Remerciement
Je tiens à remercier tout d?abord Monsieur Ali
BENBASSOU responsable de la formation « MASTER TDMO » professeur
à l?EST de Fès pour le soutien qui m?a accordé durant la
réalisation de ce travail.
J?adresse également l?expression de ma reconnaissance
profonde à Monsieur Saad BENNANI professeur à l?ENSAF pour son
encouragement et son aide afin d?élaborer ce projet.
Finalement et à cette occasion, je souhaite totalement
à témoigner de mes profonds remerciements les plus respectueux
1er à Monsieur Bri professeur de RF a EST de Meknès,
pour ses articles et thèses qui m?a montré le bon sens et
à l?ensemble des étudiants du master TDMO2.
Dédicace
Je dédie ce travail
A ma famille
A tous ceux que j?aime pour leurs encouragements,
A ceux qui ont veillé à ce que ce travail soit
à la hauteur
Table des matières
INTRODUCTION 5
CHAPITRE I: ANTENNES IMPRIMEES 6
I-INTRODUCTION 6
II-/ANTENNES IMPRIMEES 6
II-1-Les caractéristiques des antennes imprimées
6
II-2-Les avantages et inconvénients 7
II-3-Les différentes formes d?une antenne patch 7
II-4-Les techniques d?alimentations 8
II-5-Méthodes d?analyse d?une antenne patch MICROSTRIP
9
III-ADAPTATION 15
III-1-L'adaptation par quart d'onde 15
III-2-L?adaptation par STUB 16
III-3-Adaptation avec encoches 17
CONCLUSION 18
CHAPITRE II : CONCEPTION D?UNE ANTENNE IMPRIMEE PAR HFSS 19
I-INTRODUCTION 19
II-CAHIER DES CHARGES : 19
III/LOGICIEL DE SIMULATION ELECTROMAGNETIQUE 20
III-1/Logiciel HFSS(ANSOFT) [6] 20
III-2-Différents étapes d?utilisation du logiciel
21
III-3-Calcul des dimensions théoriques du patch 21
III-4-Conception 21
III-5/Simulation 23
CONCLUSION 28
CONCLUSION GENERALE 29
Bibliographie 30
ANNEXE 31
Symboles utilisés
W : largeur de l'élément rayonnent
L : longueur de l'élément rayonnent
: Constante diélectrique du matériau isolant
(permittivité relative)
: Constante diélectrique effective
: Fréquence de résonance :
Épaisseur du diélectrique : Longueur des
fentes
: Longueur effective
Z0 : impédance caractéristique de la ligne
MICROSTRIP Largeur de la ligne MICROSTRIP
: Longueur de la ligne MICROSTRIP
: Largeur effective de la ligne MICROSTRIP
: Épaisseur du patch et le substrat
: Vitesse de la lumière
Vitesse de propagation dans le milieu
diélectrique
: Impédance d'entrée de l'antenne
Z 1
: Bande passante
: Longueur d'onde dans le vide
L
: Longueur d'onde dans le diélectrique
G1 : Conductance du circuit équivalent de l'antenne
: Impédance d'entrée de la ligne quart d'onde : Longueur de la
ligne quart d'onde
: Largeur de la ligne quart d'onde
INTRODUCTION
Les télécommunications se sont banalisées
au cours de ces dernières années. Poussés par l?engouement
du public, les systèmes de réception sont devenus portables et
les antennes se sont miniaturisées, l?utilisation d?antennes
imprimées est devenue usuelle dans les systèmes de
radiocommunications.
L?étude présentée dans ce rapport se
place dans le cadre d?un mini projet de conception d?une antenne Patch
MICROSTRIP. L?utilisation d?un simulateur électromagnétique(HFSS)
permet d?appréhender des lois de comportements sans avoir
préalablement recours à un formalisme mathématique.
Ce travail présente un cas concret de conception d?une
antenne imprimée rectangulaire, ou on va concevoir, simuler,
réaliser et caractériser une antenne patch MICROSTRIP.
Le présent travail se subdivise en 2 chapitres :
Dans un premier chapitre une étude succincte a
été faite sur l?antenne imprimée qui sont applicables aux
différentes situations d'intégration, ainsi la simplicité
de leurs structures fait que ce type d?antenne est adapté au faible
cofit de fabrication. Ceci est une propriété clé qui
explique l?introduction des antennes imprimées dans les applications de
la communication mobile. Je vais expliquer aussi le concept du dimensionnement
et le paramétrage des antennes imprimées de type
<<Patch>>.
Après quelques rappels sur le fonctionnement
théorique des antennes patchs, nous allons efforcer à aborder le
deuxième aspect celui de la conception d?une antenne imprimée
avec un simulateur électromagnétique, j?ai essayé de
représenter les résultats de simulation dans une fréquence
bien précise. Basé sur une étape de mesure : coefficient
de réflexion, le diagramme de rayonnement, gain, directivité
...
CHAPITRE I: ANTENNES IMPRIMEES
I-INTRODUCTION
Le concept des antennes imprimées a été
proposé dès 1953 par Deschamps [1] mais il n?a été
possible de les réaliser efficacement qu?à partir de 1970 (HOWEL
et MUSON) grace 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
Une antenne à éléments rayonnants
imprimés, communément appelée « antenne patch»
est une ligne MICRORUBAN (en anglais MICROSTRIP) de forme particulière.
Elle se compose d?un plan de masse et d?un substrat diélectrique dont la
surface porte un ou plusieurs éléments métalliques.
Il convient de souligner leur faible poids, un encombrement
réduit, un faible coût de revient et une configuration planaire
compatible avec les circuits intégrés et éventuellement
conformable.
L?emploi d?antennes plaquées s?est quasiment
généralisé dans tous les systèmes de communication
mobile. Ces antennes sont légères, peu encombrantes et peu
coûteuses. Elles sont fabriquées selon la technique photo
lithographique des circuits imprimés. Selon l?utilisation, on trouve
différentes formes d?éléments rayonnants,
différents types de substrats ou encore différents types
d?alimentation.
II-/ANTENNES IMPRIMEES
II-1-Les caractéristiques des antennes
imprimées [1]
a) Le coefficient de réflexion S11 :
met en évidence le transfert d?énergie par l?antenne. Dans un
système électrique caractérisé par les
paramètres S, lorsque le coefficient S11 connait une forte
atténuation à une fréquence donné appelée
fréquence de résonnance, il y a un maximum de transfert de
puissance entre le générateur et la charge. C?est sur ce
paramètre que l?on se base pour optimiser l?antenne.
b) La directivité : caractérise
la concentration du rayonnement dans une direction donnée.
F) i7 IIIIQGIPeQ2 GHApQ241QE: est le rapport
entre la puissance rayonnée et la puissance fournie à
l?antenne.
d) Le gain: est le résultat de la
directivité sur de la perte.
e) L'impédance d'entrée de
l'antenne: est l?impédance vu dans le plan de la ligne
d?alimentation au niveau du connecteur SMA/N.
II-2-Les avantages et inconvénient
· faible poids,
· faible volume et épaisseur réduite,
· faible coüt de fabrication,
· compatibilité avec des circuits
intégrés (antennes actives),
· réseau d?antennes.
Ces antennes présentent malheureusement, également
des désavantages :
· largeur de bande étroite,
· faible gain.
II-3-Les différentes formes d'une antenne patch
L?antenne patch peut prendre plusieurs formes qui peuvent
être rectangulaire, carré, circulaire ou simplement un
dipôle. Ces formes sont les plus courantes car elles présentent
une grande facilité d'analyse et de fabrication, mais également
un diagramme de rayonnement très intéressant.
La figure suivante montre ces différentes formes [3] :
Carrée Rectangulaire Dipole Circulaire Secteur
d'anneau
Elliptique Triangulaire Anneau Secteur de
Disque
Figure 1:Différentes formes d?antennes
patch
Remarque :
Parmi toutes ces formes, l?élément
rectangulaire est sans contexte le plus facile à appréhender pour
la compréhension des mécanismes de rayonnements des antennes
planaires,
II-4-Les techniques d'alimentations [2]
L?alimentation de l?antenne dépend de la manière
dont l?antenne est intégrée dans le dispositif.
> Alimentation par sonde
coaxiale
Figure 2: Alimentation du patch rectangulaire avec un
câble coaxiale
L'alimentation coaxiale où le conducteur
intérieur est attaché au patch et le
Conducteur externe au
plan de masse est également largement utilisée. Ce type
d'alimentation est facile à mettre en oeuvre et à
adapter. Mais il offre une bande passante étroite.
Parmi ces caractéristiques :
· Pas de pertes par rayonnement de ligne
· Obtention de l?impédance d?entrée par
positionnement de la sonde
· Technique de perçage simple
> Alimentation par ligne microruban
Dans ce cas d?alimentation, on relie une ligne microstrip au
patch. Cette ligne lui amène de l?énergie. Il existe cependant un
inconvénient dans ce type d?alimentation vu qu?elle génère
un rayonnement parasite.
Figure 3: Alimentation du patch rectangulaire par une ligne
microruban > Alimentation par le
couplage par proximité
Ce type d?alimentation Offre la meilleure bande passante, il
est facile à modéliser et présente un rayonnement parasite
faible. La distance entre la ligne d'alimentation et le patch peut être
utilisée pour adapter l'impédance de l'antenne. Le principal
inconvénient de ce type d'alimentation est qu'il est difficile à
mettre en oeuvre.
Figure 4: Alimentation du patch rectangulaire par couplage
II-5-Méthodes d'analyse d'une antenne patch
MICROSTRIP [3]
Elles sont basées sur des équations physiques
de l?électromagnétisme où l?on a fait des
hypothèses simplificatrices permettant d?obtenir des modèles
simples. Néanmoins, les résultats sont approchés. Les
modèles fréquemment utilisés pour analyser les antennes
imprimées sont :
> le modèle de la ligne de transmission
> le modèle de la cavité
électromagnétique
1)Modèle de la ligne de transmission :
Le modèle de la ligne de transmission est plus simple
et il fournit des bonnes
interprétations physiques. Cette
méthode est plus adaptée aux patchs rectangulaires.
Elle permet de les modéliser par des tronçons de
lignes micro-rubans dont les caractéristiques sont bien connues.
Ce modèle permettra d?établir une procédure
de conception d?un patch rectangulaire. a) Calcul des param itres de
l'élément rayonnant [3]
Figure 5: Géométrie du patch microstrip
rectangulaire
La démarche adoptée pour déterminer les
paramètres géométriques du motif imprimé s?articule
autour des deux étapes suivantes :
· Calcul de la permittivité effective en fonction de
la largeur du patch W.
· Calcul de la longueur L du patch en fonction de la
permittivité effective. Nous savons que la propagation des ondes dans
une ligne microruban s?effectue à la fois dans le milieu
diélectrique et dans l?air. Du point de vue modélisation, les
deux milieux sont remplacés par un unique milieu effectif
caractérisé par une constante diélectrique exprimée
par :
)
(
) ( _
)
v
Dans le cas d?un motif rectangulaire, la largeur de la ligne:
~
f v2
La longueur effective :
Figure 6 : La longueur du patch avec fentes
~
Le patch rectangulaire représente une longueur effective
car le rayonnement se base sur la longueur réelle ainsi sur les deux
fentes d?oü ff
a ff ~
f v
u u ~
)( ~ 6 )
_ )( ~ ) ~
On conclut que la longueur réelle du patch est
ff - )
Le calcul des paramètres L et W du patch se fait par des
outils numériques comme Microstrip Patch Antenna
Calculator?
b) Calcul des paramètres de la ligne :[4]
Une ligne microstrip est constituée d'un ruban conducteur
placé sur une face d'un matériau diélectrique dont l'autre
face constitue un plan de masse.
L
Figure 7: Constitution d'une ligne microstrip
On trouve dans la littérature plusieurs
équations empiriques complexes permettant de calculer l'impédance
caractéristique à partir des données
géométriques ou inversement de déterminer les dimensions
permettant d'obtenir une ligne d'impédance donnée. Pour plus de
détails, on pourra se référer à un excellent
article de à E. O. Hammerstad et ont été publiées
en 1975.
Un premier jeu d'équation permet de calculer le rapport
W/h correspondant à une impédance Zo donnée. Pour une
meilleure précision on utilise deux équations différentes
selon la valeur de W/h
p )
)
p ) -
(
a /
- ) )
* B - ) 9 -
h > ,B - - B - ) +- 9)
a B )
v
Les relations précédentes ont été
établies en supposant que l'épaisseur t du conducteur est
très faible devant l'épaisseur h de l'isolant (t/h <0,005).
Dans les autres cas, il faut apporter une correction, la plupart du temps
négligeable. Pour les puristes, voici la relation à utiliser:
Pour W/h > 0,16 (ce qui est toujours le cas dans notre
domaine)
~~ ~ n (
)) )
Pour les impédances caractéristiques faibles
(< 60 ?), la correction peut être ignorée. Dans la pratique, il
existe d'un fournisseur à l'autre une certaine dispersion de la
permittivité relative qui n'a, dans le domaine amateur, que des
conséquences mineures.
Par exemple, pour un microstrip voisin de 50?, une variation
de #177; 10% de la permittivité entraîne une variation de
l'impédance caractéristique inférieure à 5% en sens
inverse. De même une variation de #177; 10% de la largeur de la piste
entraîne une variation de 5 à 6 % de l'impédance
caractéristique (autour de 50?). On voit donc que les microstrips sont
somme toute assez tolérants.
c) COEFFICIENT DE VELOCITE D'UN MICROSTRIP[7]
Dans une ligne microstrip, comme dans un câble coaxial, la
vitesse de propagation de l'onde dépend du matériau isolant et
est inférieure à sa vitesse dans l'air :
)
v
La longueur d'onde ëg dans la ligne microstrip est donc plus
petite que la longueur d'onde dans l'air ë0:
Alors la longueur de la ligne est: )
A titre indicatif, le coefficient de vélocité d'un
microstrip de 50 ? sur verre époxy de 1,6 mm avec 35 microns de cuivre
est de 0,577.
Le calcul numérique ce fait par Microstrip line
Calculator?
2)Modèle par cavité [5]
Le mécanisme de rayonnement d?une antenne patch
rectangulaire dans le model de cavité se comprend aisément
à partir de sa forme géométrique. Lorsque vous excitez la
ligne d?alimentation avec une source RF, une onde
électromagnétique va se propager sur cette ligne puis va
rencontrer l?élément rayonnant (de largeur plus grande que la
ligne, donc plus apte à rayonner..). Une distribution de charge va
s?établir à l?interface Substrat / Plan de masse, sur et sous
l?élément rayonnant.
Figure 8 : Distribution de charge et densité de courant
sur une antenne microstrip.
Cette figure montre la distribution dans le cas particulier
où l?antenne rayonne le plus efficacement c?est à dire
lorsqu?elle devient résonante (la longueur de l?élément
rayonnant est un multiple de la demi-longueur d?onde guidée). Le cas
présenté correspond au mode fondamental de l?antenne.
Avec ft ff
~( )
~ ~( ) ~
Figure 9 : Distribution de la composante verticale du champ
électrique dans le mode fondamental TM10 de l?antenne.
Ces distributions de charge et les densités de courants
associés induisent une distribution de champ électrique
représentée à la figure 6 dans le mode fondamental.
Figure 10 : Distribution de la composante horizontale du champ
électrique dans le mode fondamental de l?antenne.
Si nous nous intéressons maintenant à la
distribution des
charges, nous pourrions montrer par l?étude des
composantes tangentielles du champ magnétique que le patch rectangulaire
peut se modéliser comme une cavité avec 4 murs
magnétiques (bords de la cavité) et 2 murs électriques
(formés par les métallisations et dans l?approximation que la
composante normale du champ électrique est constante).
Avec les conditions aux limites adéquates, on
détermine assez facilement les fréquences de résonances de
l?antenne patch rectangulaire :
)
~( (
~ ~ ) )
v ~~ ~~
a) 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 de l?antenne et la bande passante à ses
résonances :
n
)
Pour permettre un bon rendement de l?antenne, une largeur W
pratique est :
)
f
où le terme f01 représente la fréquence
fondamentale de l?antenne.
En contrepartie, le diagramme de rayonnement se dégrade
(apparition de plusieurs lobes secondaires).
b) Longueur L du patch
La longueur du patch détermine les fréquences de
résonance de l?antenne. Il ne faut surtout pas oublier de retrancher la
longueur ?L correspond aux extensions des champs .
9)
f v
III-ADAPTATION :
Pour chaque système qui transforme l?énergie sur
une ligne de transmission a besoin d?adaptation car la ligne transforme
l?impédance de charge en une autre valeur d?impédance au droit de
la source. Ce que voit la source dépend donc de l?impédance de
charge, de la longueur électrique de la ligne et de son impédance
caractéristique [8]
III-1-L'adaptation par quart d'onde [8] & [9]
Dans la construction de circuits hyperfréquences, on
recherche souvent l'adaptation, c'est
à dire à se ramener
à une impédance différente (qui est souvent
l'impédance
caractéristique) de celle obtenue en fin de
circuit. Dans le domaine des moyennes
Figure 11 : Adaptation par quart d'onde
fréquences c'est 75 ?, en HF c?est 50 ?. Pour cela, on
dispose de différentes techniques dont une est l'adaptation par quart
d'onde.
Principe :
· Par une longueur de ligne appropriée, on
ramène tout d'abord l?impédance complexe terminale du circuit
à une impédance purement réelle. Puis, on se ramène
sur le point central de l'abaque (adaptation 50?) par une rotation d'un
demi-tour. Ce demi-tour est réalisé grâce à une
ligne de longueur ëg/4 d'impédance caractéristique Z2.
· A partir de la valeur de la charge ZL0
à 3 GHz et des résultats précédents donner la
longueur de ligne nécessaire pour se ramener à une charge
purement résistive de 100 ?.
· Déterminer ensuite grace à l'abaque de
Smith, la longueur et l'impédance caractéristique
nécessaire pour retrouver une charge de 50 ? après rotation d'un
demitour.
III-2-L'adaptation par STUB [9]
Une autre façon de procéder pour arriver à
l'adaptation d?une charge quelconque consiste à utiliser un stub.
Principe :
A partir de la charge, grâce à un tronçon
de ligne d'impédance caractéristique Zc et de
longueur
adéquate l, le point représentant l'admittance yL0 = 1/zL0
parcours un cercle
jusqu'à ce que celui-ci croise le cercle
représentant les admittances du type
, l'adaptation
en partie réelle est ainsi réalisée. L?adaptation de la
partie
imaginaire se fait en ramenant dans le plan une partie
imaginaire pure
grâce à un stub en un circuit ouvert (open stub)
ou en court-circuit (short stub). La solution retenue est
généralement celle présentant le plus faible encombrement.
Le raisonnement peut se faire en impédance mais il est plus facile de
travailler dès le départ en admittance pour faire la somme des
impédances parallèles ramenées.
III-3-Adaptation avec encoches [3]
Pour adapter l?antenne, on utilise des encoches, il suffit de
modifier la géométrie du patch Les dimensions des encoches sont
données par la relation :
Figure 12 : Patch rectangulaire Figure 13 : L'équivalence
en circuit
(
)
G1={ (20)
(
) >>
Comme G1= ( )
Impédance d?entrée
n=
~ ( )= ~ y ) ( )
Figure 14: patch adapté par encoches de
longueur
CONCLUSION
Dans ce chapitre j?ai essayé de présenter
soigneusement la théorie des antennes en citant les différents
paramètres qui modélise les antennes, j?ai cité aussi les
deux méthodes de dimensionnement qui sont connus dans la
littérature des antennes imprimées, j?ai terminé ce
chapitre par les techniques d?adaptation.
Dans le prochain chapitre, je vais commencer à
modélise l?antenne patch et visualisé les résultats de
simulation accompagné par des commentaires.
CHAPITRE II : CONCEPTION D'UNE ANTENNE IMPRIMEE
PAR HFSS
I-INTRODUCTION
La phase de conception d?une antenne, à l?aide d?un
logiciel adapté, est une étape incontournable dans un souci de
gain de temps et d?optimisation de structure aux paramètres
désirés.
La conception permet également de prendre en compte
les paramètres diélectrique et conducteurs des matériaux
bas coût choisis, qui ne sont pas parfaits, et de nous rapprocher des
futures antennes réalisées. Pour cela, il nous faut choisir un
outil de simulation électromagnétique adéquat.
Ainsi, nous développerons dans ce chapitre la phase de
conception en présentant le
logiciel de simulation
électromagnétique et ses différents étapes, puis
une phase de
pré-calculs et enfin les résultats de simulation
pour des antennes à patch rectangulaire.
II-CAHIER DES CHARGES :
Ce projet consiste à réaliser une antenne patch
microstrip à une fréquence bien déterminée.
Le cahier des charges nous impose les valeurs
caractérisant des différents éléments de l?antenne
:
-la permittivité diélectrique du substrat
(époxy) : Er = 4.32
-la hauteur du substrat diélectrique : h=1.6mm
-la fréquence de résonance que l?on désire
: ~r=2,45 GHz
-l?adaptation à 50 Ohm
-l?alimentation par ligne microstrip
-l?épaisseur de la métallisation est de 35 um
-les pertes tangentielles du substrat : perte tangentielle = 0
,018
- le connecteur SMA/N
III/LOGICIEL DE SIMULATION ELECTROMAGNETIQUE
III-1/Logiciel HFSS(ANSOFT) [6]
HFSS est un logiciel de simulation
électromagnétique qui étudie des structures complexes en
trois dimensions en simulant ces structures et en proposant des visualisations
claires des résultats en 2D et en 3D.
HFSS est utilisé essentiellement pour les
expérimentations et les études de systèmes fonctionnant en
hautes fréquences, il est exploité notamment pour calculer les
paramètres S, les fréquences de résonnances ainsi que les
champs électromagnétiques. HFSS s?appuie sur la méthode
numérique fréquentielle des éléments finis (FEM :
Finite Element Method). Cette méthode effectue les tâches
suivantes :
· Discrétisation de l?espace : HFSS est un
simulateur interactif qui effectue un maillage en portions
élémentaires pour surmonter les difficultés
rencontrés avec des structures en 3D comportant des formes et des
courbes inhabituelles.
· Résolution des équations de Maxwell
(équations différentielles) en un certain nombre de points
discrets
· Prise en compte des conditions aux limites
Le Tableau suivant résume les avantages et les
inconvénients de cette méthode :
|
Avantages
|
Inconvénients
|
|
|
|
Etude de structures très complexes
|
Gourmande en ressources informatiques
|
|
Solutions exactes aux noeuds du maillage
|
Solutions approximées
|
|
Prise en compte simple de la dépendance
fréquentielle ou temporelle
|
Erreurs de calculs numériques
|
|
Difficultés pour modéliser l'espace libre
|
Tableau 1 : Avantages & Inconvénients de la
méthode des éléments finies
HFSS utilise également un algorithme ALPS (Adaptative
Lanczos Pade sweep) qui lui permet de générer un maillage
adaptatif automatiquement.
III-2-' 111O1LnNWONIELs d'ANIONNiIRKRAIIRJIVILl :
1. Préparation sur papier de la structure à
simuler
2. Dessin de la structure : dimensions
géométriques des différents objets. 4 Respect des
règles de simulation
3. Spécification des matériaux pour chaque
objet.
4 Constantes diélectriques, conductivité des
matériaux ...
4. Identification des sources et (ou) ports
d?entrée/sortie.
4 Manière d?exciter la structure
5. Spécification des conditions aux limites
4 Types de frontières : CCE, CCM, rayonnantes ...
6. Configuration des paramètres de simulation
4 Fréquence(s) de maillage, paramètres de
convergence ...
7. Analyse des solutions à 1 ou plusieurs
fréquences.
8. Visualisation des résultats
4 champs ( ? ? .)
4 paramètres S (+ paramètres z, y etc)
9. Discussion et exploitation des résultats par
l?utilisateur III-3-Calcul des dimensions théoriques du
patch
Pour simplifier et précisé le calcul on va poser
les équations précédentes sur un logiciel de
calcul(MATLAB), on retrouve les résultats suivants :
W(mm) II CPP) ff(mm) L(mm)
n CM) A ) ) )
37.5391 4.0102 0.7405 30.5732 29.0922 303.8471 1.5185
3.1011 30.5732 10.6781
Tableau 2 : les paramètres de l?antenne
patch
III-4-Conception
L?environnement de travail de HFSS nous donne la
possibilité de concevoir nos schémas en toute finesse comme
montre la figure en dessous
Je vais simuler trois formes du patch
·
Sans adaptation
? Adapter par une ligne quarte d?onde ? Adapter par des
encoches
Figure 15: Antenne patch MICROSTRIP sans
adaptation
Encoche
Figure 16: Antenne patch MICROSTRIP
adapté par encoches
Ligne quart onde
Figure 17: Antenne patch MICROSTRIP
adapté par ligne quart d?onde
III-5/Simulation
? Paramètre S :
Figure 18 : Paramètre S du Patch sans
adaptation à la fréquence 2.45Ghz
Le paramètre S est le coefficient qui préoccupe
le plus les concepteurs des antennes imprimées car il représente
le coefficient de réflexion qui joue le rôle de perturbation sur
la transmission des données.
Ici dans cette figure on constat que le coefficient S est de
l?ordre de -44.23dB pour
une fréquence de résonance de
2.46Ghz, cette dernière est proche de la
fréquence
souhaitée qui est de l?ordre de 2.45Ghz et la bande
passante est de , cette
différence de fréquence entre celle de
résonance et de simulation est due à la structure
géométrique et les paramètres typiques qu?on a
utilisé pour la conception.
Figure 19 : Paramètre S du Patch avec
adaptation (encoche) à la fréquence 2.45Ghz
Dans cette figure on voit que le coefficient S a
diminué jusqu?à la valeur de-48.93dB pour une fréquence de
résonance de 1.86Ghz cette amélioration est due à
l?adaptation par encoche (figure 16), mais la fréquence de
résonance a été changer cela ne peut être explique
que par l?insertion des ouvertures (encoche) dans l?élément
rayonnant, ainsi la bande passante est de 100 MHz, il a été
rétrécit ce qui augmente la performance de l?antenne.
Figure 20 : Paramètre S du Patch avec
adaptation quart d?onde à la fréquence
2.45Ghz
Malgré la diminution du coefficient de réflexion
à -58.19dB mais la fréquence de résonance est très
loin par rapport à la fréquence souhaitée qui est de
2.45Ghz
· Diagramme de rayonnement
Le diagramme de rayonnement d'une antenne permet de visualiser
ces lobes dans
deux ou trois dimensions, dans le plan horizontal ou dans le plan
vertical incluant le lobe le plus important.
Le diagramme dans 2D :
(a) Diagramme en dB (b) Diagramme sans
unité
Figure 21 : Diagramme de rayonnement en gain du patch non
adapté
On voit que la direction privilégier est en
è=90° et ö=270° avec un gain de 0.082 (-11.4dB), donc
l?antenne est directive, il faut poser l?antenne dans ses directions pour se
bénéficier des performances optimales de l?antenne.
Figure 22 : Diagramme de rayonnement en gain du
patch adapté avec encoche. On voit une petite amélioration par
rapport à celle non adaptée
Le diagramme dans 3D :
Figure 23 : Diagramme de rayonnement de la
directivité du patch non adapté.
La direction du lobe principale est à --Y, ce qui prouve
que le patch est une antenne directive, les lobes secondaires sont apparus car
la structure et non adapté.
Figure 24 : Diagramme de rayonnement de la
directivité du patch adapté par encoche. On constate que les
lobes secondaires deviennent moins importants que celles du non adapté,
l?utilisation d?un matériau avec perte est le 1er facteur qui
influence la directivité de l?antenne.
· Champ E/H
Cas non adapté :
(a) Champ E par niveau d?amplitude (b) Champ E par vecteur
Figure 25 : Propagation du champ E le long du
patch dans le cas non adapté
La répartition du champ E est basée sur les
positions des noeuds (min) et des ventres (max) des courants et des tensions,
la distance entre les ventres est , le maximum du champ est de
8.81e(3)V/m .
(a)Champ E (b) Champ H
Figure 26 : Propagation du champ E le long du
patch dans le cas adapte par encoche Remarque :
Après cette comparaison des méthodes
d?adaptation, on constate que l?adaptation par encoche est la meilleurs
technique, qui permet d?obtenir les résultats les plus correctes que ce
soit pour le coefficient de réflexion ou pour le diagramme de
rayonnement.
· Cas intéressant
Il arrive des fois de se retrouver face à des
problèmes de transmission surtout la
diversité d?information à envoyer, on a
envisagé à exploiter les pics parasites représenté
sur l?allure du paramètre S, pour cela on modifier la structure du Patch
afin d?obtenir deux pics principaux et proche entre eux.
Figure 27 : Patch rectangulaire avec
ouverture
Figure 28 : Paramètre S du patch avec
ouverture
On voit que les deux pics représente le même
paramètre S environ -24.5dB et séparé par 310Mhz ce qui
est désiré pour ne pas avoir une large bande de
fréquence.
CONCLUSION
Ce chapitre dédié à la conception a
été intéressant d?une part j?ai essayé de ramener
tous les connaissances théoriques en simulation et d?autre part le
logiciel de simulation m?a donné une opportunité qui
n?été pas faisable avant.
J?ai constaté aussi que les techniques d?adaptations
présentent un avantage majeur pour avoir un lobe principal très
directif, en contrepartie minimisé les lobes secondaires qui sont dus
souvent aux pertes à l?intérieur de la structure
Le dernier cas du patch c?était une idée pour avoir
une antenne qui fonctionne en plusieurs bandes de fréquence de
résonance.
CONCLUSION GENERALE
L?antenne patch est une antenne directive surtout avec
l?utilisation des techniques d?adaptation qui ne permettent que minimise le
coefficient de réflexion mais pas de retrouver la fréquence de
résonance souhaitée.
La conception d?une antenne patch a été
très enrichissante. D?une part, il nous a permis d'appliquer les
connaissances acquises sur le logiciel HFSS et d'autre part, il nous a
donné la possibilité d?approfondir nos connaissances sur les
antennes.
Ce projet nous a donné la possibilité de nous
familiariser avec une situation réelle de projet, de par le peu
d?indications données au départ. Nous avons également pu
observer la mise en pratique des notions d?hyperfréquences assez
difficiles à appréhender seulement en théorie.
On tient à remercier l?ensemble des personnels enseignants
qui nous a encadrés durant ce projet pour l?aide qu?il nous a
apporté.
Bibliographic
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Edition??
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Four Station Square Suite 200
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[9] :Analyseur de réseaux et circuits HF d?ESINSA
5ème année Option
Télécommunication-Télédétection
ANNEXE
formule de E,o,hammerstad on 1974 :
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