Des antennes de communication intégrées aux navires et aux véhicules terrestres

En mer, pour communiquer par radio sur de longues distances, il faut utiliser des basses fréquences. Cela nécessite aussi des antennes positionnées en hauteur. Ce n’est guère approprié pour un navire militaire qui souhaite rester discret ; de plus la topologie et les dimensions de l’antenne permettent, pour un œil averti, de reconnaître les bandes de fréquences utilisées !
Pour résoudre ce problème, Xavier Castel, professeur co-responsable de l’équipe FunMat et expert en matériaux fonctionnels, et Mohammed Himdi professeur dans l’équipe CUTE et expert dans les antennes, travaillent sur de nouvelles antennes. Celles-ci sont plus discrètes, car intégrées directement dans la structure porteuse des navires. En effet, le navire présente de grandes surfaces en matériaux composites qui pourraient ainsi avoir une double fonction : de structure et de communication. Cela permet aussi de résoudre des problèmes d’encombrement et de gêne physique : les antennes peuvent se masquer les unes les autres, ou créer des couplages électromagnétiques qui perturbent la transmission et/ou la réception du signal.
Les chercheurs disposent à présent des résultats de deux projets, menés de 2018 à aujourd’hui en collaboration avec Naval Group et des industriels locaux. Les résultats sont en cours de publications et 5 brevets ont déjà été déposés. D’autres sont envisagés.

Ces collaborations sont une valeur ajoutée pour l’emploi des jeunes docteurs.
Ils sont très souvent embauchés par les partenaires, directement après leur thèse.
Mohammed Himdi

Depuis une dizaine d’années, les chercheurs ont évalué l’utilisation des tissus de carbone comme matériau de base des antennes, à l'image du projet SAMCOM mené de 2010 à 2015, car ceux-ci sont électriquement conducteurs, légers et insensibles à la corrosion.
Depuis 2018, ils développent les suites de cette idée : miniaturiser les antennes et les intégrer dans des supports non conventionnels, en élargissant le spectre des fréquences utilisées afin d’ouvrir la voie à de nombreuses applications.
Ces recherches ont lieu dans le cadre de deux projets, STARCOM et NidaSTIC, portés par Naval Group et impliquant l’IETR de Rennes et son antenne à l’IUT de Saint-Brieuc, ainsi que des industriels locaux.

Le premier projet, STARCOM (Systèmes & Technologies Antennaires de Rupture en matériaux COMposites, projet financé par le Fonds unique interministériel et co-labellisé par les pôles de compétitivité EMC2 et Images & Réseaux), consiste à intégrer des antennes dans une diversité de matériaux composites.
Ils ont ainsi établi une « bibliothèque » de plus de 110 matériaux, caractérisés pour leur intérêt pour la conception des matériaux composites intégrant des antennes. Leurs travaux portent sur le design de l’antenne, la fabrication du prototype à taille réelle, son évaluation en hyperfréquences et jusqu’à la rédaction d’un cahier de fabrication pour faciliter son industrialisation.

Nous sommes capables de créer l’antenne et de développer le matériau en interne, sans besoin d’externaliser. C’est un plus pour travailler sur des projets de Défense car nous contrôlons l’information sur toute la chaîne de valeur et nous sommes plus réactifs.
Xavier Castel

Les partenaires industriels participent à l’élaboration du cahier des charges du projet et travaillent à l’intégration des innovations dans leurs produits et à leur fabrication, notamment en évaluant les contraintes techniques et les coûts de production, tout en apportant une valeur ajoutée à leur production. Pour STARCOM, il s’agit de Europe Composite & Technologies (ECT, qui fabrique des pièces en matériaux composites), Innovation Plasturgie Composites (IPC, un centre technique industriel dans le domaine des matériaux) et Séribase Industrie (spécialiste de la sérigraphie et de l’électronique imprimée).

Le second projet, NidaSTIC (NIDs d’Abeille fonctionnalisés pour les Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication, projet financé par l’ANR et labellisé Images & Réseaux), porte sur les matériaux composites de type « sandwich », dont l’âme – la partie centrale du composite – est structurée en nid d’abeille.
Le projet vise à donner une fonction supplémentaire à cette structure en nid d’abeille, et donc aux matériaux composites fabriqués. Le matériau final devient ainsi communicant, en intégrant directement des antennes. Le projet implique 3 partenaires : l’IETR, Naval Group et Séribase Industrie.

© Xavier Castel

Au-delà des applications militaires visées par Naval Group, les collaborations avec les industriels permettent d’envisager plus largement des applications duales : civiles et militaires.
Les antennes de communication ainsi développées sont testées sur de larges gammes de fréquences : la bande VUHF, privilégiée pour les communications longue distance (applications militaires), la bande Ka pour l’aéronautique civil (communications satellitaires notamment), la bande C ou la 5G pour une utilisation dans des véhicules, navires ou autres objets communicants.

• M. Sergolle, X. Castel, M. Himdi, P. Besnier, P. Parneix, Structural composite laminate materials with low dielectric loss: theoretical model towards dielectric characterization, Composites Part C: Open Access, Vol.3 (2020) pp.100050 (8 pages). DOI : 10.1016/j.jcomc.2020.100050.
• F. Merzaki, M. Sergolle, X. Castel, M. Himdi, P. Besnier, K. Desmars, T. Levavasseur, P. Caldamone, P. Parneix, A compact absorbing FSS structure for antenna decoupling in the 5G 3.5 GHz band, EMC Europe 2020 “International Symposium on Electromagnetic Compatibility”, 23–25 septembre 2020, Rome, Italie.
• F. Merzaki, M. Sergolle, P. Besnier, M. Himdi, X. Castel, Radar cross-section measurement in reverberation chamber to assess the performance of an absorbing FSS structure in the 3.5 GHz band, URSI GASS 2021 “XXXIV General Assembly and Scientific Symposium (GASS) of the International Union of Radio Science (Union Radio Scientifique Internationale-URSI)”, 28 août–4 septembre 2021, Rome, Italie.