Etude, conception et réalisation d'une antenne planaire HF en technologie micro ruban
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09-Jan-2017Category
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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
