micro-antenne Agile En Bande Uhf - Rf & Microwave · ©CEA. All rightsreserved Micro-antenne agile...

Micro-antenne agile en bande UHF

C. Delaveaud

CEA-LETI, Minatec Campus, Grenoble

3, 4 & 5 avril 2012Paris Expo - Porte de Versailles

Nouvelles Technologies et techniques de conception pour les antennes RF et Hyperfréquences

© CEA. All rights reserved

Micro-antenne agile en bande UHF – C. Delaveaud – Microwave & RF - 4/04/2012 | 2

Sommaire

Contexte

Problématique de la miniaturisation des antennes

Concept d’antenne miniature

Illustration des effets liés à la miniaturisation

Micro antenne pour aide auditive

Micro antenne agile en fréquence

Conclusions et perspectives



Contexte (1/3)

Internet des objets Plusieurs acronymes autour d’une même idée

IdO

WdO : Web des Objets

M2M : Machine To Machine

Milliards de capteurs connectés à internet avec quelques octets

d’information à transférer chaque jour

Agrégation de tous les objets sur un protocole standard

Connexion du monde virtuel au monde réel

Capteurs, actionneurs

Horizon 2030 : "10 000 milliards d’objets "s’exprimeront" par

l’intermédiaire des ondes" [Traversat 03]



Equiper les objets de micro transmetteurs radiofréquences

Bande UHF

Propriété de propagation,

Consommation, rendement énergétique,

Faible cout.

Problématique de la miniaturisation des antennes

Performances liées à la taille électrique

Intégration

Objets compacts

Réseaux de capteurs

Applications médicales : outils de santé

30 % des dispositifs en 2014

Contexte (2/3)

Fréquence (GHz) 0.1 1 10 30 60 90

Long. d’onde (mm) 3000 300 30 10 5 3.3

Antenna On ChipAntenna In package

???



Contexte (3/3)

Dispositifs en bande ISM 2,4 GHz Zigbee, RF4CE

Multiples solutions d’antennes commerciales

Antenne "puce"

Positionnement / objectifs

F = 2,4 GHz

λ0 = 125 mm

Dimensions max objet 5 x 5 x 3 mm3

Guide d’utilisation de l’antenne

Plan de masse

Position sur le circuit imprimé

Zone d’exclusion (D = 2 mm)

Circuit d’adaptation d’impédance

Empreinte

Rufa 2.4 GHz SMD (Antenova)

?

Antenne sur circuit imprimé

Circuit de tests

λ0/25

λ0/10

λ0/2,5



Miniaturisation des antennes (1/2)

Limites physiques Antenne électriquement petite [Wheeler, 47]

Paramètres caractéristiques : facteur de qualité (Q) / bande passante (Δf/f)

Efficacité de rayonnement (η)

Directivité (D) / gain (G)

Compromis: taille, bande passante (facteur de qualité), efficacité

πλ≤

2r

>>

πλ<< 1,

2Qr( )3.. rk

f

f ≈∆ η

0.1

1

10

100

1000

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

1000

100

10

1

0.10 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

η = 100%η = 50%η = 20%

η = 10%η = 5%

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

η = 100%

η = 50%

η = 20%η = 10%

η = 5%

r/λ

Q(r

ayon

nem

ent)

0 0.1 0.2 0.3r/λ

10

0

-10

-20

-30

λ : longueur d’onde

radiansphère

antenne

dr

( )311

minminrkrk

QQ TMTE +==

r : rayon de la sphère minimalek : nombre d’onde

λπ2=k

[ ]rkrkG norm .2).()( 2 +η=∞

η : efficacité de rayonnement

Gai

n no

rmal

max

imum

(dB

i)

[Chu 48, Collin & Rothschild 64, Fante 69, Hansen 81, Mc Lean 96] [Harrington 60]

( )ant

me

P

WWQ

,max2 0ω=

Qf

f 1=∆

Pant : puissance acceptée We : énergie électrique moyenne stockéeWe : énergie magnétique moyenne stockée



Miniaturisation des antennes (2/2)

Elément rayonnant

Antennes chargées localement Composants discrets

Court-circuit

Géométrie (ligne, fente, entaille, toit)

Antennes à charges réparties Substrats diélectriques haute permittivité

Substrats magnéto-diélectriques (méta-matériaux)

Géométrie Repliement

Formes fractales

Formes arbitraires

antenne monopole sphérique chargée repliée [Best, 2004]

Antenne monopole sur plan de masse replié incorporant une fente [Cabredo-Fabres, 2006]

Contexte

Circuit d’adaptation d’impédance Inductance, capacité

Plan de masse Image électrique

Finitude

Structuration

Environnement proche

Antenne imprimée sur substrat céramique structuré[Mosallaei, 2004]

Monopole replié court-circuité chargé par une

capacité [King, 60]

Techniques de miniaturisation



Etat de l’art des micro-antennes UHF (1/2)

Avec plan de masse Large offre commerciale, notamment à 2,4 GHz

Antenne "puce"

Monopole replié chargé par un substrat*

Plan de masse 100x44mm²

*Hsien-Wen Liu; Ting-Ying Chen; Chang-Fa Yang; Shun-Tian Lin; Sheng-Shiue Tasi; Chen-Wei Chiu; Chuan-Ling Hu; , "A miniature chip antenna without empty space on PCB for 2.4GHz ISM band applications," Antennas and Propagation Society International Symposium, 2008. AP-S 2008. IEEE , vol., no., pp.1-4, 5-11 July 2008



Sans plan de masse Peu d’exemple disponible dans la littérature

Antenne cavité avec fente, en bande ISM

Gain maximal estimé dans le plan (xOy) et (yOz):

-31,8dBi et -27,8dBi

Synthèse

Etat de l’art des micro-antennes UHF (2/2)



Concept d’antenne miniature (1/2)

Approche de conception Résonances électromagnétiques

Conditions aux limites

Distribution des champs E,H selon des modes de résonance

Variation spatiale

Résonances électriques, magnétiques

Uniformité de la répartition spatiale des champs E, H

Approximation quasi-statique

Modélisation circuit

patchsubstrat diélectrique

plan de masse

murs électriques

murs magnétiques

W

h

L

εr

Z

y

x

Antenne imprimée sur substrat diélectrique sur son mode fondamental TM 1000 [Bahl, 1980]



Concept d’antenne miniature (2/2/)

Combinaison de techniques Surfaces métalliques //

Capacité

Fil de court-circuit

Inductance

Chargement répartie : substrat diélectrique

Modification capacité / inductance équivalente

Fente non débouchante dans le toit de l’antenne

Modification de la capacité équivalente

Modélisation Circuit électrique simulant impédance

Formules analytiques

Plan de Masse

h

Lm

Wm

W

Sonde d’alimentation

ToitFente

Court circuit

Substrat

L

Monopole miniature

S. Sufyar; C. Delaveaud; "A miniaturization technique of a compact omnidirectional antenna",

Radioengineering, December 2009, Volume 18, Number 4, part I, pp 373-380 Circuit équivalent

W,L, H <<λ0



Effets liés à la miniaturisation (1/4)

Effet longueur de fente Chargement capacitif

Réduction fréquence de résonance

Diminution amplitude de la résonance

0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.80

100

200

300

400

500

600- Mesure -- Simulation

Fréquence (GHz)

Re(

Z)

( Ω)

Sans fenteL=20mm

L=90mm

L=70mm

L=50mm

L=40mm

l=28mm

w=28mm

SondeSubstrat FR4

Fente

h = 4 mm

Fil de masse

Plan de masse

Air

Toit

0 20 40 60 80 1000.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

Longueur de la fente (mm)

Fré

quen

ce d

e ré

sona

nce

(GH

z)

MesureSimulation

Fente

droite

Fente

pliée

1 fois

Fente pliée

2 fois

Comparaison des parties réelles d’impédance Evolution de la fréquence de résonance avec la longueur de la fente

Monopole miniature sur plan de masse en λ0sf/2



Effet longueur de fente Diagrammes de gain intrinsèque

Rayonnement dipolaire

Diminution du gain avec miniaturisation

Stabilité du niveau de polarisation croisée

-30 -20 -100+90°

+60°

+30°0°

-30°

-60°

-90°

-120°

-150°+180°

+150°

+120°

dBi -30 -20 -100+90°

+60°

+30°0°

-30°

-60°

-90°

-120°

-150°+180°

+150°

+120°

dBi

-25 -15 -5 5+90°

+60°

+30°0°

-30°

-60°

-90°

-120°

-150°+180°

+150°

+120°

dBi -25 -15 -5 5+90°

+60°

+30°0°

-30°

-60°

-90°

-120°

-150°+180°

+150°

+120°

dBi

Simulation Mesure

(xOy)(xOz)

fr=1,61GHz pour le cas sans fente

fr=1,54Ghz pour Lf=20mm

fr=1,2GHz pour Lf=50mm

fr=1,1GHz pour Lf=70mm

fr=1GHz pour Lf=90mm

Polarisation Principale

Polarisation Croisée

(xOy)(xOz)




Performances de l’antenne Efficacité de rayonnement, mesurée

selon Huynh*

Efficacité diminue avec miniaturisation

)SSS2-1)(S-S(η2

FS11

2

WC11

2

FS11

2

FS11

2

WC11ray +=

0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.820

30

40

50

60

70

80

90

Fréquence de résonance fr (GHz)

Eff

icac

ité r

ayon

née

η(%

)

SimulationMesure

Facteur de Qualité

Selon Yaghjian et Best*:

Augmentation de Q Réduction de la bande passante

0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.840

60

80

100

120

140

160

180

200

Fréquence de résonance fr (GHz)

Qz

SimulationMesure

)()(2 0

'0

00

0 ωω

ωZ

RQz =

*A. D. Yaghjian, R. Best, "Impedance, Bandwidth, and Q of Antennas", IEEE Trans. Antennas and Propagation, vol. 53, n°4, April 2005, pp.1298-1324.




Positionnement / limites fondamentales Facteur de qualité

Comparaison avec limites fondamentales de Chu

Volume équivalent à considérer ? Taille électrique de l’antenne ?

Plan de masse

Considérations géométriques

Caractéristiques de fonctionnement

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.810

-1

100

101

102

103

Taille électrique (ka)

Fac

teur

de

Qua

lité

QHFSS

(sp1)

Qz(sp1)

QHFSS

(sp2)

Qz(sp2)

Qmin

(η=20%)

Qmin

(η=100%)

Sphère sp1

Plan de masse

Toit

Fil de masseSonde coaxiale

hrmax1

L

Sphère sp2

Plan de masse

Toit Fil de masse

Sonde coaxiale

hrmax2

))ka(

1

ka

1(ηQ 3min +=

Miniaturisation Bande passante étroite

Efficacité réduite


Erayonné



Antenne pour aide auditive intra-oreille Miniaturisation de l’implant

Prototype @ 2,4 GHz

Micro-antenne (1/3)

5mm

5mm

2mm

Structure simulée

Structure réalisée

Court circuit

Capacité CMS

Sonde

d’alimentation

FP7 European project

Capacité discrète sur fente C=0.64 pF

λ0/25 x λ0/25 x λ0/62,5 @ 2,4 GHz : r= λ0/34

SiP

Fente

Aide auditive (version antérieure)



Antenne pour aide auditive intra-oreille Prototype @ 2,4 GHz

Adaptation d’impédance à 50 Ω

Technique de mesure spécifique

Très bon accord mesure/simulation

Bande passante étroite : 2 canaux couverts

Micro-antenne (2/3)

2.35 2.4 2.45 2.5 2.55 2.6-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

Frequency (GHz)

S11

(dB

)

Measured S11

Simulated S11

2.35 2.4 2.45 2.5 2.55 2.60

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Frequency (GHz)

Zin

(ΩΩ ΩΩ

)

Measured Re(Z

in)

Simulated Re(Zin

)

Measured Im(Zin

)

Simulated Im(Zin

)

Coefficient de réflexion Impédance



-30 -20 -10 0

30

-150

60

-120

90-90

120

-60

150

-30

180

0

co-polarizationcross-polarization

-30 -20 -10 0

30

-150

60

-120

90-90

120

-60

150

-30

180

0

co-polarizationcross-polarization

rayonnement omnidirectionnel

Gain maximum = -18.5 dBi

Inclinaison du zéro de rayonnement (fente)

Polarisation linéaire

Micro-antenne (3/3) Antenne pour aide auditive intra-oreille

Propriétés de rayonnement (simulation) – antenne seule

3D

Plans de coupe



Micro-antenne Bande étroite (1 canal du standard de communication)

Sensibilité au contexte (décalage en fréquence)

Antenne reconfigurable en fréquence Charge active

Diode Varicap capacité variable.

Toit de l’antenne capacitif

placement optimisé sur la fente

Miniaturisation + agilité grâce au changement de valeur

de la capacité

Micro-antenne agile (1/2)

Schéma équivalent de la diode Varicap



2.35 2.4 2.45 2.5

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Frequency (GHz)

|S11

| (dB

)

2.35 2.4 2.45 2.50

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

Tot

al e

ffici

ency

(x1

00)

(%)

C=0.63pFC=0.64pFC=0.65pFC=0.66pFC=0.67pFC=0.68pFC=0.69pFC=0.7pFC=0.71pFC=0.72pFC=0.73pFC=0.74pF

5mm

5mm

2mm

Diode varactor

| 20

Micro-antenne agile (2/2)Capacité de découplage

Implémentation diode Varicap Commande en tension sur ligne RF

Complexité structurelle limitée

Bande ISM 2,4 entièrement couverte (8 états)

Conservation de l’adaptation d’impédance

Efficacité totale > 1% (conforme aux limites fondamentales)

Illustration de la commande en tension



Conclusions et Perspectives Micro-antenne en bande UHF

Combinaison de solutions (chargement localisé, répartie, fente, court-circuit)

Antenne ultra-compacte, sans plan de masse

Performances limitées, en accord avec les limites fondamentales

Micro-antenne agile en fréquence

Elargissement "artificiel" de bande passante (systèmes de communication compatibles)

Réglage "fin" d’antenne

Micro-système

Asservissement avec système de communication / commande

Systèmes de communication adaptés (débits, forme d’onde, sensibilité récepteurs)

Micro-antenne en bande UHF

Combinaison de solutions (chargement localisé, répartie, fente, court-circuit)

Antenne ultra-compacte, sans plan de masse

Performances limitées, en accord avec les limites fondamentales

Micro-antenne agile en fréquence

Elargissement "artificiel" de bande passante (systèmes de communication compatibles)

Réglage "fin" d’antenne

Micro-système

Asservissement avec système de communication / commande

Systèmes de communication adaptés (débits, forme d’onde, sensibilité récepteurs)

Améliorer les performances

Structures optimales

Nouveaux matériaux / Nouveaux composants commandables

Vers une co-intégration micro technologique

Antenne et circuits actifs intégrés dans un même process (Antenne in Package)

Techniques de caractérisation expérimentale des micro-antennes

Améliorer les performances

Structures optimales

Nouveaux matériaux / Nouveaux composants commandables

Vers une co-intégration micro technologique

Antenne et circuits actifs intégrés dans un même process (Antenne in Package)

Techniques de caractérisation expérimentale des micro-antennes



Remerciements

Sarah Sufyar, Laure Huitema, Béranger Ouattara, Raffaele D’Errico,Robert Staraj (LEAT, Nice)

Merci de votre

attention

micro-antenne Agile En Bande Uhf - Rf & Microwave · ©CEA. All rightsreserved Micro-antenne agile...

Documents

Transcript of micro-antenne Agile En Bande Uhf - Rf & Microwave · ©CEA. All rightsreserved Micro-antenne agile...