Etude de nouvelles fonctions radiofréquences à base d’antennes à onde de fuite composite main droite/gauche par Romain SIRAGUSA sous la direction de Pr. Smaïl TEDJINI et Dr. Pierre LEMAITRE-AUGER En collaboration avec l’équipe du Pr. Christophe Caloz 04 décembre 2009

Plan de la soutenance Introduction Antenne à onde de fuite efficace à balayage électronique Modélisation et conception optimale de structures CRLH Réseau d’antennes CRLH à onde de fuite pour des applications de focalisation Conclusion générale et perspectives

1.1 Contexte Emergence des métamatériaux Définition: Matériaux artificiels possédant des propriétés électromagnétiques que l’on ne trouve pas dans la nature Matériaux Main Gauche: Matériaux pseudo-homogènes ayant un indice effectif négatif sur une bande de fréquence. P << λ Pendry et al. P n>0 & n>0 n>0 & n<0 Smith et al.

1.1 Contexte Emergence des métamatériaux Structure CRLH Lentille planaire parfaite Smith et al. XXe : théorie Invisibilité 2000/2001 2002 2005 2006 2009 Super lentille Première expérience de réfraction négative - Toujours plus haut en fréquence - Elargir les bandes passantes Fang N. Smith et al.

… 1.1 Contexte Emergence des métamatériaux 2002 2009 Composants planaires : Filtres, Coupleurs, Résonnateurs, … Antenne à onde de fuite CRLH … Caloz et al. 2002 2009 Structure CRLH - Conception de systèmes complexes Recherche de nouvelles structures Caloz et al.

1.2 Problématique Complexification des antennes 6 Antenne Contrôle Système de transmission RF Données

1.2 Problématique Complexification des antennes UWB Balayage spatial Contrôle de la forme du faisceau Bi-bande, tri-bande, large bande

1.2 Problématique Solution à base de métamatériaux Antenne à onde de fuite CRLH Balayage en fréquence, planaire, bas-coût, fort gain. Balayage en fréquence, conception longue, applications industrielles.

1.2 Problématique 9 Antenne CRLH efficace à balayage électronique

1.2 Problématique Conception automatique de structures CRLH Conception 10 Conception automatique de structures CRLH Conception Ligne CRLH Cahier des charges

1.2 Problématique 11 Réseau d’antennes CRLH à onde de fuite pour des applications de focalisation

Plan de la soutenance Introduction 12 Introduction Antenne à onde de fuite efficace à balayage électronique Modélisation et conception optimale de structures CRLH Réseau d’antennes CRLH à onde de fuite pour des applications de focalisation Conclusion générale et perspectives

2. Antenne à onde de fuite CRLH efficace à balayage électronique 2.1 Etat de l’art La structure CRLH Antenne à onde de fuite CRLH à balayage fréquentiel Antenne CRLH à balayage électronique à simple syntonisation 2.2 Antenne CRLH à balayage électronique à double syntonisation Principe de fonctionnement Présentation du prototype réalisé Résultats pratiques 2.3 Conclusion

2.1 Etat de l’art La structure CRLH 14 2.1 Etat de l’art La structure CRLH Structure périodique pseudo-homogène : p << λg p … … … Cellule Cellule Cellule Cellule

2.1 Etat de l’art La structure CRLH 15 2.1 Etat de l’art La structure CRLH Schéma circuit Diagramme de dispersion Main Gauche Vp < 0 Vg > 0 Main Droite Vp > 0 Vg > 0 Cas : LRCL ≠ LLCR Cas : LRCL = LLCR StopBand Ligne équilibrée

2.1 Etat de l’art Mécanisme de radiation 16 Nous avons : kz2=k02-βx,y2 βx,y>|k0| → kz imaginaire → Guidage βx,y<|k0| → kz réel → Rayonnement

2.1 Etat de l’art Balayage fréquentiel 17 Angle de rayonnement : Constante de phase : IV II: backward IV: broadside III: forward

S. Lim, C. Caloz, T. Itoh, IEEE T-MTT, vol. 53, no. 1, 2005 2.1 Etat de l’art Balayage électronique à simple syntonisation 18 Cellule modifiée Angle de rayonnement : CL(V1) LR/2 LL 2Cvar1 Cvar2 CR 2CL V1 Impédance d’entrée : CR(V1) Contrôle des varactors non indépendant : un seul degré de liberté  désadaptation S. Lim, C. Caloz, T. Itoh, IEEE T-MTT, vol. 53, no. 1, 2005

2.2 Antenne CRLH à balayage électronique à double syntonisation 19 CL(V2-V1) V1 Z/2 2Cvar1 2Cvar1 LR/2 LR/2 2CL 2CL LL CR LL(V1) V2 V2 Cvar2 Y p Contrôle indépendant des varactors : Contrôle de l’angle de rayonnement: Contrôle de l’impédance caractéristique:

Diagramme de dispersion 20 2.2 Balayage électronique à double syntonisation Principe de fonctionnement Paramètres de la cellule : LR= 3.5 nH, LL= 5 nH, CR= 0.98 pF, CL= 0.32 pF et p = 7.3 mm Diagramme de dispersion Impédance de Bloch Z0 θbroad = 0° θback = -90° θfor = +90°

Diagramme de dispersion 21 2.2 Balayage électronique à double syntonisation Principe de fonctionnement Paramètres de la cellule : LR= 3.5 nH, LL= 5 nH, CR= 0.98 pF, CL= 0.32 pF et p = 7.3 mm Diagramme de dispersion Impédance de Bloch Z0

2.2 Balayage électronique à double syntonisation Prototype réalisée 22 2.2 Balayage électronique à double syntonisation Prototype réalisée Circuit d’alimentation V1 Port1 Port2 V2-V1 Cvar1 Cvar2 V1 V2 Circuit d’alimentation

23 2.2 Balayage électronique à double syntonisation Prototype réalisée V1 Cvar2 Cvar1 V2 10 cellules 32 diodes varactors 4 capacités de découplage

2.2 Balayage électronique à double syntonisation Résultats pratiques 24 V1 = 28 V, V2 = 28 V Paramètre S11 V1 = 3 V, V2 = 7 V V1 = 0.7 V, V2 = 0.7 V

2.3 Conclusion Antenne à double syntonisation Balayage de -25° à +30°. S11 < -10 dB car deux degrés de liberté. Antenne à simple syntonisation Balayage de -50° à +50°. S11 > -10 dB car un seul degré de liberté. Pistes d’améliorations Performances des diodes varactors. Prise en compte de la sensibilité de la structure.

Plan de la soutenance Introduction 26 Introduction Antenne à onde de fuite efficace à balayage électronique Modélisation et conception optimale de structures CRLH Réseau d’antennes CRLH à onde de fuite pour des applications de focalisation Conclusion générale et perspectives

3. Modélisation et conception optimale de structure CRLH 27 3. Modélisation et conception optimale de structure CRLH 3.1 Méthode de conception usuelle 3.2 Méthode proposée: la conception automatique 3.3 Exemple de conception 3.4 Conclusion

3.1 Méthode de conception usuelle Description 28 3.1 Méthode de conception usuelle Description Cahier des charges : f0 , Z0 , équilibre, BP Recherche des paramètres L-C de la cellule Modifications du cahier des charges, du substrat, … Simulation numérique de la cellule seule : conditions périodiques N Ok? Simulation numérique de la ligne N cellules Layout de la ligne O N Optimisation Simulateur EM

3.1 Méthode de conception usuelle Influence du nombre de cellules 29 3.1 Méthode de conception usuelle Influence du nombre de cellules f0 f0 S21 S11 S11 S21

3.1 Méthode de conception usuelle Inconvénients 30 3.1 Méthode de conception usuelle Inconvénients  Coût homme/machine élevée Tâches répétitives. Intervention du concepteur à chaque étape.  Méthode empirique Beaucoup d’itérations simulation circuit/EM. Circuit pas obligatoirement réalisable.  Passage d’une infinité à N cellules non automatique Effet des bords. Optimisation longue.

3.2 Méthode proposée: la conception automatique Descriptif 31 Utilisateur Logiciel de calcul (Matlab) Cahier des charges : f0 , Z0, équilibre, BP Initialisation du processus Paramètres initiaux de la cellule Conception et optimisation de la ligne sur N cellules Layout de la ligne Paramètres de simulations Résultats de simulations Simulation EM (Ansoft Designer)

Initialisation du processus 3.2 Méthode proposée: la conception automatique Etape 1 Initialisation 32 Initialisation du processus O Param. Géo. à Param. Circuit Choix Param. Géo. Résolution des 4 équations OK? Z0, f0 Param. fabrication Cellule physique N Algorithme des moindres carrés Utilisation des modèles développés dans : R.Siragusa, H.V. Nguyen, P. Lemaître-Auger, S. Tedjini, C.Caloz, Modeling and Synthesis of the Interdigital/Stub Composite Right/Left Handed Artificial Transmission Line, RFMiCAE, 2009.

Conception et optimisation de la ligne sur N cellules (Matlab) 3.2 Méthode proposée: la conception automatique Etape 2 Conception et optimisation 33 Conception et optimisation de la ligne sur N cellules (Matlab) Algorithme génétique Paramètres initiaux de la cellule Layout final Paramètres de simulations Résultats de simulations Simulation EM (Ansoft Designer)

3. 2 Méthode proposée: la conception automatique 3.2 Méthode proposée: la conception automatique Etape 2 Conception et optimisation 34 Principe de l’évolution humaine Algorithme évolutionniste Antenne 1 Antenne 2 Antenne 3

3. 2 Méthode proposée: la conception automatique 3.2 Méthode proposée: la conception automatique Etape 2 Conception et optimisation 35 Fonctions de coût Population initiale Population initiale Résultats de simulation Individu Note Simulation EM (Ansoft Designer) Ligne 1 Ligne 2 Ligne 3 Ligne 4 Evaluation population Evaluation population f0 : Z0 , équilibre : Paramètres de simulations Résultats de simulations Chromosome O Ok? Ok? Wf Lf Wst Lst N Choix des meilleurs individus Sélection Sélection Ligne 1 Ligne 4 Croisement : échange d’une partie d’un chromosome. f0 f0 Mutation : modification aléatoire d’un chromosome. Croisement Mutation Croisement Mutation β=0

Paramètres de l’algorithme génétique 3.3 Exemple de conception Ligne CRLH 6 cellules 36 Cahier des charges Substrat: RO5880, 1.52 mm. Largeur de ligne minimum : 0.15 mm. ZC : 50 ohms. f0 : 2.45 GHz. Fréquence de coupure basse: 1 GHz. Paramètres de l’algorithme génétique - Population / génération : 25 - Génération max. : 200 - Croisement : 0.9 - Mutation : 0.1 Ordinateur: Core2 à 2.4 GHz, 4 Go de RAM

3.3 Exemple de conception Ligne CRLH 6 cellules 37 Paramètres géo. initiaux: wf = 0.20 mm gf = 0.20 mm lf = 9.13 mm wst = 0.5 mm lst = 4.46 mm N = 10 Paramètres géo. finaux: wf = 0.21 mm gf = 0.19 mm lf = 10 mm wst = 0.51 mm lst = 4.91 mm N = 10 S11 f0 S21

Minimisation des lobes secondaires 3.4 Conclusion Avantages de la méthode 38  Coût homme/machine faible Conception complètement automatisée. Temps de conception uniquement machine.  Conception directement à N cellules Prise en compte des effets de bord. Optimisation rapide (un seul point de fréquence simulé).  Méthode précise et flexible Pas d’erreur induite par l’extraction de modèles circuits. Facilement généralisable à d’autres applications RF. Applications aux structures non uniformes Minimisation des lobes secondaires

Plan de la soutenance Introduction 39 Introduction Antenne à onde de fuite efficace à balayage électronique Modélisation et conception optimale de structures CRLH Réseau d’antennes CRLH à onde de fuite pour des applications de focalisation Conclusion générale et perspectives

40 4. Réseau d’antennes CRLH à onde de fuite pour des applications de focalisation 4.1 Principe de fonctionnement 4.2 Conception d’un système à base de dipôles 4.3 Résultats expérimentaux préliminaires 4.4 Réseau d’antennes à onde de fuite CRLH 4.5 Conclusion

4.1 Principe de fonctionnement Utilisation du principe de Huygens Chaque point d’un front d’onde est une source secondaire émettant une onde sphérique dont l’amplitude complexe est proportionnelle à l’amplitude complexe de l’onde incidente. Champ E: Avec: i ij j

Simulation d’un réseau de 12 sources isotropes de rayon 1 mètre 4.1 Principe de fonctionnement 42 Simulation d’un réseau de 12 sources isotropes de rayon 1 mètre

4.1 Principe de fonctionnement Configuration planaire 43 Phase des sources: Champ global:

Réseau plan et sphérique de 12 sources isotropes espacées de 0.22 m. 4.1 Principe de fonctionnement Performance de la Configuration planaire 44 Réseau plan et sphérique de 12 sources isotropes espacées de 0.22 m.

4.2 Conception d’un système à base de dipôles 45 3 rangées de 8 antennes dipôles Fréquence: 5.8 GHz 2 phases de contrôle

4.3 Résultats Expérimentaux préliminaires 46 Configuration 1 Diamètre total: 1 m Distance focale: 0.85 m Configuration 2 Diamètre total: 0.5 m Distance focale: 1 m

4.4 Réseau d’antennes à onde de fuite CRLH Principe de fonctionnement 47 Objectifs: Réduire les lobes parasites autour du point focal. Réduire l’erreur de focalisation. Réduire la taille du point focal.

4.4 Réseau d’antennes à onde de fuite CRLH Performances théoriques 48 Puissance rayonnée par un réseau de 3 rangées de 8 AOF CRLH. Coefficient de fuite : 0.01 k0 Longueur des antennes : infinie => aucun lobe secondaire.

Influence du coefficient de fuite sur les performances du réseau. 4.4 Réseau d’antennes à onde de fuite CRLH Performances théoriques 49 Influence du coefficient de fuite sur les performances du réseau.

4.5 Conclusion Etude théorique détaillée 50 Etude théorique détaillée Influence de la source Effet du nombre de sources et de la taille du réseau Réalisation d’un réseau d’antennes dipôles focalisant Distance focale variable Validation expérimentale (distances focales de 0.85 m et 1m) Etude théorique des réseaux d’AOF CRLH Principe théorique Influence du coefficient de fuite

(IEEE A.P. Microw. Conf. 2009, JNM 2009, Int. Journ. RFMiCAE 2009) 5. Conclusion générale Contributions 51 Antenne à onde de fuite CRLH électronique Balayage de -25° à 30° Bonne adaptation : S11 < -10 dB. (URSI Rad. Scienc. Meet. 2008) Amélioration des modèles circuits de la cellule CRLH. Méthode de conception automatique de structures CRLH. Application aux AOF non uniformes Minimisation de lobes secondaires de 5.9 dB. (IEEE A.P. Microw. Conf. 2009, JNM 2009, Int. Journ. RFMiCAE 2009) Système de focalisation basé sur un réseau d’antennes à phase Validation expérimentale (distances focales de 0.85 m et 1m). Etude des AOF CRLH en tant que réseau focalisant. (IEEE Ant. Prop. Symp. 2009, VIII Semetro 2009)

5. Conclusion Perspectives 52 Travaux futurs Conception d’une AOF CRLH balayant de -90° à +90°. Réalisation d’une antenne à onde de fuite CRLH non uniforme à faible niveau de lobes secondaires. Conception et mesures d’un réseau d’antennes à onde de fuite CRLH pour des applications de focalisation. Perspectives Systèmes MIMO. Localisation de tags RFID. Conception de structures CRLH à faible sensibilité.

Merci de votre attention Meije – Alpes – 14/06/08

3.2 Méthode proposée: la conception automatique Exemple de conception 54 Résultat intermédiaire après initialisation: Substrat: RO5880, 1.52 mm. Largeur de ligne minimum: 0.15 mm ZC : 50 ohms f0 : 2.45 GHz Fréquence de coupure basse: 1 GHz Paramètres Géo.: wf = gf = 0.20 mm lf = 9.13 mm wst = 0.5 mm lst = 4.46 mm N = 10, dvia = 0.8 mm Circuit Simulation EM -36° à f0 S11 S21 Fréquence