M slot Anetnna

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Une structure proposée ici est l’antenne large fente M possédant une alimentation en forme de rectangle, étudiée avec un plan de masse réduit.

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M slot Anetnna

  1. 1. Université Abdelmalek Essaâdi Ecole Nationale des Sciences Appliquées de TANGER Réalisé Par :  BELKADI Omayma Encadré Par :  Mr. EL OULKADI Ahmed Année Universitaire 2012 - 2013
  2. 2. Master Systèmes De Communication Et Informatique Table Des Matières INTRODUCTION ---------------------------------------------------------------------------------------------- 3 I. GENERALITES ------------------------------------------------------------------------------------------- 4 1. La technologie Ultra Large Bande (ULB) ----------------------------------------------------------------------------------- 4 2. Les antennes Imprimées ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 3. Alimentation des éléments rayonnants ------------------------------------------------------------------------------------ 6 II. STRUCTURE DE L’ANTENNE------------------------------------------------------------------------ 8 III. CALCULS THEORIQUES----------------------------------------------------------------------------- 11 1. Les Méthodes d’analyses -----------------------------------------------------------------------------------------------------11 2. Calcul des paramètres --------------------------------------------------------------------------------------------------------11 IV. SIMULATION SOUS CST ---------------------------------------------------------------------------- 14 Logiciel CST ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------14 2. Antenne Réalisée ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------14 3. Résultats -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------15 CONCLUSION ------------------------------------------------------------------------------------------------ 19 BIBLIOGRAPHIE --------------------------------------------------------------------------------------------- 20 BELKADI Omayma | Antenne Monopole Imprimée 1. 2
  3. 3. Master Systèmes De Communication Et Informatique Introduction Le concept des antennes imprimées est apparu dans les années 1950, mais il fallait attendre les années 1970 pour voir apparaître les premières réalisations qui seront essentiellement réservées à des applications militaires, et les années 1990 pour un véritable passage au stade industriel. Deux atouts majeurs vont entraîner un développement très important de ce type d’antennes: leur faible coût de réalisation, et leur capacité d’intégration. Elles sont aujourd’hui implantées dans de nombreux dispositifs électroniques et constituent le type d’antenne privilégié aux fréquences microondes dans les systèmes de communication intégrés modernes. La conception de cette antenne sera basée sur l’utilisation du logiciel de simulation CST-MS où le modèle géométrique sera construit puis simulé afin d’en prédire les caractéristiques. Un prototype de cette antenne patch sera réalisé et testé à partir du modèle déterminé en simulation. Pour valider les résultats trouvés en simulation, les caractéristiques mesurées seront comparées à celles prédites en CST-MS. BELKADI Omayma | Antenne Monopole Imprimée Le but de ce travail est de concevoir et réaliser une antenne imprimée pour les communications sans fil. Ce type d’antenne est couramment utilisé dans des applications de télécommunications, en raison de sa facilité à s’intégrer dans des systèmes par exemple des véhicules, des avions…etc. 3
  4. 4. Master Systèmes De Communication Et Informatique I. Généralités 1. La technologie Ultra Large Bande (ULB) Ultra wideband (UWB), ou Ultra Large Bande en français (ULB) est une technique de modulation radio qui est basée sur la transmission d’impulsions de très courte durée, souvent inférieure à la nanoseconde. Durant les trois dernières décennies, pour faire face à l’encombrement des bandes de fréquences utilise pour la transmission d’informations, on a essentiellement cherché à réduire la largeur de bande nécessaire pour transmettre ces informations avec un taux d’erreurs acceptable. Ce n’est que récemment que le concept d’ultra large bande a retrouvé un intérêt principalement suscité par le développement des transmissions à courte distance. La grande majorité des techniques de transmission actuelles utilisent des modulations avec porteuses (Bluetooth, Wifi,..). 2. Les antennes Imprimées  Le plan de masse (ground plane) est une surface de cuivre permettant de faire rayonner la partie supérieure  Un substrat diélectrique (dielectric substrate) est composé d’un matériau isolant, utilisé pour augmenter la puissance rayonnée par l’antenne et réduire les pertes par l’effet joule et amélioré la bande passante de l’antenne.  L’élément rayonnant (patch) est une partie métallique de forme et de taille à définir selon l’application de forme géométrique variable (circulaire, triangulaire, rectangulaire,…). Dans la pratique, les formes de l’élément rayonnant souvent utilisées sont le rectangle et le disque. C’est cette partie conductrice, souvent en cuivre, qui va rayonner. La taille et la forme vont déterminer à quelle fréquence l’antenne résonnera. BELKADI Omayma | Antenne Monopole Imprimée Une antenne à éléments rayonnants imprimés, communément appelée « antenne patch » est une ligne micro ruban de forme particulière. Elle se compose de : 4
  5. 5. Master Systèmes De Communication Et Informatique F IGURE 1.1: STR UCTURE D ’ UNE ANTENNE IMPRIMEE F IGURE 1.2: D IF FERENTES FORMES D ’ ANTENNE PATCH Les antennes imprimées possèdent comme on l’a souligné une facilité d’intégration. Il existe d’autres avantages, parmi eux :  faible poids, masse, épaisseur et volume  possibilité d’être intégrées dans des appareils électroniques transportables, par exemple : les GPS, les appareils photos numériques,…etc. BELKADI Omayma | Antenne Monopole Imprimée L'antenne patch peut prendre plusieurs formes qui peuvent être rectangulaire, carré, circulaire ou simplement un dipôle. Ces formes sont les plus courantes car elles présentent une grande facilité d'analyse et de fabrication, mais également un diagramme de rayonnement très intéressant. 5
  6. 6. Master Systèmes De Communication Et Informatique  faible coût et facilité de fabrication  Capable d’émettre à deux voire trois fréquences  simples, robustes et non encombrantes et adaptables aux surfaces planes et non planes Néanmoins, ces antennes présentent des inconvénients, à savoir :  faible rendement, puissance d’émission, et gain  facteur de qualité Q élevé  Bande passante étroite Donc, la conception des antennes doit répondre à des compromis en termes de performances et de complexité de réalisation. 3. Alimentation des éléments rayonnants L’un des problèmes du fonctionnement des antennes imprimées réside aussi dans la réalisation d’une alimentation de qualité. L’alimentation de l’antenne dépend de la manière dont l’antenne est intégrée dans le dispositif. Les trois principaux types sont : Dans ce cas d’alimentation, on relie une ligne microstrip au patch. Cette ligne lui amène de l’énergie. Il existe cependant un inconvénient dans ce type d’alimentation vu qu’elle génère un rayonnement parasite. F IGURE 1.3: A LIMENTATION PAR LIGNE M ICR OSTRIP BELKADI Omayma | Antenne Monopole Imprimée i. Alimentation par ligne micro-ruban 6
  7. 7. Master Systèmes De Communication Et Informatique ii. Alimentation par sonde coaxiale Un connecteur standard (SMA) est soudé au plan de masse. Ce dernier est perforé afin de permettre à l’âme centrale d’être reliée au patch en traversant le substrat diélectrique. Donc l’énergie est amenée par guide coaxiale. Ce genre d’antenne est facile à fabriquer, elle génère de faible rayonnement parasite et possède une faible Bande passante mais elle a comme inconvénient elle difficile à modéliser. F IGURE 1.4: A LIMENTATION PAR SOND E COA XIALE Alimentation par fente (ou par ouverture) Le transfert d’énergie de la ligne à l’élément se fait par couplage depuis la ligne à travers une fente. C’est une méthode dont le positionnement des différents éléments patch, fente, ligne micro-ruban est très délicat. Mais elle apporte divers avantages comme l'isolation du circuit d’alimentation de l’antenne, diminution des rayonnements parasites au niveau de l’élément rayonnant et une faible bande passante. Mais également un inconvénient: elle est difficile à mettre en œuvre. Cependant, il apparait un rayonnement arrière du faite que la fente se comporte comme un élément rayonnant. Pour éliminer cet inconvénient, on peut disposer sous la ligne, une plaque de substrat avec une partie métallisée sur sa face inférieure pour créer un nouveau plan de masse. BELKADI Omayma | Antenne Monopole Imprimée iii. 7
  8. 8. Master Systèmes De Communication Et Informatique F IGURE 1.5: A LIMENTATION PAR F ONTE Dans la suite de ce travail, on s’intéressera seulement au cas d’alimentation une ligne microstrip. II. Structure de l’antenne F IGURE 2.1: STR UCTURE DE L ’ ANTENNE BELKADI Omayma | Antenne Monopole Imprimée Dans ce travail, L’antenne à éléments rayonnants imprimés que nous voulons étudier est une antenne monopôle imprimée avec un plan de masse réduit. La structure de notre antenne est une forme presque carrée avec une m-fente noyé dans la masse. 8
  9. 9. Master Systèmes De Communication Et Informatique Elle a une taille compacte de 25mm x 20mm, et se compose d’un plan de masse de dimension et d’un substrat diélectrique ( ) dont la surface porte un élément métallique. Cette antenne a été réalisée en technologie micro-ruban est imprimée sur un substrat FR4 de permittivité relative et d’épaisseur 1,6mm. L’élément rayonnant métallisé est en cuivre. L’antenne patch est alimentée par une ligne micro-ruban de largeur et d’impédance caractéristique 50Ω dont le point de jonction est sur l’axe de symétrie de l’élément rayonnant. La fréquence de résonance de cette antenne est 2.45GHz. Au milieu de patch, il y a la m-fente de dimension , et la largeur de trace fente est , la fente est symétriquement coupé en l’axe x, et à distance du bord supérieur de l'élément rayonnant de . Le tableau suivant contient les dimensions de notre antenne (en mm): S 14.55 19.90 9.20 1.25 9.05 FIGURE 2.2: STRUCTURE DE L’ANTENNE 6.25 1.50 1.70 BELKADI Omayma | Antenne Monopole Imprimée 13.45 9
  10. 10. Master Systèmes De Communication Et Informatique Le patch rectangulaire sera assimilé à une cavité avec 4 murs magnétiques parfaits (bords de la cavité) et 2 murs électriques parfaits (formés par les métallisations et dans l’approximation que la composante normale du champ électrique est constante) comme il est indiqué dans la figure suivante : Murs électriques Murs magnétiques FIGURE 2.3: REPRESENTATION DES MURS DE CAVITE Afin de permettre une mise en équation des modes stationnaires, la cavité est placée dans un repère (O,x,y,z) et présente les dimensions suivantes: la longueur suivant l’axe des x, et la largeur suivant l’axe des y, enfin la hauteur suivant l’axe des z. o Les murs électriques dans les plans z = 0 et z = hauteur sont idéaux o Les murs magnétiques dans les plans y = 0, y = largeur, x = 0, x = longueur sont idéaux o La hauteur du patch au-dessus du plan de masse est très inférieure à la longueur d’onde correspondant à la fréquence de fonctionnement de l’antenne (fréquence du mode excité) Cette dernière hypothèse a des conséquences importantes: puisque le champ électrique tangentiel est nul en z = 0 et z = hauteur, on en déduit que les lignes de champ qui atteignent les conducteurs dans ces deux plans sont orthogonales à ces plans. BELKADI Omayma | Antenne Monopole Imprimée Les hypothèses qui vont être utilisées pour déterminer les modes qui s’installent dans cette cavité sont les suivantes : 10
  11. 11. Master Systèmes De Communication Et Informatique III. Calculs théoriques 1. Les Méthodes d’analyses Afin d’analyser et de modéliser les antennes imprimées, on a recours à deux méthodes : les méthodes numériques et les méthodes analytiques. i. Méthodes Numériques : On distingue 4 méthodes, parmi-eux : - La La La La méthode méthode méthode méthode des moments des éléments finis des différences finies de la matrice des lignes de transmission. ii. Méthodes Analytiques : Elles sont basées sur des équations physiques de l’électromagnétisme où l’on a fait des hypothèses simplificatrices permettant d’obtenir des modèles simples. Néanmoins, les résultats sont approchés. Les modèles fréquemment utilisés pour analyser les antennes imprimées sont : 2. Calcul des paramètres La formule suivante permet de calculer une largeur d’un patch permettant d’optimiser le rayonnement et de limiter les modes d’ordres supérieurs √ Le résultat obtenu est notre travail. Avec : largeur de l’antenne, , , qui est presque la valeur donnée dans BELKADI Omayma | Antenne Monopole Imprimée - Le modèle de la ligne de transmission - Le modèle de la cavité électromagnétique 11
  12. 12. Master Systèmes De Communication Et Informatique Nous savons que la propagation des ondes dans une ligne microbande s’effectue à la fois dans le milieu diélectrique et dans l’air comme le montre la figure suivante : FIGURE 3.1: LIGNES DU CHAMP ELECTRIQUE Alors du point de vue modélisation, les deux milieux sont remplacés par un unique milieu effectif caractérisé par une constante diélectrique (permittivité effective) exprimée par :  De la largeur W des circuits de métallisation  Des caractéristiques du substrat : à savoir sa constante diélectrique et son épaisseur h Pour que l’antenne patch rayonne, la longueur effective longueur de ½ d’onde guidée doit avoir une La longueur L du patch détermine les fréquences de résonance de l’antenne. BELKADI Omayma | Antenne Monopole Imprimée Ainsi la propagation dépend essentiellement : 12
  13. 13. Master Systèmes De Communication Et Informatique Où ΔL est le terme de correction appelé extension de longueur.  La fréquence de résonance correspondante est :  L’impédance caractéristique de la ligne est donnée par : Alimentation par une ligne quart d’onde BELKADI Omayma | Antenne Monopole Imprimée L’impédance d’entrée de l’antenne et la bande passante à ses résonances sont données par: 13
  14. 14. Master Systèmes De Communication Et Informatique IV. Simulation sous CST 1. Logiciel CST Le logiciel commercial CST Microwave Studio, basé sur la Technique d'Intégration Finie, a été utilisé pour simuler différents types d’antennes. Il est l'aboutissement de nombreuses années de recherche et de développement dans les solutions les plus efficaces et précises de calcul pour la conception électromagnétique. Il comprend des outils OSC pour la conception et l'optimisation des dispositifs fonctionnant dans une gamme de fréquences statiques optique. Les analyses peuvent inclure des effets thermiques et mécaniques, ainsi que la simulation circuit. Tous les programmes sont accessibles via une interface commune avec facilite circuit et multi-physique de cosimulation. CST MICROWAVE STUDIO (CST MWS) est un outil spécialisé pour la simulation 3D EM rapide et précise des problèmes de haute fréquence. Avec un large champ d'application, CST Microwave Studio offre des avantages considérables de produits sur le marché: les cycles de développement plus courts – Prototypage virtuel avant que des essais physiques - Optimisation lieu d'expérimentation. 2. Antenne Réalisée FIGURE 4.1: PATCH DE L’ANTENNE BELKADI Omayma | Antenne Monopole Imprimée A partir des valeurs précédentes, on réalise une simulation sur le logiciel CST. Le schéma du PATCH est le suivant 14
  15. 15. Master Systèmes De Communication Et Informatique L'environnement de travail de CST nous donne la possibilité de concevoir nos schémas en toute finesse comme montre la figure en dessous : FIGURE 4.2: ANTENNE M-SLOT 3. Résultats FIGURE 4.2: PARAMETRE S DU PATCH BELKADI Omayma | Antenne Monopole Imprimée  Paramètre S Le paramètre S est le coefficient qui préoccupe le plus les concepteurs des antennes imprimées car il représente le coefficient de réflexion qui joue le rôle de perturbation sur la transmission des données. 15
  16. 16. Master Systèmes De Communication Et Informatique Ici dans cette figure on constat que le coefficient S est de l’ordre de -20dB pour une fréquence de résonance de 4.25Ghz, la bande passante est de cette différence de fréquence entre celle de résonance et de simulation est due à la structure géométrique et les paramètres typiques qu’on a utilisé pour la conception. FIGURE 4.3: SIGNALES DU PORT Avec le diagramme en rouge est d’Impulsion d’excitation, et celui en vert représente l’Impulsion rayonnée.  Balance d’énergie BELKADI Omayma | Antenne Monopole Imprimée  Signales du port 16
  17. 17. Master Systèmes De Communication Et Informatique FIGURE 4.4: BALANCE D’ENERGIE FIGURE 4.4: CHAMP D’ENERGIE BELKADI Omayma | Antenne Monopole Imprimée  Champs d’énergie 17
  18. 18. Master Systèmes De Communication Et Informatique  VSWR BELKADI Omayma | Antenne Monopole Imprimée FIGURE 4.5: VSWR 18
  19. 19. Master Systèmes De Communication Et Informatique Conclusion Le développement de la technologie Ultra Large Bande (ULB) doit s’accompagner de la mise au point de nouvelles antennes capables de fonctionner classiquement sur la plage de fréquence 3.1 – 10.6 GHz tout en présentant un comportement temporel adéquat à la transmission de pulses courts. Une structure proposée ici est l’antenne large fente M possédant une alimentation en forme de rectangle, étudiée avec un plan de masse réduit. La conception d’une antenne patch a été très enrichissante. D’une part, il nous a permis d'appliquer les connaissances acquises sur le logiciel CST et d'autre part, il a donné la possibilité d’approfondir mes connaissances sur les antennes. BELKADI Omayma | Antenne Monopole Imprimée Ce projet m’a donné la possibilité de me familiariser avec une situation réelle de projet, de par le peu d’indications données au départ. J’ai également pu observer la mise en pratique des notions d’hyperfréquences assez difficiles à appréhender seulement en théorie. 19
  20. 20. Master Systèmes De Communication Et Informatique Bibliographie  A New Compact Ultra Wideband Printed Monopole Antenna with Reduced Ground Plane and Band Notch Characterization - Jawad K. Ali, Mahmood T. Yassen, Mohammed R. Hussan, and Mohammed F. Hasan  Antenne Triplaque Omnidirectionnelle - Claire Marchais, Gilles Le Ray, Ala Sharaiha  Antennas theory analysis and design (third edition) - Constantine A.BALANIS  www.cst.com  http://www.youtube.com/playlist?list=PL0A63CDCC0D6466C8 BELKADI Omayma | Antenne Monopole Imprimée  www.memoireonline.com 20

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