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7/22/2019 1 - Antennes compactes
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 1
ANTENNES COMPACTES POURANTENNES COMPACTES POUR
TLCOMMUNICATIONSTLCOMMUNICATIONS(DOMAINE DCIMTRIQUE)(DOMAINE DCIMTRIQUE)
PRINCIPE ET APPLICATIONSPRINCIPE ET APPLICATIONS
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 2
PLAN DU COURSPLAN DU COURS
Introduction
Historique, gnralitsCaractristiques des antennes
Partie I : Antennes compactes
Partie II : Antennes larges bandes
Partie III : Antennes polarisation circulaire
Partie IV : Antennes grand gain
Partie V : Formation de faisceau Partie VI : Antennes intelligentes
Partie VII : MIMO
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 3
CONTEXTE DE LETUDECONTEXTE DE LETUDE
But : donner accs des technologies complmentaires
partir d'un seul terminalComposant critique : l'antenne
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 4
Grande majorit desGrande majorit desapplications deapplications determinaux mobilesterminaux mobiles
Grande majorit desGrande majorit desapplications deapplications determinaux mobilesterminaux mobiles
LES ANTENNES COMPACTESLES ANTENNES COMPACTES
Deux grandes familles dantennes
Deux grandes familles dantennes
Antennes non-rsonantes Antennes rsonantes
Boucles magntiquesL
Antennes filairesL #
Antennes planairesL #
Gain faible
Ncessit duncircuit d adaptation
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 5
LES ANTENNES FILAIRESLES ANTENNES FILAIRES
rayonnement
gnrateur
I
diple
(a)
gnrateurplan de masse
monople
Irayonnement
(b)
Le monople
taille min. :/4
Utilisation dun plan demasse
lment de base :le diple
taille min. :/2
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 6
LES ANTENNES FILAIRES (2)LES ANTENNES FILAIRES (2)
(a) (b) (c)
Antenne boucle rsonante Antenne hlice
Hlices multiples
Hlice simple
Mode radial Mode axial
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LES ANTENNES PLANAIRESLES ANTENNES PLANAIRES
(b)(a)
Antenne fente
Dual du diple/2 /4
Mme comportement que le diple mais en
inversant les champs E et H.Du coup, inversion galement des impdances.
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LES ANTENNES PLANAIRESLES ANTENNES PLANAIRES
patch
x
y
z
O
substrat
plan de masse
rayonnementxOz
rayonn
ement
yOz
Antenne patch
Pastille mtallique la surfacedun substrat dilectrique dontla face infrieure est mtallise.
Rayonnement directif
Mode fondamental /2
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LES ANTENNES PLANAIRESLES ANTENNES PLANAIRES
Principe de fonctionnement : cavit fuites
h
Z
XY
Z
X
Direction de rayonnementprivilgie
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LES ANTENNES PLANAIRESLES ANTENNES PLANAIRES
H
Plan de masse
Substrat dilectriquelmentrayonnant . , 0 0( ) r
Sondecoaxiale
Systmes dalimentations :
Ez
y
x
g/2
Sonde d alimentation
Plan de masse
Plaque mtalliquey
z
E
Systme classique : sonde coaxiale
Placement en fonction delimpdance et des modes dsirs
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LES ANTENNES PLANAIRESLES ANTENNES PLANAIRES
H
Plan de masse
Substrat dilectriquelmentrayonnant . , 0 0( ) r
Ligne
microruban
(a)
H
Plan de masse
Substrat dilectriquelmentrayonnant . , 0 0( ) r
Lignemicroruban
(b)
Alimentation par ligne microruban :
Impdance leve
Ajout dun effet selfique
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LES ANTENNES PLANAIRESLES ANTENNES PLANAIRES
h r
1h1
2h2plan de
masse
h1
h2
ligne microruban
fente dans
le plan de
masse
1
2
Alimentation par proximit
par ligne fente par ligne coplanaire
par ligne microruban ensandwich couplage par fente
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REDUCTION DENCOMBREMENTREDUCTION DENCOMBREMENT
Antenne charge :
x
y
zL
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UTILISATION DE COURT-CIRCUITSUTILISATION DE COURT-CIRCUITS
Antenne quart donde :
Antenne IFA et PIFA : Effet inductif ducourt-circuit
Ez
y
x
g/4
Sonde d alimentation
Plan de masse
Plaque de court-circuit
y
z
EE
x
z
y
H
LD
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15/45Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 15
x
y
z
O
plan de masse
court-circuit(a)
(b)
x
y
z
Oplan de massecourt-circuit
patch reprise de masse
(a)
(b)
ANTENNES PLANAIRES EVOLUEESANTENNES PLANAIRES EVOLUEES
Patch quart donde C-patch
P.I.F.A. Fil-plaque
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16/45Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 16
QUELQUES DETAILS SUR LANTENNE FIL-PLAQUEQUELQUES DETAILS SUR LANTENNE FIL-PLAQUE
Structure
substrat dilectrique
toit capacitif
fil d'alimentation
fil de masse
plan de masse
cble coaxial
mode
f
Z(f) = R(f) + j X(f)
X(f)
R(f)
fondamental
rsonancesrie
Z(f) = R(f) + j X(f)
X(f)
R(f)f
paralllersonance mode
fondamental
sans fil de masse avec fil de masse
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QUELQUES DETAILS SUR LANTENNE FIL-PLAQUEQUELQUES DETAILS SUR LANTENNE FIL-PLAQUE
C
R
C L alim.
L
mode fondamentalfond.
fond.
fond.
toit
C
L
L masse
C
R
alim.
toit
L
mode fondamental
fond.
fond.
fond.
champ H champ E
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18/45Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 18
QUELQUES DETAILS SUR LANTENNE FIL-PLAQUEQUELQUES DETAILS SUR LANTENNE FIL-PLAQUE
Plan de coupe vertical
Plan de coupe azimutal
Rayonnement
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19/45Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 19
LANTENNE FIL-PLAQUE COPLANAIRELANTENNE FIL-PLAQUE COPLANAIRE
PrincipePlan de masse priphrique
Substrat dilectrique
Ruban de court-circuit
Ruban dalimentation
fente
champ H
champ E
Tous les lments de lafil-plaque transposs
dans un seul plan
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 20
LANTENNE FIL-PLAQUE COPLANAIRELANTENNE FIL-PLAQUE COPLANAIRE
Rayonnement
champ H
champ EEE
(degrs)
E
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 21
TECHNIQUES DOPTIMISATIONTECHNIQUES DOPTIMISATION
Utilisation de substratsUtilisation de substrats
Principaux buts : largissement de bande passante et fonctionnementmulti-frquences
x
y
z
O
Ajout de fentesAjout de fentes
Imbrication ou multi-couchesImbrication ou multi-couches
eff
og
= permittivit
taille
gain
B.P.
Ajout de rsonances large bande oumulti-frquences
Regroupement de fonctions dans levolume de llment le plus bassefrquence nombreux couplages
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 22
ANTENNES PLANAIRES EVOLUEESANTENNES PLANAIRES EVOLUEES
y
x
Sonde d alimentation
Plan de masse
z
Sonde
d alimentation
Plan de masse
Plaque de court-circuit
Sonde d alimentation
Plan de masse
fils de court-circuit
Antenne double L
invers
Antenne E Fil-plaques superposes
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 23
ANTENNES PLANAIRES EVOLUEESANTENNES PLANAIRES EVOLUEES
Fils de court-circuitSonde dexcitation
Antenne initiale (contrle de la frquence basse)
Antenne parasite
(contrle de la frquence suprieure)
x
y
o
Plan de masse
Fil-plaques imbriques
Double C-patch
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 24
QUELQUES EXEMPLESQUELQUES EXEMPLES
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 25
QUELQUES EXEMPLESQUELQUES EXEMPLES
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 26
ANTENNE A RESONATEUR DIELECTRIQUEANTENNE A RESONATEUR DIELECTRIQUE
Volume de matriau dilectriqueformant une cavit rsonante
trs fort facteur de qualit
bande passante faible
Rayonnement difficile matriser
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 27
PartierelledeZe(ohms) Alimentation directe
Gap capacitif 2mm
Gap capacitif 4mm
PartieimaginairedeZe(ohms) Alimentation directe
Gap capacitif 2mm
Gap capacitif 4mm
Frquence (GHz)Frquence (GHz) Frquence (GHz)Frquence (GHz)
/4/4Plus petit lment rsonant possible : rsonateur quart d'ondePlus petit lment rsonant possible : rsonateur quart d'onde
LANTENNE RUBAN REPLIEELANTENNE RUBAN REPLIEE
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 28
h2h 2h
Masse infinie
l2l1
Densit surfacique de courantDensit surfacique de courant
ButBut : Contrle du rayonnement par le dimensionnement des trois brins du: Contrle du rayonnement par le dimensionnement des trois brins dursonateur pour un diagramme hmisphriquersonateur pour un diagramme hmisphrique
RAYONNEMENT CONFORMRAYONNEMENT CONFORM
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 29
h
l2
l1
Pr-tude analytiquePr-tude analytique
h # /24h # /24 ll11 # /15# /15 ll22 # /7# /7
h # /50h # /50 ll11 # /13# /13 ll22 # /6.5# /6.5
Optimisation FDTDOptimisation FDTD
gap decouplage
h
l1
l2
sondecoaxiale
Variation de gain
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 30
s
alimentation
masse
masse
Rsonateur /4Masse coplanaire
Gap de couplage
EVOLUTIONS DIVERSESEVOLUTIONS DIVERSES
++
--
rsonateur frquence haute
rsonateur frquence basse
Structure sans plan de masse
Limitation du plan de masse
largissement dudernier brin
Topologie coplanaire
Monople charg Multi-rsonateurs
Nombreuses dclinaisons du mme principe possibles selon lesapplications :
intgration - large bande - multi-frquences - faible pollution EM(Brevet international)
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 31
PREMIERE APPLICATIONPREMIERE APPLICATION
ALLIGATOR : ALL InteGrAted meteRingALLIGATOR : ALL InteGrAted meteRingProjet europen
Projet europen EURIMUS ayantProjet europen EURIMUS ayantpour but le dveloppement d'unpour but le dveloppement d'un
systme de relev distancesystme de relev distancedes compteurs d'nergiedes compteurs d'nergie
Rle de l'IRCOM : tudeRle de l'IRCOM : tudedes antennes intgresdes antennes intgresavec minimisation desavec minimisation des
effets CEMeffets CEM
Conception d'un module radioConception d'un module radiocompact haut niveaucompact haut niveau
d'intgration et faible cotd'intgration et faible cot
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 32
Botier en ABS
PCB FR4 Batteries 90mm
120mm
RESULTATS OBTENUSRESULTATS OBTENUS
Modlisation fine de toutes
les composantes
mtalliques et dilectriquesdu botier
connecteur SMA
Validation par ralisation
dun prototype
Antenne au-dessus du PCB Antenne au-dessus des piles
|Ez| en V/m
Champs induits sur le PCB
faibles
Insensible aux
perturbations
Structure coplanaire :
large bande passante
(17%)gain moyen lev (-0.7 dB)
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metteur
GPS
simulateur station de base
rcepteurs
PCI bus
i/o i/oNumrisation IQ
FI 1.5 MHz
1.2 MHz
CPU Carte vidoplate-forme NT4
LUTECELUTECE :: LLocalisation d'ocalisation d'UUrgence pourrgence pourTETElphonelphone CECEllulairellulaire
DEUXIEME APPLICATIONDEUXIEME APPLICATION
But :But :systme de localisation permettant le sauvetage de personnessystme de localisation permettant le sauvetage de personnes
en dtresse partir de l'mission de leur tlphone portableen dtresse partir de l'mission de leur tlphone portable
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 34
Antenne mettrice500 x 500 mm Antennes rceptrices800 x 800 mm
DISPOSITION SOUS LHELICOPTEREDISPOSITION SOUS LHELICOPTERE
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 35
20
Capot avant : Capot arrire :
Modification des
capots souslhlicoptre pour
accueillir les
antennes
Pointage mcanique
DISPOSITION SOUS LHELICOPTERE (2)DISPOSITION SOUS LHELICOPTERE (2)
mission
Rception
5 capteurs de rception 5 capteurs de rception large ouverturelarge ouverture
antenne d'mission directiveantenne d'mission directive
ELEMENT DE BASE COMMUN
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 36
ELEMENT DE BASE COMMUNELEMENT DE BASE COMMUN
zx
y
O
48 mm
116mm
72mm
Frequency (GHz)
S11
(dB
)
simulation
mesure
Frquence (GHz)
Premire bande de 150 MHz (16%)Premire bande de 150 MHz (16%)Seconde bande de 1.4 GHz (62%)Seconde bande de 1.4 GHz (62%)
SS OANTENNE DMISSION
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 37
Ox
yz
Plan xOz
DCS
mesuresimulation
Ox
yz
Plan xOz
GSM
mesuresimulation
4646 4242
ANTENNE DMISSIONANTENNE DMISSION
Gmax = 13.5 dB Gmax = 13.7 dB
Antenne d'missionAntenne d'mission :: 4 lments
disposition dlicate (compromisdisposition dlicate (compromisGSM/DCS)GSM/DCS)
trs bons rsultats en adaptationtrs bons rsultats en adaptationet rayonnementet rayonnement
rigidit insuffisanterigidit insuffisante
AUGMENTATION DE LA RIGIDITAUGMENTATION DE LA RIGIDIT
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 38
AUGMENTATION DE LA RIGIDITAUGMENTATION DE LA RIGIDIT
Brin court-circuit
Brin en circuit ouvert
ubstrat Durod
Coaxial rigide
Plan rflecteur
Masse suprieure
Nouvel lment de base :Nouvel lment de base :substrat dilectrique
compacit suprieure (84x60)compacit suprieure (84x60)
rigidit renforcerigidit renforce
bandes passantes amoindriesbandes passantes amoindries
194mm
170mm
Rseau de quatre lments
256mm
232mm
lmentDCS
Rseau de cinq lments
Bon comportement du rseau de cinq
lments conception d'un circuit de
distribution
CIRCUIT DE DISTRIBUTIONCIRCUIT DE DISTRIBUTION
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 39
CIRCUIT DE DISTRIBUTIONCIRCUIT DE DISTRIBUTION
50 cm
50cm
connecteur dentre
niveau antenne
niveau masse
suprieure
cble coaxialmasse infrieure
substrat Durod 3 mm
sorties
Circuit bi-bande 1 entre / 5 sorties en phase avec pondration damplitude
Optimisation laide du logiciel circuit HP ADS et Momentum
REALISATION ET MESURESREALISATION ET MESURES
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REALISATION ET MESURESREALISATION ET MESURES
Plan phi=0
GSM GSM
DCS DCS
Plan phi=90
Gain max :12.77 dB
Gain max :10.89 dB
33 35
43 48
simulationmesure
simulationmesure
CAPTEURS DE RECEPTIONCAPTEURS DE RECEPTION
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 41
CAPTEURS DE RECEPTIONCAPTEURS DE RECEPTION
Brin court-circuit
Brin en circuit ouvert
ubstrat Durod
Coaxial rigide
Plan rflecteur
Masse suprieure
But :But :dispositiondisposition
optimale de 5optimale de 5capteurscapteurs
indpendantsindpendantspour unepour unegoniomtriegoniomtrie
prciseprcise
Utilisation dun lment de base sur
dilectrique
MISE EN EVIDENCE DES COUPLAGESMISE EN EVIDENCE DES COUPLAGES
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 42
Simulations FDTD du couplage entre deuxSimulations FDTD du couplage entre deuxcapteurs parallles des distances variablescapteurs parallles des distances variables
Distance importanteDistance importante
ncessaire entre lesncessaire entre lescapteurs pourcapteurs pourpouvoir ngliger lepouvoir ngliger le
couplagecouplage
L
zx
O
y
MISE EN EVIDENCE DES COUPLAGESMISE EN EVIDENCE DES COUPLAGES
OPTIMISATION DE LA DISPOSITIONOPTIMISATION DE LA DISPOSITION
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 43
80 cm
Capteur 1
Capteur 2
Capteur 3
Capteur 4
Capteur 5
Choix de capteurs prochesChoix de capteurs proches
avec prise en compte desavec prise en compte descouplages complexescouplages complexes
tude de linfluence de latude de linfluence de la
taille du plan de masse sur lataille du plan de masse sur lagoniomtriegoniomtrie
Calculs des diagrammes deCalculs des diagrammes de
rayonnement obtenus avec ourayonnement obtenus avec ousans prsence des autressans prsence des autres
capteurscapteurs
OPTIMISATION DE LA DISPOSITIONOPTIMISATION DE LA DISPOSITION
REALISATION ET MESURESREALISATION ET MESURES
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Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 44
REALISATION ET MESURESREALISATION ET MESURES
GSM DCS
Phi=0 Phi=0
Phi=90 Phi=90
EXPERIMENTATIONSEXPERIMENTATIONS
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EXPERIMENTATIONSEXPERIMENTATIONS
Dtection avec une prcisiondu mtre carr en moins de
trois minutes.