ou transmettre des données. Pour atteindre ce résultat, il a fallu disposer de façon bien précise les sous-antennes afin d'additionner astucieusement leur rayonnement. Emettant sur la bande des 2,45 GHz, elle est donc compatible avec les technologies sans-fil les plus usuelles : Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee...
Une industrialisation très facile
Son industrialisation ne devrait pas présenter de difficultés particulières. «Sa géométrie planaire en fait une antenne peu coûteuse à produire. La finesse de gravure pour dessiner le système d'alimentation est de l'ordre de 10 micromètres. Cela peut s'obtenir grâce à des procédés chimiques ou de dépôt d'encre conductrice peu compliqués », estime Fabrice Roudet.
Ses coûts de production sont attractifs. D'une part parce que l'antenne a été définie sur un substrat en Epoxy, un matériau abondant et aux bonnes caractéristiques radio (permittivité, déperdition...). D'autre part, comme sa taille est similaire à celle de la longueur d'onde du signal, elle ne nécessite pas d'électronique pour la remise en forme de ce dernier. D'où une économie substantielle. «L'objectif est d'obtenir une antenne avec un prix de vente inférieur à 1 euro », indique Fabrice Roudet. Selon le chercheur, d'autres pistes pourraient encore améliorer la performance de l'antenne fractale, comme l'utilisation des métamatériaux ou l'usage des nanotechnologies.
Hassan Meddah
Qu'est-ce qu'une architecture fractale?
Un objet répond à une architecture fractale quand il présente des détails similaires quelle quen soit l'échelle à laquelle on l'observe, grande ou petite. Dans la nature, la fougère ou l'arbre avec leur système de ramification et de branchage, présente une telle structure. Exemple: le triangle de Sierpinski (ci-dessus).En fait, c'est le dispositif d'alimentation de l'antenne, l'une des parties essentielles avec l'élément rayonnant, qui obéit à une architecture fractale. Le principe est simple : il s'agit de reproduire des motifs en forme d'arc de cercle. Combinés, ces motifs forment à leur tour des arcs de cercle, à plus grande échelle. Outre la miniaturisation, cette géométrie permet au dispositif d'alimentation de remplir deux missions : éviter de créer des interférences grâce à sa longueur différente de celle de l'élément rayonnant et introduire des déphasages entre les signaux émis par les sous-antennes afin d'en optimiser la combinaison. Pour obtenir le déphasage souhaité, on ajuste la longueur du brin d'alimentation en jouant sur le nombre de motifs fractals.
L'intégration de cette architecture fractale, aboutit à la conception d'une antenne aux caractéristiques prometteuses : «Elle ne dépasse pas le format d'une carte de crédit », explique le chercheur. Elle peut donc s'insérer dans des badges de sécurité, des systèmes d'étiquetage RFID... Ensuite, l'antenne est quasi omnidirectionnelle, c'est-à-dire qu'elle rayonne dans toutes les directions. Ainsi, il n'est pas besoin de l'orienter dans un sens précis pour capter ou transmettre des données. Pour atteindre ce résultat, il a fallu disposer de façon bien précise les sous-antennes afin d'additionner astucieusement leur rayonnement. Emettant sur la bande des 2,45 GHz, elle est donc compatible avec les technologies sans-fil les plus usuelles : Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee...
Une industrialisation très facile
Son industrialisation ne devrait pas présenter de difficultés particulières. «Sa géométrie planaire en fait une antenne peu coûteuse à produire. La finesse de gravure pour dessiner le système d'alimentation est de l'ordre de 10 micromètres. Cela peut s'obtenir grâce à des procédés chimiques ou de dépôt d'encre conductrice peu compliqués », estime Fabrice Roudet.
Ses coûts de production sont attractifs. D'une part parce que l'antenne a été définie sur un substrat en Epoxy, un matériau abondant et aux bonnes caractéristiques radio (permittivité, déperdition...). D'autre part, comme sa taille est similaire à celle de la longueur d'onde du signal, elle ne nécessite pas d'électronique pour la remise en forme de ce dernier. D'où une économie substantielle. «L'objectif est d'obtenir une antenne avec un prix de vente inférieur à 1 euro », indique Fabrice Roudet. Selon le chercheur, d'autres pistes pourraient encore améliorer la performance de l'antenne fractale, comme l'utilisation des métamatériaux ou l'usage des nanotechnologies.
Hassan Meddah
