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Zitiervorschau

Compte rendu du TP1

4/6/2016

Conception d’une antenne patch rectangulaire 2,45GHZ ET 3,5GHZ

Realisé par :

 Chigare Abdelkebir  Kasraoui Walid

 Prof. J.Zbitou

Antenne&propagation

Sommaire Introduction Objectif du TP Partie théorique 1. Description des antennes microbandes 2. Le modèle électrique d’une antenne patch rectangulaire 3. Mécanismes de rayonnement de l’antenne patch 4. Paramètres caractéristiques d’une antenne imprimée

Partie pratique : 1. Conception antenne patch rectangulaire 2.45 GHz 2. Calcul des dimensions de l’antenne 3. Calcul de la fréquence de résonance 4. Méthodologie du design 5. Simulation de l’antenne patch rectangulaire 2.45 GHz

Conception d’une antenne à 3,5GHz application (WIMAX) 1. Le WIMAX : Présentation 2. Méthodologie du design 3. Amélioration de la conception précédente par ajout des encoches

Conclusion

I. Introduction :

Le développement des télécommunications spatiales, les contrôles et les commandes à distance, ont fait apparaître la nécessité croissante de réaliser des dispositifs micro-ondes peu coûteux et peu encombrants, faisant appel à une technologie simple et économique. Les systèmes micro-ondes à structure micro ruban ont été à l’origine du développement des antennes imprimées (antennes plaques ou antennes patch) qui sont le plus souvent utilisées en réseaux afin d’améliorer leurs performances et de permettre la réalisation de fonctions très particulières. Actuellement un réseau imprimé est largement utilisé puisqu’il permet de répondre à de nombreuses contraintes commandées par les systèmes. Il est caractérisé par le diagramme de rayonnement, la fonction caractéristique, l’angle d’ouverture, la dynamique d’une antenne, le gain et la directivité. Les domaines d’utilisation privilégiés de ces antennes, sont trouvés dans de nombreux systèmes de communication tels que la téléphonie mobile, les systèmes multimédia sans fil (WIFI, Bluetooth) ou encore les communications spatiales. Elles trouvent également des applications dans certains systèmes radar ou de télé- détection et sont utilisées dans des bandes de fréquences allant de 1GHz jusqu’aux bandes millimétriques. Ces applications sont soumises à des critères sélectifs et à des limitations de poids, de volume et d’épaisseur.

II. Objectif du TP Le but de ce TP est de concevoir une antenne patch de forme rectangulaire en utilisant la technologie MICROSTRIP à partir d’un cahier de charge prédéfini et de donner un aperçu sur la modélisation et la conception des antennes patch rectangulaire sous le logiciel de simulation électromagnétique ADS et plus particulièrement Mometum. Les bases nécessaires à la conception de ce type d’antenne seront données à titre indicatif, sans démonstrations et l’antenne patch de forme rectangulaire (la plus simple de toutes) sera présentée.

III. Partie théorique 1. Description des antennes microbandes Les antennes microbandes, construites par la technique des circuits imprimés, ont en général des bandes de fréquence étroites dans leur structure de base. L’antenne microbande est représentée dans la Figure I. 1 , est constituée d'un mince conducteur métallique (habituellement de 17,5 à 35 µm d'épaisseur en hyperfréquence et 9 µm en millimétrique) de forme arbitraire, appelé élément rayonnant, déposé sur un substrat épais utilisé pour augmenter la puissance rayonnée par l’antenne et réduire les pertes par l’effet joule et amélioré la bande passante de l’antenne, la face inférieure est entièrement métallisée pour réaliser un plan de masse.

Fig 1 : Antenne rectangulaire patch

Le patch, habituellement en cuivre, peut avoir diverses formes, mais les patchs rectangulaires et circulaires (elliptiques) couvrent toutes les possibilités en terme de modèle de rayonnement, de bande passante et de polarisation.

2. Le modèle électrique d’une antenne patch rectangulaire Une antenne patch rectangulaire peut être modélisée électriquement par une ligne de transmission de longueur L et par deux fentes identiques représentées par une susceptance jB en parallèle avec une conductance G . La susceptance jB représente l’énergie stockée liée aux modes évanescents, la conductance G représente l’énergie perdue par l’antenne c’est à dire l’énergie rayonnée :

Fig. 2 :modèle électrique

3. Mécanismes de rayonnement de l’antenne patch rectangulaire Le mécanisme de rayonnement d’une antenne patch rectangulaire s’effectue à partir de sa forme géométrique. Une fois, la ligne d’alimentation excitée par une source RF, une onde électromagnétique se propage sur cette ligne, puis attaque l’élément rayonnant. Une distribution de charge va donc se mettre à l’interface substrat - plan de masse, sur et sous le composant rayonnant, ce qui va provoquer : 1. Une inversion de phase des composantes verticales du champ électrique sur la longueur de l’antenne. 2. Contrairement à précédemment, des rayonnements qui sont en phase dans le plan de l’antenne et dus aux composantes horizontales des lignes de champ qui entoure l’élément imprimé. 3. Une modélisation de l’antenne patch rectangulaire par une cavité à 4 murs magnétiques (bords de la cavité) et 2 murs électriques (formés par les métallisations).

4. Paramètres caractéristiques d’une antenne imprimée Le concept des antennes imprimées à été proposé dès 1953 par Deschamps mais il n’a été possible de les réaliser efficacement qu’à partir de 1970 (Howel et Muson) grâce à l’arrivée sur le marché de diélectrique à faibles pertes. Depuis, la recherche dans ce domaine n’a cessé de s’intensifier pour exploiter les nombreux avantages des antennes imprimées :  faible poids,  faible volume et épaisseur réduite,  faible coût de fabrication,  compatibilité avec des circuits intégrés (antennes actives), réseau d’antennes. Ces antennes présentent également un certain nombre d’inconvénients qui peuvent limiter leur domaine d’applications. On peut noter :  largeur de bande étroite,  faible gain.  une polarisation difficile à obtenir

Donc, la conception des antennes doit répondre à des compromis en termes de performances et de complexité de réalisation. L’antenne la plus simple à étudier est sans doute le patch rectangulaire (figure 1) qui est définie par :  Ses caractéristiques électromagnétiques : son gain, son diagramme de rayonnement, sa largeur de faisceau, sa polarisation.  Ses paramètres d’utilisations : sa fréquence de résonance f r , sa résistance d’entrée Rin et sa bande passante B La première étape est le choix du substrat et du conducteur pour lesquels les caractéristiques à connaître sont : 

pour le substrat : ε r sa permittivité relative, tan ∂ sa tangente de perte et sa hauteur h .



pour le conducteur : sa conductivité σ et son épaisseur T

IV. Partie pratique : 1. Conception antenne patch rectangulaire 2.45 GHz Dans cette partie on va simuler une antenne patch rectangulaire sur ADS (momentum) La conception consiste alors à déterminer : 

la longueur et la largeur du patch ( L et W),



la position et le type de l’alimentation (coaxiale, microstrip, fente).

Dans ce TP nous avons utilisé un seul type d’alimentation, il s’agit d’une alimentation par ligne micro ruban à travers un bord rayonnant (figure 1). Afin de formaliser notre conception, nous avons travaillé sur le cahier de charges suivant ; substrat FR4 (epoxy) hauteur de substrat : H = 1,6mm permittivité diélectrique ε r=4,4 pertes tangentiel tan ∂=0,025 conducteur : cuivre,épaisseur de métallisation T = 35µm

2. Calcul des dimensions de l’antenne La démarche adoptée pour déterminer les paramètres géométriques du motif imprimé s’articule autour des deux étapes suivantes : Calcul de la permittivité effective ε e en fonction de la largeur du motif W. Calcul de la longueur L du motif imprimé en fonction de la permittivité effective. Le calcul de la permittivité effective d’une ligne microstrip repose sur la largeur de la ligne et sur la hauteur du substrat :

Cette équation est donnée pour W/h>1

3. Calcul de la fréquence de résonance Chaque patch est caractérisé par sa longueur effective Leff et sa largeur effective Weff qui ont effet mineur sur la fréquence de résonance. Pour faire un calcul rigoureux de fr on prend en considération ces deux paramètres d’où la formule :

Avec : C =3.108 m/s. m,n le nombre de mode . Pour le calcul de la longueur effective, on utilise la définition suivante :

Largeur W du patch La largeur du patch a un effet mineur sur les fréquences de résonance et sur le diagramme de rayonnement de l’antenne. Par contre, elle joue un rôle pour l’impédance d’entrée (sur le bord) de l’antenne et la bande passante à ses résonances.

Ou le terme f01 représente la fréquence de résonance fondamentale de l’antenne. Longueur L du patch

4. Méthodologie du design Une fois les différents paramètres sont définis; on passe au choix du logiciel de simulation électromagnétique. Pour la conception de cette antenne, on est basé principalement sur le logiciel ADS Advanced Design System de chez Agilent Technologies et plus particulièrement le logiciel intégré dans ADS ‘ Momentum’ ‘Logiciel de 2D’

Dans cette partie on va simuler une antenne patch rectangulaire sur momentum On commence par définir le substrat, la bande de fréquence et la fréquence du maillage à partir du momentum , pour notre cas on choisit les valeurs : La bande de fréquence d’étude : de 1 GHz à 3 GHz .

Fig 3 : caractéristique du substrat

W W1 L1 a)

L b)

Fig 4 : a) ligne de transmission Microruban .b) rectangle

L’antenne qu’on va concevoir est composé principalement par deux composants : une ligne d’alimentation et d’une partie rectangulaire comme stub (à une seule entré et ouvert de l’autre coté) Apres le calcul de L et W de MLOC soit via le calcul direct à partir des relations précédentes ou par la page internet «patch calculator », dans notre cas nous avons définis une fonction sous MATLAB qui fait le calcul de L et W

Fig 5 : fonction patch calculator sous MATLAB

Reste à déterminer les dimensions de la ligne de transmission, une ligne peut être caractérisé soit par des dimensions physique (L1 et W1) soit par les grandeurs électrique Ө et Zc . A partir de Linecalc nous avons calculer les dimensions physique à partir des caractéristique électrique de la ligne ou vis-versa, en prend la longueur électrique Ө=90° et Zc=50 Ω , synthétiser nous donne L1 et W1 Pour visualiser la longueur qu’on va utiliser pour la ligne de transmission, La largeur de la ligne qu’on a pris est W1= 1 mm. Et L1=16.8 mm

Fig 6 : Définition de la ligne de transmission à partir de Linecalc Dans notre cas et pour la fréquence 2.45 GHz on obtient les dimensions: L = 28. 8296 mm W = 37.26 mm On clique sur Mloc (qui représente le patch rectangulaire) et on insère les résultats qu’on a trouvé A la fin on insère un port d’impédance de 50 Ω sur l’entrée de la ligne de transmission, on applique le maillage prédéfinis précédemment sur notre antenne.

Fig 7 antenne patch apres Maillage

5. Simulation de l’antenne patch rectangulaire 2.45 GHz Passons maintenant à la simulation : Quand on simule sous les conditions qu’on a défini précédemment, on a obtenu des résultats acceptable un bon coefficient de réflexion S11=17.44dB la seul chose qui ne va pas c’est la fréquence de résonnance qui n’égale pas à la fréquence qui est définis dans le cahier de charge :

Fig 8 : Coefficient de réflexion en fonction de la fréquence

Pour remédier cette problématique, on peut améliorer ces résultats en diminuant la largeur W cette opération est le tunning/ajustage

Pour passer de 2.40GHz 2.45GHz L’idée ici est d’agir sur la longueur et du patch en le diminuant afin de répondre à notre cahier de charge , par ce que la longueur est inversement proportionnel avec la fréquence de résonance du patch par modification de W et L du patch on prend W=37.215 mm

L=28.095 mm

Ensuite on passe à la partie simulation qui caractérise par les paramètres suivantes : Fréquence de START= 2.4 GHZ Fréquence de stop=2.6 GHZ Le pas fréquentielle =0.01 GHZ Momentum==== simulation ===S-paramètre :

Interprétation : On voie bien que le coefficient de réflexion il est de l’ordre S(1.1)=-16.844dB < -15dB autour de fréquence 2.45 GHZ on peut les considérer qu’il est acceptable mais on a toujours tendance à faire bien adapter pour qu’il devient