Initiation la simulation dantennes

4GE3 2013/14

Initiation la simulation dantennesCompte rendu de TD, sances machine4GE3 2014

SOMMAIRE

TD4: Initiation la simulation dantennes3Introduction et Paramtres communs3Antenne symtrique courte3Antenne demi-onde5Antenne diple sur mode suprieur7Antenne monople sur plan de masse9Antenne diple sur plan rflecteur10Antenne tourniquet11TD3: Station de base GSM: Partie pratique12Etude pratique: groupements dantennes filaires12Antenne /212Alignement vertical 2 antennes.13Resistance de rayonnement et gain relatif16Alignement vertical de n antennes17Diple /2 avec an rflecteur18Fonction caractristique18Antenne GSM19

TD4: Initiation la simulation dantennes

Introduction et Paramtres communsNous allons utiliser le logiciel EZNEC pour revoir les principes de fonctionnement dantennes filaires de base.Pour crer une structure filaire, on va dabord choisir une frquence (900 MHz). Pour plus de facilit, on peut choisir de donner toutes les longueurs en fraction de longueur donde (dans Units).

Figure 1 Configuration dEZNECAntenne symtrique courte

Dabord, on modlise une antenne /10 pour visualiser les courants, limpdance dentre et le diagramme de rayonnement.

Figure 2 Configuration de la longueur de lantenne /10

Figure 3 Configuration de la source de lantenne /10

Figure 4 Antenne /10

Figure 5 Courants (Antenne /10)

Figure 6 Donns de l'antenne /10

Figure 7 Diagramme de rayonnement 2D (Elevation) de l'antenne /10En ce qui concerne les courants, on peut visualiser ces valeurs dans la Figure 5. Limpdance dentre on la visualise dans la Figure 6 avec une valeur de 1,951 J 1469. Ceci dit, on peut conclure que lantenne /10 nest pas adapte.

En ce qui concerne le gain de lantenne, on observe dans la quon a un gain maximal de 1,77 dBi.

Figure 8 Diagramme de rayonnement 3D de l'antenne /10Le type de gain donn par ce logiciel est le gain maximal de lantenne en indiquant la directivit.

Antenne demi-onde

On va maintenant sintresser une antenne de taille /2, en fil galement trs fin. Ensuite on peut regarder les rsultats en termes de courants, dimpdances et de diagramme de rayonnement.

Figure 9 Configuration de la longueur de lantenne /2

Figure 10 Courants (Antenne /2)

Figure 11 Donns de l'antenne /2

Figure 12 Antenne /2

Pour un diamtre de .242 mm (7,2605x10-4 wl) on peut visualiser les valeurs de courant dans la Figure 10 et limpdance dentre, observe dans la Figure 11, possde une valeur de Z=89.29 + J46.51, donc pas adapte et pas si loin de la valeur thorique Z=73 J42.5. Valeur quon peut atteindre si lon diminue un peu la taille de lantenne. Et dans la Figure 13 et la Figure 14 on observe, respectivement, le diagramme de rayonnement et le gain maximal = 2,17 dBi, et le diagramme de rayonnement 3D.

Figure 13 Diagramme de rayonnement 2D (Elevation) de l'antenne /10Figure 14 Diagramme de rayonnement 3D de l'antenne /2Ensuite on tudie linfluence dune variation du diamtre du fil et linfluence du placement de point dalimentation. Aprs avoir essaye avec diffrents configurations, on arrive a la conclusion suivante, ces deux types de changes provoquent principalement des changes en limpdance dentre de lantenne.

En augmentant le diamtre, on obtient des valeurs plus loin dtre adaptes, par contre, si lon diminue le diamtre, on sapproche plus a la valeur thorique. De la mme manire, si on positionne le point dalimentation au centre, on est plus proche davoir une valeur dimpdance qui soit adapte.

Dans la pratique, on utilise des diples lgrement infrieurs la demi-longueur donde car, comme on a vue avant, cela provoque une diminution de limpdance qui permette lantenne dtre plus adapte en liminant la partie complexe, et par consquence, en sapprochant plus avoir un SWR proche a 1.

Antenne diple sur mode suprieur

Antenne

Figure 15 Diagramme de rayonnement 2D (Elevation) de l'antenne

Figure 16 Diagramme de rayonnement 3D de l'antenne

Figure 17 Diagramme de rayonnement 2D (Elevation de l'antenne 2Antenne 2

Figure 18 Diagramme de rayonnement 3D de l'antenne 2

Antenne 3

Figure 19 Diagramme de rayonnement 2D (Elevation de l'antenne 3Figure 20 Diagramme de rayonnement 3D de l'antenne 3

Antenne monople sur plan de masse

On va simuler un monople quart donde sur plan de masse. Vrifiez la rpartition du courant et les caractristiques de rayonnement.

Figure 21 Courants (quart donde sur plan de masse)Figure 20 Caractristiques de rayonnement (quart donde sur plan de masse)

Figure 22 Donns (quart donde sur plan de masse)Figure 24 Donns (quart donde sur plan de masse)Figure 24 Donns (quart donde sur plan de masse)

En regardant la Figure 22 on sa rendu compte que lantenne est dsadapte. Cela, on peut le corriger en plaant une charge complexe de valeur Z=-J23.59. Aprs avoir simul avec la charge on constate que le gain reste gal, parce que le gain nest pas en fonction de la partie complexe de limpense, au contraire, le gain est nest que en fonction de la partie rel.Par contre, quand on ajoute la charge complexe on amliore le SWR. On pourrait arriver 1 en ajoutant une partie relle la charge, mais cela, modifierait le gain.

Antenne diple sur plan rflecteur

Figure 24 Diagramme de rayonnement dune antenne /2 avec plan rflecteur et une d de /4 Si on utilise le plan infini comme plan rflecteur pour un diple, visualisez linfluence pour diffrents modes de fonctionnements des hauteurs de /4 et /2.Figure 23 Diagramme de rayonnement dune antenne /2 avec plan rflecteur et une d de /4

Normalement quand on a un diple sur un plan rflecteur et on change lhauteur on augmente ou on diminue louverture de lantenne. Cela on peut le voir pour le cas de hauteur de /4 et pour des valeurs inferieures. Pour le cas de /2 on observe un comportement diffrent qui prsente deux lobes principales orientes a 45.

Antenne tourniquet

Modlisez deux diples perpendiculaires en espace libre. Quelle forme de diagramme obtient-on?

Figure 25 Diagramme de rayonnement de deux antennes perpendiculaires

En regardant le diagramme de rayonnement et en rflchissant sur ce quon a vu dans le TP dantennes, on peut conclure quon a obtenu une polarisation circulaire.

TD3: Station de base GSM: Partie pratique

Etude pratique: groupements dantennes filaires

Antenne /2

A laide du logiciel NEC, on a trace une antenne /2. On trouve que limpdance de lantenne est de Z=76.94 J43.69 avec un SWR (systme de 50 ohms) est de 2.238. On peut conclure que lantenne nest pas adapte.Maintenant, pour obtenir une adaptation quasi-parfaite, il faut diminuer lgrement la taille de lantenne.Si lon diminue la taille de lantenne 49/100 on arrive obtenir une impdance avec moins composante imaginaire, et un SWR plus proche 1, donc, plus adapte. Cela on lillustre dans la Figure 26 et la Figure 27.Le nombre dlments finis utiliss pour modliser cette antenne impacte directement ladaptation de lantenne. On a trouve que, en rduisant le nombre dlments finis, on sapproche plus a avoir une antenne adapte.

Figure 26 Taille de l'antenne

Figure 27 Donnes de l'antenne

Alignement vertical 2 antennes.

Soit 2 antennes demi ondes, alignes verticalement, alimentes par des courant damplitude identique, dphases de :

a- A laide du logiciel, tracez la directivit dans le plan yOz, pour un dphasage de courant nul et un cart h gal 0.6

Figure 28 2 AntennesFigure 29 Directivit G 2,h ()

Dans le diagramme de rayonnement on peut observer quil ya des lobes secondaires mais, par rapport aux lobes principales () sont de gain trs faible.

b- Mettez en vidence linfluence de la phase des courants sur la fonction caractristique. Vous tracerez la fonction caractristique pour 2 valeurs de dphasage: -30 et -45. Mettez en vidence lintrt de pouvoir jouer sur ce paramtre de phase et comparez le diagramme de rayonnement ce quon obtiendrait en inclinant lantenne.

En prenant en compte les diagrammes de rayonnement avec un dphasage de -30 (Figure 30) et celui avec le dphasage de -45 (Figure 31) on peut conclure que lintrt de pouvoir jouer sur ce paramtre de phase ce dorienter le lobe principale vers une direction spcifique, dans ce cas en spcifique, on donne une inclination au lobe principal, on loriente un peu vers lhaut. On peut voir aussi, comme un lobe secondaire disparaitre et lautre augmente son gain, mas par rapport au lobe principal reste trs faible.

Figure 30 Directivit G 2,h () ( =-30)

Figure 31 Directivit G 2,h () ( =-45)

En inclinant lantenne on ne peut pas obtenir le mme rsultat et cela est dmontre dans la Figure 33. En utilisant le dphasage on observe que le lobe principal soriente toujours vers lhaut, et en inclinant lantenne, il ya une partie du lobe principale qui est oriente vers lhaut, et lautre oriente vers le bas.

En ce qui concerne les lobes secondaires, ils sont toujours prsents, et ils changent le mme angle dorientation que le lobe principale.

Figure 33 Directivit G 2,h () (avec inclination)

Figure 32 2 Antennes avec inclination

Resistance de rayonnement et gain relatif

A partir de la mesure de limpdance des antennes avec le logiciel NEC, tracez limpdance Z12, en fonction de la hauteur h pour un dphasage lectrique de 0 et -35.Pour = 0hRelImag

0.5-2447

0.6-0.10.19

0.80.03-0.03

1-0.010.01

200

400

Pour = -35

hRelImag

0.6-6.35-19.23

0.8-9.031.25

1-0.65.36

2-0.051.22

40.010.29

On observe que limpdance mutuelle est plus faible si on a des valeurs grandes de h, car cela veut dire que les impdances ne sont pas couples. Et mme si on ajoute le dphasage, on trouve des valeurs similaires, car le couplage dimpdances est en fonction de lcart h, et pas en fonction du dphasage des courantes de chaque diple.

Alignement vertical de n antennes

Raliser avec le logiciel NEC un alignement de 4 antennes. Quel dphasage doit-on appliquer pour que lon obtienne un tilt de 10?

Figure 34 Alignement de 4 antennes

Figure 36 Diagramme de rayonnement avec un tilt de 10Figure 35 Dphasages de courant

Aprs avoir ralis la simulation on est arriv la conclusion que pour avoir un tilt de 10 (Figure 36) on devait mettre les dphasages montres dans la Figure 35.

Diple /2 avec an rflecteur

On reprend maintenant lantenne obtenue avec 4 diples, et le plan rflecteur.Fonction caractristique

On cherche la fonction caractristique de cette antenne. Raliser avec NEC le calcul du gain du diple associ au plan rflecteur. Dterminez la valeur de la distance d au plan qui permette dobtenir une ouverture de 120.

Figure 37 Diagramme de rayonnement de l'antenne avec 4 diples associ un plan rflecteur

Aprs avoir ralis des essais, on a trouve que pour une valeur de d = .25 on arrive avoir une ouverture de 120. Le gain du diple associ un plan rflecteur est de 11.95 dBi.

Antenne GSM

A laide des observations que vous avez effectues prcdemment, raliser une antenne qui prsente les caractristiques dune antenne GSM.En prenant les donns du sujet de TD, les antennes prsentes sur les stations de base GSM prsentent les caractristiques suivantes: Ouverture a -3dB:120 Gain max:12dBi Lobes secondaires de Gain < 0dBi Tilt:10 SWR sur 75 Ohms:< 2 Figure 38 Diagramme de rayonnement de l'antenne GSMBP: 880-960 MHz

En regardant les caractristiques demandes pour une antenne GSM et celles de lantenne quon avait fait dans la partie davant, on sa rendu compte quil fallait seulement ajouter le tilt et le SWR < 2 car on avait dj le Gain de 12 dB et louverture a -3dB de 120. On a ajout seulement un dphasage de 40 entre les courants de chaque diple et on a ajout le tilt de 10

Quelle adaptation avez-vous ralise pour obtenir SWR < 2?Il faut rgler la taille des antennes, comme dans la premire partie de simulation du TD3. Cette fois on a rduit la taille de lantenne .47 pour obtenir un SWR < 2.Observez comment volue le SWR sur toute la bande GSM.

Figure 39 SWR sur la bande GSMDans la Figure 39 on observe le SWR =2.07 la frquence de 900 MHz. On peut constater que le SWR augmente si la frquence augmente et il varie entre les 1.91 et 3.65.1