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HDR19 juin 2007
Contribution à la recherche d’un système antennaire pour la radio logicielle
Habilitation à Diriger les Recherches
Xavier Begaud
Groupe RFM – Département COMELEC
GET– Telecom Paris, CNRS UMR 5141
46 rue Barrault 75634 Paris Cedex 13 – France
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Mon parcoursThèse & ATER
1996-1998Univ. Rennes 1
1998: création d’un poste de Maître de Conférences à l’ENST dans la spécialité Antennes HDR
Antennes & réseaux
Large bandeBipolarisation
Prog.OTANFurtivité
Antef
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
Antennes & réseaux:Mise en place d’outils Couplage - CEM
Matériaux BIE
ULB
Sondage de canalThèse A. Kazemipour
Thèse A.C. Lepage
Thèse L. Schreider
Thèse H. GhannoumThèse M. Vahdani
Thèse V.Y. Vu
Thèse K.Mabrouk
Thèse A.Hajar
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Plan de la présentation
1. Introduction
2. Synthèse des activités de recherches
Conception d’antenne à très large bande passante et àdouble polarisation
Conception de systèmes antennaires pour applications large bande et pour la mesure du canal de transmission
3. Activités d’enseignement, d’encadrement & d’animation de la recherche
4. Perspectives de recherche
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L’évolution
Services télécoms& Multimédia dédiés
Convergence des services & ubiquité d’accès
Antennes dédiées Aujourd’hui
Services universels,complexes & agrégés
Radio logicielle
Plateformespropriétaires
PlateformesInteropérables & ouvertes
Plateformescoopératives
Antennesmultiples
multimode
Terminal VirtuelAdaptation dynamiquedes contenus et interactivité
MultimédiaVoix & messagerie
Antennes et réseaux
« intelligents »
Après demain
Demain
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Système antennaire pour la radio logicielle
Contraintes :
Disponibilité spectrale
Adéquation à l’environnement
Agilité
Discrétion
Besoins :
Antennes large bande / multibandes
Antennes à double polarisation
Antennes/ réseaux d’antennes reconfigurables
Antennes compactes
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Fil conducteur (plus ou moins bon )
Du point de vue du concepteur d’antennes:
De l’antenne vers le réseau d’antennes
Du point de vue de l’application:
ULB, Radar, CEM, Sondage de canal
Du point de vue de la méthode:
Mise en place d’outils, de méthodes, prise en compte de l’environnement…
⇒ Convergence vers le système antennaire pour la radio logicielle
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Positionnement et stratégieConstat : la majorité des travaux de recherche traitent de la conception d’antennes omnidirectionnelles.
Essayer de devenir un spécialiste dans un domaine très pointu et, si possible peu commun (« l’ approche suisse »1).
Antennes et réseaux d’antennes directives très large bande et multipolarisation
Activités groupe RFM: autour du 5 ports, nouvelles activités.
Masse critique: contrats de collaboration avec l’ENSTA et l’IETR.
1. J. Mosig lors de la réunion générale "Interférences d'Ondes" du GDR ONDES 21-23 novembre 2005 à la maison de l'économie de Besançon.
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Synthèse des activités de recherches
Conception d’antenne à très large bande passante et à double polarisation
Pour des applications Ultra Large Bande
Pour des applications Radar
Conception de systèmes antennaires pour applications large bande et pour la mesure du canal de transmission
Analyse et prise en compte des couplages dans les réseaux d’antennes
Réseau d’antennes pour la mesure du canal de transmission
Antenne à très large bande passante et à double polarisationSystèmes antennaires pour applications large bande et mesure du canal de transmission
Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement
& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Pour des applications Ultra Large BandeContexte : Recommandation FCC 2002 (USA)
-41.3 dBm/MHz
3.1 GHz 10.6 GHz
ETSI Indoor LimitFCC Indoor Limit
Deux types d’approches : Impulsionnelle vs frequentielle (2003)
Antenne à très large bande passante et àdouble polarisationSystèmes antennaires pour applications large bande et mesure du canal de transmission
Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement
& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Pour des applications Ultra Large Bande
Applications :
Etudes:
- Antenne compacte
(BP: octave)
- Antenne pour le
test de plateformes
- Antenne en présence du corps (BAN)
- Antenne à double polarisation
Antenne à très large bande passante et àdouble polarisationSystèmes antennaires pour applications large bande et mesure du canal de transmission
Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement
& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Antennes compactes
Plan de masse
Sonde en F
Connecteur SMA
Problématique: compromis encombrement / gain / bande passante (3-6 GHz)
Contrat dans le cadre du FP5 Ultrawaves (Wisair, Philips, RadioLabs, ENSTA, University of Oulu and University of Chalmers) 2002-2005
Choix de l’antenne sonde en F + rectangle - compacité- alimentation coaxiale- plan de masse
antenne directive isolation des circuits
- bande passante très large
Elément rayonnant
Antenne à très large bande passante et àdouble polarisationSystèmes antennaires pour applications large bande et mesure du canal de transmission
Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement
& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Antennes compactes
4.5 GHz 8.0 GHz
4.5 GHz 8 GHz
Problème de la stabilité en fréquence du diagramme de rayonnement
Explication par l’étude des courants sur le patch
Excitation successive de 2 modes du rectangle
Instabilité en fréquence du diagramme de rayonnement
Antenne à très large bande passante et àdouble polarisationSystèmes antennaires pour applications large bande et mesure du canal de transmission
Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement
& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Antennes compactes
Pour améliorer la stabilité du diagramme en fréquence :
patch rectangulaire patch triangulaire isocèle
Puis, redimensionnement et optimisation dans la bande (3-6GHz)
Caractérisation temporelle et fréquentielle
Antenne à très large bande passante et àdouble polarisationSystèmes antennaires pour applications large bande et mesure du canal de transmission
3.2 GHz 5.0 GHz
Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement
& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Antennes compactes
Campagne de mesure ENSTA
Pour améliorer la stabilité du diagramme en fréquence :
patch rectangulaire patch triangulaire isocèle
Puis, redimensionnement et optimisation dans la bande (3-6GHz)
Caractérisation temporelle et fréquentielle
Techno IETRStantec
Thèse Anne Claire Lepage 2002-2005Co-direction A. Sharaiha
Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement
& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
Antenne à très large bande passante et àdouble polarisationSystèmes antennaires pour applications large bande et mesure du canal de transmission
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Antennes pour plateforme
Problématique: construction d’une plate-forme modulaire => support de test et démonstrateur
Plate-forme UWB : contrat incitatif GET (INT, ENST) 2003 (Impulsionnel 3-6 Ghz)
UWB DOMO : contrat incitatif GET (EURECOM, ENST Br, INT, ENST) 2004 (multibande Impulsionnel 3-10.6 Ghz)
Débits: 10Mb/s/bande
- Durée de conception réduite
- Faible coût
- Possibilité d’intégration de module avec l’antenne
P. E. Lys stage de DEA 2004
Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement
& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
Antenne à très large bande passante et àdouble polarisationSystèmes antennaires pour applications large bande et mesure du canal de transmission
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Antenne BANEtude conjointe antenne/canal pour des commu-nications ULB en présence du corps humain:
- Dépendance fréquentielle de l’interaction antenne/corps
- Mécanisme de propagation dominant sur le corps : diffraction
- Modèle statistique de la distribution d’atténuation: distribution lognormale
Antenne à très large bande passante et àdouble polarisationSystèmes antennaires pour applications large bande et mesure du canal de transmission
Thèse Hassan Ghannoum 2003-2006 (A. Sibille / C. Roblin / X. Begaud)
Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement
& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Antenne à double polarisation
Conception d’antenne ultra large bande compacte et bipolarisation
Système d’alimentation compact
Système d’alimentation
coplanaire
Intégration avec BIE
Thèse M. Vahdani 2004-2007
Antenne à très large bande passante et àdouble polarisationSystèmes antennaires pour applications large bande et mesure du canal de transmission
Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement
& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Synthèse des activités de recherches
Conception d’antenne à très large bande passante et à double polarisation
Pour des applications Ultra Large Bande
Pour des applications Radar
Conception de systèmes antennaires pour applications large bande et pour la mesure du canal de transmission
Analyse et prise en compte des couplages dans les réseaux d’antennes
Réseau d’antennes pour la mesure du canal de transmission
Antenne à très large bande passante et à double polarisationSystèmes antennaires pour applications large bande et mesure du canal de transmission
Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement
& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Pour des applications Radar|Γ| < -10dB
Rayonnement stableContexte: antennes large bande ≈ 10:1
- Intégration sur avion Réduire l’épaisseur
Rayonnement «unidirectionnel »
- Bonne isolation entre avion et antennes
Solutions classiques: antennes spirales ou sinueuses chargées par cavité absorbante
Inconvénients : 1) Perte de 3dB sur le rayonnement
2) Épaisseur
3) Dispersion des caractéristiques des matériaux absorbants
Antenne à très large bande passante et àdouble polarisationSystèmes antennaires pour applications large bande et mesure du canal de transmission
Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement
& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Réflecteur large bande & BIE
Bande passante limitée à l’octave et solution encombrante
Gain élevé, faible encombrement, mais
bande passante limitée
Modèle
« Approche japonaise »Réflecteur à large BIE
Antenne à très large bande passante et àdouble polarisationSystèmes antennaires pour applications large bande et mesure du canal de transmission
Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement
& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Matériaux BIE chargésDispositif permettant de remplacer les matériaux absorbants
⇒ Réduction de l’épaisseur et du poids des structures, reproductibilité
Réalisation d’antenne à très large bande passante (>16:1) et de très faible épaisseur (λmax/200)
⇒ Intégration d’antennes à 100MHz possible!
Thèse Ludovic Schreider 2003-2006 Cifre Thales Aerospace Division
Brevet et prix de la thèse
h=15mm Antennes conformes
Bande 100MHz-1GHz
Antenne à très large bande passante et àdouble polarisationSystèmes antennaires pour applications large bande et mesure du canal de transmission
Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement
& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Synthèse des activités de recherches
Conception d’antenne à très large bande passante et à double polarisation
Pour des applications Ultra Large Bande
Pour des applications Radar
Conception de systèmes antennaires pour applications large bande et pour la mesure du canal de transmission
Analyse et prise en compte des couplages dans les réseaux d’antennes
Réseau d’antennes pour la mesure du canal de transmission
Antenne à très large bande passante et à double polarisationSystèmes antennaires pour applications large bande et mesure du canal de transmission
Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement
& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Analyse et prise en compte des couplagesObjectif:
Obtention rapide d’une information précise sur le couplage entre antennes.
Méthode:
Connaissance des distributions de courants sur l’antenne (filaire, imprimée ou 3D)
=> modèle analytique de l’impédance mutuelle et du couplage.
Applications:
Calcul du facteur d’antenne pour une application CEM (Étude ENST/ LNE Laboratoire National d’Essais)
Thèse Alireza Kazemipour 2000-2003
Antenne à très large bande passante et à double polarisationSystèmes antennaires pour applications large bande et mesure du canal de transmission
Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement
& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Analyse et prise en compte des couplages
Mesure et calcul du facteur d’antenne :
- E est le champ électrique reçu par le dipôle,
- VR est la tension récupérée à l’entrée du dipôle,
- θ est l’angle entre le dipôle et la direction d’incidence de l’onde reçue.
RVEAF =)(θ
Transmitter
d
Receiver
h1:fixe h2:variable
image
h1
image
h2
ground plane
• Outils et résultats:- Modèle analytique- Modèle numérique
(NEC2)Prise en compte des balunsRéalisations des antennes couvrant 30 MHz – 2 GHz
Antenne à très large bande passante et à double polarisationSystèmes antennaires pour applications large bande et mesure du canal de transmission
Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement
& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Analyse et prise en compte des couplagesExtension aux antennes imprimées rectangulaires
Extension aux réseaux d’antennes à large bande et à double polarisation
Méthode approchée du calcul
du diagramme de rayonnement
(même fortement couplés)
Antenne à très large bande passante et à double polarisationSystèmes antennaires pour applications large bande et mesure du canal de transmission
α
l
r
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& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Synthèse des activités de recherches
Conception d’antenne à très large bande passante et à double polarisation
Pour des applications Ultra Large Bande
Pour des applications Radar
Conception de systèmes antennaires pour applications large bande et pour la mesure du canal de transmission
Analyse et prise en compte des couplages dans les réseaux d’antennes
Réseau d’antennes pour la mesure du canal de transmission
Antenne à très large bande passante et à double polarisationSystèmes antennaires pour applications large bande et mesure du canal de transmission
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& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Réseau d’antennes pour la mesure du canal de transmission
Problématique: connaissance du canal de transmission
Nouvelle activité RFM
Originalité : mesures simultanées sur plusieurs capteurs àl’aide du réflectomètre 5 ports
Sondeur de canal mono-capteur:
Indoor
Fréquentiel
BP: 400 MHz
autour 2.4 GHz
Antenne à très large bande passante et à double polarisationSystèmes antennaires pour applications large bande et mesure du canal de transmission
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& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Réseau d’antennes pour la mesure du canal de transmission
Antenne du sondeur de canal mono-capteur:
Caractéristiques du sondeur:
mesures des retards de propagation de trajets multiples. (estimés par IFFT classique et MUSIC + algorithme lissage spatial pour dé-corréler les signaux cohérents)
Antenne à très large bande passante et à double polarisationSystèmes antennaires pour applications large bande et mesure du canal de transmission
Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement
& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Réseau d’antennes pour la mesure du canal de transmission
Sondeur de canal multi-capteurs:
Estimation des
DDAs Azimuth (2)°
Estimation conjointe
DDAs et retards (MUSIC 2D associé
au lissage spatial 2D):
Possibilité d’ estimer un nbre de
sources > au nbre d’antennes !
Antenne à très large bande passante et à double polarisationSystèmes antennaires pour applications large bande et mesure du canal de transmission
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& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Réseau d’antennes pour la mesure du canal de transmission
Sondeur de canal multi-capteurs:Mesure des directions d’arrivée dans le plan azimutal et le plan
d’élévation (2)°
Calibrage:
- Précalibrage du 5-ports
- Longueurs de câble (mesure
des réponses impuls.)
- Effet des antennes
Perspectives : polarisation, MIMO et ULB (3 thèses en cours)
Antenne à très large bande passante et à double polarisationSystèmes antennaires pour applications large bande et mesure du canal de transmission
Thèse Van Yem Vu 2003-2006
Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement
& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Synthèse des activités de recherches
Antennesdédiées
Aujourd’hui DemainULBRadar
SondeurDouble Polar
Couplage & Beamforming
Antennesmultiples
multimodeMIMO
CEM
Antennes et réseaux
intelligents
ThématiquesConception conjointe & Co-design
canal et circuitsEnvironnement
BA
NIntégration
Matériaux
Réseau
Antenne Après demain
Evolution
Plateformescoopératives
PlateformesInteropérables & ouvertes
Plateformespropriétaires
Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement
& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Activités d’enseignementA l’Université de Rennes I: Vacations (1995) et ATER (1996-1997)
A l’ENST (environs 200 h par année):
Dans les trois années du cycle ingénieur : cours, travaux dirigés et travaux pratiques sur la propagation, les antennes et les circuits hyperfréquences. Coordination d’un module.
En Master M2 : (Electronique et systèmes de télécommunications): cours et travaux dirigés sur les antennes et la propagation.
En formation continue : coordination et animation (conception d’antenne et sur l’Ultra Large Bande). Interventions: interface radiofréquence et radio logicielle.
Encadrement des stages, thèses professionnelles et mémoires de fin d'étude.
Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement
& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Activités d’encadrement de recherche
Encadrements
5 thèses soutenues, 3 thèses en cours, 12 stages de DEA/Masters
Publications
Environs 70 publications dont : 10 revues internationales, 2 revues nationales, 36 conférences internationales avec actes.
3 brevets.
Contrats de recherche (Thales, LNE, Ultrawaves, PSA, …)
Responsabilité de 6 contrats de recherche
Participation à une dizaine de contrats de recherche
Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement
& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Activités d’animation de la recherche
Activités d’animation de la rechercheOrganisateur de l’école d’automne sur l’ULB (octobre 2006)
Animateur en compagnie de J. Y. Dauvignac du groupe de travail sur les antennes réseaux à très large bande dans le cadre du club des partenaires du GDR ONDES (2007).
Participation aux actions spécifiques Radio-Logicielle et Antennes Intégrées (CNRS), aux groupes de travail (GDR ONDES, 2005-2006) et au comité d’expert du CNRS (2005).
Expertise:Annales des Télécommunications depuis 1999.
Comité de lecture de ANTEM2005.
Comité de lecture des JNM (Journée Nationale Micro-ondes) depuis 2006.
Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement
& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Perspectives de recherche
1- Conception et réalisation d’un système de télécommunication MIMO
Mise en œuvre d’une plateforme 2.4-2.48 GHz
Etude de l’effet de la corrélation des signaux RF due au couplage entre antennes, afin d’optimiser la capacité du système MIMO.
Diversité en polarisation en diversifiant les antennes du réseau.
Thèse K. Mabrouk
Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement
& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Perspectives de recherche2- Sondeur de canal de propagation pour application
MIMO-UWB
Mesure de l’étalement en fréquence et en temps des signaux radiofréquences ainsi que leurs directions d’arrivées.
Etudes théoriques : l’adaptation des méthodes actuelles de calcul des DOAs et TOAs de signaux RF de bande de fréquence étroite en mode step CW aux signaux large bande en mode FM-CW.
Thèse H. El Arja
Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement
& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Perspectives de recherche
3- Etude des réseaux d’antennes à très large bande passante sur structures à bande interdites électromagnétiques (collaboration Thales)
Analyse d’antennes réseaux placé au-dessus de matériaux à bande interdite électromagnétiques chargés.
Réduire ou contrôler le couplage entre éléments rayonnant au sein d’un même réseau et sur une très large bande de fréquence.
Stage F. Linot
Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement
& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Perspectives de recherche
4- Antennes pour applications THz
Développement d'une source THz à semiconducteur par photo-génération à 1.3-1.5 µm
Détection du rayonnement THz pour la caractérisation des sources réalisées.
Antennes d’émission et de réception associées à la source et au détecteur.
Collaboration: Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (CNRS)
Contrat Pastel CDD J. Zbitou
Synthèse des activités de recherchesActivités d’enseignement, d’encadrement
& d’animation de la recherchePerspectives de recherche
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Système antennaire pour la radio logicielle
Sondeur de canal
BIE
THz
Multi PolarMIMO
Balun
Radio flexible
Merci pour votre attention !