tp ads antenne patch_hyper&antenne

8/15/2019 Tp Ads Antenne Patch_Hyper&Antenne

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4/6/2016

Compte rendu du TP1

onception d’une

antenne patch

rectangulaire

2 45GHZ ET 3 5GHZ

Realisé par :

Chigare Abdelkebir

Kasraoui Walid

Prof. J.Zbitou

Antenne&propagation


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Sommaire

Introduction

Objectif du TPPartie théorique

1. Description des antennes microbandes

2. Le modèle électrique d’une antenne patch rectangulaire

3. Mécanismes de rayonnement de l’antenne patch

4. Paramètres caractéristiques d’une antenne imprimée

Partie pratique :

1. Conception antenne patch rectangulaire 2.45 GHz2.

Calcul des dimensions de l’antenne

3. Calcul de la fréquence de résonance

4. Méthodologie du design5.

Simulation de l’antenne patch rectangulaire 2.45 GHz

Conception d’une antenne à 3,5GHz application (WIMAX)

1. Le WIMAX : Présentation

2. Méthodologie du design

3. Amélioration de la conception précédente par ajout des

encochesConclusion


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I. Introduction :

Le développement des télécommunications spatiales, les contrôles et les commandes à

distance, ont fait apparaître la nécessité croissante de réaliser des dispositifs micro-ondes peucoûteux et peu encombrants, faisant appel à une technologie simple et économique. Les

systèmes micro-ondes à structure micro ruban ont été à l’origine du développement des

antennes imprimées (antennes plaques ou antennes patch) qui sont le plus souvent utilisées en

réseaux afin d’améliorer leurs performances et de permettre la réalisation de fonctions très

particulières.

Actuellement un réseau imprimé est largement utilisé puisqu’il permet de répondre à de

nombreuses contraintes commandées par les systèmes. Il est caractérisé par le diagramme de

rayonnement, la fonction caractéristique, l’angle d’ouverture, la dynamique d’une antenne, le

gain et la directivité. Les domaines d’utilisation privilégiés de ces antennes, sont trouvés dansde nombreux systèmes de communication tels que la téléphonie mobile, les systèmes

multimédia sans fil (WIFI, Bluetooth) ou encore les communications spatiales. Elles trouvent

également des applications dans certains systèmes radar ou de télé- détection et sont utilisées

dans des bandes de fréquences allant de 1GHz jusqu’aux bandes millimétriques. Ces

applications sont soumises à des critères sélectifs et à des limitations de poids, de volume et

d’épaisseur.

II. Objectif du TP

Le but de ce TP est de concevoir une antenne patch de forme rectangulaire en utilisant la

technologie MICROSTRIP à partir d’un cahier de charge prédéfini et de donner un aperçu sur

la modélisation et la conception des antennes patch rectangulaire sous le logiciel de simulation

électromagnétique ADS et plus particulièrement Mometum. Les bases nécessaires à la

conception de ce type d’antenne seront données à titre indicatif, sans démonstrations et

l’antenne patch de forme r ectangulaire (la plus simple de toutes) sera présentée.


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III. Partie théorique

1.

Description des antennes microbandes

Les antennes microbandes, construites par la technique des circuits imprimés, ont en général

des bandes de fréquence étroites dans leur structure de base. L’antenne microbande estreprésentée dans la Figure I. 1 , est constituée d'un mince conducteur métallique (habituellement

de 17,5 à 35 µm d'épaisseur en hyperfréquence et 9 µm en millimétrique) de forme arbitraire,

appelé élément rayonnant, déposé sur un substrat épais utilisé pour augmenter la puissance

rayonnée par l’antenne et réduire les pertes par l’effet joule et amélioré la bande passante de

l’antenne, la face inférieure est entièrement métallisée pour réaliser un plan de masse.

Fig 1 : Antenne rectangulaire patch

Le patch, habituellement en cuivre, peut avoir diverses formes, mais les patchs

rectangulaires et circulaires (elliptiques) couvrent toutes les possibilités en terme de modèle

de rayonnement, de bande passante et de polarisation.


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2.

Le modèle électrique d’une antenne patch rectangulaire

Une antenne patch rectangulaire peut être modélisée électriquement par une ligne de

transmission de longueur L et par deux fentes identiques représentées par une susceptance

jB en parallèle avec une conductance G . La susceptance jB représente l’énergie stockée liée

aux modes évanescents, la conductance G représente l’énergie perdue par l’antenne c’est à dire l’énergie rayonnée :

Fig. 2 :modèle électrique

3.

Mécanismes de rayonnement de l’antenne patch

rectangulaire

Le mécanisme de rayonnement d’une antenne patch rectangulaire s’effectue à partir de sa

forme géométrique. Une fois, la ligne d’alimentation excitée par une source RF, une onde

électromagnétique se propage sur cette ligne, puis attaque l’élément rayonnant. Une

distribution de charge va donc se mettre à l’interface substrat - plan de masse, sur et sous le

composant rayonnant, ce qui va provoquer :

1. Une inversion de phase des composantes verticales du champ électrique sur la longueur

de l’antenne.

2. Contrairement à précédemment, des rayonnements qui sont en phase dans le plan de

l’antenne et dus aux composantes horizontales des lignes de champ qui entoure l’élément

imprimé.

3. Une modélisation de l’antenne patch rectangulaire par une cavité à 4 murs magnétiques

(bords de la cavité) et 2 murs électriques (formés par les métallisations).


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4.

Paramètres caractéristiques d’une antenne imprimée

Le concept des antennes imprimées à été proposé dès 1953 par Deschamps mais il n’a

été possible de les réaliser efficacement qu’à partir de 1970 (Howel et Muson) grâce à

l’arrivée sur le marché de diélectrique à faibles pertes. Depuis, la recherche dans ce

domaine n’a cessé de s’intensifier pour exploiter les nombreux avantages des antennes imprimées :

faible poids,

faible volume et épaisseur réduite,

faible coût de fabrication,

compatibilité avec des circuits intégrés (antennes actives), réseau d’antennes.

Ces antennes présentent également un certain nombre d’inconvénients qui peuvent limiterleur domaine d’applications. On peut noter :

largeur de bande étroite,

faible gain.

une polarisation difficile à obtenir

Donc, la conception des antennes doit répondre à des compromis en termes de

performances et de complexité de réalisation.

L’antenne la plus simple à étudier est sans doute le patch rectangulaire (figure 1) qui est

définie par :

Ses caractéristiques électromagnétiques : son gain, son diagramme de

rayonnement, sa largeur de faisceau, sa polarisation.

Ses paramètres d’utilisations : sa fréquence de résonance f r , sa résistance d’entrée

R in et sa bande passante B

La première étape est le choix du substrat et du conducteur pour lesquels les

caractéristiques à connaître sont :

pour le substrat : ε r sa permittivité relative, tan ∂ sa tangente de perte et sa

hauteur h .

pour le conducteur : sa conductivité σ et son épaisseur T


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IV. Partie pratique :

1.

Conception antenne patch rectangulaire 2.45 GHz

Dans cette partie on va simuler une antenne patch rectangulaire sur ADS (momentum)

La conception consiste alors à déterminer :

la longueur et la largeur du patch ( L et W),

la position et le type de l’alimentation (coaxiale, microstrip, fente).

Dans ce TP nous avons utilisé un seul type d’alimentation, il s’agit d’une alimentation par ligne

micro ruban à travers un bord rayonnant (figure 1).

Afin de formaliser notre conception, nous avons travaillé sur le cahier de charges suivant ;

substrat FR4 (epoxy)

hauteur de substrat : H = 1,6mm

permittivité diélectrique ε r =4,4

pertes tangentiel tan ∂=0,025

conducteur : cuivre,épaisseur de métallisation T = 35µm

2.

Calcul des dimensions de l’antenne

La démarche adoptée pour déterminer les paramètres géométriques du motif imprimé

s’articule autour des deux étapes suivantes :

Calcul de la permittivité effective ε e en fonction de la largeur du motif W.

Calcul de la longueur L du motif imprimé en fonction de la permittivité effective.

Le calcul de la permittivité effective d’une ligne microstrip repose sur la largeur de la

ligne et sur la hauteur du substrat :

Cette équation est donnée pour W/h>1


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3.

Calcul de la fréquence de résonance

Chaque patch est caractérisé par sa longueur effective Leff et sa largeur effective Weff qui

ont effet mineur sur la fréquence de résonance. Pour faire un calcul rigoureux de fr on prend en

considération ces deux paramètres d’où la formule :

Avec : C =3.108 m/s.

m,n le nombre de mode .

Pour le calcul de la longueur effective, on utilise la définition suivante :

Largeur W du patch

La largeur du patch a un effet mineur sur les fréquences de résonance et sur le diagramme

de rayonnement de l’antenne. Par contre, elle joue un rôle pour l’impédance d’entrée (sur le bord)

de l’antenne et la bande passante à ses résonances.

Ou le terme f 01 représente la fréquence de résonance fondamentale de l’antenne.

Longueur L du patch


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4.

Méthodologie du design

Une fois les différents paramètres sont définis; on passe au choix du logiciel de simulation

électromagnétique. Pour la conception de cette antenne, on est basé principalement surle logiciel ADS Advanced Design System de chez Agilent Technologies et plus

particulièrement le logiciel intégré dans ADS ‘ Momentum’ ‘Logiciel de 2D’

Dans cette partie on va simuler une antenne patch rectangulaire sur momentum

On commence par définir le substrat, la bande de fréquence et la fréquence du

maillage à partir du momentum , pour notre cas on choisit les valeurs : La bande de

fréquence d’étude : de 1 GHz à 3 GHz .

Fig 3 : caractéristique du substrat

W

W1

L1

a) L

b)

Fig 4 : a) ligne de transmission Microruban .b) rectangle


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L’antenne qu’on va concevoir est composé principalement par deux composants : une ligne

d’alimentation et d’une partie rectangulaire comme stub (à une seule entré et ouvert de l’autre

coté)

Apres le calcul de L et W de MLOC soit via le calcul direct à partir des relations

précédentes ou par la page internet «patch calculator », dans notre cas nous avons définis

une fonction sous MATLAB qui fait le calcul de L et W

Fig 5 : fonction patch calculator sous MATLAB

Reste à déterminer les dimensions de la ligne de transmission, une ligne peut être

caractérisé soit par des dimensions physique (L1 et W1) soit par les grandeurs électrique

Ө et Zc .

A partir de Linecalc nous avons calculer les dimensions physique à partir des

caractéristique électrique de la ligne ou vis-versa, en prend la longueur électrique Ө=90°

et Zc=50 Ω , synthétiser nous donne L1 et W1

Pour visualiser la longueur qu’on va utiliser pour la ligne de transmission, La largeur de la ligne

qu’on a pris est W1= 1 mm. Et L1=16.8 mm


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Fig 6 : Définition de la ligne de transmission à partir de Linecalc

Dans notre cas et pour la fréquence 2.45 GHz on obtient les dimensions:

L = 28. 8296 mm W = 37.26 mm On clique sur Mloc (qui représente le patch rectangulaire) et

on insère les résultats qu’on a trouvé

A la fin on insère un port d’impédance de 50 Ω sur l’entrée de la ligne detransmission, on applique le maillage prédéfinis précédemment sur notre antenne.

Fig 7 antenne patch apres Maillage


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5.

Simulation de l’antenne patch rectangulaire 2.45 GHz

Passons maintenant à la simulation : Quand on simule sous les conditions qu’on a défini

précédemment, on a obtenu des résultats acceptable un bon coefficient de réflexion S11=-

17.44dB la seul chose qui ne va pas c’est la fréquence de résonnance qui n’égale pas à la

fréquence qui est définis dans le cahier de charge :

Fig 8 : Coefficient de réflexion en fonction de la fréquence

Pour remédier cette problématique, on peut améliorer ces résultats en diminuant la largeur W

cette opération est le tunning/ajustage


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Pour passer de 2.40GHz 2.45GHz L’idée ici est d’agir sur la longueur et

du patch en le diminuant afin de répondre à notre cahier de charge , par ce que la

longueur est inversement proportionnel avec la fréquence de résonance du patch par

modification de W et L du patch on prend

W=37.215 mm L=28.095 mm

Ensuite on passe à la partie simulation qui caractérise par les paramètres suivantes :

Fréquence de START= 2.4 GHZ

Fréquence de stop=2.6 GHZ

Le pas fréquentielle =0.01 GHZ

Momentum==== simulation ===S-paramètre :

Interprétation :

On voie bien que le coefficient de

réflexion il est de l’ordre S(1.1)=-16.844dB

< -15dB autour de fréquence 2.45 GHZ on

peut les considérer qu’il est acceptable mais on

a toujours tendance à faire bien adapter pourqu’il devient


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Diagramme de rayonnement :


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V. Conception d’une antenne à 3,5GHz application (WIMAX)

1.

Le WIMAX : Présentation

a) Qu'est-ce que le WiMax ?

Le terme « WiMax » désigne un standard de réseau sans fil, qui correspond à

l'abréviation de l'expression anglaise « Worldwide Interoperability for Microwave Access ».

Ses principales caractéristiques ont été élaborées conjointement par les groupes américains Intel

et Alvarion au début des années 2000, avant d'être officiellement certifiées par l'association

professionnelle

IEEE

sous la norme

IEEE 802.16.

Le WiMax transmet des données numériques sur différentes bandes de hautes

fréquences comprises entre 2 et 11 GHz. Il a pour principale particularité de supporter un haut

débit de données (jusqu'à 75 Mb/s

en théorie) sur des

distances très importantes, comprises

entre 10 et 50 kilomètres selon les obstacles rencontrés par les ondes. Ces qualités en font donc

une sorte de Wi-Fi survitaminé, même si les tests en conditions réelles donnent des résultats

plus modestes (le débit excède rarement20 Mb/s sur quelques dizaines de kilomètres).

En plus de ses hautes performances, le WiMax se distingue de la technologie Wi-Fi par

sa capacité à

prioriser les usages de la bande passante disponible entre différents internautes.

Cette fonctionnalité peut s'avérer d'une grande utilité dans de multiples circonstances, offrant

par exemple la possibilité d'assurer une qualité optimale à un utilisateur devant suivre une

visioconférence de nature professionnelle. La norme prend donc en compte la notion de qualité

de service

« QoS ».

b) Principe de fonctionnement

Sur un territoire donné, les ondes WiMax sont diffusées depuis une station de base

baptisée « BTS » qui est reliée au réseau de fibre optique. Chaque abonné peut accéder au réseau

en installant une antenne sur son toit, et en la dirigeant en direction de la station de base.

Du fait de la puissance des ondes WiMax, l'utilisateur n'a normalement pas besoin de

posséder une ligne de vue directe sur la station. Celle-ci doit simplement se trouver dans un

certain rayon, de l'ordre de 20 ou 30 kilomètres, du domicile de l'abonné.

La zone de couverture autour d'une station de base, toutefois, n'est pas sphérique :

certains obstacles, comme des montagnes ou une forte densité d'immeubles, peuvent

significativement réduire la portée du signal.

http://www.jechange.fr/telecom/internet/guides/wi-fi-fonctionnement-3597http://www.jechange.fr/telecom/internet/guides/wi-fi-fonctionnement-3597http://www.jechange.fr/telecom/internet/guides/wi-fi-fonctionnement-3597


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c) WiMax fixe et mobile

Les révisions du standard IEEE 802.16 se déclinent en deux catégories :

WIMAX fixe, également appelé IEEE 802.16-2004, est prévu pour un usage fixe avec

une antenne montée sur un toit, à la manière d'une antenne TV.Le WIMAX fixe opère dans les bandes de fréquence 2.5 GHz et 3.5 GHz, pour lesquelles une licence d'exploitation est

nécessaire, ainsi que la bande libre des 5.8 GHz.

WIMAX mobile, également baptisé IEEE 802.16e, prévoit la possibilité de connecter

des clients mobiles au réseau internet. Le WIMAX mobile ouvre ainsi la voie à la téléphonie

mobile sur IP ou plus largement à des services mobiles haut débit.

2. Méthodologie du design

On suit la même démarche de conception de l’antenne patch précédente

Cahier des charges : Etant donné un substrat (εr , h) et une fréquence d’utilisation f01=3.5

GHZ, trouver les dimensions de l’antenne patch rectangulaire passant par le logiciel linecalc

W2 W

L2

L

On commence par définir le substrat, les dimensions de l’antenne à savoir L2 et W2

pour la ligne de transmission et W et L pour le rectangle rayonnant ainsi que la fréquence

de résonnance Fr=3.5GHz on choisit comme bande de fréquence d’étude :

de 1 GHz à 3 GHz .


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Fig : longueur et largeur du patch Fig :définition et type du substrat

Apres le calcule de L et W qui sont les dimensions de MOLC, reste à déterminer L 2 et

W2 dimension de MLIN : ligne de transmission pour cela on a utilisé la page patch

calculator qui fournit en plus de L et W l’impédance d’entré de l’antenne Zin

Fig : Calcule de Zin de l’antenne patch


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Apres on calcule l’impédance caractéristique de la ligne par la relation suivante :

= √0 ∗

= 110.227 Ω

A partir de LineCalc on synthétise L2 et W2 de la ligne de transmission

On remarque que W2


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On va fixer w1 à 1mm et on donne une longueur électrique qui égale à 90° et une impédance Z

= 50Ω pour calculer L2 en passant par LINECALC par ces étapes suivantes :

On prend MLIN de la bibliothèque Tlines-Microstrip on sélectionne ce conducteur detransmission après on va cliquer sur Tools puis LineCalc et finalement sur Send Selected

Component To LineCalc et la fenêtre suivantes va s’afficher, dans la valeur de L2 est

11.735mm.


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On va revenir à la simulation électromagnétique et on prend un conducteur de

transmission en cliquant sur MLIN et on va saisir les valeurs de la largeur W2 et la

longueur L2

D’abord on va pris une antenne en cliquant sur MLOC et on introduit les valeurs

calculés de W et L et on va positionner l’antenne sur le point vert à la droite de la lignede transmission

Et on va pris un port d’entrée en cliquant sur l’icône et on le positionne sur le point

vert à la gauche de la ligne de transmission.

On va saisir l’impédance d’entrée en cliquant sur le port et on va suivre les étapes

suivantes : Momentum == Ports == Editor.. Donc il est défini par défaut sur 50Ω on va

cliquer sur App sur Ok


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Ensuite on va définir la fréquence de maillage pour notre cas on a choisi Fmesh=4.5 GHz

> 3.5 GHz à la fréquence d’utilisation en cliquant sur Momentum == Mesh ==

Preview…


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Simulation : Momentum ==Simulation == S- parameters… on remarque que

notre antenne n’est pas adapté autour de la fréquence 3.5Ghz


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Comme interprétation on constate que ces résultat sont médiocre on peut toutefois les

améliorer en jouant sur les dimensions de l’antenne patch

Donc l’idée ici est d’agir sur la longueur du patch afin d’améliorer le résultat précèdent

on trouve que la longueur qui correspond au coefficient de réflexion minimal est de

L=19.6369 mm

Maintenant notre antenne a un coefficient de réflexion acceptable → (-10. 849dB < -

10 dB) .Pour pouvoir connecter la ligne de transmission avec la source d’excitation on

a besoin d’ajouter à l’entrée de la ligne de transmission morceau en cuivre qui a une

largeur suffisante pour qu’on puisse y souder un connecteur VNA sur cette dernière

de manière directe .

l’ajout de ce morceau en cuivre ne doit pas modifier notre résultat, c’est pourquoi on

passe par lincalc pour définir les dimensions de cette pièce en cuivre qui va être

connecté avec la ligne de transmission. Comme on la constater précédemment la

largeur qui correspond a l’impédance 50 Ω est de W= 3mm , on n’est pas intéressé ici

a la longueur de cette pièce ajouté alors on prend une longueur de notre choix : L = 5

mm


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3. Amélioration de la conception précédente par ajout des encoches

Méthodologie suivie

L’utilisation des encoches est une démarche simple pour réaliser l’adaptation d’uneantenne patch sur le substrat, la technique utilisée consiste à ajouter des encoches

parallèles à l’axe de polarisation du patch comme le montre ces inclusions dans la

partie métallique du patch vont apporter une modification de l’impédance d’entrée du

patch.

Pour réaliser l’antenne avec encoche on reprend sur l’antenne 3.5 GHz conçus

précédemment , on clique sur insérer rectangle ( le rectangle ) Puis on sélectionne

chaque composant de notre antenne, on clique la première fois sur le bord de chaque

rectangle et on glisse le curseur jusqu'à l’autre extrémité de l’autre bord du rectangle et

on clique sur entrer, puis on clique sur le composant et on le déplace pour voir qu’on amaintenant une copie de ce composant, on garde la copie et on supprime l’original et

les connexions.


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On refait ce processus pour chaque composant, on doit mentionner ici qu’on doit être

très vigilant en ce qui concerne l’emplacement des composants, on doit se mettre sur

qu’on n’a pas déplacé l’un des composants intentionnellement, car cela va nous

refléter des résultats non réel.

Donc il faut ajuster les résultats en change plus au moins les dimensions de la

longueur ainsi que la largeur pour tombé dans un coefficient de réflexion


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Voilà les résultat de simulation

La figure ci-dessus montre une tres bonne adaptation le coefficient de reflexion qui

dans ce cas le paramètre S11= -25.367 dB


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VI. Conclusion

A la fin de TP 1 nous avons pu se familiariser avec la conception des antennes patch qui

sont de plus en plus utilisée dans le domaine de la communication sans fils en utilisant le logiciel

ADS, Nous avons constaté au cours des paramétrages et des simulations que les performances

et les caractéristiques de ce type d’antenne sont lié avec les dimensions des antennes patch

Finalement Nous avons pu observer la mise en pratique des notions d’hyperfréquences et

de propagation assez difficiles à appréhender seulement en théorie.

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