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ANTENNES COMPACTES POUR TÉLÉCOMMUNICATIONS (DOMAINE DÉCIMÉTRIQUE) PRINCIPE ET APPLICATIONS

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ANTENNES COMPACTES POUR TÉLÉCOMMUNICATIONS (DOMAINE DÉCIMÉTRIQUE) PRINCIPE ET APPLICATIONS. PLAN DU COURS. Introduction Historique, généralités Caractéristiques des antennes. Partie I : Antennes compactes. Partie II : Antennes larges bandes.

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Presentation Transcript
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ANTENNES COMPACTES POUR TÉLÉCOMMUNICATIONS

(DOMAINE DÉCIMÉTRIQUE)

PRINCIPE ET APPLICATIONS

slide2

PLAN DU COURS

  • Introduction

Historique, 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
slide3

Composant critique : l'antenne

CONTEXTE DE L’ETUDE

But : donner accès à des technologies complémentaires à partir d'un seul terminal

slide4

Antennes non-résonantes

Antennes résonantes

Boucles magnétiques

L<<l

Ondes progressives

L>>l

Antennes filaires

L # l

Antennes planaires

L # l

Gain faible

Nécessité d’un circuit d ’adaptation

Grande majorité des applications de terminaux mobiles

LES ANTENNES COMPACTES

Deux grandes familles d’antennes

slide5

Utilisation d’un plan de masse

Le monopôle

taille min. :

l/4

LES ANTENNES FILAIRES

Élément de base :

le dipôle

taille min. :

l/2

slide6

Antenne boucle résonante

Hélice simple

  • Mode radial
  • Mode axial

Antenne hélice

Hélices multiples

LES ANTENNES FILAIRES (2)

slide7

Antenne à fente

LES ANTENNES PLANAIRES

Dual du dipôle

l/2 l/4

Même comportement que le dipôle mais en inversant les champs E et H.

Du coup, inversion également des impédances.

slide8

Antenne patch

LES ANTENNES PLANAIRES

Pastille métallique à la surface d’un substrat diélectrique dont la face inférieure est métallisée.

Rayonnement directif

Mode fondamental l/2

slide9

LES ANTENNES PLANAIRES

Principe de fonctionnement :

cavité à fuites

slide10

LES ANTENNES PLANAIRES

Systèmes d’alimentations :

Système classique : sonde coaxiale

Placement en fonction de l’impédance et des modes désirés

slide11

LES ANTENNES PLANAIRES

Alimentation par ligne microruban :

Impédance élevée

Ajout d’un effet selfique

slide12

LES ANTENNES PLANAIRES

Alimentation par proximité

par ligne à fente

par ligne coplanaire

par ligne microruban en sandwich

couplage par fente

slide13

REDUCTION D’ENCOMBREMENT

Antenne chargée :

Ajout de self ou capacité

Modification de la géométrie :

On rallonge le trajet de l’onde au sein d’un même volume

(modifie la polarisation)

slide14

UTILISATION DE COURT-CIRCUITS

Antenne quart d’onde :

Antenne IFA et PIFA :

Effet inductif du court-circuit

slide15

Fil-plaque

C-patch

Patch quart d’onde

P.I.F.A.

ANTENNES PLANAIRES EVOLUEES

slide16

QUELQUES DETAILS SUR L’ANTENNE FIL-PLAQUE

Structure

avec fil de masse

sans fil de masse

slide18

Plan de coupe vertical

Plan de coupe azimutal

QUELQUES DETAILS SUR L’ANTENNE FIL-PLAQUE

Rayonnement

slide19

Plan de masse périphérique

Ruban d’alimentation

fente

Ruban de court-circuit

Substrat diélectrique

L’ANTENNE FIL-PLAQUE COPLANAIRE

Principe

champ E

champ H

Tous les éléments de la fil-plaque transposés dans un seul plan

slide20

L’ANTENNE FIL-PLAQUE COPLANAIRE

Rayonnement

champ E

champ H

slide21

Utilisation de substrats

taille

permittivité

gain

B.P.

z

Ajout de fentes

y

O

x

Ajout de résonances large bande ou

multi-fréquences

Imbrication ou multi-couches

Regroupement de fonctions dans le volume de l’élément le plus basse fréquence nombreux couplages

TECHNIQUES D’OPTIMISATION

Principaux buts : élargissement de bande passante et fonctionnement multi-fréquences

slide22

ANTENNES PLANAIRES EVOLUEES

Antenne double L inversé

Antenne E

Fil-plaques superposées

slide23

ANTENNES PLANAIRES EVOLUEES

Double C-patch

Fil-plaques imbriquées

slide26

ANTENNE A RESONATEUR DIELECTRIQUE

Volume de matériau diélectrique formant une cavité résonante

très fort facteur de qualité

bande passante faible

Rayonnement difficile à maîtriser

slide27

l/4

Fréquence (GHz)

Fréquence (GHz)

L’ANTENNE RUBAN REPLIEE

Plus petit élément résonant possible : résonateur quart d'onde

slide28

Densité surfacique de courant

RAYONNEMENT CONFORMÉ

But : Contrôle du rayonnement par le dimensionnement des trois brins du résonateur pour un diagramme hémisphérique

slide29

h # λ/24 l1 # λ/15 l2 # λ/7

Optimisation FDTD

h # λ/50 l1 # λ/13 l2 # λ/6.5

l

2

gap de

couplage

sonde

coaxiale

l

1

h

l

2

l

1

h

Variation de gain <3 dB  direction

Utilisation d’un plan de masse limité

RAYONNEMENT CONFORMÉ

Pré-étude analytique

slide30

EVOLUTIONS DIVERSES

Structure sans plan de masse

Topologie coplanaire

Nombreuses déclinaisons du même principe possibles selon les applications :

intégration - large bande - multi-fréquences - faible pollution EM

(Brevet international)

Monopôle chargé

Multi-résonateurs

slide31

ALLIGATOR : ALL InteGrAted meteRing

Conception d'un module radio compact à haut niveau d'intégration et faible coût

PREMIERE APPLICATION

Projet européen

Projet européen EURIMUS ayant pour but le développement d'un système de relevé à distance des compteurs d'énergie

Rôle de l'IRCOM : étude des antennes intégrées

avec minimisation des effets CEM

slide32

Boîtier

en ABS

Structure coplanaire :

large bande passante (17%)

gain moyen élevé (-0.7 dB)

PCB FR4

Batteries

Champs induits sur le PCB faibles

Validation par réalisation d’un prototype

connecteur SMA

RESULTATS OBTENUS

Modélisation fine de toutes les composantes métalliques et diélectriques du boîtier

Insensible aux perturbations

slide33

DEUXIEME APPLICATION

LUTECE : Localisation d'Urgence pour TEléphone CEllulaire

But :système de localisation permettant le sauvetage de personnes en détresse à partir de l'émission de leur téléphone portable

slide34

DISPOSITION SOUS L’HELICOPTERE

Antenne émettrice 500 x 500 mm

Antennes réceptrices

800 x 800 mm

slide35

Réception

Émission

5 capteurs de réception à large ouverture

antenne d'émission directive

DISPOSITION SOUS L’HELICOPTERE (2)

slide36

ELEMENT DE BASE COMMUN

Première bande de 150 MHz (16%)

Seconde bande de 1.4 GHz (62%)

slide37

ANTENNE D’ÉMISSION

Antenne d'émission : 4 éléments

disposition délicate (compromis GSM/DCS)

 très bons résultats en adaptation et rayonnement

 rigidité insuffisante

Gmax = 13.5 dB

Gmax = 13.7 dB

slide38

Réseau de quatre éléments

Réseau de cinq éléments

Bon comportement du réseau de cinq éléments conception d'un circuit de distribution

AUGMENTATION DE LA RIGIDITÉ

Nouvel élément de base :

substrat diélectrique

compacité supérieure (84x60)

 rigidité renforcée

 bandes passantes amoindries

slide39

CIRCUIT DE DISTRIBUTION

Circuit bi-bande 1 entrée / 5 sorties en phase avec pondération d’amplitude

Optimisation à l’aide du logiciel circuit HP ADS et Momentum

slide41

But :disposition optimale de 5 capteurs indépendants pour une goniométrie précise

CAPTEURS DE RECEPTION

Utilisation d’un élément de base sur diélectrique

slide42

MISE EN EVIDENCE DES COUPLAGES

Simulations FDTD du couplage entre deux capteurs parallèles à des distances variables

Distance importante nécessaire entre les capteurs pour pouvoir négliger le couplage

slide43

OPTIMISATION DE LA DISPOSITION

 Choix de capteurs proches avec prise en compte des couplages complexes

80 cm

Capteur 2

Capteur 1

Capteur 3

 Étude de l’influence de la taille du plan de masse sur la goniométrie

Capteur 4

 Calculs des diagrammes de rayonnement obtenus avec ou sans présence des autres capteurs

Capteur 5

slide45

EXPERIMENTATIONS

Détection avec une précision du mètre carré en moins de trois minutes.