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INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES

1UMR6164

Antenne résonateur BIE à faisceau contrôlable

Olivier Roncière, Ronan Sauleau, Kouroch [email protected]

Institut d'Electronique & de Télécommunications de Rennes (IETR)


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I. Introduction• Généralités• Notion de diagramme de rayonnement et de directivité

Sommaire

II. Antennes à Bande Interdite Electromagnétique • Présentation et principe de fonctionnement

III. Application en bande Ku• Modèle 2D d'antenne à faisceau contrôlable

• Performances d'une antenne réelle

IV. Conclusion


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λ=c/f

Propagation

Er

Hr

kr

Rôle d'une antenne dans un système de communication

Une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émission) ou de capter(réception) les ondes électromagnétiques

Mise en forme du signal

Signal d'entrée

Antenne

Diagramme de rayonnement

Émission

Traitement du signal

Signal de sortie

Réception

Antenne

Oscillations électriques Ondes électromagnétiques

I.Introduction - Généralités- Rayonnement – Directivité


4UMR6164

Ou sont les antennes ?

• Antennes classiques:

- Antennes télé ou radio

- Téléphone portable

• Recherches aujourd'hui:

- Communications satellites

- Transport (radar automobile)

- Réseaux locaux (communications intra-bâtiments)

- Généralités- Rayonnement – DirectivitéI.Introduction


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•L'antenne isotrope, c'est-à-dire rayonnant de la même façon dans toutes les directions, est un modèle théorique irréalisable dans la pratique.


I.Introduction

Lobe principalLobes secondaires

Theta (°)

Puis

sanc

e no

rmal

isée

(dB

)Phi (°)


•En réalité, l'énergie rayonnée par une antenne est répartie inégalement dans l'espace, certaines directionssont privilégiées : ce sont les lobes de rayonnement.

- Généralités- Rayonnement – Directivité


6UMR6164

Deux plans d'observation orthogonaux:

•Plan E (plan contenant le vecteur )

•Plan H (plan contenant le vecteur )


Er

Hr

I.Introduction

Theta (°)

Phi (°)



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Diagramme 3D Coupes du diagramme 3D Plan E Plan H

I.Introduction

Theta (°)

Puis

sanc

e no

rmal

isée

(dB

)

Puis

sanc

e no

rmal

isée

(dB

)

Φ=0°

Φ=90°

Theta (°)

Phi (°)



8UMR6164

•Mesure la quantité d'énergie rayonnée dans une direction de l'espace U(θ, Φ) par rapport à l'énergie totale rayonnée.

Directivité d'une antenne

( ) ( )( )∫∫ Ω

=dU

UDφθπ

φθφθ,4

1,, où ( ) ( ) rHEU .*Re2

1, ×=φθ ^

I.Introduction

D(0,0)

Diagramme peu directif D(0,0)=7dB

Theta (°)

Puis

sanc

e no

rmal

isée

(dB

) z

yx

θ

Φ

Phi (°)

D(0,0)

Diagramme directif D(0,0)=22dB

Theta (°)Pu

issa

nce

norm

alis

ée (d

B)

Phi (°)



9UMR6164

•Mesure la quantité d'énergie rayonnée dans une direction de l'espace U(θ, Φ) par rapport à l'énergie totale rayonnée.

Diagramme peu directif D(0,0)=7dB

( ) ( )( )∫∫ Ω

=dU

UDφθπ

φθφθ,4

1,, où ( ) ( ) rHEU .*Re2

1, ×=φθ ^

Diagramme directif D(0,0)=22dB

I.Introduction

Theta (°)Theta (°)

Puis

sanc

e no

rmal

isée

(dB

)

Puis

sanc

e no

rmal

isée

(dB

)

Directivité d'une antenne

Ouverture à mi--puissance (-3dB)

θ-3dB= 70°

Ouverture à mi--puissance (-3dB)

θ-3dB= 16°



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Sommaire

II. Antennes à Bande Interdite Electromagnétique (BIE)• Présentation et principe de fonctionnement

III. Application en bande Ku• Modèle 2D d'antenne à faisceau contrôlable

• Performances d'une antenne réelleIV. Conclusion



11UMR6164

Antennes directives(IRCOM, Limoges)

II.Les Antennes BIELes antennes à Bande Interdite Electromagnétique (BIE)

- Communications point à point

Pourquoi des antennes directives?

Puissance concentrée dans la zone utile

- Communications à longue distance

Terre Orbite36000 kms


12UMR6164

Antennes reconfigurables(IETR, Rennes)

II.Les Antennes BIELes antennes à Bande Interdite Electromagnétique (BIE)

BTS

Couverture zone(stations de base)


13UMR6164

Radar Anti-collision

Motivations et objectifs de l'étude

Faisceau contrôlable Directivité variableTheta (°)

Puis

sanc

e no

rmal

isée

(dB

)

Passage d'un faisceau à ouverture large à un faisceau à ouverture étroite

Détection courte distance

Détection longue distance

II.Les Antennes BIE


14UMR6164

Géométrie des antennes BIE

Oz

OyOx

Source primaire

Miroir semi-réfléchissant:

- Empilement diélectrique

- Motifs métalliques

Plan de masse

II.Les Antennes BIE


15UMR6164

y

x

Miroir semiréfléchissant

Source primaire

z

x

Cartographies du champ E (module)

Oz

OyOx

Fonctionnement des antennes BIEL'antenne BIE étale le champ à sa surface pour obtenir une fortedirectivité.

II.Les Antennes BIE


16UMR6164

y

x

L'antenne BIE étale le champ à sa surface pour obtenir une fortedirectivité.


Source primaire

z

x


II.Les Antennes BIE

Fonctionnement des antennes BIE


17UMR6164

y

x

Directivité Taille de l'ouverture rayonnante

Antenne BIE à directivité variableL'antenne BIE étale le champ à sa surface pour obtenir une fortedirectivité.



Source primaire

z

x

II.Les Antennes BIE


18UMR6164

Sommaire

III. Application en bande Ku• Modèle 2D d'antenne à faisceau contôlable

• Performances d'une antenne réelle

IV. Conclusion


II. Antennes à Bande Interdite Electromagnétique • Présentation et principe de fonctionnement


19UMR6164

D

Géométrie de l'antenne

Miroirs semi réfléchissants

•Miroirs semi-réfléchissants: pistes métalliques

Source

•Source: Ligne de courant infinie

Grille active

•Grille active: pistes métalliques (période lâche)

L

•Ouverture rayonnante de taille variable Directivité variable

III. Application en bande Ku


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Modèle 2D de l'antenne

L

Source Grille active

Géométrie de l'antenne

x (m)

y(m)L=2×λ0 , fo=18.7GHz

Cartographies du champ E (|E|) Diagrammes de rayonnement

Theta (°)

Puis

sanc

e no

rmal

isée

(dB

)


Ouverture rayonnante de taille variable (L)

Directivité variableMiroirs

•Le champ est arrêté par la grille active

L=6×λ0 , fo=18.4GHz Sans grille active L=8×λ0 , fo=18.4GHz

L=4×λ0 , fo=18.45GHz


21UMR6164

Géométrie de l'antenne réelle

Plan d'observationGrille inductive 2D (miroir semi-réfléchissant)

Grille active

Plan de masse

εr2

εr1 L

x

z


Source primaire


22UMR6164

Résultats FDTD

Cartographies du champ E (|E|)

L=2×λo L=4×λo L=12×λo

Augmentation de l'ouverture rayonnante avec L.



23UMR6164

Diagramme de rayonnement (Plan H)

-259°12-2418°4-1632°2

Niveau des lobes

θ(–3dB)Ouverture L (λ)

Le plan H est très bon

Résultats FDTD

Theta (°)

Puis

sanc

e no

rmal

isée

(dB

)

L=2λL=4λ

L=12λ


Rq: dans le pan E, des lobes secondaires importants apparaissent


24UMR6164

L=12×λo

L=6×λo

L=4×λo

L=2×λo

∆Do=13.5dB

Variation maximale de directivité à f=16.05GHz:

∆Do=13.5dB.

Variation de directivité

Fréquence (GHz)

Dire

ctiv

ité (d

B)

Résultats FDTD



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IV. Conclusion

•Faisabilité d'une antenne BIE à directivité variable

•Insertion d'une grille active à l'intérieur de la cavité

•Les simulations FDTD montrent une variation de directivité de 13.5dB

•Une maquette est en cours de réalisation


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Antenne résonateur BIE à faisceau contrôlable

Olivier Roncière, Ronan Sauleau, Kouroch [email protected]

Institut d'Electronique & de Télécommunications de Rennes (IETR)

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