Université Antonine Faculté des Ingénieurs en Télécommunications, Informatique, Réseaux et Multimédias.
Rapport MDR Discipline : Hyperfréquences
Conception d’une Antenne Patch ou Réseau d’antennes A gain fort et haute Directivité pour Applications WiFi 2.45 GHZ Etudiants :
Rabih SLIM & Khalil HAYDAR
Responsable : Dr. Richard CHBEIR Encadrant:
Dr. Mohammad El ZOGHBI 1
INDEX INTRODUCTION………………………………………………………………...3 I.
La Technologie Micro-ruban actuellement ……………………..……..……4 1. Avantages ...…………………………………………………….….……4 2. Limitations….………………………………………………………..…..4
II.
Etude Théorique des Antennes Patchs…....………………….....…….…….5 1. Choix du substrat …………………………………………..…………...5 2. Choix des dimensions de l’antenne…………………………..…………5 3. Ligne coaxiale et adaptation …………………………………..………..7 4. Diagramme de rayonnement …………………………………..…....…..8 5. Puissance de réception de l’antenne ……………………………...……..9
III.
Etude Pratique : Application patch pour un réseau Wifi à 2.45 GHZ……..11 1. La Problématique ……………………………………………….….….11 2. Description de la plateforme du travail, Le logiciel HFSS….......…......11 3. Description des modules à réaliser …………………………….........…13 4. Démarche du travail………………………………………………..…..14 1.Conception géométrique……………………………………..…….....14 2.Définition des frontières ……………………………………..….…...17 3.Alimentation de la structure ……………………………….…..…….18
IV.
Simulation et traitement des résultats (1 Patch) ………………………......19 1. Variation du paramètre S pour 1 Patch ……………………………..…20 2. Diagrammes de rayonnement d’un Patch ………………………...…..23 • Diagramme de rayonnement 2D …………………...…..25 • Diagramme de rayonnement 3D …………………...…..26
V.
Modélisation 4 Patchs (2*2) pour des applications Wifi à gain fort……..28 1. Modélisation géométrique pour (2*2)……………………….…….....29 2. Simulation et traitement pour le paramètre (S) …………….……...…29 3. Diagrammes de rayonnement ……………………………….….....…30
VI.
Conclusion et perspectives………………………………...…………….32
VII. Références Bibliographiques et Webographiques …………… ….....32
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INTRODUCTION A l’évolution du domaine des télécommunications, les communications filaires sont remplacées par des réseaux sans fil, pour plus de mobilité et pour des applications à haut débit. En plus l’enjeu est devenu de proposer des structures d’antennes micro-ruban permettant de remplacer l’ancienne génération des antennes ayant des grandes dimensions par une nouvelle génération a taille assez minimale permettant de les embarquer dans des espaces plus restreintes, tout en conservant leurs caractéristiques électromagnétiques. Durant les années passées les communications sans fil ont été destinées particulièrement pour les applications militaires, ainsi que pour les transportations maritimes, et le principal outil de communication pour les citoyens était la téléphonie fixe inventée par Almond STROWGER en 1891, en 1971 la compagnie Bell Téléphone aux états unis fait apparaitre la notion de cellule dans le réseau mais la première mise en place a eu lieu a Chicago en 1978 sur le système ‘’Advanced Mobile Phone Service’’, ceci a déclenché une nouvelle révolution des communications sans fils sur les communications traditionnelles dépendant principalement sur les lignes bifilaires et coaxiaux. Le but essentiel dans notre projet est d’essayer de concevoir une antenne patch ou réseau d’antennes prenant l’avantage des circuits imprimés pour aboutir à un rapport de transfert >= -15 dB, et en plus ayant un gain acceptable pour l’application de WiFi et ainsi rayonnant à 2.45 GHZ. Davantage l’exigence du besoin de ce type d’antennes étant le faible cout de production et l’occupation minimale d’espace.
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I.
La Technologie Micro-ruban actuellement :
Les antennes micro-ruban et particulièrement les patchs qui ont été inventés durant les années cinquante, présentent l’avantage d’être facilement intégrées dans les surfaces planes, en plus ils présentent une rigidité, faible cout de production et une bonne performance en termes de résonnance, mais cependant ils présentent quelques inconvénients comme une bande passante étroite et faible polarisation [1], en bref les avantages et les limitations du patch connus depuis longtemps sont :
I.1 Avantages : •
Faible poids, et encombrement minimal.
•
Faible coût de production, et possibilité de production en masse.
•
Polarisation linéaire et circulaire.
•
Multi-polarisation possible.
•
Compatibilité avec les circuits MMIC (Microwave Monolithic Integrated Circuits).
•
Réseau d’alimentation et d’adaptation fabriqués simultanément avec l’antenne.
I.2 Limitations : • Bande étroite à cause des limitations physiques et géométriques et un faible gain arrivant jusqu’à 5 à 6 dB au maximum.
• Rayonnement dans le demi-plan. • Puissance maximale de rayonnement est de 100W, alors une plus grande puissance d’alimentation provoque l’éclatement de l’antenne et de ses connexions.
• Pertes de radiation impliquées par les ondes de surface [2]. Quelques diverses applications de la technologie micro-ruban sont : applications mobiles comme le Wifi, application dans le domaine aéronautique comme plaquage d’une antenne au fond d’un avion pour se communiquer avec une station de sol…
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II. Etude Théorique des Antennes Patchs : II.1- Choix du Substrat : Le choix du substrat prend en considération la valeur de la permittivité, en revanche cette valeur possède un grand impact sur la performance de la structure micro-ruban, en faite pour les applications des filtres qui ont pour rôle essentiel de conserver le flux électromagnétique à l’intérieur et d’essayer de le transporter intégralement à la 2ème extrémité avec filtrage de fréquence on utilise une permittivité élevée celle-ci lutte contre le rayonnement vers l’extérieur, par contre pour la conception des antennes on choisie une permittivité à grandeur minime, parce que celle-ci favorise la radiation de la densité du flux magnétique vers l’extérieur du substrat ce qui est exigé par une antenne. Pour ce qui concerne l’épaisseur du substrat, une grande épaisseur augmente la radiation de l’antenne, élimine les pertes par échauffement et en plus améliore la bande passante [3]. Souvent on utilise la permittivité effective pour le calcul des valeurs d’une antenne et pour le patch particulièrement on utilise cette formule :
II.2- Choix des dimensions de l’antenne : Pour une antenne patch unitaire, on va calculer les dimensions requises pour que le patch résonne sur la fréquence désirée avec un gain d’émission ou valeur du paramètre S(1,1) > -15 dB notons que la taille de l’antenne joue un rôle primordial dans la sélection de la fréquence du travail ce qui est illustré dans les formules suivantes.
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W: largeur du patch
L : longueur du patch Er : permittivité du diélectrique
Fr : fréquence de résonnance Δl: extension du champ.
[3.5-7] En observant les formules citées au-delà on remarque que les dimensions de l’antenne possèdent un impact directe sur la fréquence de
de l’antenne, en faite la fréquence de résonnance de
l’antenne est inversement proportionnelle à ses dimensions, donc pour des très hautes fréquences de travail la taille de l’antenne sera remarquablement réduite d’autant que sa largeur et sa longueur diminuent, par contre pour des fréquences plus faible la taille relative de l’antenne sera plus grande. Pour un patch rectangulaire la longueur L joue le rôle le plus important dans la variation de la fréquence et la Bande Passante, mais pour la largeur W du patch elle a un effet mineur sur celles-ci et elle a une plus grande influence sur l’adaptation de l’antenne. On illustre dans la figure ci-dessous (figure I) la répartition des vecteurs de champ dans le substrat et l’espace du vide l’entourant.
Figure I - [3.2]
Pour Δl dans la dernière formule citée auparavant, c’est l’extension du champ magnétique qui se présente comme une perte de flux et sera soustraite de la valeure de L, parcequ’elle ne participe pas dans le rayonnement.
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II.3- La Ligne Coaxiale et Adaptation : Pour les caractéristiques du coaxiale, le rayon de la sonde et du cylindre extérieure de masse ‘’Mesh’’ doivent respecter une adaptation de 50 Ohms, parce-que toute la structure doit être adaptée à cette fréquence , il est très important de bien choisir les dimensions des support d’alimentation pour les antennes afin de réduire les pertes d’échauffement à effet joule qui peuvent survenir et introduire des signaux de bruit, et par la suite déformer la bande passante et atténuer le gain de l’antenne sur la fréquence désirée. Ensuite on remarque bien que le gain du bruit introduit devient d’autant important lorsque la fréquence devienne plus grande, donc pour des ondes décamétriques le bruit est plus faible que pour les ondes UHF (Hyperfréquence) présentant un gain de bruit plus élevé et plus sérieux. La puissance engendrée par le bruit dans le récepteur est appelée puissance de bruit et elle est donnée par la formule [5] [6] :
Avec
la bande passante, K la constante de PLANCK et Tn la température induisant le bruit
en kelvin. Pour l’impédance d’entrée de l’antenne et comme on a déjà cité auparavant, le terme ayant la plus grande influence sur ce paramètre est la largeur du patch W. Ceci est illustré dans la formule suivante [3 p.5]:
Par contre L du patch affecte la Bande passante par cette formule :
On voit bien que l’impédance d’entrée est inversement proportionnelle au carré de la largeur de l’antenne, mais la bande passante est inversement proportionnelle à sa longueur.
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II.4- Diagramme de Rayonnement : L’antenne patch possède ce qu’on appelle une directivité, qui est la tendance de rayonner dans une direction avec une puissance plus grande et une portée supérieure pour le flux d’énergie magnétique par rapport au flux rayonné dans les autres directions, alors ce rayonnement maximal dans une direction bien définie s’accrue aux détriments de la densité de flux de puissance dans les autres directions ce qu’on l’appelle directivité. Cette caractéristique donne au rayonnement une forme géométrique bien définie, pouvant suivre l’incurvation du fuselage d’un avion. L’angle d’ouverture de rayonnement dans le plan horizontal est à peu près 65 degré [7]&[8]. Pour le rayonnement du patch on illustre son diagramme dans le plan horizontal.
Figure II- [8]
Pour le diagramme de rayonnement on va un peu expliquer sa forme, en faite ce diagramme se divise en deux parties essentielles : o la lobe principale c’est celle qui est la plus volumineuse et elle présente la forme de l’onde dans la direction du maximum de rayonnement, et nous informe du degré de la directivité de l’antenne, cette dernière est calculée par rapport à une antenne isotrope rayonnant dans les même conditions de l’antenne directive, alors le rapport de directivité est le nombre de fois qu’une antenne directive dépasse l’antenne isotrope.
o Les lobes secondaires, qui présentent la plupart de fois la partie perdue du rayonnent, alors pour exploiter au maximum la puissance de l’antenne dans la direction désirée 8
on doit agrandir la lobe principale aux détriments des lobes secondaires pour subsidier les pertes [9].
Lobe Principale
Lobes secondaires
Figure III - [10]
Pour une notation finale concernant particulièrement une antenne patch on remarque bien que le diagramme de rayonnement tend à avoir une forme circulaire dans le plan horizontal et même dans le plan vertical, donc la tracé en 3 dimensions présente un rayonnement sphérique si on n’altère pas la radiation et le gain en intégrant plusieurs antennes au lieu d’un seul dans une structure, le gain en dB de directivité arrive jusqu’à 3 dB à peu près. Le gain total pourra arriver jusqu’à 8-9 dB [8]. Pour calculer le gain on pourra s’aider de l’équation suivante : [11]
Pour aboutir à un gain élevé, on doit embarquer un réseau d’antennes imprimés au lieu d’un seul, ceux-ci seront adaptés par une ou des lignes intermédiaires pour augmenter le gain, sans altérer la fréquence de rayonnement de la structure [14].
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II.5- Puissance de réception de l’antenne : En examinant l’équation illustrée ci-dessous on remarque bien que la puissance de réception de l’antenne Pr est directement proportionnelle au gain d’émission et de réception, respectivement Ge Gr et certainement de la puissance de l’antenne d’émission Pe, et
inversement
proportionnelle à la fréquence de l’antenne f :
[12]
D’autant le R dans le dénominateur définit la distance, à partir du centre de la zone de Fresnel, qui est la zone dans laquelle se situe 80% de la densité du flux rayonnée et dont l’axe de directivité de l’émetteur traverse le centre. Davantage un important facteur affecte la puissance reçue et qui est la surface de l’antenne réceptrice qui parait clairement dans la formule suivante : [13]
Ici d est la distance entre l’émetteur et le récepteur, Sr qui est la surface de réception est directement proportionnelle à la puissance reçue ce qui montre que la puissance reçue est d’autant grande que la surface effective de l’antenne récepteur est large.
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III. Etude Pratique : Application Patch pour un réseau Wifi à 2.45 GHZ : III.1- La Problématique : Ici la problématique à laquelle on va répondre dans ce projet, est l’application de la technologie micro-ruban pour les communications sans fil pour un réseau local (LAN), alors l’antenne va assurer la mobilité aux clients, tout en garantissant une liaison sans coupure avec le point d’accès (Access Point), pour ce fait la structure qu’on va simuler doit avoir paramètre S ou rapport de transfert > |-15| dB avec :
C’est dans le but de maximiser l’énergie transmise de l’entrée vers la sortie, et en revanche éliminer le taux de réflexion à partir de l’extrémité d’entrée de l’alimentation dans l’antenne par le feeder. D’autre part on va essayer d’améliorer le gain de directivité et le gain total, pour surmonter les problèmes de mobilité comme l’atténuation et l’absorption à cause des obstacles. Dans le but d’étudier les divers paramètres de l’antenne on va utiliser un simulateur qui est le H.F.S.S (High Frequency Structure Simulator) pour observer la variation des différents paramètres de la structure mise en jeu et les résultats engendrés par ces paramètres, comme la chute du rapport de transfert S, et la variation du gain de directivité par la configuration du champ lointain dans le logiciel, et ce dernier nous permet ainsi de calculer les valeurs de gain, et de tracer le diagramme de rayonnement bidimensionnel et le diagramme polaire 3D, pour voir la forme géométrique du rayonnement dans l’espace.
III.2- Description de la plateforme du travail, logiciel HFSS : L’HFSS est un logiciel ayant pour but de calculer les différents paramètres électromagnétiques des structures micro-ruban, et des circuits hybrides MMIC (Microwave Monolithic Integrated Circuit), en utilisant les équations de Maxwell, le HFSS divise les structures géométriques complexes en des formes géométriques plus simple, précisément des tétraèdres sur lesquels le calcul mathématique sera plus faisable, d’où on commence à parler de la convergence qui est la 11
persistance des résultats obtenus. Le logiciel présenté ici utilise la méthode des éléments finis, (MEF) pour avoir une approximation satisfaisante du cas réel, ceci est présenté dans les figures IV et V [16].
Variation sur les coins
Variation sur les faces
Calcul d’interpolation Figure IV - [16]
Figure V - [16]
le processus illustré dans la figure V, présente ce qu’on appelle le maillage, et celle-ci est la méthode utilisée par notre logiciel pour le découpage géométrique, en tétraèdres. D’autant qu’on a des avantages, des inconvénients se présentent pour ce logiciel, et qui résident dans les points suivants : •
Complexité de travail et de création des structures ayant des larges détails de conception.
•
La nécessité d’avoir maitriser l’utilisation du logiciel, avant d’aborder le projet, parce que on est obligé de se servir des opérations booléennes parfois, pour dessiner des surfaces ou 12
formes n’ayant pas une forme géométrique bien définie. En plus on doit faire attention aux frontières (Boundaries), il ne faut pas avoir des conflits entre une surface de radiation par exemple et une surface conductrice. •
La simulation pourra prendre une durée de plusieurs heures jusqu’aux plusieurs jours parfois, surtout si le projet à simuler est d’un volume relativement grand, et présente beaucoup de détails.
III.3- Description des modules à réaliser : Comme une première approche les dimensions du patch, vont être calculées sur le site emtalk.com/mpacalc.php, celles-ci vont déterminer la fréquence de résonnance. L’alimentation va sera faite à l’intermédiaire d’une ligne coaxiale qui a des avantages devant la ligne microruban d’éliminer les pertes par rayonnement de surface mais l’épaisseur du substrat doit être suffisante pour implanter la sonde [17]. Les extrémités du diélectrique doivent être éloignées de au moins
\2
à partir de l’antenne, alors l’espacement du plan de masse situé au fond du
diélectrique est inclus. Pour le choix de l’épaisseur du substrat, une bonne épaisseur favorise l’extension des champs alors la radiation vers l’extérieur [3], mais cette grandeur ne doit pas occuper une grande espace dans un équipement on va choisir h=9.3mm. pour le choix du type de matériau bien que le RT-DUROID ayant une permittivité de 2.2 est plus performant mais il est plus couteux que le FR4-EPOXY qui va être notre choix car il présente un bon rapport Prix/Qualité et sa permittivité étant 4.4 ce qui est parfait , pour le rayon du cylindre de masse et de la sonde d’alimentation pour le coaxial ils seront affectés respectivement les valeurs, 0.16mm et 0.07mm afin d’avoir une impédance d’entrée de 50 Ohms. L’alimentation du coaxial s’assure par un (Wave Port), simulant une source d’ondes d’excitation.
Définition des frontières (Boundaries) : l’antenne et les plans du coaxial et le plan de masse seront désignés comme des conducteurs, Perfect E qui se traduit par l’affectation d’un champ électrique normal à ses plans simulant un bon conducteur électrique, pour les plans tout autour du substrat et les plans de la boite de l’air au dessus de l’antenne sauf le plan confondu avec la structure rayonnante , ils seront définis comme surface de radiation
Assign Boundary 13
Radiation, pour que le logiciel les traite comme des extrémités de propagation de l’énergie magnétique vers l’extérieur on note que 2 frontières définis d’une manière différente ne doivent pas entrer en collision, ou être confondus.
III.4- Démarche du travail : 1. Conception géométrique :
Figure VI - conception sur HFSS
Pour plus de détails sur la conception de l’antenne dans le logiciel HFSS, premièrement on dessine le substrat qui est de type BOX puis on affecte ses dimensions d’une manière à supporter le patch au milieu avec un espacement des extrémités d’une distance λ/2π théorique, mais dans le projet on a utilisé une distanceλ/2 pour une meilleur extension des champs de l’onde vers les couches de radiation, ensuite le méta-matériau choisi est le FR4-EPOXY, comme on l’a déjà cité il est plus favorable parce qu’il nous donne une équilibre du rapport prix/qualité et alors favorisé pour une production en masse tout en gardant une performance satisfaisante, on le note bien que sa permittivité εr est 4.4 ce qui est une valeur mineure et favorable pour la production des antennes. Draw Box (choix des dimensions) Assign Material FR4 –EPOXY, ensuite 14
on dessine un plan de masse au fond du substrat ayant les même dimensions et ses coordonnées sont (0, 0, 0) pour s’assoir au fond du substrat. Ensuite on dessine un cercle au centre du plan de masse et alors au fond du substrat par Draw Circle ses coordonnées seront respectivement (substrat_x/2, substrat_y/2, 0) pour que ce dernier se réside au centre du plan de masse et au fond du substrat, et sa rayon va décider par conséquent le rayon de la masse du coaxial (Mesh). Ensuite on sélectionne en laissant le clé Ctrl enfoncé, le plan de masse puis le cercle, et on fait : Right-Click edit Boolean Operation Substract, et le rectangle désignant le plan de masse devient perforé d’un trou équivalent au cercle de cavité. Ceci est illustré dans la Figure VII.
Plan de masse
Perforation Figure VII - plan de masse et gravure
Ensuite, on va dessiner le coaxiale et la sonde, pour la masse du coaxial, on doit dessiner un cylindre extérieur par Draw Cylinder , ayant la position x et y les même de ceux de la cavité, ainsi que la sonde va avoir la même position donc ces même valeurs sont assignés, l’intérêt de la gravure est de séparer la masse du coaxiale de la sonde centrale ou (pin), pour isoler les w bornes du conducteur, et permettre une circulation du champ du patch vers la masse, alors le coaxial extérieur touche par ses extrémités le plan de masse et sera séparé par le vide (vaccum) de la sonde qui se projette du centre et pénètre le substrat jusqu’au toucher le patch, on note que le 15
matériau recommandé par l’encadrant du projet pour la sonde est l’Or. Au dessous (Figure VIII) on illustre ce processus.
Patch
Sonde pénétrant, le substrat
Masse du coaxial (Mesh)
Figure VIII - Coaxial et patch
Enfin et puisque la zone de travail du HFSS, est par défaut (OUTER), c.-à-d. elle simule une boite totalement métallique, on doit définir à partir du plan contenant le patch et au-delà une boite de l’air (Airspace), pour que le logiciel comprend que c’est une zone d’espace vide permettant la propagation des ondes, les dimensions du Airspace seront pour la position (0, 0, substrat_z), pour le positionnement juste au dessus du substrat, et ensuite on assigne les même dimensions que le substrat sauf pour l’épaisseur qui doit être au moins λ/2π et il est pr éféré qu’elle sera un peu plus grande . (Figure IX)
Figure IX - espace d'air au dessus
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2. Définition des frontières :
Une étape importante avant de commencer la simulation est la définition des frontières (Boundaries), afin que le logiciel puisse traiter les formes géométriques comme le rectangle du patch comme étant un métal, et les faces de l’espace vide supérieures (Airspace), comme étant des surfaces d’échappement du flux rayonné, alors pour mieux expliquer : o L’Antenne patch, le plan de masse et aussi bien la membrane externe du coaxial (Mesh), doivent être affectés la caractéristique (Perfect E), pour simuler un champ électrique normal sur ces faces les donnant le comportement d’un conducteur parcouru par un courant et sur lesquels les vecteurs du champ E seront repartis perpendiculairement. Pour faire ceci : Right Click Select Faces
Assign Boundary PERFECT E . o Pour les faces tout autour du substrat ainsi toutes les faces de l’espace vide, ils seront affectés la propriété de radiation pour permettre au champ simulé d’échapper vers l’extérieur ceci est en plus avantageux quand on définit la configuration des champs lointains (Far Fields), pour tracer le diagramme de rayonnement de l’antenne (Radiation Pattern), et le diagramme sphérique en 3D pour visualiser la variation de l’intensité du champ, ou gain de directivité par rapport au volume rayonné, on note qu’il ne fallait pas permettre à 2 faces d’avoir des définitions similaires et d’être confondus, ceci introduit une erreur à l’instant de la validation de la structure et bloque la simulation. (Figure X – patch affecté comme PERFECT-E)
Figure X - Patch affecté au Conducteur
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3. Alimentation de la structure : La structure ne pourra pas fonctionner sans définir une alimentation, ici on a alimenté l’antenne par une méthode simulant un guide d’onde appelée (WavePort), pour faire ceci, on dessine au fond du coaxial un cercle ayant le même rayon que la membrane extérieur, et on fait les étapes suivantes : Right Click Assign Excitation Wave Port, un dialogue apparait on sélectionne le centre du dialogue et on choisit (New Line), pour définir l’orientation du vecteur du champ, et on trace ce vecteur de l’extrémité de la sonde jusqu'à l’extrémité de la masse ou membrane coaxiale, et tout ce processus prend lieu sur le cercle définit comme (WavePort), la figure XI cidessous montre le processus.
Figure XI - WavePort
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IV. Simulations et Traitement des Résultats (1 patch): La simulation est le processus crucial avant n’importe quelle réalisation, car on est besoin d’étudier les performances d’un système pour découvrir les différents problèmes qu’on peut rencontre, et analyser les résultats. La simulation nous permet d’éviter les erreurs durant la production et de tester les structures sur ordinateur avant d’initialiser l’implémentation physique ce qui nous réduit les coûts de production. Davantage grâce à l’observation par ordinateur du comportement de l’antenne étudié on peut étudier les causes des problèmes envisagés et par la suite optimiser la technologie un nombre infinie de fois sans avoir la peine de tester dans le monde réel. Ici on va observer la variation du paramètre (R.O.S) ou coefficient de réflexion pour étudier le rapport de transfert d’énergie entre la source d’alimentation et l’entrée de la structure, ensuite on va étudier le diagramme de rayonnement en 2D et 3D. Au début on choisit l’épaisseur du substrat afin qu’il introduit un espacement de λ/2π entre le patch et le plan de masse, on l’a choisit un peu plus grande et on l’a affecté la valeurλ/2. Pour le coaxial le rayon de la membrane externe et celle de la sonde sont choisis d’une manière à avoir une adaptation à 50 Ohms ces valeurs sont respectivement, 1.6mm et 0.6mm. enfin les dimensions de l’antenne sont calculées par l’intermédiaire du site emtalk.com/mpacalc.php [4], on a remarqué que ces valeurs calculés ne donnent pas des résultats persistants à la fréquence 2.45 GHZ et on était besoins de varier les dimensions afin d’aboutir au résultat désiré. La Figure XII nous montre la simulation reposant sur les valeurs de [4]. Afin de représenter la variation de S dans HFSS, on suit la démarche : HFSS Results Create Modal Solution et le dialogue suivant apparait…
19
Figure XII - simulation- valeurs emtalk
IV.1- Variation du paramètre S pour un patch : en observant la tracé du paramètre S, on remarque que rapport de transfert d’énergie arrive jusqu'à -22.5 dB sur la fréquence 3.4 GHZ, ceci veut dire que l’antenne rayonne sur cette fréquence mais la fréquence d’opération du Wifi est 2.45 GHZ, alors on doit ajuster les dimensions pour parvenir à cette valeur. On sait déjà d’après les formules [3.5-7], et on a déjà cité cette notion que les dimensions sont inversement proportionnelles à la fréquence de l’antenne, et ce phénomène a été plusieurs fois observés durant la simulation, si l’antenne résonne sur une fréquence supérieure à 2.45 on agrandit W et L, ailleurs on les réduit afin finalement de se stabiliser sur 2.45GHZ. Les 2 figures XIII et XIV dans la page suivante vont présenter cette contrainte.
20
XY Plot 1
Ansoft Corporation
HFSSDesign1
0.00
Curve Info
-2.00
Résonnance à 2.35 GHZ S=-17 dB, L du patch=60mm W =22mm
-4.00
dB(S(WavePort1,WavePort1))_1
dB(S(WavePort1,WavePort1))_1 w ifi : Sw eep1
-6.00
-8.00
-10.00
-12.00
-14.00
-16.00
-18.00 1.00
1.20
1.40
1.60
1.80 Freq [GHz]
2.00
2.20
2.40
2.60
Figure XIII XY Plot 1
Ansoft Corporation
HFSSDesign1
0.00
Curve Info dB(S(WavePort1,WavePort1))_1 w ifi : Sw eep1
-2.00
Résonnance à 3 GHZ S=-18 dB, L du patch=45mm W =22mm
dB(S(WavePort1,WavePort1))_1
-4.00
-6.00
-8.00
-10.00
-12.00
-14.00
-16.00
-18.00 1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
Freq [GHz]
Figure XIV
Donc il s’avère que les dimensions de l’antenne ont le grand impact sur la fréquence de travail, bien que l’adaptation reste conservée. Afin d’essayer d’améliorer la valeur de S (Rapport de transfert) on a essayé de déplacer le patch sur le coaxial, ceci a provoqué une perte sous forme d’échauffement ce qui traduit par la courbe suivante Figure XV, comme on remarque cette perte implique un rayonnement sur divers valeurs de Fr hors de la fréquence centrale 2.45 GHZ.
21
Figure XV - après décalage de 6mm % coaxial sur l’axe des y
Par conséquent il fallait pour notre cas garder la position centrale % au coaxial intacte, et on a essayé sur plusieurs issus de changer les dimensions de l’antenne, en se basant sur la théorie mentionnée dans [3], qui stipule que la variation de la longueur L affecte plus la valeur de fr (Fréquence de Résonnance), que la largeur W, les dimensions du substrat sont fixés. Alors que le changement de W a pour but essentiel de réduire les pertes et optimiser S sur la fréquence 2.45. Après des dizaines d’essais on a trouvé que le meilleur rapport de transfert S, achevé est S=|-21 dB| à partir des valeurs suivantes choisis pour les différents paramètres dont ceux qui nous intéresse le plus sont pour la longueur L et la largeur W de l’objet rayonnant respectivement 58 mm et 28 mm. Les détails sont dans la Figure XVI, suivante :
22
Figure XVI - valeurs des paramètres
La courbe résultante de la simulation Figure XVII, se traduit par une forte résonnance sur la fréquence 2.45GHZ, puisque le transfert d’énergie est maximal sur cette valeur de F, en plus les pertes sont acceptables, puisque aucune perte ne prendra lieu avant la fréquence centrale, et une perte de -2 dB se présente sur les fréquences supérieures. Le transfert d’énergie nous indique que le taux de réflexion (R.O.S) arrive jusqu'à -21 dB, alors les pertes sont minimisés et l’adaptation est acceptable.
XY Plot 1
Ansoft Corporation
HFSSDesign1
0.00
-5.00
dB(S(WavePort1,WavePort1))_1
Curve Info dB(S(WavePort1,WavePort1))_1 w ifi : Sw eep1
-10.00
-15.00
-20.00
-25.00 1.50
2.00
2.50 Freq [GHz]
3.00
3.50
Figure XVII - Résonnance a 2.45 GHZ
23
IV.2- les Diagrammes de rayonnement d’un patch: Le diagramme de rayonnement nous permet de voir le gain de directivité d’une antenne et la variation de l’angle d’élévation et l’angle d’azimut. Ceci nous permet d’observer dans quelle direction la densité de flux de puissance se concentre, et l’ouverture de l’angle du rayonnement couvert par l’antenne, ainsi que de savoir la valeur maximale du gain apporté. Afin de tracer le diagramme de rayonnement on doit définir la configuration des champs lointains, qui donne la capacité au programme de calculer la portée des ondes, pour faire ceci on suit la démarche : HFSS Radiation Insert Far Fields Setup Infinite Sphere. On définit l’intervalle angulaire d’étude pour les angles d’élévation et d’Azimut respectivement φ et θ comme le montre la figure XVIII.
Figure XVIII - Configuration des Champs lointains
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• Diagramme de Rayonnement 2D : Pour afficher le diagramme de rayonnement 2D, on suit le parcours suivant : HFSS Results
Create Far Field report Radiation Pattern, un disque hachuré et divisé selon les angles apparait, et au sein on constate deux lobes adjacents qui sont les 2 lobes principaux du rayonnement formant chacune une ouverture de 160 degré, les 2 lobes sont superposés et projettent le flux maximale dans la direction de l’axe à 90,-90 degré du diagramme. On remarque aussi que la courbe de gain s’approche de 0 dans la direction normale à celle du rayonnement principal. (Figure XIV)
Radiation Pattern 1
HFSSDesign1 Curve Info
0 -30
dB(GainTotal) w ifi : LastAdaptive Phi='0deg'
30 -4.00
dB(GainTotal) w ifi : LastAdaptive Phi='10deg'
-18.00 -60
60
dB(GainTotal) w ifi : LastAdaptive Phi='20deg'
-32.00 -46.00
-90
90
dB(GainTotal) w ifi : LastAdaptive Phi='30deg' dB(GainTotal) w ifi : LastAdaptive Phi='40deg'
-120
120
dB(GainTotal) w ifi : LastAdaptive Phi='50deg' dB(GainTotal)
-150
.
150 -180
Figure XIV - Diagramme de rayonnement 2D
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• Diagramme de Rayonnement 3D : Pour le rayonnement en 3 dimensions on aura une vue plus explicite pour la forme du champ se projetant de la structures et la distribution de la valeur du gain sur le volume rayonné. En observant la figure XI , on remarque que le gain maximal de directivité est de 4 dB et il est concentré sur les 2 extrémités opposés d’une part et d’autre de la direction de l’axe des x, on remarque que c’est la même orientation de l’allongement de L du patch, en revanche ce gain commence a subsidier et atténuer aux points de rencontre des 2 lobes et il s’annule presque totalement sur l’axe central z, ce qui est conforme avec le résultat obtenu pour le diagramme bidimensionnel.
Figure XI - 3D polar plot
Pour observer les divers valeurs de gain produits, HFSS Radiation Compute Antenna Max/Param. (figure XII)
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Figure XII
Le gain maximal de directivité est 2.41 dB, et le gain total est 2.612 dB à peu près.
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V.
Modélisation 4 patchs (2*2) pour des applications Wifi à gain fort
Figure XIII - patchs (2*2)
La modélisation de 4 patchs rayonnant à la fréquence 2.45 GHZ au lieu d’un seul est d’une nécessité primordiale dans le but d’agrandir le gain de l’antenne, d’après la formule :
[19] On remarque que le gain d’une antenne croit proportionnellement à sa surface effective, mais d’autre part la variation d’une surface de l’antenne provoque le changement de la fréquence de résonnance de cet antenne, ce qui est un effet non désiré puisque on insiste de garder la fréquence à la valeur 2.45, alors la solution recommandée par Dr. ZOGHBI l’encadrant du projet est de monter plusieurs antennes ayant tous les mêmes dimensions et interconnectées par une ligne intermédiaire. On note que cette structure va occuper une plus grande espace que la précédente on parle de : 15x12 (cm) 28
V.1- Modélisation géométrique pour (2*2) : On adapte la ligne à la fréquence 50 Ohms, jusqu'à l’entrée de chaque patch dont la ligne de connexion terminale doit être adaptée à 100 Ohms (figure XIII), pour la sonde du coaxial elle va comme auparavant pénétrer le substrat, mais ici elle touche la ligne micro-ruban centrale liant les 4 entités. Pour le choix des dimensions, on était obligé de changer les dimensions précédentes du patch précédant malgré que ses dimensions l’ont permis d’opérer à 2.45 GHZ, l’utilisation de ses même valeurs pour la nouvelle constellation (2*2) a échoué de produire les même résultats, alors on a trouvé que les dimensions les plus optimales sont L=33mm W=17.5mm et pour la position de la sonde on l’a décalé de 0.75mm à partir du centre géométrique de la ligne centrale afin d’améliorer bien le rapport de transfert S, on remarque bien alors que le centre géométrique n’est pas nécessairement le centre de distribution de la densité du courant dans la structure, mais une location très proche de ce centre nous garanti un fonctionnement en phase des 4 patchs pour éviter le déphasage entre les 4 sources.
V.2- Simulation et traitement pour le paramètre (S) : Plusieurs essais ont été faits pour aboutir à la meilleur solution, on a remarqué que la largeur des lignes de connexions joue un rôle très important dans l’adaptation des antennes alors, des valeurs erronées pour ces lignes introduit une grande perte, alors on a calculé cette valeur sur le site emtalk.com, Online Micro-strip Line Calculator, et la réponse donnée était 4.33 mm, même la ligne qui doit être adaptée à 100 Ohms à l’entrée de chaque patch a pris une valeur proche de celle-ci. Les dimensions du coaxial ont été prises comme auparavant, et on a changé les valeurs W et L des antennes plusieurs fois jusqu'à adopter les valeurs citées dans le paragraphe précédent et ces valeurs ont abouti à un rapport de transfert d’énergie de S=-40 dB, sur la fréquence 2.4 GHZ qui est très proche de 2.45, ce qui est très favorable, on peut dire en d’autre termes qu’on a pu réduire bien les pertes par effet de réflexion. Le résultat est illustré dans (figure XIV).
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Figure XIV- S=-40dB (2*2 patchs)
Malgré ce bon résultat on peut distinguer quelques distorsions dans la courbe de S, hors de la fréquence centrale, ceci est du aux pertes impliquées par effet joule, parce-que l’adaptation n’est pas parfaite à 100%, ces pertes persistent sur la fréquence 2.1 à 2.2 GHZ et se présentent avec un transfert d’énergie de magnitude |-12dB|.
V.3- Diagrammes de Rayonnement: En théorie l’augmentation de nombre d’antennes fait accroitre leur directivité, ceci a été constaté dans la simulation des champs lointains (Far Field Setup Infinite Sphere), et l’établissement du diagramme de rayonnement (figure XV), nous montre explicitement une croissance surfacique dans un lobe qui est devenu principal au détriment de 2 lobes secondaires situés dans la partie inférieure de la moitié du diagramme. Alors cette structure a amplifié le gain directif, et le gain total dans une direction bien définie. 30
Radiation Pattern 1 0 -30
30
Curve Info
-1.00
dB(GainTotal) Wifi : LastAdaptive cavity_r='1.75mm' Freq='2.45
-7.00 -60
dB(GainTotal) Wifi : LastAdaptive cavity_r='1.75mm' Freq='2.45
60 -13.00
dB(GainTotal) Wifi : LastAdaptive cavity_r='1.75mm' Freq='2.45
-19.00
-90
90
dB(GainTotal) Wifi : LastAdaptive cavity_r='1.75mm' Freq='2.45 dB(GainTotal) Wifi : LastAdaptive cavity_r='1.75mm' Freq='2.45
-120
120
dB(GainTotal) Wifi : LastAdaptive cavity_r='1.75mm' Freq='2.45 dB(GainTotal)
-150
150 -180
Figure XV- Rayonnement 2D (2*2 patchs)
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VI. Conclusion et Perspectives : La technologie Micro-ruban est entrain d’évoluer, ici on a démontré l’effectivité de cette technologie dans l’application Wifi, et on a montré comment réduire les pertes, augmenter le gain aussi bien varier la fréquence pour les microstructures dans la technologie imprimée. Cette technologie est dédiée particulièrement pour les hyperfréquences, afin de réduire l’espace occupée par les éléments rayonnants, aussitôt elle est utilisée pour la conception des filtres, dont le substrat a pour rôle essentiel d’emmagasiner le flux à l’intérieur au lieu de le projeter. On pourra ainsi concevoir des antennes à multicouches et des structures plus complexes, et ce qui est certain est que les possibilités sont sans limite. Une des applications de cette technologie est actuellement en train d’être étudiée dans le domaine militaire, et qui est l’émulation de l’invisibilité en sculptant des antennes ressemblant à un guide d’onde dans la gamme de visibilité et qui permettent l’incurvation de ces ondes lumineuses sur les parois d’un objet sans déviation à l’extrémité ce qui provoque les rayons lumineux de ne pas être réfléchis à l’observateur provoquant ainsi l’invisibilité de l’objet en question.
VII. Références Bibliographiques et Web graphiques : [1] http://membres.multimania.fr/aliouneba/pdf/partie2.pdf [2] M. HASSAD, "MODÉLISATION D'UNE ANTENNE PATCH RÉALISÉE SUR UN SUBSTRAT À TENSEURS DE PERMITTIVITÉ ET DE PERMÉABILITÉ DIAGONAUX", thèse pour l'obtention de la Magistère en électronique, pp. I.8-17, Uni. BATNA, ALGERIE. [3] TP Simulation Hyperfréquence De la ligne microbande à l’antenne patch, DESS en Optoélectronique et Hyperfréquence, pp. 2, Université de Limoges ,Limoges, France. [4] www.emtalk.com/mpaclac.php [5] http://lsiit-miv.u-strasbg.fr/lsiit/perso/collet/Enseignement/SlidesAstroBV.pdf,pp.2 [6] http://f5zv.pagesperso-orange.fr/RADIO/RM/RM04/RM04c02.html
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[7] http://www.orbanmicrowave.com/The_Basics_Of_Patch_Antennas.pdf pp.4-8 [8] http://www.highfrequencyelectronics.com/Archives/Mar09/HFE0309_Tutorial.pdf [9] http://fr.wikipedia.org/wiki/Diagramme_de_rayonnement [10] http://www.xaviervl.com/Antenne/Antenne-Yagi/Pattern-H+R.png [11]http://users.skynet.be/on5hq/articles_pour_site_web/parametres_et_comportement_d_ une_antenne_suite.pdf [12] http://iut-tice.ujf-grenoble.fr/ticeespaces/GTR/tn/monsite/modtn/tp/TextesTP/cycleM1/Antennes/M1_TPcarac_antennes.pdf [13] http://raymond.caniac.perso.neuf.fr/mapage/annexe6/a6_antennes.htm [14] D.BIDOU,"Contribution a l'étude d'antennes a fort gain application dans le domaine millimétrique",pp.25-30, thèse doctorale No:14-2003,Université Limoges, Limoges, France [15] http://perso.numericable.fr/f5kkjmail/ANTENNES%2000.htm#3, interference de 2 ondes radio. [16] www.Ansoft.com, HFSS guide.pdf [17] http://membres.multimania.fr/aliouneba/pdf/partie2.pdf, pp.6-7 [18] K.HADDADI,"Systèmes a base de six-port en gammes micro-ondes et millimétriques et techniques de calibrage associées: Application a l'analyse des réseaux, aux télécommunications et contrôle non destructif", thèse doctorale No:4110, pp. 154, Universite de Lille, France, soutenue le 4 décembre 2007. [19] G.DAHER, "propagation des ondes et antennes", cours, pp.1.2-5,Universite Antonine
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