Etude, conception et réalisation d'une antenne planaire HF en technologie micro ruban

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  • MINI PROJET EN DISPOSITIFS MICRO-ONDES

    ET ANTENNES

    Etude, conception et ralisation

    d'une antenne planaire HF en technologie micro ruban

    Prsent par : Encadr par :

    Badi Mohamed Ali Mme. Aguilli Chiraz

    Ben hssine saif Mme. Attia Meriem

    Chaieb Ghassene

    Anne universitaire : 2014/2015

  • I. Introduction .............................................................................................................. 1

    II. Prsentation de l'antenne patch ................................................................................ 1

    1. Modlisation de l'antenne Patch rectangulaire ..................................................... 1

    2. Influence des paramtres gomtriques ............................................................... 2

    2.1. La largeur ...................................................................................................... 2

    2.2. La longueur ................................................................................................... 2

    3. Calculs des valeurs thoriques ............................................................................. 3

    4. Logiciel de simulation .......................................................................................... 4

    5. Simulation sous ADS ........................................................................................... 4

    6. Simulation avec Momentum ................................................................................ 5

    7. Adaptation de l'antenne ........................................................................................ 7

    7.1. Adaptation quart d'onde ................................................................................ 7

    7.2. Adaptation simple stub ................................................................................. 9

    7.3. Adaptation double stub ............................................................................... 11

    8. Comparaison et Interprtations .......................................................................... 13

    8.1. Diagramme de rayonnement ....................................................................... 13

    8.2. Gain ............................................................................................................. 13

    8.3. Directivit ................................................................................................... 14

    8.4. Comparaison et Interprtations ................................................................... 14

    9. Adaptation dimpdance .................................................................................... 15

    10. Conclusion ...................................................................................................... 16

  • 1

    I. Introduction

    Dans le cadre du mini projet en dispositifs micro-ondes et antennes, nous avons eu l'occasion

    d'tudier une antenne planaire qui est constitue dun plan de masse et dun substrat

    dilectrique dont la surface porte un ou plusieurs lments mtalliss appels Patch. Ces

    Patchs peuvent prendre des formes diffrentes: carr, rectangulaire, disque. Llment

    rayonnant utilis dans notre tude, est celui de forme rectangulaire, ses dimensions sont la

    longueur L et la largeur W. Ces dimensions consistent faire une adaptation d'impdance entre

    le Patch est le milieu de rayonnement (l'air). Lalimentation de cet lment seffectue au

    moyen dune ligne micro ruban relie un connecteur (figure I.1).

    Figure I.1 : Antenne Patch en technologie micro ruban

    Le but de cette tude est la construction d'une antenne patch fonctionnant la frquence

    2.4 GHz.

    II. Prsentation de l'antenne patch

    1. Modlisation de l'antenne Patch rectangulaire

    Ce type d'antenne micro ruban sera reprsent par une cavit rsonnante dlimite par des

    murs magntiques sur les cts latraux et des murs lectriques (mtalliques) sur les cts

    suprieurs.

    En posant les quations de propagations avec les conditions aux limites adquates, on peut

    dterminer aisment les frquences de rsonances de lantenne patch rectangulaire :

    h

    L

    W

  • 2

    =

    r(

    )2 + (

    )2

    Avec: Weff = W+ 2DW

    Leff = L + 2DL

    O D L et DW reprsentent respectivement les extensions de longueur et de largeur. Le patch

    est lectriquement tendu d'une valeur L de chaque ct tel que:

    L = 0.412 h [ ( + 0.3) (

    + 0.264)

    ( 0.258) (

    + 0.813)]

    2. Influence des paramtres gomtriques

    2.1. La largeur

    La largeur a un effet mineur sur le rayonnement et les frquences de rsonnances. Elle joue

    aussi un rle important sur l'impdance l'entre et sur la bande passante.

    Pour permettre un bon rendement de l'antenne, il suffit de dfinir:

    =

    2 r

    2

    + 1

    2.2. La longueur

    La longueur permet de dfinir la frquence de rsonance.

    =

    2 2

    =

    2 2

  • 3

    La longueur et la largeur jouent un rle important pour limpdance dentre de lantenne la

    frquence de rsonnance :

    = 90

    1 (

    )

    = 1

    2

    3. Calculs des valeurs thoriques

    Donnes:

    Frquence rsonance: fr = 2.4 GHz

    Constante dilectrique: r = 4.32

    Clrit de la lumire: c = 3.108 1

    Epaisseur: h = 1.52 mm

    Entit Formule Application Numrique

    Largeur du patch

    =

    2r

    2

    + 1

    W = 38.22 mm

    Constante

    dilectrique

    effective

    = + 1

    2

    + 1

    2 [1 +

    10

    ]1/2

    eff = 4.02

    Longueur effective =

    2 0

    Leff = 0.0305

    Longueur du patch L = Leff 2 L

    L = 0.0006536

    L = 29.27 mm

  • 4

    4. Logiciel de simulation

    Le logiciel de simulation utilis pour tracer, simuler et prvoir les

    caractristiques de l'antenne patch est: ADS pour Advanced Design

    System qui et grce son outil Momentum permet de raliser une

    simulation lectromagntique base sur le quadrillage par lments

    finis du patch et prsente les valeurs de gain et directivit ainsi que le

    diagramme de rayonnement en deux et 3 dimensions.

    5. Simulation sous ADS

    Dans la partie prcdente, on a pu calculer les valeurs des diffrents composants de l'antenne,

    il ne nous reste qu' dterminer les paramtres du composant MLIN. Ceci est fait l'aide de la

    commande "LineCalc" et on a WR = 2.66 mm et LR = 27.138 mm. Ainsi on a

    obtenu toutes les valeurs ncessaires pour la construction de l'antenne.

    Figure II.1 : Schma du circuit

    On lance la simulation dans la bande de frquence 1.8GHz-3GHz avec un pas de 0.2MHz,

    On obtient la courbe suivante pour le paramtre S(1,1) en dB.

  • 5

    On remarque que l'antenne rsonne la frquence 2.4 GHZ, donc les valeurs thoriques

    obtenues sont proches des rsultats pratiques. Soit alors la figure de S (1 ,1) en dB :

    Figure II.2 : Simulation sous ADS

    On remarque quon a un maximum du gain notre frquence de rsonnace qui est

    2.4GHz

    6. Simulation avec Momentum

    Pour lancer le mode Momentum on choisit: Layout Generate/update Layout Apply. On

    obtient alors le schma dans la page suivante.

  • 6

    Soit aussi le diagramme de rayonnement :

    Figure II.4 : diagramme de rayonnement

    Le rsultat de la simulation avec Momentum est le suivant:

    Figure II.5 : Simulation avec Momentum

    Figure II.3 : Schma du circuit avec

    Momentum

    Figure II.4 : Antenne en 3D

  • 7

    On remarque que la rsonance est centre la frquence 2,4GHz.

    7. Adaptation de l'antenne

    7.1. Adaptation quart d'onde

    Figure II.11: Modlisation de l'antenne adaptation quart d'onde

    Un tronon de ligne quart donde permet une transformation dimpdance:

    =

    O

    = 90

    1 (

    )

    2

    302

    Donc

    = 361 50 = 122.9

    Une ligne quart-donde ne fonctionne quautour de la frquence correspondante. D'o

    l'utilisation de plusieurs tronons dimpdances progressives.

    Zin Z'c Zc

    =

    4 =

    4

    Zc Z'c

    L=

    4

    2 l0 l0

    Zin

    w'

  • 8

    Calcul de L et w':

    =

    4 =

    4 =

    122

    44.32= 15 mm

    =60

    log(

    8

    +

    2) = 122.9

    8

    +

    2= 134.5

    4.0260 = 89.5

    On obtient alors une quation du second ordre: w' - 130 w' + 36.96 =0 dont les solutions

    sont w'1 = 0.115mm et w'2 = 0mm. La deuxime valeur nulle, on adopte alors la premire.

    Figure II.12 : Adaptation quart d'onde

    Figure II.13 : Adaptation quart d'onde en 3D

    Le rsultat de la simulation est le suivant:

    Figure II.14 :Simulation de l' adaptation quart d'onde

  • 9

    La mesure confirme la frquence de rsonance du patch lmentaire 2.44GHz donc

    l'adaptation de l'antenne n'est pas parfaite.

    Le diagramme de rayonnement de l'adaptation quart d'onde est le suivant:

    Figure II.15 : Diagramme de rayonnement

    Le diagramme de rayonnement est constitu de 3 lobes dont chacun correspondant une

    impdance des 3 trouves prcdemment et de gain 9.6dB.

    7.2. Adaptation simple stub

    Un stub est un tronon de ligne de longueur s que lon branche en drivation sur la ligne

    principale une distance d de la charge.

    Figu