ANTENNES COMPACTES POUR TÉLÉCOMMUNICATIONS (DOMAINE DÉCIMÉTRIQUE) PRINCIPE ET APPLICATIONS

Historique, généralités 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

CONTEXTE DE L’ETUDE But : donner accès à des technologies complémentaires à partir d'un seul terminal Composant critique : l'antenne

LES ANTENNES COMPACTES Deux grandes familles d’antennes Antennes non-résonantes Antennes résonantes Boucles magnétiques L<<l Ondes progressives L>>l Antennes filaires L # l Antennes planaires Grande majorité des applications de terminaux mobiles Gain faible Nécessité d’un circuit d ’adaptation

Utilisation d’un plan de masse LES ANTENNES FILAIRES Élément de base : le dipôle taille min. : l/2 Utilisation d’un plan de masse Le monopôle taille min. : l/4

LES ANTENNES FILAIRES (2) Antenne boucle résonante Antenne hélice Hélice simple Mode radial Mode axial Hélices multiples

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

LES ANTENNES PLANAIRES Antenne patch Pastille métallique à la surface d’un substrat diélectrique dont la face inférieure est métallisée. Rayonnement directif Mode fondamental l/2

LES ANTENNES PLANAIRES Principe de fonctionnement : cavité à fuites

LES ANTENNES PLANAIRES Systèmes d’alimentations : Système classique : sonde coaxiale Placement en fonction de l’impédance et des modes désirés

LES ANTENNES PLANAIRES Alimentation par ligne microruban : Impédance élevée Ajout d’un effet selfique

LES ANTENNES PLANAIRES Alimentation par proximité par ligne à fente par ligne coplanaire par ligne microruban en sandwich couplage par fente

REDUCTION D’ENCOMBREMENT Antenne chargée : Ajout de self ou capacité Modification de la géométrie : On rallonge le trajet de l’onde au sein d’un même volume (modifie la polarisation)

UTILISATION DE COURT-CIRCUITS Antenne quart d’onde : Antenne IFA et PIFA : Effet inductif du court-circuit

ANTENNES PLANAIRES EVOLUEES Patch quart d’onde C-patch P.I.F.A. Fil-plaque

QUELQUES DETAILS SUR L’ANTENNE FIL-PLAQUE Structure sans fil de masse avec fil de masse

QUELQUES DETAILS SUR L’ANTENNE FIL-PLAQUE champ H champ E

QUELQUES DETAILS SUR L’ANTENNE FIL-PLAQUE Plan de coupe vertical Plan de coupe azimutal Rayonnement

L’ANTENNE FIL-PLAQUE COPLANAIRE Principe champ E Plan de masse périphérique Substrat diélectrique Ruban de court-circuit Ruban d’alimentation fente champ H Tous les éléments de la fil-plaque transposés dans un seul plan

L’ANTENNE FIL-PLAQUE COPLANAIRE Rayonnement champ E champ H

TECHNIQUES D’OPTIMISATION Principaux buts : élargissement de bande passante et fonctionnement multi-fréquences Utilisation de substrats permittivité taille gain B.P. x y z O Ajout de fentes Ajout de résonances large bande ou multi-fréquences Imbrication ou multi-couches Regroupement de fonctions dans le volume de l’élément le plus basse fréquence nombreux couplages

ANTENNES PLANAIRES EVOLUEES Antenne double L inversé Antenne E Fil-plaques superposées

ANTENNES PLANAIRES EVOLUEES Double C-patch Fil-plaques imbriquées

QUELQUES EXEMPLES

QUELQUES EXEMPLES

ANTENNE A RESONATEUR DIELECTRIQUE Volume de matériau diélectrique formant une cavité résonante très fort facteur de qualité bande passante faible Rayonnement difficile à maîtriser

L’ANTENNE RUBAN REPLIEE Plus petit élément résonant possible : résonateur quart d'onde l/4 Fréquence (GHz)

RAYONNEMENT CONFORMÉ But : Contrôle du rayonnement par le dimensionnement des trois brins du résonateur pour un diagramme hémisphérique Densité surfacique de courant

Utilisation d’un plan de masse limité RAYONNEMENT CONFORMÉ Pré-étude analytique h l 2 1 h # λ/24 l1 # λ/15 l2 # λ/7 Optimisation FDTD gap de couplage h l 1 2 sonde coaxiale h # λ/50 l1 # λ/13 l2 # λ/6.5 Utilisation d’un plan de masse limité Variation de gain <3 dB  direction

intégration - large bande - multi-fréquences - faible pollution EM EVOLUTIONS DIVERSES Structure sans plan de masse Topologie coplanaire Nombreuses déclinaisons du même principe possibles selon les applications : intégration - large bande - multi-fréquences - faible pollution EM (Brevet international) Monopôle chargé Multi-résonateurs

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

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

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

DISPOSITION SOUS L’HELICOPTERE Antenne émettrice 500 x 500 mm Antennes réceptrices 800 x 800 mm

DISPOSITION SOUS L’HELICOPTERE (2) Réception Émission antenne d'émission directive 5 capteurs de réception à large ouverture

ELEMENT DE BASE COMMUN Première bande de 150 MHz (16%) Seconde bande de 1.4 GHz (62%)

Antenne d'émission : 4 éléments  disposition délicate (compromis GSM/DCS)  très bons résultats en adaptation et rayonnement  rigidité insuffisante Gmax = 13.5 dB Gmax = 13.7 dB

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

CIRCUIT DE DISTRIBUTION Circuit bi-bande 1 entrée / 5 sorties en phase avec pondération d’amplitude Optimisation à l’aide du logiciel circuit HP ADS et Momentum

REALISATION ET MESURES

Utilisation d’un élément de base sur diélectrique CAPTEURS DE RECEPTION Utilisation d’un élément de base sur diélectrique But : disposition optimale de 5 capteurs indépendants pour une goniométrie précise

MISE EN EVIDENCE DES COUPLAGES Simulations FDTD du couplage entre deux capteurs parallèles à des distances variables Distance importante nécessaire entre les capteurs pour pouvoir négliger le couplage

OPTIMISATION DE LA DISPOSITION  Choix de capteurs proches avec prise en compte des couplages complexes 80 cm Capteur 2 Capteur 1 Capteur 3  Étude de l’influence de la taille du plan de masse sur la goniométrie Capteur 4  Calculs des diagrammes de rayonnement obtenus avec ou sans présence des autres capteurs Capteur 5

REALISATION ET MESURES

Détection avec une précision du mètre carré en moins de trois minutes. EXPERIMENTATIONS Détection avec une précision du mètre carré en moins de trois minutes.