INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES

1METABIP – IETR – 9/07/07

Antennes-BIE à surface combinée:

Excitation par source réelle (antenne

Patch)

Thai-Hung VU, Anne-Claude TAROT

Sylvain COLLARDEY, Kouroch MAHDJOUBI

IETR, UMR CNRS 6164, Université de Rennes 1

Antennes-BIE à surface combinée

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2METABIP – IETR – 9/07/07

Sommaire

I. Rappel– Principe d’élargissement de la bande par surface combinée

II. Excitation par antenne Patch simple

III. Positions relatives de l’antenne Patch par rapport à la surface combinée– Influence sur l’impédance– Influence sur le diagramme de rayonnement– Influence sur le gain et la directivité

IV. Configuration optimale de la position– Cavité à surface combinée: variation du digramme avec la fréquence– Cavité à surface simple: variation du digramme avec la fréquence– Comparaison et conclusion

V. Retour sur la méthode d’optimisation

VI. Conclusions et Perspectives

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I. Rappels

d

R Onde plane incidente

SSR1b (r’’1 ; t’’1)

SSR1a (r’1 ; t’1)

Développement d’une formule analytique pour décrire la surface combinée Source ponctuelle

12111

121

1 ')2exp("'1

)2exp("'' rr

jkdrr

jkdrtrR

Coefficient de réflexion

SSR2(r2 ; t2)

SSR1(r1 ; t1)

D2

D

2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.40.8

0.9

1

abs(

R)

Frequency (GHz)2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4

165

170

175

angl

e(R

)

AmplitudePhase

SSR1a : a/Pt=20%, Pt=10mm, SSR1b : a/Pt=5%, Pt=20mm, d = 54.3275mm

Exemple d’une surface combinée

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SSR2 = PEC

SSR1 (r1 ; t1)

Antenne à BIE classique

SSR2 = PEC

SSR1a (r’1 ; t’1)

SSR1b (r"1 ; t"1)

Antenne à BIE avec SSR combinée

• Comparaison

• Influence sur l’Impédance (étude analytique)

2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.80

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000Modules de Z

f(GHz)

de

cim

al

SSR combinée

SSR classique

Plus large bande

•Antenne à BIE classique

• à SSR combinée

( Avec les mêmes directivités)

I. Rappels sur la SSR combinée

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SSR2 = PEC

SSR1 (r1 ; t1)

Antenne à BIE classique

SSR2 = PEC

SSR1a (r’’1 ; t’’1)

SSR1b (r’1 ; t’1)

Antenne à BIE avec SSR combinée( Avec les mêmes directivités)

• Influence sur le diagramme de rayonnement (étude analytique)

Plus large bande

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 1000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

abs(T) at f1=2.3055GHz

theta(degree)

combined PRS

classical PRS

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 1000

1

2

3

4

5

6

7

8

abs(T) at f1=2.3445GHz

theta(degree)

combined PRS

classical PRS

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 1000

1

2

3

4

5

6

7

8

abs(T) at fres

=2.3834GHz

theta(degree)

combined PRS

classical PRS

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 1000

1

2

3

4

5

6

7

8

9

abs(T) at f2=2.4225GHz

theta(degree)

combined PRS

classical PRS

(a) F= 2,305 GHz (b) F= 2,344 GHz (c) Fres= 2,383 GHz (d) F= 2,422 GHz

• Comparaison Antenne à BIE classique / SSR combinée

I. Rappels sur la SSR combinée

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Sommaire

I. Rappel– Principe d’élargissement de la bande par surface combinée

II. Excitation par antenne Patch simple– Fcavité = Fpatch = 2.45 GHz– Fcavité = 2.45 GHz, Fpatch = 2.55 GHz

III. Positions relatives de l’antenne Patch par rapport à la surface combinée– Influence sur l’impédance– Influence sur le diagramme de rayonnement– Influence sur le gain et la directivité

IV. Configuration optimale de la position– Cavité à surface combinée: variation du digramme avec la fréquence– Cavité à surface simple: variation du digramme avec la fréquence– Comparaison et conclusion

V. Retour sur la méthode d’optimisation

VI. Conclusions et Perspectives

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II. Excitation par antenne Patch simple

Validation avec une source réelle (patch)

ROGERS RT : h=3,175 mm r = 2,33

Patch seul (à F0 = 2,45 GHz) Lpatch = 36,5 mm

BP30 MHz

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Patch & SSR simple (à F0 = 2,45 GHz ):

Patch & SSR combinée

(à F0 = 2,45 GHz )

Redimensionner un patch à 2,55 GHz

a=13mm – Pt=40 mm

a1=21,6mm – Pt1=40 mm

a2=5,6mm – Pt2=40 mm

BP25 MHz

BP30 MHz

II. Excitation par antenne Patch simple

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Patch seul à F0 = 2,55 GHz Lpatch = 36 mm

BP76 MHz

II. Excitation par antenne Patch simple

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Résonance du patch seulRésonance du

patch seul

BP40 MHz

BP55 MHz

Patch & SSR simple (à F0 = 2,45 GHz ):

Patch & SSR combinée

(à F0 = 2,45 GHz )

II. Excitation par antenne Patch simple

-> Même réflectivité à 2.45 GHz

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Sommaire

I. Rappel– Principe d’élargissement de la bande par surface combinée

II. Excitation par antenne Patch simple– Fcavité = Fpatch = 2.45 GHz– Fcavité = 2.45 GHz, Fpatch = 2.55 GHz

III. Positions relatives de l’antenne Patch par rapport à la surface combinée– Influence sur l’impédance– Influence sur le diagramme de rayonnement– Influence sur le gain et la directivité

IV. Configuration optimale de la position– Cavité à surface combinée: variation du digramme avec la fréquence– Cavité à surface simple: variation du digramme avec la fréquence– Comparaison et conclusion

V. Retour sur la méthode d’optimisation

VI. Conclusions et Perspectives

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Etude sur la Variété de la configuration

4 Configurations

Modèle 1 Modèle 2

Modèle 3 Modèle 4

III. Positions relatives de l’antenne Patch par rapport à la surface combinée

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Effets sur L’impédance

Modèle 1Modèle 2Modèle 3Modèle 4

III. Positions relatives de l’antenne Patch par rapport à la surface combinée

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Polarisation principale à 2,45 GHz

Plan E

Effets sur le diagrammes de rayonnement

Polarisation croisée à 2,45 GHz

Modèle 1 Modèle 2 Modèle 3 Modèle 4

III. Positions relatives de l’antenne Patch par rapport à la surface combinée

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Plan H

Polarisation croisée à 2,45 GHz

Modèle 1 Modèle 2 Modèle 3 Modèle 4

Effets sur le diagrammes de rayonnement

Polarisation principale à 2,45 GHz

III. Positions relatives de l’antenne Patch par rapport à la surface combinée

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DIRECTIVITE GAIN

III. Positions relatives de l’antenne Patch par rapport à la surface combinée

Modèle 1 Modèle 2 Modèle 3 Modèle 4

Modèle 3 le plus favorable

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Sommaire

I. Rappel– Principe d’élargissement de la bande par surface combinée

II. Excitation par antenne Patch simple– Fcavité = Fpatch = 2.45 GHz– Fcavité = 2.45 GHz, Fpatch = 2.55 GHz

III. Positions relatives de l’antenne Patch par rapport à la surface combinée– Influence sur l’impédance– Influence sur le diagramme de rayonnement– Influence sur le gain et la directivité

IV. Configuration optimale de la position– Cavité à surface combinée: variation du digramme avec la fréquence– Cavité à surface simple: variation du digramme avec la fréquence– Comparaison et conclusion

V. Retour sur la méthode d’optimisation

VI. Conclusions et Perspectives

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Diagrammes de rayonnement

Patch & SSR combinée

F = 2,3 GHz

IV. Configuration optimale de la position

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Patch & SSR combinée

F = 2,3 GHz

F = 2,35 GHz

IV. Configuration optimale de la position

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20METABIP – IETR – 9/07/07

Patch & SSR combinée

F = 2,3 GHz

F = 2,35 GHz

F = 2,4 GHz

IV. Configuration optimale de la position

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21METABIP – IETR – 9/07/07

Patch & SSR combinée

F = 2,3 GHz

F = 2,35 GHz

F = 2,4 GHz

F = 2,45 GHz

IV. Configuration optimale de la position

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22METABIP – IETR – 9/07/07

Patch & SSR combinée

F = 2,3 GHz

F = 2,35 GHz

F = 2,4 GHz

F = 2,45 GHz

F = 2,5 GHz

IV. Configuration optimale de la position

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23METABIP – IETR – 9/07/07

Patch & SSR combinée

F = 2,3 GHz

F = 2,35 GHz

F = 2,4 GHz

F = 2,45 GHz

F = 2,5 GHz

F = 2,55 GHz

IV. Configuration optimale de la position

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24METABIP – IETR – 9/07/07

Patch & simple SSR

F = 2,3 GHz

IV. Configuration optimale de la position

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25METABIP – IETR – 9/07/07

Patch & simple SSR

F = 2,3 GHz

F = 2,35 GHz

IV. Configuration optimale de la position

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26METABIP – IETR – 9/07/07

Patch & simple SSR

F = 2,3 GHz

F = 2,35 GHz

F = 2,4 GHz

IV. Configuration optimale de la position

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27METABIP – IETR – 9/07/07

Patch & simple SSR

F = 2,3 GHz

F = 2,35 GHz

F = 2,4 GHz

F = 2,45 GHz

IV. Configuration optimale de la position

INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES

28METABIP – IETR – 9/07/07

Patch & simple SSR

F = 2,3 GHz

F = 2,35 GHz

F = 2,4 GHz

F = 2,45 GHz

F = 2,5 GHz

IV. Configuration optimale de la position

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29METABIP – IETR – 9/07/07

Patch & simple SSR

F = 2,3 GHz

F = 2,35 GHz

F = 2,4 GHz

F = 2,45 GHz

F = 2,5 GHz

F = 2,55 GHz

IV. Configuration optimale de la position

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30METABIP – IETR – 9/07/07

Résonance du patch seulRésonance du

patch seul

BP40 MHz

BP55 MHz

Patch & SSR simple (à F0 = 2,45 GHz ):

Patch & SSR combinée

(à F0 = 2,45 GHz )

IV. Configuration optimale de la position

INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES

31METABIP – IETR – 9/07/07

Patch & simple SSR

F = 2,3 GHz F = 2,35 GHz F = 2,4 GHz

F = 2,45 GHz F = 2,5 GHz

Patch & SSR combinée

IV. Configuration optimale de la position

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32METABIP – IETR – 9/07/07

Sommaire

I. Rappel– Principe d’élargissement de la bande par surface combinée

II. Excitation par antenne Patch simple– Fcavité = Fpatch = 2.45 GHz– Fcavité = 2.45 GHz, Fpatch = 2.55 GHz

III. Positions relatives de l’antenne Patch par rapport à la surface combinée– Influence sur l’impédance– Influence sur le diagramme de rayonnement– Influence sur le gain et la directivité

IV. Configuration optimale de la position– Cavité à surface combinée: variation du digramme avec la fréquence– Cavité à surface simple: variation du digramme avec la fréquence– Comparaison et conclusion

V. Retour sur la méthode d’optimisation

VI. Conclusions et Perspectives

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Condition de résonance (mode de fonctionnement de la cavité) :

+ φRcomb=2kD

Méthode d’optimisation mise en œuvre : Algo génétique

a1, a2, d, D

D2

D

(r2,t2)

(r1,t1)

PEC

CONST : Pt1, Pt2, Rmin, f0 , f f1= f0- f, f2= f0+ f,

VARa1, a2

(r1, t1), (r2, t2), D2

Rcomb = f (r1, t1, r2, t2, D2)centré sur f0 ?

φ1

φ0

φ2

Φ (f)=φr1+φr2

Phase

ff0 f2f1

αF(f)=2kD

Oui

Non

Hauteur de la cavité

fo de coût F minimale ?

varier D2

2

2

1

1

ffF

0

01

T

TTF

T

ff0 f2

f1

T0T1k2

D comb

fo de coût F

sur la phase de Rcomb

sur le coeff. de Transmission

V. Retour sur la méthode d’optimisation

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34METABIP – IETR – 9/07/07

Rmax Rmin F Pt1 Pt2 a1 a2 D D1 D2

0.85 10% 40 40

20 20

0.952 0.95 10% 40 40 28.1 12.7 60.5 50.18 55.9

20 20 11.56 2.63 61.5 50.18 55.8

fonction de coût en fonction du coefficient de transmission

fonction de coût : phase du coefficient de réflexion Rcomb

Rmax Rmin F Pt1 Pt2 a1 a2 D D1 D2

0.85 10% 40 40 20.13 6.14 59 48.82 51.6

20 20 6.7 0.75 59 48.82 51.8

0.95 10% 40 40 25.2 7.1 60.1 53.1

20 20

V. Retour sur la méthode d’optimisation

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35METABIP – IETR – 9/07/07

2.3 2.32 2.34 2.36 2.38 2.4 2.42 2.44 2.46 2.48 2.50

2

4

6

8

10

12

Fréquence (GHz)D

b

Comparaison de la directivité (Structure seule)

SSR Combinée

SSR Classique

Patch & SSR simple

Patch & SSR combinée

2.3 2.35 2.4 2.45 2.5 2.550

2

4

6

8

10

12

14

Fréquence (GHz)

Module du coefficient de transmission

a1=28.1mm - Pt1=40mm

Même |R|=0.95 à 2.45 GHz

Coefficient de Transmission (analytique)

Directivité (analytique)

V. Retour sur la méthode d’optimisation

a =17mm – Pt = 40 mm

a2=12.7 - Pt2=40mm

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36METABIP – IETR – 9/07/07

Patch & SSR combinée

(à F0 = 2,45 GHz )

V. Retour sur la méthode d’optimisation

F = 2,3 GHz F = 2,35 GHz F = 2,4 GHz F = 2,45 GHz F = 2,5 GHz

Patch & SSR simple (à F0 = 2,45 GHz )

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37METABIP – IETR – 9/07/07

Sommaire

I. Rappel– Principe d’élargissement de la bande par surface combinée

II. Excitation par antenne Patch simple– Fcavité = Fpatch = 2.45 GHz– Fcavité = 2.45 GHz, Fpatch = 2.55 GHz

III. Positions relatives de l’antenne Patch par rapport à la surface combinée– Influence sur l’impédance– Influence sur le diagramme de rayonnement– Influence sur le gain et la directivité

IV. Configuration optimale de la position– Cavité à surface combinée: variation du digramme avec la fréquence– Cavité à surface simple: variation du digramme avec la fréquence– Comparaison et conclusion

V. Retour sur la méthode d’optimisation

VI. Conclusions et Perspectives

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38METABIP – IETR – 9/07/07

4°- Développement d’un algorithme d’optimisation (algo génétique) avec 2 fonctions de coût différentes

3°- Comparaison : Patch + SSR combinée est plus large bande en diagramme et

directivitémais pas forcément en impédance !

2°- Quatre configurations d’excitation sont examinées : cas optimal, modèle 3

1°- Excitation de la cavité par source réelle (patch) au lieu de source idéale

1°- Augmenter la BP globale : Z, Diagramme, Directivité, Gain

2°- Prédiction de la modification d’impédance et de la fréquence de travail de la source primaire après son insertion dans la cavité

Conclusions

Perspectives

VI. Conclusions et Perspectives

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39METABIP – IETR – 9/07/07

1°- 4 Configurations

excitées par patch :

Configuration optimale: Modèle 3

Conclusions

VI. Conclusions et Perspectives

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40METABIP – IETR – 9/07/07

Patch & simple SSR Patch & SSR combinée

2°- Patch + SSR combinée est plus large bande en diagramme et directivité

Mais pas forcément en impédance (excitation par source réelle) !

BP40 MHz

BP55 MHz

VI. Conclusions et Perspectives

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41METABIP – IETR – 9/07/07

Patch & SSR combinée

(à F0 = 2,45 GHz )

V. Retour sur la méthode d’optimisation

F = 2,3 GHz F = 2,35 GHz F = 2,4 GHz F = 2,45 GHz F = 2,5 GHz

INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES

42METABIP – IETR – 9/07/07

Patch & SSR simple (à F0 = 2,45 GHz ):

V. Retour sur la méthode d’optimisation

F = 2,3 GHz F = 2,35 GHz F = 2,4 GHz F = 2,45 GHz F = 2,5 GHz

INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES

43METABIP – IETR – 9/07/07

Directivité

SSR combinée

SSR simple

IV. Configuration optimale de la position