Conception et optimisation de nouvelles classes d’antennes corporelles à base de méta-matériaux pour les applications sans fil

Braham Chaouche, Youcef (2023). Conception et optimisation de nouvelles classes d’antennes corporelles à base de méta-matériaux pour les applications sans fil. (Thèse de doctorat). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Depositum. https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1540

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Résumé

RÉSUMÉ

Grâce aux progrès réalisés sur le marché des objets connectés, la conception des réseaux intelligents tels que les réseaux centrés sur les personnes (Wireless Body Area Network en anglais ou WBAN) connaît une croissance exponentielle, suscitant un fort intérêt de la part des industriels. De ce fait, de nouvelles applications émergentes ont été mises en oeuvre pour la détection de phénomènes physiologiques et environnementaux, notamment des applications centrées sur l'humain utilisant des capteurs et des antennes pour une collecte sans fil d'informations en temps réel. Cette interaction intelligente entre le corps humain et son environnement est rendue possible grâce à une interface physique, telle que les vêtements intelligents. Dans le cadre de cette recherche, nous avons focalisé nos efforts sur la conception et la fabrication des antennes flexibles intégrables dans des vêtements pour les applications corporelles sans fil. Ces antennes opèrent dans la bande Wi-Fi (2.45 GHz, 5.8
GHz).

L'intérêt de cette bande s'explique par les avantages qu'elle offre par rapport aux bandes de fréquence plus basses (possibilité de débits de données supérieurs à 10 Gbit/s, réduction des interférences avec les réseaux voisins, compacité des dispositifs, etc.). Pour améliorer leurs performances en rayonnement et réduire le couplage avec le corps humain, nous avons intégré des structures métamatériaux de type conducteur magnétique artificiel (AMC) et métasurface (MSA).

Dans notre première étude, une antenne à polarisation circulaire flexible, soutenue par une structure de réseau AMC a été déployée à la fréquence 5.8 GHz. L'antenne proposée consiste en une antenne unipolaire à guide d'ondes coplanaire (CPW) alimentée par une ligne microruban. De plus, les simulations et les mesures expérimentales ont démontré la robustesse du système d'antenne global pour différentes conditions de courbures. De même, le système offre de bonnes performances en termes de DAS et de gain.

Dans la deuxième partie, nous présentons une antenne à métasurface (MSA) utilisant un réseau de superposition de résonateurs électriques (ERR). En effet, l'ensemble des petits résonateurs électriques offre un degré de liberté élevé pour contrôler l'amplitude et la phase du courant sur une grande partie de la structure métasurface. Le MSA a atteint une largeur de bande d'impédance de 190 MHz et affiche un gain de pointe élevé de 12.82 dBi, avec une efficacité totale de 79.93% à 5.8 GHz.

Dans le même contexte, et en vue de réduire le rayonnement arrière et d'améliorer les performances de rayonnement de l'antenne corporelle, nous proposons une nouvelle approche d'optimisation à base de l'algorithme génétique du réseau de métamatériaux non uniforme dans la bande fréquence 5.8 GHz, afin d’améliorer le gain et réduire les interactions avec le corps humain.

ABSTRACT

With the progress made in the field of connected devices, the design of intelligent networks such as Wireless Body Area Networks (WBANs) has seen exponential growth, garnering significant interest from industries. Hence, emerging applications have been carried out on detection of physiological and environmental phenomena, particularly human-centered applications utilizing sensors and antennas for real-time communication and information collection. This intelligent interaction between the human body and its environment is performed through a physical interface, such as smart clothing. In this research, our focus was on designing and fabricating flexible antennas that can be integrated into clothing for wireless applications. These antennas operate within the Wi-Fi bands (2.45 GHz, 5.8 GHz).

The choice of these bands is motivated by their advantages over lower frequency bands, including higher data rates (up to 10 Gbit/s), reduced interference with neighboring networks, and device compactness. To enhance radiation performance and minimize coupling with the human body, artificial magnetic conductor (AMC) and metasurface (MSA) structures were considered.
In our first study, a flexible circularly polarized antenna, supported by an AMC structure, was presented at a frequency of 5.8 GHz. The proposed antenna is a unipolar coplanar waveguide (CPW) fed by a microstrip line. Simulations and experimental measurements demonstrated the overall antenna system's robustness under different curvature conditions. Additionally, the system exhibited good performance in terms of SAR and gain.

In the second study, we introduced a metasurface antenna using an Electric Resonator Array (ERR) superimposition network. The array of small electric resonators offers a high degree of freedom to control the amplitude and phase of the current over a large portion of the metasurface. The MSA achieved an impedance bandwidth of 190 MHz and demonstrated a high peak gain of 12.82 dBi, with a total efficiency of 79.93% at 5.8 GHz.

In the same context, aiming to reduce back radiation and enhance the radiation performance of the body-worn antenna, we propose a novel approach based on genetic algorithms to optimize the non-uniform metamaterial network at the frequency band of 5.8 GHz, in order to improve gain and reduce interactions with the human body.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Thèse de doctorat)
Directeur ou directrice de recherche:	Nedil, Mourad
Informations complémentaires:	Établissement en extension : Université du Québec à Chicoutimi.
Mots-clés libres:	Antenne corporelle, Algorithme génétique, Communication sans fil, Conducteur magnétique artificiel (AMC), DAS, ISM, réseaux centrés sur les personnes (WBAN), Métamatériaux, Métasurface (MSA), Off-body, Polarisation circulaire
Divisions:	Génie > Doctorat en ingénierie
Date de dépôt:	26 août 2025 19:03
Dernière modification:	26 août 2025 19:03
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1540

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