simulation électromagnétique d'antennes : manipulations...

Institut Mines-Télécom

Simulation électromagnétique d'antennes : manipulations avec le logiciel FEKO (EMSS)

Formation continue – 19-20 mai [email protected]

Institut Mines-TélécomInstitut Mines Telecom/TB/Dpt. MO/FLP

Simulation EM� Objectifs

• Prédire les grandeurs d’intérêt (EM & dérivées) selon les hypothèses de milieux, frontières et sources

• Réduire le prototypage (pré-dimensionnement des dispositifs / intégration processus CAO)

• Améliorer les performances nominales, les rendements, la sensibilité aux conditions de mise en œuvre, etc…

• Contribuer à l’analyse de l’origine de difficultés� Méthode

• Modélisation informatique (3D paramétrique, native ou import)• Résolution automatique des équations fondamentales• Post-traitement adapté au problème étudié• Export / co-simulation

� A noter• Différences modèle / réalité (toujours !)• Résolution dont la précision dépend des techniques utilisées et

des réglages adoptés ─ Notamment : maillage

• Adéquation des ressources ? (temps de calcul, mémoire…)

19/05/2014 Formation continue - Antennes2


Logiciel de simulation EM FEKO

� Il existe de nombreux autres logiciels commerciaux pour la simulation EM ( http://emclab.mst.edu/csoft/ )


http://www.feko.info/


Les modules de FEKO


CADFEKO

PREFEKO

Maillage (Mesh)

FEKO SOLVER

POSTFEKO


Déroulement de la séance

� Présentation de séance• Simulation EM & FEKO

� Antennes filaires• Dipôle, monopôle, GPA• Dipôle avec réflecteur polarisé, • Antenne panneau (uniforme, binomial, déphasé)

� Patch ISM 2,4 GHz• Sur air, polarisation linéaire, circulaire• Substrat infini, fini• PiFa• Réseau de patchs : périodicité, couplages



Du dipôle à l’antenne panneau pour réseaux cellulaires

Prise en main du logiciel FEKO et étude graduelle d’ antennes filaires



Dipôle filaire


Paramètres principauxld= lam/2d= lam/1000 (dipôle fin)f0 = 2 GHz

On souhaite connaître• L’impédance ramenée• Le coefficient de réflexion• La distribution des

courants et charges• Le rayonnement• Les champs proches

dipole.cfx


Construction du modèle dipole� Construct

• Définition des paramètres─ f0=2e9, lam=c0/f0, ld=lam/2, d=lam/1000

• Définition de la position d’excitation─ Wire-port /middle

� Configuration• Frequency : 1,8 à 2,2 GHz, Continuous interpolated• Source : Voltage 1V/50 Ohm• Request : currents, all currents

� Maillage• Mesh : custom : lam/40, segment radius : d

� Simulation� Post-Feko

• Coefficient de réflexion : cartésien (min, BP)• Impédances : parties réelles / imaginaires, résonance, abaque de smith• Ré-accord à 2 GHz• Adaptation



Dipôle ajusté et adapté


-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20

Re

fle

ctio

n c

oe

ffic

ien

t [d

B]

Frequency [GHz]

Reflection coefficient Magnitude [dB] - dipole

Excitation

VoltageSource1

Minimum: (2.00448 GHz, -58.7512 dB)

0.208807 GHz

ld=lam/2*f1/f0


Courants et charges sur le dipôle


0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 5 10 15 20

Segment index

Current Magnitude - dipole

Frequency = 1.8 GHz Frequency = 2 GHz

Frequency = 2.2 GHz


Rayonnement du dipôle

� Dans cad feko• frequency : 2 GHz (seulement)• Request

─ Far field 3D (5°)─ Near fields : grilles horizontales (xy) et verticales (xz) de

22X22 points sur une surface de lamXlam

� Post-Feko• Rayonnement qualitatif (3D)• Rayonnement quantitatif (polaire), gain, ouverture• Champ proches dans chaque plan : E, animation, H



Dipôle : champs proches et lointains à la résonance



Champs proches



Monopôle


l= lam/4*1,91/2d= lam/1000 (monopôle fin)f0 = 2 GHz

Corriger le modèle+ Plan de masse

Modifier les request- Champs lointains- Champs proches

dipole.cfx

monopole.cfx


Monopôle


-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20

Frequency [GHz]

Minimum: (1.9934 GHz, -75.5222 dB)

0.207545 GHz

Courant X2/ dipôle

Impédance / 2 par rapport au dipôle


Monopôle : champs lointains


Gain + 3dB


Monopôle : champs proches



Monopôle avec PM filaire


36 Ohms / 200 MHz pour

le plan de masse infini

Remplacer le plan de masse par 6 fils


Monopôle avec PM filaire


2,15 dBi / 76°pour le dipôle


GPA


L’angle des brins contrôle le niveau d’impédance ramenée

GPA.cfx


GPA à 2 GHz



Dipôle devant un réseau réflecteur


Distance inter fils : lam/10Distance dipôle/PR : lam/4

PanneauFilsHorizontaux.cfx

Plans de symétrie


Fils horizontaux



Dipôle devant un PR (fils verticaux)


PanneauFilsVerticaux.cfx


Antenne panneau UMTS


Symétries EM ?

Panneau plein (mailles triangles)


Rayonnement de l’antenne panneau



Effet des différentes lois d’alimentation


Uniforme 1V-0° Binomial 1V/2V/1V-0°

Déphasé 0,57V-0°/0,59V-37,5°/0,57V-75°

10,92 dBi

Théorie des réseaux (logiciel Antenna Magus)


Antennes imprimées

Patch isolé sur substrat air, diélectrique, PIFA, patchs en réseaux



ePatch


x

y

z

h

l

w

Er

Config 1f0=2,4 GHzh=lam/50Er=1 (fr=2,23GHz)l=lam/?w=le= 0,25*l/2

Config 2Polarisation circulaire

Config 3Er=2 (fr=2,32GHz)=> w, l, h

AdaptationImpédancesDiagramme de rayonnementChamps proches (V, H, sphère (lam))

patch2p4.cfx


Patch substrat air avec plan de masse infini



Patch substrat air avec plan de masse infini



Patch sur substrat infini Er=2

f0=2,4 GHzh=lam/50Er=2l=lam/2/sqrt(Er)w=le= 0,25*l/2

Formation continue - Antennes19/05/201432

patch2p4Er.cfx


Patch sur substrat infini Er=2



Patch à polarisation circulaire


patch2p4bimode.cfx


Patch bimode : résultats



PIFA sur plan de masse infini


PIFA2-MasseInfinie.cfx


Réseau de 10X10 patchs couplés


A partir de l’utilisation des conditions périodiques


Réseau de 10X10 patchs couplés


Beam angle = 0°


Réseau de 10X10 patchs couplés -dépointage



Fin des manipulations

Questions ?

19/05/201442 Formation continue - Antennes

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