telecoms2013_pifa tribande

TELECOM2013 & 8me JFMMA Mars 13-15, 2013 Marrakech MAROC

CONCEPTION DUNE ANTENNE PIFA TRIBANDE AVEC FENTE

POUR INTEGRATION SUR LES STATIONS MOBILES DE

RESEAUX DE TELECOMMUNICATIONS 1

A. El Ouadih*, 1

A. Oulad-Said*, 2

M. M. Hassani

1 Ecole Royale de lAir, Laboratoire des hyperfrquences, Marrakech, Maroc

2 Facult des Sciences Semlalia, Laboratoire dElectronique et Instrumentation, Marrakech, Maroc

Email : [email protected] ; [email protected] ; [email protected]

Abstract : This article describes the design of a tri-band probe-fed square patch antenna and presents the results of simulation by using the HFSS simulator. The designed antenna should work in GSM 900 band, DCS 1800

band and the WLAN band with the respect of IEEE and GSM specifications. The simulation gave the mean

antenna characteristics such as S11 parameter, gain, VSWR, Impedance and VSWR bandwidth, field and

polarization purity. The designed antenna should by carried on GSM terminals.

Key words: tri-band, square patch probe fed antenna, HFSS, GSM, WLAN.

I. INTRODUCTION Lavnement des rseaux locaux et mtropolitains sans fil (notamment la norme IEEE 802.11 des

WLAN) a ouvert de grandes opportunits pour les

utilisateurs du rseau GSM pour pouvoir se

connecter au rseau Internet. Ce qui ntait pas offert sans passer par un rseau 3G ou au moins

GPRS ou EDGE. Les stations mobiles GSM

peuvent donc soffrir gracieusement une connexion internet via un rseau Wifi.

Lobjet de cet article est de dcrire la conception dune nouvelle antenne de type PIFA qui puisse travailler dans les deux bandes du GSM qui sont

(880-960 Mhz) pour GSM 900 et (1710-1880Mhz)

pour le GSM 1800 appel aussi DCS, ainsi que la

premire sous bande ISM utilise en Wifi (2400-

2483,5 Mhz).

Lantenne PIFA (Planar Inverted-F Antenna) est une antenne quart donde intgre et miniature en la comparant avec des antennes monopoles. Aussi,

elle prsente de bons avantages par rapport une

antenne patch traditionnelle (cot et facilit de

fabrication, petite taille, profil plus mince, bande

passante, SAR).

Elle se caractrise principalement par la prsence

dune plaque ou longuette qui joue le rle dun court-circuit entre le patch rayonnant et le plan de

masse comme le montre la figure 2 o h est la

hauteur du court circuit, W sa largeur et D la

distance sparant le court- circuit du point

dalimentation de lantenne patch

Figure 1 : Lantenne PIFA (vue latrale)

Figure 2 : Lantenne PIFA (vue den dessus)

La frquence de rsonnance dune antenne PIFA est approche par lquation (1) :

(1)

Avec L1 et L2 les dimensions du patch rayonnant et

la longueur donde calcule pour le milieu sparant le patch et le plan de masse.

TELECOM 2013 & 8me JFMMA

II. Description de lantenne

Lantenne propose est une antenne constitue dun patch carr dune largeur W= 64 mm et dune longueur L=29.3 mm plac sur un substrat de

mmes dimensions utilisant comme matriau le

FR4_epoxy caractris par une permittivit relative

de 4.4, une permabilit relative de 1, la tg des pertes dilectriques=0.02 et une paisseur e =0.8

mm. Le patch a une hauteur h de 11 mm. Il est li

au plan de masse travers une longuette de mme

hauteur et de largeur 3 mm. Le plan de masse a

comme dimensions 90 mm et 64 mm. Le patch est

aliment via une ligne coaxiale dimpdance caractristique 50.

Figure 3 : Lantenne conue par HFSS

Une rainure de type triangulaire de cts 31.2 mm

et de base 34.6 mm et une paisseur fine de 0.5 mm

est imprime sur le patch. Au milieu du triangle est

imprim un rectangle de dimensions 14.5 mm et

14.2 mm avec une discontinuit de 0.1 avec le reste

de la surface triangulaire (figure 3).

Les dimensions de la forme rectangulaire du patch

devraient dterminer la frquence rsonnante de la

bande GSM 900. Puis, les dimensions de la forme

triangulaire au sein du patch devraient dterminer la

frquence rsonnante de la bande DCS 1800 et

enfin, les dimensions de la forme carre la plus

proche de lalimentation devraient dterminer la frquence rsonnante de la bande WLAN autour de

2.45GHz.

III. Simulation par HFSS

Le simulateur HFSS: HFSS (High Frequency Simulator Structure) est un

simulateur en hyperfrquences de trs hautes

performances qui modlise et simule en 3D les

champs globaux rayonns par les structures

hyperfrquences (antennes, filtres, guides,

connecteurs, cartes PCB.) et fournit des caractristiques pour les antennes comme (gain,

SAR, VSWR, Sij..).Il se base sur le modle des lments finis qui consiste rsoudre les quations

du champ en des points discrets dfinis dune faon ordonne dans le domaine complet de la structure.

Il rsout directement les quations de Maxwell sous

leur forme diffrentielle en remplaant les

oprateurs diffrentiels par des oprateurs de

diffrence ralisant ainsi une approximation par

discrtisation.

Rsultats de la simulation :

Pour la bande GSM 900

Coefficients de rflexion ou perte de retour

Le paramtre S11 est donn par la courbe de la

figure 4. On remarque un pic de S11 = -38 dB autour

de 925 MHz. Pour ceci, un balayage plus fin est

refait dans la bande GSM900 entre 890 MHz et 960

MHz, o aura comme rsultats, selon la figure 5,

S11 = -38,57 dB pour une frquence centrale de

925.6 Mhz fournie en exactitude par les tables de la

simulation.

Figure 4 : S11 en fonction de f pour un

balayage de la bande 600 MHz-1200 MHz

Figure5 :S11 en fonction de f pour un

balayage de la bande GSM 900 [890 MHz-960

MHz]


La largeur de la bande :

Toute la bande GSM 900 a un S11 compris entre

-15 et -38 dB. Encore, plus de 180 MHz de largeur

a un S11 meilleur que 8 dB. La simulation nous

donne pour VSWR la courbe de la figure 6 :

Figure 6 : Courbe de VSWR pour la bande

GSM 900 [890 MHz-960 MHz]

Avec les tables fournies par la simulation pour la

bande [890MHz- 960MHz], ou aura un

VSWR=1.02 pour la frquence de rsonnance de

925 MHz et un VSWR infrieur 1.41 :1 pour

toutes les frquences allant de 890 MHz au 960

MHz , une largeur de bande gale donc 70Mhz en

qui constitue 7.56% relativement la frquence

centrale.

Impdance au point dalimentation

Limpdance au point dalimentation est fournie par

les abaques et les tables de simulation. Elle varie

entre 35 et 41 suivant la frquence du travail ce

qui constitue un raccordement assez bon et qui

pourrait tre amlior pour une parfaite adaptation.

Diagramme de rayonnement

Pour le diagramme de rayonnement, les plans E et

H correspondent pour notre cas aux plans (xz) et

(yz). Les rsultats concernant les champs pour Phi

gal 0 et 90 sont donns par la figure 9a, 9b

et9c.

Figure 7:Diagramme de rayonnement plan E

Pour la bande DCS 1800



figure 8. On remarque un pic de S11 = -22 dB autour

de 1782 MHz.

Figure 8 : S11 en fonction de f pour un

balayage de la bande DCS 1800 [1710 MHz-

1880 MHz]


Lantenne offre une bande de 84 MHz pour laquelle

on nous avons un coefficient S11 meilleur que -7

dB. La simulation nous donne pour VSWR la

courbe de la figure 9 :

Figure 9 : Courbe de VSWR pour la bande DCS

1800 [1710 MHz-1880 MHz]

les tables fournies par la simulation pour la bande

[1710 MHz 1880 MHz], ou aura un VSWR=1.17

pour la frquence de rsonnance de 1782 MHz et

une un bande 1 :2 VSWR gale 110 MHz.


Limpdance au point dalimentation est fournie par

les abaques et les tables de simulation. Elle varie

entre 35 et 90 suivant la frquence du travail ce

qui constitue un raccordement assez bon et qui

pourrait tre amlior pour une parfaite adaptation.

Pour la bande ISM 2.45 MHz

Figure 10: S11 en fonction de f pour un

balayage de la bande [2200MHz-2600MHz]



figure 10. On remarque un pic de S11 = -18 dB


autour de 2450 MHz.


Lantenne offre une bande de 62 MHz pour

laquelle on nous avons un coefficient S11 meilleur

que -7 dB. La simulation nous donne pour VSWR

la courbe de la figure 11 :

Figure 11 : Courbe de VSWR pour la bande

[2200MHz-2600MHz]

Avec les tables fournies par la simulation pour la

bande [2200MHz-2600MHz], nous aurons un

VSWR=1.21 pour la frquence 2.4 Ghz et un

VSWR infrieur 2:1 pour une bande de 62 MHz.


Limpdance au point dalimentation est

relativement grande et une solution pour amliorer

ladaptation est possible en excutant un

raccordement plus fin au niveau du point de

lalimentation.

IV. Conclusion Les rsultats de la simulation de lantenne par HFSS en matire de largeur de bande sont groups

dans le tableau 1.

Valeur obtenue

par HFSS

Spcifications

par les normes Ecart relatif

GSM et IEEE

GSM 900 DCS 1800 ISM 2.45

> 70 MHz 110 MHz 62 MHz

70 MHz 0% 170 MHz 35% 83.5 MHz 25%

Tableau 1 : comparaison des rsultats aux spcifications en matire de bande passante

Discussion Les rsultats sont trs bons pour la bande GSM

900 et en parfaite harmonie avec les spcifications

de la norme GSM soit en matire de frquence

centrale ou bande passante. De mme on a obtenu

des maximas importants pour les paramtres S11,

Gain, VSWR, impdances, diagramme de

rayonnement... Pour la bande DCS, les spcifications ont t

partiellement respectes et une amlioration de la

bande passante est exige.

Pour lantenne Wifi, nous avons obtenu une bonne largeur de bande mme si elle relativement

dcale de la frquence centrale 2.442 GHz. Ce

pendant, vu que le point dalimentation est plus proche pour le patch de cette antenne, ceci a rendu

limpdance au point dalimentation relativement grande .Une finesse dans le raccordement de

lalimentation ou le changement de la position du court-circuit pourrait amliorer cette impdance.

Les antennes tudies sparment donnent des

rsultats qui respectent les spcifications. Ce

pendant, lamlioration de lisolation entre ces trois antennes pourra faire lobjet dune tude ultrieure.

V. References [1] K.L.Wong Planar Antennas for Wireless

Communications Willy-interscience, New Jersey, 2003.

[2] Ansoft corporation, HFSS 10.0 users guide Ansoft, 2005, rev Pittsburg 1.06.

[3] www.antenna-theory.com/pifa-antennas, MAJ. Dc 2012.

Key words: tri-band, square patch probe fed antenna, HFSS, GSM, WLAN.I. INTRODUCTIONII. Description de lantenneIII. Simulation par HFSSLe simulateur HFSS:

IV. ConclusionDiscussion

V. References

telecoms2013_pifa tribande

Documents