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SETIT 20074

thInternational Conference: Sciences of Electronic,

Technologies of Information and TelecommunicationsMarch 25-29, 2007 TUNISIA

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Contribution ltude de diagramme de rayonnement

Dune antenne rseaux alimente par une nouvelle

Architecture de matrice de Butler

TRAII Mbarek, GHAYOULA Ridha, GHARSALLAH Ali

Laboratoire d`lectronique, Facult des sciences de Tunis.

Elmanar2092 Tunis, Tunisie.

traii_moncef@yahoo.fr

ridha_ghayoula_fst@yahoo.fr

ali.gharsallah@fst.rnu.tn

Rsume:Une simulation de la matrice de Butler sans rseau dantennes a t faite afin dobtenir les pondrations enamplitude et en phase qui doivent tre distribues chaque lment rayonnant et dterminer le diagramme derayonnement. Ensuite, nous procderons une simulation globale de la matrice avec son rseau dantennes pour

calculer les paramtres S de rflexion et disolation des voies dentre et voir une approche de diagramme derayonnement de la totalit de matrice.

Mots Cls:faisceaux axial, matrice de Butler, rpartiteur de faisceaux, simulation avec Momentum.

INTRODUCTION

Dans les systmes antennaires traditionnels, lestransmissions omnidirectionnelles de radio frquence

(RF) sont soumises aux interfrences et donc unequalit plutt mdiocre. En effet, ce type de couverture

est ncessaire car lemplacement de lutilisateur estinconnu. Ce type de transmission a pour consquencede polluer lenvironnement lectromagntique enrayonnant de la puissance dans des directions inutiles.

Les systmes dantennes intelligents dterminentlemplacement dun utilisateur et essaient de concentrer

et de recevoir lnergie seulement dans les directionssouhaitables et donc un rayonnement plus directif. Ceconcept existe dj depuis de nombreuses annes dans

le domaine de la dfense, mais jusqu rcemment cesont des barrires de cots qui ont empch son emploidans des systmes grand public.

Les quipementiers de rseaux sans fil offrent deuxapproches gnrales: des rseaux dantennes faisceaux commutables et des rseaux dantennesadapts.

Ces deux systmes essaient daccrotre le gain selonlemplacement de lutilisateur, cependant seul le

systme adaptatif propose un gain optimal tout enminimisant les signaux dinterfrences.Ce travail consiste tudier la faisabilit dans ledomaine millimtrique de rpartiteurs de faisceaux [2]

faibles cots pouvant faire lobjet par exemple duneintgration dans un systmeLMDS.

1. Les Matrices de Butler

1.1. Etude des coupleurs

Les coupleurs sont des dispositifs permettant auxsorties de recueillir une puissance proportionnelle

l'entre. Ce sont des dispositifs 4 ports dont l'un estreferme sur son impdance caractristique. Lesgrandes classes de coupleurs directifs sont descoupleurs trous, les coupleurs par proximit et les

coupleurs junctions.

Parmi ceux-ci, on distingue les coupleurs en chelle

que nous tudierons et les coupleurs en anneau. Le

coupleur hybride se compose de quatre ports (voirfigure 1). Mais pour assurer le bon fonctionnement ducircuit il faut isoler le port 2 en y plaant une rsistance

de 50 que lon relie la masse.

Figure 1. Schma de coupleur Hybride.

.

.

.

.

Port 1

Port 2

Port 4

Port 3

4

4

50

Z02

0Z

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1.1.1. Analyse du coupleur 3dB, 90 troisbranches

Les largeurs des lignes ncessaires pour lamodlisation de ce coupleur sont les suivantes :

W50

=1320m, L50

= 3877mW60= 940m, L60= 4375m

W112= 245m, L112= 4375m

Ces valeurs sont optimises pour avoir une bande assezlarge et des accs parfaitement adapts[3].

Figure 2. Structure maille du coupleur hybride

(3dB, 90) 3branches sous MOMENTUM.

Figure 2.Structure maille du coupleur hybride (3dB,

90) 3 branches sous MOMENTUM.

Les rsultats de simulation lectromagntiques(Paramtres S en amplitude et en phase) sont illustrsdans les figures ci-dessous:

Figure 3. Les paramtres Sijen amplitude du coupleur(3dB, 90) 3 branches en fonction de la frquence.

Figure 4. Les paramtres Sij en phase du coupleur(3dB, 90) 3 branches en fonction de la frquence.

Ces rsultats montrent une quiamplitude entre lesdeux ports coupls 3 et 4, entre 11.5 et 12.5 GHz. Lcart

entre les deux voies sur cette bande est infrieur 0.1dB.La diffrence en terme damplitude entre la voie coupleet directe du coupleur reste tolrable entre 11 et 13 GHz.En dehors de cette bande, nous avons une dgradation dufonctionnement du coupleur.

Le niveau nest pas tout fait de -3dB mais plutt de

-3.094 dB du fait des pertes dilectriques et mtalliquesdues au substrat et au cuivre [4]. On peut noter quon aune symtrie au niveau des amplitudes de la sortie. Onpeut remarquer que les pertes dans ce coupleur sont trsfaibles (0.094dB), sachant que le coupleur deuxbranches avait 0.504dB de pertes.

Sur cette mme bande de frquence, le coefficient derflexion au niveau du port 1 est infrieur -30dB, doncune trs bonne adaptation. Le port 2 est compltementisol puisque S21est aux alentours de -35 dB. La bande -10dB est trs large, donc il ny aura pas des pertes due

aux dsadaptations.En terme de phase, les signaux de sortie sur les ports3 et 4 sont en quasi quadrature de phase. Lcart de phaseest de 89 la frquence 12 GHz.

1.1.2. Les dphaseurs fixes

Le terme fixe est utilis pour parler des dphaseurspassifs en technologie planaire ; cest--dire les lignes detransmission retard de phase.Alors, Pour crer un retard de phase avec une lignemicroruban par rapport une autre, il suffit dajouter unelongueur de ligne supplmentaire L de telle manire

que :

L =

.

g/360.

1.1.3. Etude des coupleurs 0dB six branches

Le coupleur 0dB 6 branches est lagencement dedeux coupleurs (3dB, 90) 3 branches mis bout bout.

Le seul paramtre optimiser est donc la distance entreceux-ci.Ce coupleur est trs utile dans la construction desmatrices de rpartition car il remplace les croisementsentre deux lignes. Son schma est donn dans la figure 5.

Figure 5. Structure maille du coupleur 0dB 6branches sous MOMENTUM.

Les rsultats de la simulation lectromagntique ducoupleur 0dB, aprs optimisation, sont les suivantes.

11 12 1310 14

-30

-20

-10

-40

0

freq, GHz

dB(S(1,1

))

dB(S(2,1

))

dB(S(3,1

))

dB(S(4,1

))

m1freq=12.00GHzphase(S(4,1))=58.12

m2freq=12.00GHzphase(S(3,1))=-31.13

1 0.5 1 1. 0 1 1.5 1 2.0 1 2. 5 1 3.0 1 3.510.0 14.0

-100

-50

0

50

100

-150

150

phase(S(4,1

))m1

p

ase

,

m2

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Figure 6. Paramtres de rflexion et disolation ducoupleur 0dB.

Les imperfections des composants de la matrice ontpour effet dappliquer un facteur multiplicatif, enforme (1+).ej, la matrice. Do un changement dans le

pointage des lobes principaux, et une rduction ou uneaugmentation des niveaux des lobes secondaires.Dans l`article suivant, nous simplifions la matrice 4x4afin dobtenir 3 faisceaux dont un dans laxe principal.Ensuite, elle sera modlise et simule.Pour cela, nous allons employer le logiciel hpADS,

incorporant MOMENTUM [1] utilisant la mthode desmoments finis, afin de dterminer les pondrations enamplitude et en phase de chaque lment rayonnant.

2. Simulation et optimisation

2.1 Rsultats des paramtres Sij correspondant lavoie 1L

Cette matrice emploie trois coupleurs trois branches,vus prcdemment, et deux coupleurs 0dB.La matrice totalement planaire [5,6] pourra donc tre

ralise avec un circuit monocouche. La matrice estsimule entirement sous le logiciel MOMENTUM sansrseau de patch est dcrite dans la figure 7.

Figure 7: Layout de la matrice de Butler sans rseauxdantenne.

Les rsultats de la simulation sont prsents sous

Forme des paramtres S en amplitude et en Phase.

Figure 8 : paramtres S en amplitude correspondant

lalimentation du voie dentre 1.

Figure 9 : Paramtres S en phase correspondant

lalimentation du voie dentre 1.

En sortie, le niveau damplitude est autour de -6.9dB surla bande [11.8Ghz ; 12.2Ghz]. On pourra considrer unequiamplitude sur les voies de sortie en exception de la

voie 7 qui prsente des pertes supplmentaires par rapportaux autres voies.A propos de la phase, la matrice gnre un gradient de

phase autour de 90 [7]. Ces pondrations en amplitude eten phase sur chaque lment rayonnant seront appliquessur le rseau dantennes pour que nous puissions dduirele diagramme de rayonnement correspondant.

3. Diagramme de rayonnement de la matricede Butler avec rseaux dantenne :

Figure 10 : Layout de la matrice de Butler avec sonrseau dantenne sur une structure monocouche.

11 12 1310 14

-30

-20

-10

-40

0

freq, GHz

dB(S(1,1

))

dB(S(3,1

))

11.5 12.0 12.511.0 13.0

0.5

0.0

1.0

freq, GHz

mag(S(1,1

))

mag(S(2,1

))

mag(S(3,1

))

11.5 12.0 12.511.0 13.0

-100

0

100

-200

200

freq, GHz

phase(S(1,1

))

phase(S(2,1

))

phase(S(3,1

))

1L 1R BS

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Pour fournir les diagrammes de rayonnementscorrespondant lalimentation de la voie 1L, 1R et BS(figure 11), un rseau dantennes linaires de quatre

lments carrs espacs de 0.6 0fonctionnant 12 Hz at employ. Ces diagrammes sont donns dans le plan H laide du simulateur lectromagntique MOMENTUMSous les figures suivantes :

Figure 11 : composantes principales et croises desfaisceaux forms dans le plan H et correspondantes lavoie 1L (a), 1R (b) et BS (c) simuls sousMOMENTUM 12 Hz.

3.1. Performances du faisceau axial BS :

Les rsultats de simulation (figure 11.c) prsententdes lobes secondaires plus levs (le premier lobesecondaire se situe -10dB contre un niveau -12dB dansle cas dapplication des pondrations sous PCAAD

Louverture mi-puissance reste inchange et gale 23.

Le dpointage est correct avec seulement un cart de 1de la valeur thorique.Le niveau de la polarisation croise reste infrieure -13dB.

3.2. Performances du faisceau 1L et 1R :

Ces deux faisceaux (figure 11 a, b) prsentent une lgre

dissymtrie notamment dans les lobes secondaires suiteaux diffrentes pondrations en amplitude appliques aurseau. Le faisceau 1L pointe -21 tandis que lautrefaisceau extrme 1R pointe 22, ce qui correspond auxvaleurs trouvs par analyse du rseau. Louverture mi-puissance est de 23 pour chacun des faisceaux extrmes,

ce qui entrane une couverture de 67.Le niveau de la polarisation croise est faible et resteinfrieur -18 dB, aussi pour les niveaux des lobessecondaires.

4. Conclusion

Une nouvelle procdure de conception dunematrice de Butler faisceau axial a t mise au point.Lobjectif est dtablir la faisabilit de cette nouvellearchitecture de matrice. Cest pourquoi, les diffrents

composants constituant la matrice (coupleurs (3dB, 90),dphaseurs et croisements) ont t tudis et simuls.Ainsi, la matrice a t simule dans sa totalit.La conception de la matrice a pu tre mis en oeuvregrce au logiciel bas sur la mthode des moments finis2D (MOMENTUM).Ensuite, une mise en rseau d'lments rayonnants a t

ncessaire pour que celui-ci soit reli au rpartiteur. Cettematrice avec son rseau plan de 4 sources lmentaires at simule dans sa totalit. Les diagrammes derayonnement montrent bien la prsence de trois faisceauxdont un dans laxe principal.Ce travail permet donc de dboucher sur des perspectives

dans un proche et lointain temps.Proche car maintenant, nous allons amliorer lesperformances de la matrice. Aussi, nous tudierons latechnique dalimentation du rseau plan par la matrice travers des fentes de couplage dans le but de simuler lamatrice par FDTD et extraire les diagrammes de

rayonnements du rseau sans les rayonnements parasitesde la matrice elle mme. Ensuite, une ralisation de lamatrice et de son rseau dantenne reste ncessaire pourvalider exprimentalement le concept de cette matrice etpour quantifier le degr derreur commis par les logicielsde simulation lectromagntique.

Lointain car enfin, il est trs possible de dvelopper et

amliorer le rendement de ces antennes multifaisceaux enintgrant des lments actifs. Aussi, concevoir et raliserle systme complet balayage lectronique en intgrantdes circuits de commutation RF susceptibles dinterveniren amont de la matrice.

REMERCIEMENT

Les auteurs voudraient remercier tout ceux qui ontnous aids dans la ralisation de ce travail.

(a)

(b)

(c)

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REFERENCES

Advanced Design System ADS 2004

C. DALLOMO,

Contribution ltude dantennes pointagelectronique en millimtrique. Conception et

ralisation de diffrentes topologies de Matrices deButler Thse de doctorat n42-2003 Universit deLimoges - soutenue en Novembre 2003.

G.L. MATTHAEI, L. YOUNG and E.M.T. JONES,"Microwave filters, impedance-matching networks, andcoupling structures",Mc Graw-Hill Book Company,

1964, pp. 809-813.

H. NOVAK et al:

A single layer 8x8 Butler matrix with patch antenna

MTTS European wireless 1998 Conf. Proc. AmsterdamOctober 1998.

J.Butler and R.Lowe. "Beam-Forming matrix simplifiesDesign of electrically M-scanned antennas "Electronic

Design, April 12 1961.

J.P.Shelton and R.Howe .Multiple Beams for LinearArrays.Ire Trans on Ant & Prop March1961 pp. 154-161.

R. BESANCON, Contribution ltude de rseaudantennes imprimes pointage lectronique.

Conception et ralisation de maquettes en bande C etKa Thse de doctorat n47-97 Universit deLimoges - Dcembre 1997