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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 ANTENNES COMPACTES POUR TÉLÉCOMMUNICATIONS (DOMAINE DÉCIMÉTRIQUE) PRINCIPE ET APPLICATIONS.

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1 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 ANTENNES COMPACTES POUR TÉLÉCOMMUNICATIONS (DOMAINE DÉCIMÉTRIQUE) PRINCIPE ET APPLICATIONS

2 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 2 PLAN DU COURS Introduction Historique, généralités Caractéristiques des antennes Partie I : Antennes compactes Partie II : Antennes larges bandes Partie III : Antennes à polarisation circulaire Partie IV : Antennes grand gain Partie V : Formation de faisceau Partie VI : Antennes intelligentes Partie VII : MIMO

3 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 3 CONTEXTE DE LETUDE But : donner accès à des technologies complémentaires à partir d'un seul terminal Composant critique : l'antenne

4 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 4 Grande majorité des applications de terminaux mobiles LES ANTENNES COMPACTES Deux grandes familles dantennes Antennes non-résonantes Antennes résonantes Boucles magnétiques L<< Ondes progressives L>> Antennes filaires L # Antennes planaires L # Gain faible Nécessité dun circuit d adaptation

5 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 5 LES ANTENNES FILAIRES Le monopôle taille min. : /4 Utilisation dun plan de masse Élément de base : le dipôle taille min. : /2

6 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 6 LES ANTENNES FILAIRES (2) Antenne boucle résonanteAntenne hélice Hélices multiples Hélice simple Mode radial Mode axial

7 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 7 LES ANTENNES PLANAIRES Antenne à fente Dual du dipôle /2 /4 Même comportement que le dipôle mais en inversant les champs E et H. Du coup, inversion également des impédances.

8 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 8 LES ANTENNES PLANAIRES Antenne patch Pastille métallique à la surface dun substrat diélectrique dont la face inférieure est métallisée. Rayonnement directif Mode fondamental /2

9 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 9 LES ANTENNES PLANAIRES Principe de fonctionnement : cavité à fuites

10 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 10 LES ANTENNES PLANAIRES Systèmes dalimentations : Système classique : sonde coaxiale Placement en fonction de limpédance et des modes désirés

11 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 11 LES ANTENNES PLANAIRES Alimentation par ligne microruban : Impédance élevée Ajout dun effet selfique

12 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 12 LES ANTENNES PLANAIRES Alimentation par proximité par ligne à fentepar ligne coplanaire par ligne microruban en sandwich couplage par fente

13 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 13 REDUCTION DENCOMBREMENT Antenne chargée : Modification de la géométrie : Ajout de self ou capacité On rallonge le trajet de londe au sein dun même volume (modifie la polarisation)

14 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 14 UTILISATION DE COURT-CIRCUITS Antenne quart donde : Antenne IFA et PIFA :Effet inductif du court-circuit

15 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 15 ANTENNES PLANAIRES EVOLUEES Patch quart dondeC-patch P.I.F.A.Fil-plaque

16 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 16 QUELQUES DETAILS SUR LANTENNE FIL-PLAQUE Structure sans fil de masse avec fil de masse

17 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 17 QUELQUES DETAILS SUR LANTENNE FIL-PLAQUE champ H champ E

18 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 18 QUELQUES DETAILS SUR LANTENNE FIL-PLAQUE Plan de coupe vertical Plan de coupe azimutal Rayonnement

19 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 19 LANTENNE FIL-PLAQUE COPLANAIRE Principe Plan de masse périphérique Substrat diélectrique Ruban de court-circuit Ruban dalimentation fente champ H champ E Tous les éléments de la fil-plaque transposés dans un seul plan

20 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 20 LANTENNE FIL-PLAQUE COPLANAIRE Rayonnement champ H champ E

21 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 21 TECHNIQUES DOPTIMISATION Utilisation de substrats Principaux buts : élargissement de bande passante et fonctionnement multi-fréquences x y z O Ajout de fentes Imbrication ou multi-couches permittivité taille gain B.P. Ajout de résonanceslarge bande ou multi-fréquences Regroupement de fonctions dans le volume de lélément le plus basse fréquence nombreux couplages

22 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 22 ANTENNES PLANAIRES EVOLUEES Antenne double L inversé Antenne EFil-plaques superposées

23 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 23 ANTENNES PLANAIRES EVOLUEES Fil-plaques imbriquées Double C-patch

24 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 24 QUELQUES EXEMPLES

25 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 25 QUELQUES EXEMPLES

26 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 26 ANTENNE A RESONATEUR DIELECTRIQUE Volume de matériau diélectrique formant une cavité résonante très fort facteur de qualité bande passante faible Rayonnement difficile à maîtriser

27 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 27 Fréquence (GHz) /4 /4 Plus petit élément résonant possible : résonateur quart d'onde LANTENNE RUBAN REPLIEE

28 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 28 Densité surfacique de courant But : Contrôle du rayonnement par le dimensionnement des trois brins du résonateur pour un diagramme hémisphérique RAYONNEMENT CONFORMÉ

29 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 29 h l 2 l 1 Pré-étude analytique h # λ/24l 1 # λ/15l 2 # λ/7 h # λ/50l 1 # λ/13l 2 # λ/6.5 Optimisation FDTD gap de couplage h l 1 l 2 sonde coaxiale Variation de gain <3 dB direction RAYONNEMENT CONFORMÉ Utilisation dun plan de masse limité

30 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 30 EVOLUTIONS DIVERSES Structure sans plan de masse Topologie coplanaire Monopôle chargéMulti-résonateurs Nombreuses déclinaisons du même principe possibles selon les applications : intégration - large bande - multi-fréquences - faible pollution EM (Brevet international)

31 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 31 PREMIERE APPLICATION ALLIGATOR : ALL InteGrAted meteRing Projet européen Projet européen EURIMUS ayant pour but le développement d'un système de relevé à distance des compteurs d'énergie Rôle de l'IRCOM : étude des antennes intégrées avec minimisation des effets CEM Conception d'un module radio compact à haut niveau d'intégration et faible coût

32 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 32 Boîtier en ABS PCB FR4 Batteries RESULTATS OBTENUS Modélisation fine de toutes les composantes métalliques et diélectriques du boîtier connecteur SMA Validation par réalisation dun prototype Champs induits sur le PCB faibles Insensible aux perturbations Structure coplanaire : large bande passante (17%) gain moyen élevé (-0.7 dB)

33 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 33 LUTECE : Localisation d'Urgence pour TEléphone CEllulaire DEUXIEME APPLICATION But : système de localisation permettant le sauvetage de personnes en détresse à partir de l'émission de leur téléphone portable

34 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 34 Antenne émettrice 500 x 500 mm Antennes réceptrices 800 x 800 mm DISPOSITION SOUS LHELICOPTERE

35 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 35 DISPOSITION SOUS LHELICOPTERE (2) Émission Réception 5 capteurs de réception à large ouverture antenne d'émission directive

36 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 36 ELEMENT DE BASE COMMUN Première bande de 150 MHz (16%) Seconde bande de 1.4 GHz (62%)

37 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 37 ANTENNE DÉMISSION Gmax = 13.5 dBGmax = 13.7 dB Antenne d'émission : Antenne d'émission : 4 éléments disposition délicate (compromis GSM/DCS) disposition délicate (compromis GSM/DCS) très bons résultats en adaptation et rayonnement très bons résultats en adaptation et rayonnement rigidité insuffisante

38 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 38 AUGMENTATION DE LA RIGIDITÉ Nouvel élément de base : substrat diélectrique compacité supérieure (84x60) compacité supérieure (84x60) rigidité renforcée rigidité renforcée bandes passantes amoindries Réseau de quatre éléments Réseau de cinq éléments Bon comportement du réseau de cinq éléments conception d'un circuit de distribution

39 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 39 CIRCUIT DE DISTRIBUTION Circuit bi-bande 1 entrée / 5 sorties en phase avec pondération damplitude Optimisation à laide du logiciel circuit HP ADS et Momentum

40 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 40 REALISATION ET MESURES

41 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 41 CAPTEURS DE RECEPTION But : disposition optimale de 5 capteurs indépendants pour une goniométrie précise Utilisation dun élément de base sur diélectrique

42 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 42 Simulations FDTD du couplage entre deux capteurs parallèles à des distances variables Distance importante nécessaire entre les capteurs pour pouvoir négliger le couplage MISE EN EVIDENCE DES COUPLAGES

43 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes cm Capteur 1 Capteur 2 Capteur 3 Capteur 4 Capteur 5 Choix de capteurs proches avec prise en compte des couplages complexes Choix de capteurs proches avec prise en compte des couplages complexes Étude de linfluence de la taille du plan de masse sur la goniométrie Étude de linfluence de la taille du plan de masse sur la goniométrie Calculs des diagrammes de rayonnement obtenus avec ou sans présence des autres capteurs Calculs des diagrammes de rayonnement obtenus avec ou sans présence des autres capteurs OPTIMISATION DE LA DISPOSITION

44 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 44 REALISATION ET MESURES

45 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 45 EXPERIMENTATIONS Détection avec une précision du mètre carré en moins de trois minutes.


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