Antennes patch Réalisé par: - Ait Tamlihat Malak - Belmahi Hajar -El Kaissi Yousra - Ibriz Sara Master Matiére et Rayonnement Module : Antenne et Microondes Professeur : Ait Beni ifit Achraf

1. Historique 2. Description d’une antenne patch 3. Avantages, inconvénients et limitations 4.Alimentation d’une antenne patch 5.Modélisation d’une antenne patch 6. Mécanisme de rayonnement 7. Paramètres des antennes patch 8. Applications Conclusion 2 Plan:

Introduction: 3 Antenne Antenne de réception Antenne d’émission Conversion d’énergie

Historique: 4

5 Concept d’antenne patch(Deschamps, 1953,USA. Baissinot et gutton,1955, F ) Etude de rayonnement provenant de discontinuités(Lewin, 1960) Structure planaire(Byron, 1970) Antenne pratique et passage au stade industriel(Hawel et Munson, 1990)

Description des composantes: 6

7

Modélisation d’une antenne patch: 8

9 Modèle par ligne de transmissionModèle par cavité résonante

Les avantages, les inconvénients et les limitations: 10

Avantages :  Faible poids  Encombrement réduit et minimal  Conformations possibles  Faible coût de fabrication, production en masse facile  Rayonnement en polarisation linéaire et circulaire possibles  Antennes multi bandes, multi polarisations  Compatibilité avec les circuits hybrides  Réseau d’alimentation et d’adaptation fabriqués simultanément avec l’antenne Inconvénients :  Bande étroite à cause des limitations physiques et géométriques et un faible gain  Arrivant jusqu’à 5 à 6 dB au maximum.  Rayonnement dans le demi-plan.  Pertes de radiation impliquées par les ondes de surface. 11

Les limitations:  Bande passante étroite, souvent associée avec les problèmes de tolérances de fabrication  Généralement faible gain (6 dB)  Sur un grand plan de masse, ces antennes rayonnent uniquement dans le demi-plan  Supportent uniquement des faibles puissances (<100 W)  Pertes de rayonnement par ondes de surfaces dans le substrat diélectrique 12

Principe de fonctionnement : 13

Comment l’antenne patch marche ? 14

15 ▷ Pour simplifier le problème, la structure de la Figure peut être assimilée à une cavité bornée par des murs électriques (plan de masse et élément rayonnant), et un mur latéral magnétique. Est accumulée selon un ensemble de fréquences modales (fréquences modales de résonance) auxquelles des configurations de répartition des champs sont permises, appelées modes. Ces cavités fonctionnent alors sur des modes TMmn.

Mécanisme de rayonnement: 16

17 Au départ, on assume que le champ dans le diélectrique est limité par l’espace entre directement sous la plaque, entre la plaque et le plan de masse. Remplie d’un diélectrique dont les 6 parois sont :  les 2 conducteurs électriques de la plaque et du plan de masse (parfaits conducteurs électriques) ;  les 4 murs magnétiques qui simulent le circuit-ouvert,à la périphérie de la plaque (parfaits conducteurs magnétiques). Les murs magnétiques se comportent sur le champ magnétique comme un conducteur avec le champ électrique. Modèle de la cavité: Introduction:

18 On sait que cette même forme cosinusoidale décrit aussi l’amplitude du champ électrique dans un mode transverse-magnétique avec composante nulle de H suivant l’axe de la hauteur z, soit doit être tangentiel au niveau du plan de masse et de la plaque. De plus, comme le diélectrique est mince, l’amplitude du champ E selon z est considérée constante, soit.

19 Dans le mode transverse en z, le potentiel vecteur A z doit satisfaire l’équation d’onde homogène : dont la solution générale s’obtient par la technique de séparation des variables: Les constantes de propagation β x,y,z, ainsi que les constantes et sont déterminées en appliquant les conditions aux limites.

20 Les diverses composantes des champs sont ainsi reliées à

21 Les coordonnées x ’, y ’, z ’ sont utilisées pour représenter les champs dans la cavité. L’application de chacune des conditions aux limites donne respectivement : La forme finale de l’expression du potentiel vecteur dans la cavité, devient : le coe ffi cient d’amplitude du mode mnp, dépend du niveau de puissance associée au mode en question.

22 Puisque les projections de la constante de propagation dans chacun des axes, sont sujets à la contrainte : alors la fréquence de résonance de la cavité pour le mode mnp vaut :

23 On peut maintenant exprimer les champs dans la cavité en substituant: Dans les Equations On obtient:

On retrouve, l’allure de la distribution du champ électrique dans la cavité résonnante pour les principaux modes. Le champ est indépendant de z dans tous les cas (p = 0) ; la longueur de la flèche indique l’amplitude. Habituellement, on opère l’antenne microruban à la plus basse fréquence de résonance i.e. dans le mode dominant. Pour déterminer ce mode dominant, une analyse de l’équation : Nous permet de voir que la plus basse fréquence est obtenue avec un seul des paramètres m, n ou p égal à 1 et les deux autres à 0 (les trois paramètres ne peuvent être à 0 simultanément). Celui correspondant à la plus grande dimension habituellement L, est celui qui vaut 1. En consequence, le reste de la demonstration suppose le mode pour lequel on a: 24

Alimentation d’une Antenne Patch Alimentation d’une Antenne Patch : 25

 Alimentation par ligne micro ruban à travers un bord rayonnant Les alimentations par contact (par sonde ou ligne micro ruban)  Alimentation par ligne micro ruban à travers un bord non rayonnant 26

Les alimentations par proximité (couplage électromagnétique par ligne ou fente)  Alimentation coaxiale  Alimentation couplée par ouverture 27

 Effets de bord: 28

Paramètres d’une Antenne Patch: 29

Seules les ouvertures avant et arrière contribuent au rayonnement dans le champ lointain  les champs dans ces ouvertures possèdent une distribution identique de même valeur et peuvent être vues comme les éléments d’une antenne réseau à 2 éléments avec alimentation identique en phase  la puissance fournie à l’entrée de la plaque : Impédance d’entrée: 30

▷ 31

Diagrammes de rayonnement:  La fonction caractéristique non normalisée  Le champ électrique lointain 32

Diagrammes de rayonnement: Valeur maximale pour θ=0 Dans le plan xz Dans le plan yz 33

Diagrammes de rayonnement: 34

Directivité:  L’expression de la directivité pour le rayonnement d’ une seule ouverture  Les valeur asymptotique 35

Directivité  Directivité pour une seule ouverture selon W 36

Les applications 37

Auprès des systèmes militaires de haute technologie, tels que :  Missiles  Roquettes  Fusées  Avions  Satellites.., On retrouve principalement ces résonateurs dans les systèmes de haute technologie suivants :  Les résonateurs spatiaux et radar embarqué.  La liaison avec des mobiles (avions, fusées, missiles, navires, véhicules routiers…).  Les systèmes portables de radiolocalisation par satellite (GPS).  Les résonateurs pour la téléphonie mobile (stations de base).  Les badges et étiquettes électroniques.  Les applicateurs biomédicaux (hyperthermie) et capteurs pour contrôle non destructif. 38

39 Enfin, les antennes planaires sont souvent utilisées dans les satellites de communication et bien d'autres applications, telles que :  les radiocommunications avec les mobiles terrestres et aériens  Les télécommunications  Les radars  Mais aussi les capteurs miniaturisés et les applicateurs médicaux.

Conclusion: Bien que les antennes patch présentent un grand intérêt grâce à leur commodité et compatibilité avec les instruments de télécommunication les plus récents, ce type d'antennes rencontre toujours des problèmes, et notamment leur faible gain et limitation de leur bande, qu'on essaye d'optimiser afin d'obtenir des meilleurs performances avec les moindres coûts. 40

Bibliographie: 41  Cours Antennes et propagation radio Département de génie électrique et de génie informatique, Université Laval.  Rapport Antennes Patch, 2éme cycle d’ingénieur ENSA Khouribga

42 Merci de votre attention