Effet d'excitation l'antenne [7,5-28] G fet d'excitation l'antenne patch

Résumé – Nous nous intéressons dans ce travail à l’optimisationde l’antenne patch rectangulaire, et afin d’obtenir une conceptionprécise, nous avons opté pour la méthode de lignes detransmission, qui s'est avérée être un outil très utile et précispour l'analyse et la conception des structures patchs.Nous avons dans un premier temps, à l’instar de cette méthoded’analyse des antennes patchs, dimensionné l'antennerectangulaire (la largeur W, la longueur L, la largeur effective),nécessaire pour calculer les paramètres de rayonnements del’antenne dans une zone lointaine (coefficient de réflexion, lediagramme de rayonnement, le gain, le taux d’onde stationnaireTOS).Dans un deuxième temps, pour confirmer nos simulations, uneétude comparative est effectuée sur une autre antenne patch quirayonne dans la même bande de fréquence K.

Mots Clés : Antenne patch rectangulaire, Modèle de ligne detransmission, paramètres de rayonnements, Bande K.

I. INTRODUCTION

DEPUISles années soixante-dix, on constate un essor

considérable des micro-antennes ou antennes miniatures(patchs), favorisé par le progrès de la technologie micro-électronique dans le domaine de la miniaturisation et del’intégration électronique.

Dans les applications aéronautiques, aérospatiales etmilitaires où le faible volume, le faible poids, le faible coût,les hautes performances et la facilité de mise en œuvre sont lesprincipales exigences, les antennes faiblement profilées sontune nécessité.

Aujourd’hui, avec l’explosion des télécommunications, cescontraintes se retrouvent dans des applications commercialessans fil. Les antennes patchs ont été proposées pour répondre àces exigences. La décennie passée a été témoin d’un usagerapide de ces antennes en communication et en système radar.Elles ont reçu beaucoup d’attention ces dernières années, ettrouvent plusieurs applications dans une large gamme defréquence. Elles allient à la fois petite taille, simplicité, facilité

de fabrication et de mise en œuvre. En outre, elles s’adaptentfacilement aux surfaces planes et non planes et présentent unegrande robustesse lorsqu'elles sont montées sur des surfacesrigides. Elles sont également très performantes en termes derésonance, de polarisation, d’impédance d’entrée etdediagramme de rayonnement [1-6]. Les inconvénientsmajeurs des antennes patchs résident dans leur faible pureté depolarisation, une bande passante étroite qui est typiquement del'ordre de quelque pour cents [1, 7-13].

II. ETUDE THEORIQUE

Les paramètres caractérisant la ligne de notre antenne patch(figure 1) sont :

La permittivité relative du substrat. L’utilisation d’unsubstrat diélectrique de forte permittivité a pour effet deconcentrer le champ électromagnétique dans le substrat,réduisant ainsi le rayonnement ;

L’épaisseur h du substrat ;La largeur w du micro-ruban ;L’impédance caractéristique de la ligne dépend de w et h.

Fig.1. Paramètres d’une ligne micro-ruban

Effet d’excitation l’antenne patch dans la bande[7,5-28] GHz

* Youssef Rhazi, System and Telecommunications Engineering Decision Laboratory, IbnTofailUniversity Sciences Faculty of Kenitra, B.P. 133 – Morocco

E-mail: [email protected], MIN, Electrical Engineering Department, High School of Technology: ESTM

MoulayIsamil University, B. P 3103, Meknès – MoroccoE-mail: [email protected]

RajaaTouahani, System and Telecommunications Engineering Decision Laboratory,IbnTofailUniversity Sciences Faculty of Kenitra, B.P. 133 – Morocco

E-mail: [email protected]



I. INTRODUCTION






II. ETUDE THEORIQUE













I. INTRODUCTION






II. ETUDE THEORIQUE











La propagation du champ électromagnétique dans un milieudiélectrique homogène et isotrope compris entre deuxconducteurs infinis, se fait en mode TEM (théorie de la cavitérésonante : = =0). Dans le cas d’une structure micro-ruban, les composantes longitudinales et ne sont pasnulles, mais leurs amplitudes sont nettement plus petites quecelles des champs transverses et . De plus, les lignes dechamp subissent des réfractions à l’interface air-substrat. Lemode se propageant n’est plus rigoureusement TEM, il estalors dit quasi-TEM.

La propagation dans ces structures est caractérisée par unepermittivité effective et une impédance caractéristique .Les formules de Schneider [15] et de Hammerstad [16]donnent des expressions approchées de et avec uneprécision de l’ordre de 1% :≤ 1, ≈ + + 0,04 1 −= +≥ 1, ≈ +

= ℎ + 1,393 + 0,667ln ℎ + 1,444D’autre part, l’épaisseur e du patch conducteur modifie

légèrement la répartition des champs et les caractéristiqueset de la ligne micro-ruban. Pour tenir compte de cet effet,on introduit dans les relations de Schneider une largeuréquivalente du ruban , qui est légèrement plus grande quesa largeur réelle w [17] : = + ∆avec : ∆ = 0.412 ℎ . ( . ). ( . )

Dans le modèle de la ligne de transmission, une antennepatch rectangulaire peut être modélisée par deux fentesrayonnantes (figure 2) de longueur W et de largeur h (largueurdu substrat).

Fig.2. Coordonnées de la fente rayonnante

La ligne d’alimentation est représentée par une ligne de

transmission d’admittance caractéristiqueY .L’antenne patch est modélisée par une ligne de transmission

d’admittance caractéristique Y et de longueur L = λ/2.Les deux fentes parallèles, de longueur W et de largeur h

sont représentées par les admittances Y1 = G1 + jB1 et Y2 =G2 + jB2.

Fig.3. Modèle de la ligne de transmission

La théorie des lignes [18] donne les expressions desadmittances Y1 et Y2 des deux fentes, l’admittancecaractéristique du patch ainsi que la fréquence de résonance

du résonateur.Soient := = + = (1 + (1 − 0,636 ln( ℎ)))= √=avec =120 Ω l’impédance de l’air et le vecteur d’onde

dans l’air.Les modèles « semi-analytiques » sont utilisés dans la

mesure où ils nous permettent de préparer la modélisation :Pour une fréquence de fonctionnement définie, ils donnent unpré-dimensionnement de l’antenne, et des indications sur lesmoyens à mettre en œuvre pour l’adapter. Ils ne permettentpas de prévoir, sinon de façon très approximative, les gains etles diagrammes de rayonnement.

Après avoir donné les relations sur lesquelles sont baséesles méthodes de lignes de transmission, nous passons auxcalculs des différents paramètres de dimensionnement del’antenne patch dans la partie suivante.

III. MODELISATION DE L’ANTENNE

Dans cette section, nous introduisons en détail la procédurede simulation et de dimensionnement de l’antenne patch. Noustenons à rappeler que la bande de fréquence utilisée dansl’étude des antennes considérées est [7.5 -25] GHz. Lesrésultats de simulation et l’effet des paramètres physiques surles caractéristiques des antennes patchs seront analysés par lasuite.Les trois paramètres essentiels de l’antenne patchrectangulaire sont :

La fréquence d’opération =15,95 GHz.Le substrat en Arlon DiClad 880 ( ε = 2.2).Pour la conception, la méthode d’analyse utilisée est cellede la théorie de ligne de transmission.Etape 1 : calcul de la largeur W de l’antenne patchLa largeur W de l’antenne patch rectangulaire donnée par :







































= (ε )W≅7,46 mmEtape 2 : calcul de la constante effective diélectrique de

l’antenne patch= + 1 + 12≅ 2.044Etape 3 : calcul de la longueur effective de l’antenne patch=≅ 6.62Etape 4: calcul de Δ

Δ = 0.412ℎ ( . ) .( . ) .Δ ≅ 0.26

Etape 5 : calcul de la longueur L de l’antenne patchL= − 2Δ≅6.1Etape 6 : calcul de la dimension du plan de masse ( )Le modèle de ligne de transmission est applicable

seulement pour un plan de masse infini. Mais pratiquement onutilise un plan de masse fini avec des valeurs précises. Onmontreque[8]:= 6ℎ += 6ℎ +

A. Choix du type de l’alimentation de l’antennepatch rectangulaire

Dans cette section, nous présentons une étude comparativesur l’effet du type de l’excitation sur les performances del’antenne patch rectangulaire. Cette étude nous permettra dechoisir la meilleure méthode d’alimentation. Les méthodesque nous avons utilisées dans les tests de simulation sont lessuivantes : coaxial feed, edgefeed et insetfeed.

Les tableaux 1 et 2 regroupent respectivement les propriétésdes matériaux et les paramètres de l’antenne patch.

La figure 9 illustre, les trois types d’excitation de l’antennepatch rectangulaire.

Matériaux ParamètresPlan de masse /Patch/ Micro-ruban : Cuivre (Cu)Substrat: ArlonDiClad 880 ™

σ = 5,7 107 S/m

εr = 2,2 ; tan δ = 0,0009

Tab.1 Propriétés des matériaux

Elément Aire (mm×mm)Substrat 14.2×25.78

Plan de masse 14.2×25.78

Patch, W × L 7.43×6.05

Tab.2 Paramètres de l’antenne

Fig.4: a- Edge feed rectangular patch antennab- Inset feed rectangular patch antennac- Probe feed rectangular patch antenna

La figure 5, présente la variation du coefficient de réflexionS11 à l’entrée de l’antenne en fonction de la fréquence pourles trois types d’alimentation utilisés. Nous relevons cette foisune adaptation de -16 dB, -13.46 dB et -10.92 dB pourl’antenne patch excitée par Insetfeed, câble coaxial etEdgefeed respectivement.

Fig.5: Coefficient de réflexion S11 de l’antenne patch rectangulaire, enfonction de la fréquence pour les trois types d’excitation

Les résultats de simulation de l’antenne patch rectangulaireexcitée par les trois techniques d’excitation dans la bande Ksont donnés par le tableau 3.

L’analyse des résultats de simulation regroupés dans letableau 4, amène au constat suivant : La meilleure façond’exciter une antenne patch rectangulaire est d’utiliser latechnique d’alimentation par ligne micro-ruban (Insetfeed).Cette technique présente des performances considérables encomparaison aux autres techniques d’alimentation utilisées. Eneffet, le type d’alimentation par Insetfeed permet d’obtenir ungain maximal (7.96 dB) et un coefficient de réflexion minimal(-16 dB).

Typed’excitation

Fréquenced’opération

(Ghz)

Fréquencede

résonance(Ghz)

Coefficient de

réflexion(dB)

Gain(dB)

Probe feed 15.95 15.42 -13.46 6.21Edgefeed 15.95 15.50 -10.92 5.74Inset feed 15.95 16.07 -16 7.96

Tabl.3 : Résultats de comparaison pour les trois types d’excitation del’antenne patch rectangulaire

La figure 6 donne les différentes valeurs des paramètres del’antenne conçue par Ansoft HFSS antenna Design Kit :

Fig.6 : Paramètres et schéma de l’antenne patch rectangulaire

B. Coefficient de réflexion

La figure 8 présente la variation du coefficient de réflexionS11 à l’entrée de l’antenne rectangulaire en fonction de lafréquence dans la bande [7.5-25] GHz. Nous remarquons uneadaptation de -16 dB pour la fréquence d’opération de 15.95GHz.

La bande passante d’antenne est de 260 MHz, soit unebande passante de 2 % pour un S11< -10 dB.

On rappelle que pour les antennes constituées d’élémentsrayonnants résonnants (dipôles demi –onde, antenne patch)qui ont une bande d’utilisation faible, on définit la largeur de

bande en pourcentage % comme suit : (%) = 100 ∗où est la fréquence centrale d’utilisation pour laquelle

l’antenne est conçue.et sont les fréquences limites supérieures et inférieures.

Les dimensions de notre antenne patch rectangulairecalculées par l’utilisation des équations de la méthode deslignes de transmission sont de w=7.46 mm, L= 6.05 mm et laconstante diélectrique relative du substratε = 2.2 .

Pour confirmer nos simulations, une étude comparative esteffectuée sur une antenne patch [19]. Lesrésultatssontillustréssur la figure 9.

Fig.7: Coefficient de réflexion S11, en fonction de la fréquence

Nous remarquons qu’il y a une similitude entre nos résultats(figure 7) et ceux de la figure 8 publiées dans la littérature[19].

Figure 8 : Coefficient de réflexion S11, en fonction de la fréquence del’antenne proposée par [19]

C. Impédanced’entréeLa figure 10 présente le lieu du coefficient de réflexion S11

dans la bande [7.5 - 25] GHz. L’impédance est de 35.5 Ohm àla fréquence de résonnance de 16.07 GHz.

Fig.9 : Evolution du coefficient de réflexion dans l’abaque de Smith

a) Le taux d’ondes stationnaires (TOS)La figure 11 montre les valeurs du taux d’ondes

stationnaires (TOS : désadaptation de l’antenne par rapportaux systèmes d’émission et / ou de réception) calculées enfonction de la fréquence. La figure montre que la bande defréquences d’intérêt est de 15.95 à 16.2305 GHz. Le TOS del’antenne est approximativement inférieur à 2 dans cettebande, ce qui correspond à une largeur de bande d’environ2%.

7.50 10.00 12.50 15.00 17.50 20.00 22.50 25.00Freq [GHz]

-16.00

-14.00

-12.00

-10.00

-8.00

-6.00

-4.00

-2.00

0.00

dB(S

t(1,1

))

Patch_Antenna_ADKv1Return Loss ANSOFT

m2m1

Curve InfodB(St(1,1))

Setup1 : Sw eep1

Name X Ym1 15.9519 -10.0086m2 16.2187 -10.0001



















7.50 10.00 12.50 15.00 17.50 20.00 22.50 25.00Freq [GHz]

-16.00

-14.00

-12.00

-10.00

-8.00

-6.00

-4.00

-2.00

0.00

dB(S

t(1,1

))

Patch_Antenna_ADKv1Return Loss ANSOFT

m2m1

Curve InfodB(St(1,1))

Setup1 : Sw eep1

Name X Ym1 15.9519 -10.0086m2 16.2187 -10.0001

5.002.001.000.500.200.00

5.00

-5.00

2.00

-2.00

1.00

-1.00

0.50

-0.50

0.20

-0.20

0.00 0

10

20

30

40

50

6070

8090100110

120

130

140

150

160

170

180

-170

-160

-150

-140

-130

-120-110

-100 -90 -80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

Patch_Antenna_ADKv1Input Impedance ANSOFT

m1

m2

m3

m4

Curve InfoS11

Setup1 : Sw eep1

Name Freq Ang Mag RXm1 23.9250 -53.8677 0.6818 0.8098 - 1.6667im2 7.9750 23.0023 0.9866 0.1693 + 4.9090im3 16.0702 -178.1830 0.1721 0.7065 - 0.0079im4 15.9901 154.5582 0.2621 0.6039 + 0.1460i

15.55 15.80 16.05 16.30 16.55 16.70Freq [GHz]

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

20.00

VS

WR

t(p

atc

h_

T1

)

Patch_Antenna_ADKv1XY Plot 9 ANSOFT

m1m2 m3

Curve InfoVSWRt(patch_T1)

Setup1 : Sw eep1

Name X Ym1 16.0702 1.4156m2 15.9500 1.9896m3 16.2305 2.0206



















5.002.001.000.500.200.00

5.00

-5.00

2.00

-2.00

1.00

-1.00

0.50

-0.50

0.20

-0.20

0.00 0

10

20

30

40

50

6070

8090100110

120

130

140

150

160

170

180

-170

-160

-150

-140

-130

-120-110

-100 -90 -80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

Patch_Antenna_ADKv1Input Impedance ANSOFT

m1

m2

m3

m4

Curve InfoS11

Setup1 : Sw eep1

Name Freq Ang Mag RXm1 23.9250 -53.8677 0.6818 0.8098 - 1.6667im2 7.9750 23.0023 0.9866 0.1693 + 4.9090im3 16.0702 -178.1830 0.1721 0.7065 - 0.0079im4 15.9901 154.5582 0.2621 0.6039 + 0.1460i

15.55 15.80 16.05 16.30 16.55 16.70Freq [GHz]

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

20.00

VS

WR

t(p

atc

h_

T1

)

Patch_Antenna_ADKv1XY Plot 9 ANSOFT

m1m2 m3

Curve InfoVSWRt(patch_T1)

Setup1 : Sw eep1

Name X Ym1 16.0702 1.4156m2 15.9500 1.9896m3 16.2305 2.0206

Fig.10 : Les valeurs du taux d’ondes stationnaires

D. Le gain 2D

La figure 11 montre le gain de la structure totale dans leplan H et E (ϕ= 0° et ϕ= 90°).

Une représentation du rayonnement en trois dimensions estmontrée par la figure 18. Le gain maximal estinférieur à 10dB.

Fig.11 : Le diagramme de rayonnement simulé (f = 15.95GHz)

La figure (12) représente le diagramme de rayonnementd’antenne en 3D. On constate que la valeur maximale duchamp total est de 7.96 dB.

Fig.12 : Rayonnement de l’antenne patch en trois dimensions (f = 15.95GHz)

Les diagrammes de rayonnement (gain), sont présentés surtoute la bande. Le rayonnement maximal n’est pas à l’horizonparce que nous avons un plan de masse fini. Le rayonnementest satisfaisant de 15.95 GHz à 16.2305 GHz. Au-delà de16.2305 GHz, le gain de l’antenne chute rapidement à causedes pertes par désadaptation. L’ensemble desrésultatsestplutôtsatisfaisant.

E. Le diagramme de rayonnement

La technique de simulation utilisée afin de calculer lechamp électromagnétique tridimensionnel à l’intérieur d’unestructure est basée sur la méthode des éléments finis (FEM).Le principe de la méthode utilisée consiste à diviser l’espaced’étude en un grand nombre de petites régions (tétraèdres),puis à calculer localement le champ électromagnétique danschaque élément.

La valeur d'un vecteur champ à un point à l'intérieur d'untétraèdre est interpolée à partir des valeurs de champscalculées aux sommets de celui-ci. En effet, à chaque coin, lescomposantes du champ, tangentielles aux côtés du tétraèdre,ainsi que les composantes tangentielles aux surfaces de celui-ci tout en étant normales aux centres des côtes, sont calculéeset sauvegardées par HFSS, ces valeurs sont appelées valeursnodales.

Pour simuler le champ lointain sous HFSS, il faut définir un

volume contenant les éléments rayonnants. Les limites de cevolume doivent être distantes des éléments d'une distancecomprise entre λ/4 et 10λ [7].

Le diagramme de rayonnement décrit la répartition spatialede la puissance émise par l'antenne. Les figures (14) et (15)présentent les diagrammes de rayonnement en zone lointainede l'antenne, en représentant le module de champ E (φ=0° et90°), pour un patch alimenté avec une ligne micro-ruban.Cette ligne entraîne une déformation du diagramme, ce quiinduit une distribution non uniforme du champ.

Fig.13: Diagramme de rayonnement (phi = 0°)

Fig.14: Diagramme de rayonnement (phi = 90°)F. La cartographie du champ

La distribution du champ électrique figure 15 et du champmagnétique figure 16 sur la ligne et le patch illustre lacartographie de champ dans l’antenne. On observe d’une partque, le champ E est concentré au niveau des bords (maximalsur les arêtes de la ligne et du patch), et d’autre part, onconstate une absence du champ E au centre du patch, ce quicorrespond à la théorie.

Fig.15 : Distribution du champ E sur le patch

-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00Theta [deg]

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

5.00

10.00

Y1

Patch_Antenna_ADKv1ff_2D_GainTotal ANSOFT

Curve InfodB(GainTotal)

Setup1 : LastAdaptiveFreq='15.95GHz' Phi='0deg'

dB(GainTotal)_1Setup1 : LastAdaptiveFreq='15.95GHz' Phi='90deg'

-10.00

-5.00

0.00

5.00

90

60

30

0

-30

-60

-90

-120

-150

-180

150

120

Patch_Antenna_ADKv1Radiation Pattern 5 ANSOFT

Curve Infomax(dB(GainTotal))

Setup1 : LastAdaptiveFreq='15.95GHz'

-22.00

-14.00

-6.00

2.00

90

60

30

0

-30

-60

-90

-120

-150

-180

150

120

Patch_Antenna_ADKv1Radiation Pattern 6 ANSOFT

Curve Infomax(dB(GainTotal))

Setup1 : LastAdaptiveFreq='15.95GHz'

Fig.16 : Distribution du champ H sur le patch

La figure 17 montre que pour la fréquence de résonance del’antenne, les courants sont majoritairement concentrés sur leplan la masse.D’après la théorie de la ligne de transmission,on dit que l’antenne se comporte comme un circuit résonantsérie liéà la self du ruban d’alimentation et à la capacitéformée par la fente. L’introduction du ruban de masseéquivaut à la mise en parallèle d’une self inductance et d’unefente capacitive.

Fig.18 : Cartographie des courants à la surface du patch et de son circuitd'alimentation

VI. CONCLUSIONLa technique d’alimentation la plus coûteuse et la plus aisée àréaliser est l’excitation par ligne micro-ruban (InsetFeed). Ensus, ce type d’alimentation des antennes patchs permet unemeilleure adaptation d’impédance. En vertu de cesconstatations, l’ensemble de tests de simulation que nousavons effectués dans la bande K a été fait via la techniqued’alimentation en question.Nous avons détaillé les étapes nécessaires à la mise au pointd’une méthode de calcul et de dimensionnement permettant desimuler différents problèmes électromagnétiques pour laforme rectangulaire. Nous avons utilisé le modèle de ligne detransmission pour le dimensionnement de la formerectangulaire d’antenne patch.

REFERENCES

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Effet d'excitation l'antenne [7,5-28] G fet d'excitation l'antenne patch