1 - compact antennas
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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 1
ANTENNES COMPACTES POUR ANTENNES COMPACTES POUR TÉLÉCOMMUNICATIONSTÉLÉCOMMUNICATIONS
(DOMAINE DÉCIMÉTRIQUE)(DOMAINE DÉCIMÉTRIQUE)PRINCIPE ET APPLICATIONSPRINCIPE ET APPLICATIONS
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PLAN DU COURSPLAN DU COURS
IntroductionHistorique, généralités
Caractéristiques des antennes Partie I : Antennes compactes
Partie II : Antennes larges bandes
Partie III : Antennes à 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 L’ETUDECONTEXTE DE L’ETUDE
But : donner accès à des technologies complémentaires à partir d'un seul terminal
Composant critique : l'antenne
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Grande majorité des Grande majorité des applications de applications de
terminaux mobilesterminaux mobiles
Grande majorité des Grande majorité des applications de applications de
terminaux mobilesterminaux mobiles
LES ANTENNES COMPACTESLES ANTENNES COMPACTES
Deux grandes familles d’antennesDeux grandes familles d’antennes
Antennes non-résonantesAntennes non-résonantes Antennes résonantesAntennes résonantes
Boucles magnétiquesL<<
Ondes progressivesL>>
Antennes filairesL #
Antennes planairesL #
Gain faible
Nécessité d’un circuit d ’adaptation
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LES ANTENNES FILAIRESLES ANTENNES FILAIRES
générateurplan de masse
monopôle
Irayonnement
générateur
I
dipôle
rayonnement
(a) (b)
générateurplan de masse
monopôle
Irayonnement
générateur
I
dipôle
rayonnement
(a) (b)
Le monopôle
taille min. :/4
Utilisation d’un plan de masse
Élément de base :le dipôle
taille min. :/2
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LES ANTENNES FILAIRES (2)LES ANTENNES FILAIRES (2)
(a) (b) (c)
Antenne boucle résonante Antenne hélice
Hélices multiples
Hélice simple
• Mode radial• Mode axial
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LES ANTENNES PLANAIRESLES ANTENNES PLANAIRES
(b)(a)
Antenne à fente
Dual du dipôle/2 /4
Même comportement que le dipôle mais en inversant les champs E et H.
Du coup, inversion également des impédances.
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LES ANTENNES PLANAIRESLES ANTENNES PLANAIRES
patch
x
y
z
O
substrat
plan de masse
rayonnementxOz
rayonnement
yOz
Antenne patch
Pastille métallique à la surface d’un substrat diélectrique dont la face inférieure est métallisée.
Rayonnement directifMode fondamental /2
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LES ANTENNES PLANAIRESLES ANTENNES PLANAIRES
Principe de fonctionnement : cavité à fuites
h
Z
XY
Z
X
Direction de rayonnement privilégiée
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LES ANTENNES PLANAIRESLES ANTENNES PLANAIRES
H
Plan de masse
Substrat diélectrique Élémentrayonnant ( )r
Sondecoaxiale
Systèmes d’alimentations :
Ez
y
x
g/2
Sonde d ’alimentation
Plan de masse
Plaque métalliquey
z
E
Système classique : sonde coaxiale
Placement en fonction de l’impédance et des modes désirés
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LES ANTENNES PLANAIRESLES ANTENNES PLANAIRES
H
Plan de masse
Substrat diélectrique Élémentrayonnant ( )r
Lignemicroruban
(a)
H
Plan de masse
Substrat diélectrique Élémentrayonnant ( )r
Lignemicroruban
(b)
Alimentation par ligne microruban :
Impédance élevée
Ajout d’un effet selfique
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LES ANTENNES PLANAIRESLES ANTENNES PLANAIRES
h r
1h1
2h2plan demasse
h1
h2
ligne microruban
fente dansle plan de
masse
1
2
Alimentation par proximité
par ligne à fente par ligne coplanaire
par ligne microruban en sandwich couplage par fente
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REDUCTION D’ENCOMBREMENTREDUCTION D’ENCOMBREMENT
Antenne chargée :
x
y
zL</4
Modification de la géométrie :
Ajout de self ou capacité
x
z
y
H
LH+L=/4
L</2 L</2
JSJS
Plan de masse
Antenne imprimée
On rallonge le trajet de l’onde au sein d’un même
volume(modifie la
polarisation)
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UTILISATION DE COURT-CIRCUITSUTILISATION DE COURT-CIRCUITS
Antenne quart d’onde :
Antenne IFA et PIFA : Effet inductif du court-circuit
Ez
y
x
g/4
Sonde d ’alimentation
Plan de masse
Plaque de court-circuit
y
z
EE
x
z
y
H
L D << H+L=/4 Ez
y
x
g/4
Sonde d ’alimentation
Plan de masse
Plaque de court-circuit
D
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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 d’onde C-patch
P.I.F.A. Fil-plaque
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QUELQUES DETAILS SUR L’ANTENNE FIL-PLAQUEQUELQUES DETAILS SUR L’ANTENNE FIL-PLAQUE
Structure
substrat diélectrique
toit capacitif
fil d'alimentation
fil de masse
plan de masse
câble coaxial
mode
f
Z(f) = R(f) + j X(f)
X(f)
R(f)
fondamental
résonancesérie
Z(f) = R(f) + j X(f)
X(f)
R(f)f
parallèlerésonance mode
fondamental
sans fil de masse avec fil de masse
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QUELQUES DETAILS SUR L’ANTENNE FIL-PLAQUEQUELQUES DETAILS SUR L’ANTENNE FIL-PLAQUE
C
R
C L alim.
L
mode fondamentalfond.
fond.
fond.
toit
C
L
Lmasse
C
R
alim.
toit
L
mode fondamental
fond.
fond.
fond.
champ H champ E
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QUELQUES DETAILS SUR L’ANTENNE FIL-PLAQUEQUELQUES DETAILS SUR L’ANTENNE FIL-PLAQUE
Plan de coupe vertical
Plan de coupe azimutal
Rayonnement
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L’ANTENNE FIL-PLAQUE COPLANAIREL’ANTENNE FIL-PLAQUE COPLANAIRE
PrincipePlan de masse périphérique
Substrat diélectriqueRuban de court-circuit
Ruban d’alimentation
fente
champ H
champ E
Tous les éléments de la fil-plaque transposés
dans un seul plan
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L’ANTENNE FIL-PLAQUE COPLANAIREL’ANTENNE FIL-PLAQUE COPLANAIRE
Rayonnement
champ H
champ E
xx
yz
Y
Z
O
u
u
EE
(degrés)
Plan = 90°
E
X
Y
O
uu
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TECHNIQUES D’OPTIMISATIONTECHNIQUES D’OPTIMISATION
Utilisation de substratsUtilisation de substrats
Principaux buts : élargissement de bande passante et fonctionnement multi-fréquences
x
y
z
O
Ajout de fentesAjout de fentes
Imbrication ou multi-couchesImbrication ou multi-couches
eff
og
permittivitétaille
gain
B.P.
Ajout de résonances large bande ou multi-fréquences
Regroupement de fonctions dans le volume de l’élément le plus basse fréquence nombreux couplages
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ANTENNES PLANAIRES EVOLUEESANTENNES PLANAIRES EVOLUEES
y
x
Sonde d ’alimentation
Plan de masse
z
Sonde d ’alimentation
Plan de masse
Plaque de court-circuit
Sonde d ’alimentation
Plan de masse
fils de court-circuit
Antenne double L inversé
Antenne E Fil-plaques superposées
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ANTENNES PLANAIRES EVOLUEESANTENNES PLANAIRES EVOLUEES
Fils de court-circuit Sonde d’excitation
Antenne initiale (contrôle de la fréquence basse)
Antenne parasite(contrôle de la fréquence supérieure)
x
y
o
Plan de masse
Fil-plaques imbriquées
Double C-patch
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QUELQUES EXEMPLESQUELQUES EXEMPLES
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 25
QUELQUES EXEMPLESQUELQUES EXEMPLES
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ANTENNE A RESONATEUR DIELECTRIQUEANTENNE A RESONATEUR DIELECTRIQUE
Volume de matériau diélectrique formant une cavité résonante
très fort facteur de qualité
bande passante faible
Rayonnement difficile à maîtriser
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 27
Frequency (GHz)
Partie réelle
de Z
e (ohm
s) Alimentation directe
Gap capacitif 2mm
Gap capacitif 4mm
Partie im
aginaire
de Z
e (ohm
s)
Alimentation directe
Gap capacitif 2mm
Gap capacitif 4mm
Frequency (GHz)
(a)
(b)
Fréquence (GHz)Fréquence (GHz) Fréquence (GHz)Fréquence (GHz)
/4/4Plus petit élément résonant possible : résonateur quart d'ondePlus petit élément résonant possible : résonateur quart d'onde
L’ANTENNE RUBAN REPLIEEL’ANTENNE RUBAN REPLIEE
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h2h 2h
Masse infinie
l2
l1
Densité surfacique de courantDensité surfacique de courant
But But : Contrôle du rayonnement par le dimensionnement des trois brins du : Contrôle du rayonnement par le dimensionnement des trois brins du résonateur pour un diagramme hémisphériquerésonateur pour un diagramme hémisphérique
RAYONNEMENT CONFORMÉ RAYONNEMENT CONFORMÉ
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h
l2
l1
Pré-étude analytiquePré-étude analytique
h # λ/24h # λ/24 ll11 # λ/15 # λ/15 ll22 # λ/7 # λ/7
h # λ/50h # λ/50 ll11 # λ/13 # λ/13 ll22 # λ/6.5 # λ/6.5
Optimisation FDTDOptimisation FDTD
gap decouplage
h
l1
l2
sondecoaxiale
Variation de gain <3 dB Variation de gain <3 dB direction direction
RAYONNEMENT CONFORMÉ RAYONNEMENT CONFORMÉ
Utilisation d’un plan de masse limitéUtilisation d’un plan de masse limité
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 30
Plan de masse
s
alimentation
masse
masse
Résonateur λ/4Masse coplanaire
Gap de couplage
Gap de couplage
EVOLUTIONS DIVERSESEVOLUTIONS DIVERSES
++
--
résonateur fréquence haute
résonateur fréquence basse
Structure sans plan de masse
Limitation du plan de masse
Élargissement dudernier brin
Élargissement dudernier brin
Topologie coplanaire
Monopôle chargé Multi-résonateurs
Nombreuses déclinaisons du même principe possibles selon les applications :
intégration - large bande - multi-fréquences - faible pollution EM(Brevet international)
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PREMIERE APPLICATIONPREMIERE APPLICATION
ALLIGATOR : ALL InteGrAted meteRingALLIGATOR : ALL InteGrAted meteRingProjet européen
Projet européen EURIMUS ayant Projet européen EURIMUS ayant pour but le développement d'un pour but le développement d'un
système de relevé à distance système de relevé à distance des compteurs d'énergiedes compteurs d'énergie
Rôle de l'IRCOM : étude Rôle de l'IRCOM : étude des antennes intégréesdes antennes intégréesavec minimisation des avec minimisation des
effets CEMeffets CEM
Conception d'un module radio Conception d'un module radio compact à haut niveau compact à haut niveau
d'intégration et faible coûtd'intégration et faible coût
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 32
Boîtier en ABS
PCB FR4Batteries
RESULTATS OBTENUSRESULTATS OBTENUS
Modélisation fine de toutes les composantes
métalliques et diélectriques du boîtier
connecteur SMA
Validation par réalisation d’un 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 élevé (-0.7 dB)
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 33
ÉmetteurGPS
simulateur station de base
récepteurs
PCI bus
i/o i/oNumérisation IQ
FI 1.5 MHz
1.2 MHz
CPU Carte vidéoplate-forme NT4
LUTECELUTECE : : LLocalisation d'ocalisation d'UUrgence pour rgence pour TETEléphone léphone CECEllulairellulaire
DEUXIEME APPLICATIONDEUXIEME APPLICATION
But :But : système de localisation permettant le sauvetage de personnes système de localisation permettant le sauvetage de personnes en détresse à partir de l'émission de leur téléphone portableen détresse à partir de l'émission de leur téléphone portable
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 34
Antenne émettrice 500 x 500 mm
Antennes réceptrices800 x 800 mm
DISPOSITION SOUS L’HELICOPTEREDISPOSITION SOUS L’HELICOPTERE
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 35
20°
Capot avant : Capot arrière :
Modification descapots sous
l’hélicoptère pouraccueillir les
antennes
Pointage mécanique
DISPOSITION SOUS L’HELICOPTERE (2)DISPOSITION SOUS L’HELICOPTERE (2)
Émiss
ion
Réception
5 capteurs de réception à 5 capteurs de réception à large ouverturelarge ouverture
antenne d'émission directiveantenne d'émission directive
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 36
ELEMENT DE BASE COMMUNELEMENT DE BASE COMMUN
zx
y
O
48 mm
Frequency (GHz)
S11
(dB
)
simulation
mesure
Fréquence (GHz)
Première bande de 150 MHz (16%)Première bande de 150 MHz (16%)Seconde bande de 1.4 GHz (62%)Seconde bande de 1.4 GHz (62%)
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 37
Ox
yz
Plan xOz
DCS
mesuresimulation
Plan yOz
DCS
mesuresimulation
Ox
yz
Plan xOz
GSM
mesuresimulation
Plan yOz
GSM
mesuresimulation
46°46° 42°42°
ANTENNE D’ÉMISSION ANTENNE D’ÉMISSION
Gmax = 13.5 dB Gmax = 13.7 dB
Antenne d'émission Antenne d'émission : : 4 éléments
disposition délicate (compromis disposition délicate (compromis GSM/DCS)GSM/DCS)
très bons résultats en très bons résultats en adaptation et rayonnementadaptation et rayonnement
rigidité insuffisanterigidité insuffisante
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 38
AUGMENTATION DE LA RIGIDITÉAUGMENTATION DE LA RIGIDITÉ
Brin court-circuité
Brin en circuit ouvert
Substrat Duroïd
Coaxial rigide
Plan réflecteur
Masse supérieure
Nouvel élément de base :Nouvel élément de base :substrat diélectrique
compacité supérieure (84x60)compacité supérieure (84x60)
rigidité renforcéerigidité renforcée
bandes passantes amoindriesbandes passantes amoindries
xy
z
O
Réseau de quatre éléments
O
x
z
y
Élément DCS
Réseau de cinq éléments
Bon comportement du réseau de cinq éléments conception d'un circuit de
distribution
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 39
CIRCUIT DE DISTRIBUTIONCIRCUIT DE DISTRIBUTION
50 cm
50 c
m
connecteur d’entrée
niveau antenneniveau masse
supérieure
câble coaxialmasse inférieure
substrat Duroïd 3 mm
sorties
Circuit bi-bande 1 entrée / 5 sorties en phase avec pondération d’amplitudeOptimisation à l’aide du logiciel circuit HP ADS et Momentum
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REALISATION ET MESURESREALISATION ET MESURES
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
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 41
CAPTEURS DE RECEPTIONCAPTEURS DE RECEPTION
Brin court-circuité
Brin en circuit ouvert
Substrat Duroïd
Coaxial rigide
Plan réflecteur
Masse supérieure
But :But : disposition disposition
optimale de 5 optimale de 5 capteurs capteurs
indépendants indépendants pour une pour une
goniométrie goniométrie préciseprécise
Utilisation d’un élément de base sur diélectrique
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 42
Simulations FDTD du couplage entre deux Simulations FDTD du couplage entre deux capteurs parallèles à des distances variablescapteurs parallèles à des distances variables
Distance importante Distance importante nécessaire entre les nécessaire entre les
capteurs pour capteurs pour pouvoir négliger le pouvoir négliger le
couplagecouplage
zx
O
y
MISE EN EVIDENCE DES COUPLAGESMISE EN EVIDENCE DES COUPLAGES
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 43
80 cm
Capteur 1
Capteur 2
Capteur 3
Capteur 4
Capteur 5
Choix de capteurs proches Choix de capteurs proches avec prise en compte des avec prise en compte des
couplages complexescouplages complexes
Étude de l’influence de la Étude de l’influence de la taille du plan de masse sur la taille du plan de masse sur la
goniométriegoniométrie
Calculs des diagrammes de Calculs des diagrammes de rayonnement obtenus avec ou rayonnement obtenus avec ou
sans présence des autres sans présence des autres capteurscapteurs
OPTIMISATION DE LA DISPOSITIONOPTIMISATION DE LA DISPOSITION
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 44
REALISATION ET MESURESREALISATION ET MESURES
GSM DCS
Phi=0 Phi=0
Phi=90 Phi=90
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 45
EXPERIMENTATIONSEXPERIMENTATIONS
Détection avec une précision du mètre carré en moins de
trois minutes.