1 - antennes compactes

7/22/2019 1 - Antennes compactes

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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 1

ANTENNES COMPACTES POURANTENNES COMPACTES POUR

TLCOMMUNICATIONSTLCOMMUNICATIONS(DOMAINE DCIMTRIQUE)(DOMAINE DCIMTRIQUE)

PRINCIPE ET APPLICATIONSPRINCIPE ET APPLICATIONS


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PLAN DU COURSPLAN DU COURS

Introduction

Historique, gnralitsCaractristiques des antennes

Partie I : Antennes compactes

Partie II : Antennes larges bandes

Partie III : Antennes polarisation circulaire

Partie IV : Antennes grand gain

Partie V : Formation de faisceau Partie VI : Antennes intelligentes

Partie VII : MIMO


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CONTEXTE DE LETUDECONTEXTE DE LETUDE

But : donner accs des technologies complmentaires

partir d'un seul terminalComposant critique : l'antenne


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Grande majorit desGrande majorit desapplications deapplications determinaux mobilesterminaux mobiles

Grande majorit desGrande majorit desapplications deapplications determinaux mobilesterminaux mobiles

LES ANTENNES COMPACTESLES ANTENNES COMPACTES

Deux grandes familles dantennes

Deux grandes familles dantennes

Antennes non-rsonantes Antennes rsonantes

Boucles magntiquesL

Antennes filairesL #

Antennes planairesL #

Gain faible

Ncessit duncircuit d adaptation


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LES ANTENNES FILAIRESLES ANTENNES FILAIRES

rayonnement

gnrateur

I

diple

(a)

gnrateurplan de masse

monople

Irayonnement

(b)

Le monople

taille min. :/4

Utilisation dun plan demasse

lment de base :le diple

taille min. :/2


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LES ANTENNES FILAIRES (2)LES ANTENNES FILAIRES (2)

(a) (b) (c)

Antenne boucle rsonante Antenne hlice

Hlices multiples

Hlice simple

Mode radial Mode axial


7/45Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 7

LES ANTENNES PLANAIRESLES ANTENNES PLANAIRES

(b)(a)

Antenne fente

Dual du diple/2 /4

Mme comportement que le diple mais en

inversant les champs E et H.Du coup, inversion galement des impdances.




patch

x

y

z

O

substrat

plan de masse

rayonnementxOz

rayonn

ement

yOz

Antenne patch

Pastille mtallique la surfacedun substrat dilectrique dontla face infrieure est mtallise.

Rayonnement directif

Mode fondamental /2




Principe de fonctionnement : cavit fuites

h

Z

XY

Z

X

Direction de rayonnementprivilgie




H

Plan de masse

Substrat dilectriquelmentrayonnant . , 0 0( ) r

Sondecoaxiale

Systmes dalimentations :

Ez

y

x

g/2

Sonde d alimentation

Plan de masse

Plaque mtalliquey

z

E

Systme classique : sonde coaxiale

Placement en fonction delimpdance et des modes dsirs




H

Plan de masse


Ligne

microruban

(a)

H

Plan de masse


Lignemicroruban

(b)

Alimentation par ligne microruban :

Impdance leve

Ajout dun effet selfique




h r

1h1

2h2plan de

masse

h1

h2

ligne microruban

fente dans

le plan de

masse

1

2

Alimentation par proximit

par ligne fente par ligne coplanaire

par ligne microruban ensandwich couplage par fente



REDUCTION DENCOMBREMENTREDUCTION DENCOMBREMENT

Antenne charge :

x

y

zL



UTILISATION DE COURT-CIRCUITSUTILISATION DE COURT-CIRCUITS

Antenne quart donde :

Antenne IFA et PIFA : Effet inductif ducourt-circuit

Ez

y

x

g/4


Plan de masse

Plaque de court-circuit

y

z

EE

x

z

y

H

LD



x

y

z

O

plan de masse

court-circuit(a)

(b)

x

y

z

Oplan de massecourt-circuit

patch reprise de masse

(a)

(b)

ANTENNES PLANAIRES EVOLUEESANTENNES PLANAIRES EVOLUEES

Patch quart donde C-patch

P.I.F.A. Fil-plaque



QUELQUES DETAILS SUR LANTENNE FIL-PLAQUEQUELQUES DETAILS SUR LANTENNE FIL-PLAQUE

Structure

substrat dilectrique

toit capacitif

fil d'alimentation

fil de masse

plan de masse

cble coaxial

mode

f

Z(f) = R(f) + j X(f)

X(f)

R(f)

fondamental

rsonancesrie

Z(f) = R(f) + j X(f)

X(f)

R(f)f

paralllersonance mode

fondamental

sans fil de masse avec fil de masse




C

R

C L alim.

L

mode fondamentalfond.

fond.

fond.

toit

C

L

L masse

C

R

alim.

toit

L

mode fondamental

fond.

fond.

fond.

champ H champ E




Plan de coupe vertical

Plan de coupe azimutal

Rayonnement



LANTENNE FIL-PLAQUE COPLANAIRELANTENNE FIL-PLAQUE COPLANAIRE

PrincipePlan de masse priphrique

Substrat dilectrique

Ruban de court-circuit

Ruban dalimentation

fente

champ H

champ E

Tous les lments de lafil-plaque transposs

dans un seul plan


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LANTENNE FIL-PLAQUE COPLANAIRELANTENNE FIL-PLAQUE COPLANAIRE

Rayonnement

champ H

champ EEE

(degrs)

E


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TECHNIQUES DOPTIMISATIONTECHNIQUES DOPTIMISATION

Utilisation de substratsUtilisation de substrats

Principaux buts : largissement de bande passante et fonctionnementmulti-frquences

x

y

z

O

Ajout de fentesAjout de fentes

Imbrication ou multi-couchesImbrication ou multi-couches

eff

og

= permittivit

taille

gain

B.P.

Ajout de rsonances large bande oumulti-frquences

Regroupement de fonctions dans levolume de llment le plus bassefrquence nombreux couplages


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y

x


Plan de masse

z

Sonde

d alimentation

Plan de masse

Plaque de court-circuit


Plan de masse

fils de court-circuit

Antenne double L

invers

Antenne E Fil-plaques superposes


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Fils de court-circuitSonde dexcitation

Antenne initiale (contrle de la frquence basse)

Antenne parasite

(contrle de la frquence suprieure)

x

y

o

Plan de masse

Fil-plaques imbriques

Double C-patch


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QUELQUES EXEMPLESQUELQUES EXEMPLES


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QUELQUES EXEMPLESQUELQUES EXEMPLES


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ANTENNE A RESONATEUR DIELECTRIQUEANTENNE A RESONATEUR DIELECTRIQUE

Volume de matriau dilectriqueformant une cavit rsonante

trs fort facteur de qualit

bande passante faible

Rayonnement difficile matriser


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PartierelledeZe(ohms) Alimentation directe

Gap capacitif 2mm

Gap capacitif 4mm

PartieimaginairedeZe(ohms) Alimentation directe

Gap capacitif 2mm

Gap capacitif 4mm

Frquence (GHz)Frquence (GHz) Frquence (GHz)Frquence (GHz)

/4/4Plus petit lment rsonant possible : rsonateur quart d'ondePlus petit lment rsonant possible : rsonateur quart d'onde

LANTENNE RUBAN REPLIEELANTENNE RUBAN REPLIEE


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h2h 2h

Masse infinie

l2l1

Densit surfacique de courantDensit surfacique de courant

ButBut : Contrle du rayonnement par le dimensionnement des trois brins du: Contrle du rayonnement par le dimensionnement des trois brins dursonateur pour un diagramme hmisphriquersonateur pour un diagramme hmisphrique

RAYONNEMENT CONFORMRAYONNEMENT CONFORM


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h

l2

l1

Pr-tude analytiquePr-tude analytique

h # /24h # /24 ll11 # /15# /15 ll22 # /7# /7

h # /50h # /50 ll11 # /13# /13 ll22 # /6.5# /6.5

Optimisation FDTDOptimisation FDTD

gap decouplage

h

l1

l2

sondecoaxiale

Variation de gain


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s

alimentation

masse

masse

Rsonateur /4Masse coplanaire

Gap de couplage

EVOLUTIONS DIVERSESEVOLUTIONS DIVERSES

++

--

rsonateur frquence haute

rsonateur frquence basse

Structure sans plan de masse

Limitation du plan de masse

largissement dudernier brin

Topologie coplanaire

Monople charg Multi-rsonateurs

Nombreuses dclinaisons du mme principe possibles selon lesapplications :

intgration - large bande - multi-frquences - faible pollution EM(Brevet international)


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PREMIERE APPLICATIONPREMIERE APPLICATION

ALLIGATOR : ALL InteGrAted meteRingALLIGATOR : ALL InteGrAted meteRingProjet europen

Projet europen EURIMUS ayantProjet europen EURIMUS ayantpour but le dveloppement d'unpour but le dveloppement d'un

systme de relev distancesystme de relev distancedes compteurs d'nergiedes compteurs d'nergie

Rle de l'IRCOM : tudeRle de l'IRCOM : tudedes antennes intgresdes antennes intgresavec minimisation desavec minimisation des

effets CEMeffets CEM

Conception d'un module radioConception d'un module radiocompact haut niveaucompact haut niveau

d'intgration et faible cotd'intgration et faible cot


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Botier en ABS

PCB FR4 Batteries 90mm

120mm

RESULTATS OBTENUSRESULTATS OBTENUS

Modlisation fine de toutes

les composantes

mtalliques et dilectriquesdu botier

connecteur SMA

Validation par ralisation

dun prototype

Antenne au-dessus du PCB Antenne au-dessus des piles

|Ez| en V/m

Champs induits sur le PCB

faibles

Insensible aux

perturbations

Structure coplanaire :

large bande passante

(17%)gain moyen lev (-0.7 dB)


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metteur

GPS

simulateur station de base

rcepteurs

PCI bus

i/o i/oNumrisation IQ

FI 1.5 MHz

1.2 MHz

CPU Carte vidoplate-forme NT4

LUTECELUTECE :: LLocalisation d'ocalisation d'UUrgence pourrgence pourTETElphonelphone CECEllulairellulaire

DEUXIEME APPLICATIONDEUXIEME APPLICATION

But :But :systme de localisation permettant le sauvetage de personnessystme de localisation permettant le sauvetage de personnes

en dtresse partir de l'mission de leur tlphone portableen dtresse partir de l'mission de leur tlphone portable


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Antenne mettrice500 x 500 mm Antennes rceptrices800 x 800 mm

DISPOSITION SOUS LHELICOPTEREDISPOSITION SOUS LHELICOPTERE


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20

Capot avant : Capot arrire :

Modification des

capots souslhlicoptre pour

accueillir les

antennes

Pointage mcanique

DISPOSITION SOUS LHELICOPTERE (2)DISPOSITION SOUS LHELICOPTERE (2)

mission

Rception

5 capteurs de rception 5 capteurs de rception large ouverturelarge ouverture

antenne d'mission directiveantenne d'mission directive

ELEMENT DE BASE COMMUN


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ELEMENT DE BASE COMMUNELEMENT DE BASE COMMUN

zx

y

O

48 mm

116mm

72mm

Frequency (GHz)

S11

(dB

)

simulation

mesure

Frquence (GHz)

Premire bande de 150 MHz (16%)Premire bande de 150 MHz (16%)Seconde bande de 1.4 GHz (62%)Seconde bande de 1.4 GHz (62%)

SS OANTENNE DMISSION


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Ox

yz

Plan xOz

DCS

mesuresimulation

Ox

yz

Plan xOz

GSM

mesuresimulation

4646 4242

ANTENNE DMISSIONANTENNE DMISSION

Gmax = 13.5 dB Gmax = 13.7 dB

Antenne d'missionAntenne d'mission :: 4 lments

disposition dlicate (compromisdisposition dlicate (compromisGSM/DCS)GSM/DCS)

trs bons rsultats en adaptationtrs bons rsultats en adaptationet rayonnementet rayonnement

rigidit insuffisanterigidit insuffisante

AUGMENTATION DE LA RIGIDITAUGMENTATION DE LA RIGIDIT


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AUGMENTATION DE LA RIGIDITAUGMENTATION DE LA RIGIDIT

Brin court-circuit

Brin en circuit ouvert

ubstrat Durod

Coaxial rigide

Plan rflecteur

Masse suprieure

Nouvel lment de base :Nouvel lment de base :substrat dilectrique

compacit suprieure (84x60)compacit suprieure (84x60)

rigidit renforcerigidit renforce

bandes passantes amoindriesbandes passantes amoindries

194mm

170mm

Rseau de quatre lments

256mm

232mm

lmentDCS

Rseau de cinq lments

Bon comportement du rseau de cinq

lments conception d'un circuit de

distribution

CIRCUIT DE DISTRIBUTIONCIRCUIT DE DISTRIBUTION


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CIRCUIT DE DISTRIBUTIONCIRCUIT DE DISTRIBUTION

50 cm

50cm

connecteur dentre

niveau antenne

niveau masse

suprieure

cble coaxialmasse infrieure

substrat Durod 3 mm

sorties

Circuit bi-bande 1 entre / 5 sorties en phase avec pondration damplitude

Optimisation laide du logiciel circuit HP ADS et Momentum

REALISATION ET MESURESREALISATION ET MESURES


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Plan phi=0

GSM GSM

DCS DCS

Plan phi=90

Gain max :12.77 dB

Gain max :10.89 dB

33 35

43 48

simulationmesure

simulationmesure

CAPTEURS DE RECEPTIONCAPTEURS DE RECEPTION


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CAPTEURS DE RECEPTIONCAPTEURS DE RECEPTION

Brin court-circuit

Brin en circuit ouvert

ubstrat Durod

Coaxial rigide

Plan rflecteur

Masse suprieure

But :But :dispositiondisposition

optimale de 5optimale de 5capteurscapteurs

indpendantsindpendantspour unepour unegoniomtriegoniomtrie

prciseprcise

Utilisation dun lment de base sur

dilectrique

MISE EN EVIDENCE DES COUPLAGESMISE EN EVIDENCE DES COUPLAGES


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Simulations FDTD du couplage entre deuxSimulations FDTD du couplage entre deuxcapteurs parallles des distances variablescapteurs parallles des distances variables

Distance importanteDistance importante

ncessaire entre lesncessaire entre lescapteurs pourcapteurs pourpouvoir ngliger lepouvoir ngliger le

couplagecouplage

L

zx

O

y

MISE EN EVIDENCE DES COUPLAGESMISE EN EVIDENCE DES COUPLAGES

OPTIMISATION DE LA DISPOSITIONOPTIMISATION DE LA DISPOSITION


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80 cm

Capteur 1

Capteur 2

Capteur 3

Capteur 4

Capteur 5

Choix de capteurs prochesChoix de capteurs proches

avec prise en compte desavec prise en compte descouplages complexescouplages complexes

tude de linfluence de latude de linfluence de la

taille du plan de masse sur lataille du plan de masse sur lagoniomtriegoniomtrie

Calculs des diagrammes deCalculs des diagrammes de

rayonnement obtenus avec ourayonnement obtenus avec ousans prsence des autressans prsence des autres

capteurscapteurs

OPTIMISATION DE LA DISPOSITIONOPTIMISATION DE LA DISPOSITION



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GSM DCS

Phi=0 Phi=0

Phi=90 Phi=90

EXPERIMENTATIONSEXPERIMENTATIONS


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EXPERIMENTATIONSEXPERIMENTATIONS

Dtection avec une prcisiondu mtre carr en moins de

trois minutes.

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