16èmes Journées Nationales Microondes

27-28-29 Mai 2009 Grenoble

16èmes

Journées Nationales Microondes, 27-28-29 Mai 2009 - Grenoble

Détermination du rendement d’antennes UHF multi-accès

dans une cavité de dimensions réduites

Jean-François Pintos1, Sylvain Guivarch

1, Ali Louzir

1,

Christophe Lemoine2, Gwenn Le Fur

2, Philippe Besnier

2 et Ala Sharaiha

2

1Thomson R&D France, Corporate Research, 1, av. Belle Fontaine, BP19, 35576 Cesson-Sévigné - cedex

2Institut d’Electronique et de Télécommunications de Rennes, Université de Rennes 1- 35042 Rennes

Jean-francois.pintos@thomson.net

Résumé

Une nouvelle méthode de détermination du

rendement d’antenne multi-accès dans une cavité de

dimensions réduites et de forme quelconque est

présentée. Nous introduisons une formulation modifiée

de Huynh [1] en tenant compte des pertes de la cavité

qui peuvent être non négligeables à hautes fréquences.

Cette méthode est ensuite appliquée à la mesure du

rendement d’une antenne à multiples accès. Les résultats

obtenus sont cohérents avec des mesures effectuées dans

une Chambre Réverbérante à Brassage de Modes

(CRBM).

1. Introduction

Pour déterminer le rendement d’une antenne,

l’approche la plus classique consiste à mesurer son gain

ainsi que sa directivité dans une chambre anéchoïque. Le

rendement est ensuite obtenu en faisant le quotient de ces

deux paramètres.

Récemment, d’autres méthodes basées sur

l’utilisation de CRBM ont été proposées [2][3]. L’usage

de la CRBM offre l’avantage de ne pas être

particulièrement précautionneux quant au

positionnement de l’antenne sous test (AST). En CRBM,

le rendement total de l’antenne peut être déterminé en

tenant compte aussi des couplages avec les autres

éléments rayonnants [4].

D’autres approches se basent sur l’utilisation de

cavités de type Wheeler Cap sur de très larges bandes

[5]. Pour se faire, la cavité bien connue de Wheeler est

transformée en sphère et l’antenne est placée au centre.

Son rayon est tel, que la paroi métallique de la sphère est

située dans la zone de champ rayonné proche. Le

principe est que les réflexions issues des parois de la

sphère se concentrent sur l’AST de façon synchrone.

Cette méthode permet des mesures rapides avec un post-

traitement relativement simple, basé uniquement sur les

paramètres complexes du coefficient de réflexion de

l’antenne. La nécessité du post traitement est due à

l’apparition des différents modes de résonances, ceci est

d’autant plus important que la densité des modes

augmente avec la fréquence.

Ces deux approches peuvent être vues comme deux

situations extrêmes pour extraire le même paramètre

(rendement), à partir des paramètres S. Récemment, nous

avons introduit le fait que la géométrie de la cavité

n’avait que peu d’incidence sur le résultat obtenu. De

plus, nous avons introduit un paramètre qui tient compte

du rendement intrinsèque de la cavité qui devient non

négligeable pour des fréquences élevées (cf. section 2.).

Une cavité sphérique de type Wheeler Cap est bien

adaptée pour des antennes de petites dimensions. Mais

l’environnement de l’antenne (carte/boitier…) et a

fortiori lorsque qu’il y a plusieurs antennes, peut être

trop encombrant pour pouvoir utiliser une telle cavité.

L’objet de ce papier est de présenter une formulation

en tenant compte d’antennes multi-accès dans une cavité

de dimension réduite non sphérique. Les résultats

obtenus par cette méthode pour une antenne à double

accès sont comparés à des mesures effectuées en CRBM.

2. Modification de la formulation de Huynh

pour une cavité à pertes avec des antennes multi-accès.

La configuration de mesure, suivant Huynh [1], est

basée sur deux mesures séparées du paramètre S11 de

l’AST. Le paramètre S11 en espace libre est noté S11FS

Lorsque l’AST est placée dans la cavité, il est noté S11cav.

Dans le cas idéal, l’AST est positionnée dans une

cavité dont les parois sont placées à une distance

supérieure à λ0/2 de l’AST, permettant à l’antenne de

rayonner librement. L’énergie rayonnée par l’AST est

pour partie consommée par la cavité, pour partie

consommée par les autres antennes, le reste revenant à

l’antenne excitée.

L’ensemble des contributions de toutes les réfections

dans la cavité est intégré à travers la mesure du S11cav.

En tenant compte du rendement de la cavité cavη , la

formulation donnant le rendement de rayonnement

proposée par Huynh [1], pour une antenne mono-accès,

devient :

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[ ]2

11

2

11

2

11

2

11

2

11

21 FScavFScav

FScav

ray

SSS

SS

+−

−=

ηη (1)

En utilisant (1), avec la connaissance du rendement

d’une antenne de référence, il est possible de déterminer

correctement le paramètre cavη .

Dans le cas d’une antenne à accès multiples, le

rendement total totη qui tient également compte de la

désadaptation de l’antenne ainsi que du couplage avec

les autres éléments rayonnants, peut être défini comme :

−= ∑

=

N

n

niraytot Sii

1

21ηη (2)

avec cavη le rendement de la cavité et Sni le couplage

entre l’accès i et l’accès n. Pour une cavité idéale

( cavη =1) et un seul élément rayonnant (N=1), nous

retrouvons la formule de Huynh initiale.

3. Résultats expérimentaux

3.1. Moyens d’essai

La première campagne de mesure a consisté à valider

la formulation (1) dans le cas d’une antenne à un seul

accès, en l’occurrence un dipôle de référence centré

autour de 600 MHz, en comparant les mesures utilisant

la cavité développée par Thomson avec des mesures

effectuées dans la CRBM de l’IETR.

La CRBM (Figure 1. Chambre Réverbérante à

Brassage de Modes de l’IETR de l’IETR est une grande

chambre métallique de 3.7 m x 2.9 m x 8.7 m. La

fréquence la plus basse utilisable est estimée autour de

250 MHz. Le volume de test est assez loin des parois de

la chambre ainsi que du brasseur de mode ; la distance

est au moins à λ/2. Plus de détails sur les mesures du

rendement de rayonnement en CRBM sont fournis en

[6][7]. De manière à estimer l’incertitude du rendement

de rayonnement de l’AST dans un intervalle de +/-15%,

1500 mesures indépendantes des paramètres S ont été

sélectionnées, en utilisant le brassage mécanique et

fréquentiel [7].

Figure 1. Chambre Réverbérante à Brassage de

Modes de l’IETR

La cavité de Thomson (Figure 2) est un

parallélépipède métallique de taille 49.5 cm x 93 cm x

171 cm. Une petite ouverture (30 cm x 40 cm) est prévue

pour accéder à l’intérieur de la cavité. La fréquence de

coupure de la cavité est à 183 MHz et il n’y a pas de

système de brassage installé à l’intérieur de la cavité. Le

brassage est assuré par des mesures à des positions

différentes, dans la cavité (35 pour le dipôle de référence

et 60 pour l’antenne UHF double accès), de quelques

centimètres de séparation. Une moyenne du rendement

total est effectuée à l’aide d’une fenêtre glissante sur 10

MHz de bande.

Figure 2. Cavité parallélépipédique de Thomson

A ces deux moyens d’essai précédents, nous

complétons cette analyse par une mesure en cavité

sphérique. La sphère (Figure 3), de diamètre 30 cm, de

l’IETR est fabriquée dans un bloc aluminium/acier de

type AU4G [7]. Elle se compose de deux demi-coques

parfaitement ajustées pour assurer le blindage de la

cavité. Un câble coaxial assure le placement de l’AST au

centre de la sphère ainsi que sa connexion à l’analyseur

de réseau. Une moyenne du rendement total est effectuée

à l’aide d’une fenêtre glissante sur 10 MHz de bande.

Figure 3. Cavité sphérique de l’IETR

3.2. Antenne UHF mono-accès

Le dipôle de référence est réalisé à l’aide d’un

symétriseur du commerce (ANAREN ref. 3A425) qui est

adapté à 600 MHz avec un rendement total estimé autour

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de 90%. L’encombrement total du dipôle est de l’ordre

de 24 cm.

Figure 4. Comparaison des mesures (CRBM/cavité)

dipôle UHF de référence

Comme montrée en Figure 4, une très bonne

correspondance est obtenue entre les 3 mesures.

Cependant, un petit décalage fréquentiel peut être

observé dû à une modification de la longueur des brins

du dipôle entre les campagnes de mesures en CRBM et

dans la cavité Thomson.

3.3. Antenne UHF double-accès

La formulation du rendement a été ensuite appliquée

au cas d’une antenne UHF à diversité développée pour la

réception portable de la Télévision Numérique Terrestre

[8]. Les Figure 5 et 6 montrent les résultats obtenus pour

les deux accès dans la cavité Thomson, comparés avec

les mesures effectuées en CRBM. Le deuxième accès

étant chargé par 50 ohms.

0

20

40

60

80

100

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Fréquence (GHz)

ren

de

me

nt

tota

l (%

)

Mesure cavité THOMSON

Mesures CRBM IETR

Figure 5. Comparaison des mesures (CRBM/cavité

Thomson) antenne UHF 2 accès, accès 1

0

20

40

60

80

100

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9Fréquence (GHz)

rendem

ent to

tal (

%)

Mesure cavité THOMSON

Mesures CRBM IETR

Figure 6. Comparaison des mesures (CRBM/cavité Thomson) antenne UHF 2 accès, accès 2

Une bonne correspondance des mesures peut être

observée sur les deux brins dans les deux moyens de

mesures compte tenu des incertitudes mentionnées.

4. Conclusion

Une méthode utilisant une cavité de faibles

dimensions et de géométrie quelconque pour la

détermination du rendement d’antennes multi-accès a été

présentée. Les résultats obtenus dans la bande UHF sont

conformes à ceux obtenus de façon plus classiques dans

une CRBM.

De plus, compte tenu, qu’il s’agit d’une

détermination de rendement à partir de mesures issue de

l’AST seule (pas d’utilisation d’antenne de référence), la

précision de mesure devrait être améliorée.

5. Bibliographie

[1] M.-C Huynh, « Wideband compact antenna for

wireless communications applications», Thèse,

Virginia Polytechnic Institute and State University,

2004, disponible sur http://scholar.lib.vt.edu

[2] K. Rosengren, P.-S. Kildal, C. Carlsson et J.

Carlsson, « Characterization of antennas for mobile

and wireless terminals in reverberation chambers :

improved accuracy by platform stirring »,

Microwave Opt. Technol. Lett, Vol 30, pp. 391-397,

Sept. 2001.

[3] P.-S. Kildal, K. Rosengren, J. Byun et J. Lee,

« Definition of effective diversity gain and how to

measure it in a reverberation chamber »,

Microwave Opt. Technol. Lett., Vol 34, pp. 56-59,

Juillet 2004.

[4] A. Diallo, C. Luxey, P. Le Thuc, R. Staraj, G.

Kossiavas, « Enhanced Diversity Antennas for

UMTS handsets », EUCAP conf. 2006,

[5] H. G. Schantz, « Measurement of UWB Antenna

Efficiency », Vehicular Technology Conference,

2001. VTC 2001 Spring. IEEE VTS 53rd

, Vol. 2, pp

1189-1191, 6-9 Mai 2001.

[6] C. Lemoine, « Contribution à l’analyse statistique

des mesures en chambre réverbérante à brassage de

modes », Thèse 2008, IETR Rennes, disponible sur

http://www.ietr.org/spip.php?auteur286&lang=fr

[7] G. Le Fur, C. Lemoine, P. Besnier et A. Sharaiha,

« Performances of UWB Wheeler cap and

reverberation chamber to carry out efficiency

measurements of narrow band antennas », IEEE

Antennas and Wireless Propagation Letters, 2009

[8] P. Minard, J-F. Pintos et A. Louzir, « Compact USB

Stick with Integrated Antenna Diversity for Digital

Terrestrial TV Reception », AP International

symposium, Honolulu, Hawaï, USA, Juin 2007