MINI PROJET EN DISPOSITIFS MICRO-ONDES

ET ANTENNES

Etude, conception et réalisation

d'une antenne planaire HF en technologie micro ruban

Présenté par : Encadré par :

Badi Mohamed Ali Mme. Aguilli Chiraz

Ben hssine saif Mme. Attia Meriem

Chaieb Ghassene

Année universitaire : 2014/2015

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

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

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

2. Influence des paramètres géométriques ............................................................... 2

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

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

3. Calculs des valeurs théoriques ............................................................................. 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 Interprétations .......................................................................... 13

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

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

8.3. Directivité ................................................................................................... 14

8.4. Comparaison et Interprétations ................................................................... 14

9. Adaptation d’impédance .................................................................................... 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'étudier une antenne planaire qui est constituée d’un plan de masse et d’un substrat

diélectrique dont la surface porte un ou plusieurs éléments métallisés appelés «Patch». Ces

Patchs peuvent prendre des formes différentes: carré, rectangulaire, disque. L’élément

rayonnant utilisé dans notre étude, est celui de forme rectangulaire, ses dimensions sont la

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

le « Patch » est le milieu de rayonnement (l'air). L’alimentation de cet élément s’effectue au

moyen d’une ligne micro ruban reliée à un connecteur (figure I.1).

Figure I.1 : Antenne Patch en technologie micro ruban

Le but de cette étude est la construction d'une antenne patch fonctionnant à la fréquence

2.4 GHz.

II. Présentation de l'antenne patch

1. Modélisation de l'antenne Patch rectangulaire

Ce type d'antenne micro ruban sera représenté par une cavité résonnante délimitée par des

murs magnétiques sur les côtés latéraux et des murs électriques (métalliques) sur les côtés

supérieurs.

En posant les équations de propagations avec les conditions aux limites adéquates, on peut

déterminer aisément les fréquences de résonances de l’antenne patch rectangulaire :

h

L

W

2

𝑓𝑚𝑛 =𝑐

√ εr√(

𝑚

𝜋 𝑊𝑒𝑓𝑓)2 + (

𝑛

𝜋 𝐿𝑒𝑓𝑓)2

Avec: Weff = W+ 2DW

Leff = L + 2DL

Où D L et DW représentent respectivement les extensions de longueur et de largeur. Le patch

est électriquement étendu d'une valeur ΔL de chaque côté tel que:

∆L = 0.412 h [ (𝜀𝑒𝑓𝑓 + 0.3) ( 𝑊

ℎ + 0.264)

(𝜀𝑒𝑓𝑓 − 0.258) ( 𝑊ℎ

+ 0.813)]

2. Influence des paramètres géométriques

2.1. La largeur

La largeur a un effet mineur sur le rayonnement et les fréquences de résonnances. Elle joue

aussi un rôle important sur l'impédance à l'entrée et sur la bande passante.

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

𝑊 = 𝑐

2 ∗ 𝑓r √

2

𝜀𝑟 + 1

2.2. La longueur

La longueur permet de définir la fréquence de résonance.

𝐿 = 𝜆𝑑𝑖é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒

2− 2∆𝐿

𝐿 = 𝑐

2 𝑓𝑜 √𝜀𝑒𝑓𝑓 − 2 ∆𝐿

3

La longueur et la largeur jouent un rôle important pour l’impédance d’entrée de l’antenne à la

fréquence de résonnance :

𝑍𝑖𝑛 = 90 𝜀𝑟²

𝜀𝑟 − 1 (

𝐿

𝑊)²

𝛽 = 𝜀𝑟 − 1

𝜀𝑟2 𝑊

𝐿

ℎ

𝑊

3. Calculs des valeurs théoriques

Données:

Fréquence résonance: fr = 2.4 GHz

Constante diélectrique: εr = 4.32

Célérité de la lumière: c = 3.108 𝑚𝑠−1

Epaisseur: h = 1.52 mm

Entité Formule Application Numérique

Largeur du patch

𝑊 = 𝑐

2𝑓r √

2

𝜀𝑟 + 1

W = 38.22 mm

Constante

diélectrique

effective

𝜀𝑒𝑓𝑓 =𝜀𝑟 + 1

2

+ 𝜀𝑟 − 1

2 [1 +

10ℎ

𝑊]−1/2

εeff = 4.02

Longueur effective 𝐿𝑒𝑓𝑓 = 𝑐

2 𝑓0 √𝜀𝑒𝑓𝑓

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 utilisé pour tracer, simuler et prévoir les

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

System qui et grâce à son outil Momentum permet de réaliser une

simulation électromagnétique basée sur le quadrillage par éléments

finis du patch et présente les valeurs de gain et directivité ainsi que le

diagramme de rayonnement en deux et 3 dimensions.

5. Simulation sous ADS

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

il ne nous reste qu'à déterminer les paramètres du composant MLIN. Ceci est fait à 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 nécessaires pour la construction de l'antenne.

Figure II.1 : Schéma du circuit

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

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

5

On remarque que l'antenne résonne à la fréquence 2.4 GHZ, donc les valeurs théoriques

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

Figure II.2 : Simulation sous ADS

On remarque qu’on a un maximum du gain à notre fréquence de résonnace qui est

2.4GHz

6. Simulation avec Momentum

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

obtient alors le schéma dans la page suivante.

6

Soit aussi le diagramme de rayonnement :

Figure II.4 : diagramme de rayonnement

Le résultat de la simulation avec Momentum est le suivant:

Figure II.5 : Simulation avec Momentum

Figure II.3 : Schéma du circuit avec

Momentum

Figure II.4 : Antenne en 3D

7

On remarque que la résonance est centrée à la fréquence 2,4GHz.

7. Adaptation de l'antenne

7.1. Adaptation quart d'onde

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

Un tronçon de ligne quart d’onde permet une transformation d’impédance:

𝑍′𝑐 = √𝑍𝑖𝑛 𝑍𝑐

Où

𝑍𝑖𝑛 = 90 𝜀𝑟²

𝜀𝑟 − 1 (

𝐿

𝑊)

2

≈ 302Ω

Donc

𝑍′𝑐 = √361 ∗ 50 = 122.9 Ω

Une ligne quart-d’onde ne fonctionne qu’autour de la fréquence correspondante. D'où

l'utilisation de plusieurs tronçons d’impédances progressives.

Zin Z'c Zc

𝐿 = 𝜆𝑔

4 =

𝜆

4 √𝜀𝑟

Zc Z'c

L= 𝜆𝑔

4

2 l0 l0

Zin

w'

8

Calcul de L et w':

𝐿 = 𝜆𝑔

4 =

𝜆

4 √𝜀𝑟=

122

4√4.32= 15 mm

𝑍′𝑐 =60

√𝜀𝑒𝑓𝑓 log(

8 ℎ

𝑤′+

𝑤′

2ℎ) = 122.9 Ω

8 ℎ

𝑤′+

𝑤′

2ℎ= 𝑒134.5∗

√4.0260 = 89.5

On obtient alors une équation du second ordre: w'² - 130 w' + 36.96 =0 dont les solutions

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

Figure II.12 : Adaptation quart d'onde

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

Le résultat de la simulation est le suivant:

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

9

La mesure confirme la fréquence de résonance du patch élémentaire à 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 constitué de 3 lobes dont chacun correspondant à une

impédance des 3 trouvées précédemment et de gain 9.6dB.

7.2. Adaptation simple stub

Un stub est un tronçon de ligne de longueur s que l’on branche en dérivation sur la ligne

principale à une distance d de la charge.

Figure II.16: Modélisation de l'adaptation simple stub

Pour l'implémentation du stub sous Momentum, on a déterminé s et d à partir de l’abaque

de Smith (voir Annexe). On a trouvé 2 solutions.

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Solution 1 :

d1=0.136* 𝜆𝑔 Avec : 𝜆𝑔 =𝜆0

√ℇ0= 0.061𝑚

s1=0.096* 𝜆𝑔

Solution 2 :

d2=0.283* 𝜆𝑔

s2=0.406* 𝜆𝑔

Figure II.17 : Adaptation simple stub

Figure II.18 : Adaptation simple stuben 3D

L'adaptation est un peu parfaite, elle résonne à la fréquence 2.44:

Figure II.19: Simulation de l'adaptation simple stub

11

Le diagramme de rayonnement est le suivant:

Figure II.20: Diagramme de rayonnement

Le diagramme de rayonnement est constitué d'un seul lobe droit et de gain 5.49dB à la

fréquence de résonance du patch 2.45GHz

7.3. Adaptation double stub

L'adaptation double stub a le même principe que l'adaptation simple stub, mais cette fois

on dispose de deux stubs en parallèle séparés d'une distance d2.

Figure II.21: Modélisation de l'adaptation double stubs

12

Figure II.22: Adaptation double stub

Figure II.23: Adaptation double stub en 3D

Le résultat de la simulation est le suivant:

Figure II.25: Simulation de l'adaptation double stub

13

Le diagramme de rayonnement est le suivant:

Figure II.26: Diagramme de rayonnement

Le diagramme de rayonnement est constitué d'un seul lobe droit et de gain 5.32dB à la

fréquence de résonance du patch élémentaire 2.49GHz

8. Comparaison et Interprétations

Pour rendre compte des performances de l’antenne d’un point de vue des champs rayonnés

on utilise le diagramme de rayonnement, la directivité, le gain et la puissance.

Alors nous allons nous basé sur ces caractéristiques pour comparer les performances des

différentes adaptations utilisées. On commence alors par les introduire:

8.1. Diagramme de rayonnement

Un diagramme de rayonnement est la représentation graphique de la répartition dans l'espace

d'une grandeur caractérisant le rayonnement d'une antenne, cette grandeur est l'énergie.

Le diagramme de rayonnement d'une antenne permet de visualiser les lobes d'émission dans les

trois dimensions, dans le plan horizontal ou dans le plan vertical incluant le lobe le plus

important.

8.2. Gain

Le gain définit l'augmentation de puissance émise ou reçue dans le lobe principal. Il est dû

au fait que l'énergie est focalisée dans une direction. Il s'exprime en dB.

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Augmenter le gain d’une antenne c’est concentrer son flux sur une zone précise, mais la zone

couverte sera plus réduite.

8.3. Directivité

La directivité de l'antenne dans le plan horizontal est une caractéristique importante dans le

choix d'une antenne. Elle possède un ou quelques lobes nettement plus importants que les autres

qu'on nomme « lobes principaux ». Elle sera d'autant plus directive que le lobe le plus important

sera étroit.

La directivité est un paramètre difficilement dissociable du gain. Elle représente la capacité de

l’antenne à envoyer ou recevoir les ondes dans une zone précise et non dans toutes les

directions.

8.4. Comparaison et Interprétations

Les résultats pratiques obtenus peuvent être résumé dans ce tableau:

Fréquence

de

résonance

Gain (dB) Directivité

(dB)

Diagramme de

rayonnement Puissance

Simple Stub 2.43 GHz 5.49 6.28 Un seul lobe

Double Stub 2.49 GHz 5.32 5.83 Un seul lobe

Quart d'onde 2.44 GHz 9.61 9.62

Un lobe principal et

deux lobes

secondaires

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D'après le tableau, on remarque que pour les adaptations simple stub et double stub, la

directivité et le gain ont des valeurs très proches, cela signifie qu'il n'y a pas de pertes

contrairement à l'adaptation quart-d'onde.

Pour les trois premières adaptations, on a des valeurs de gain proches, ce qui explique la

ressemblance des allures des courbes de puissance et de diagrammes de rayonnement qui sont

constitués d'un seul lobe où est emmagasinée toute l'énergie.

Pour la dernière adaptation (quart d'onde), on a obtenu un diagramme de rayonnement plus

directif puisque la directivité est plus élevée et il se compose de trois lobes: un principal et

deux secondaires.

En comparant les différents types d'adaptations, on peut conclure qu'au niveau de la fréquence

de résonance l'adaptation simple stub est la meilleure car elle résonne exactement à 2.43GHz.

Mais d'autre part, l'adaptation quart d'onde est meilleure en ce qui concerne la directivité.

9. Adaptation d’impédance

En haute fréquence, la condition d’adaptation est telle que𝑍𝑔 = 𝑍𝑒. Avec Zg est l’impédance

du générateur et Ze est l’impédance d’entrée du circuit. Sur ADS pour faire l’adaptation

d’impédance on tape l’équation suivante𝑍𝑒 = 𝑧𝑖𝑛( 𝑆(1,1), 50), puis on trace le Réel et

l’Imaginaire de notre impédance, on obtient alors le suivant :

Figure 27 : courbe du réel de l’impédance

16

On remarque que le réel (réel ze1) est presque égal à 50 à la fréquence 2.42 GHz, si on utilise

une fonte de longueur 8 mm et de largeur 2 mm

En ce qui concerne l’imaginaire de l’impédance, il faut que c dernier soit nul à la fréquence 2.4

GHz, c’est ce qu’on a le prouver par ADS, soit alors la figure 28 :

Figure 28 : Imaginaire de l’impédance

De même, l’imaginaire (imag ze0) ne sera presque nul à la fréquence 2.42GHz que si on utilise

la même fonte décrite précédemment.

10. Conclusion

Après avoir établie ce travail, on ne peut pas nier qu'on a acquis de nouvelles méthodes

qui ont transformées nos connaissances théoriques et pratiques. On a eu l'occasion d'étudier un

type très fréquent d'antenne qui est l'antenne patch. Ainsi que l'application de plusieurs formes

d'adaptation sur cette antenne.

Le seul inconvénient c'est qu'on n'a pas pu réaliser cette antenne, mais grâce au logiciel

de simulation ADS, on a obtenu des résultats très proches de la réalité.