Projet hyperfréquences
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AAJAIL Hamid DAOUD Bilel NENAG Gerard
Projet Hyperféquences
Conception d’une antenne
éméttrice de...
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  1. 1. Projet hyperfréquences 1 AAJAIL Hamid DAOUD Bilel NENAG Gerard Projet Hyperféquences Conception d’une antenne éméttrice de type patch 2ème année électronique et traitement du signal
  2. 2. AAJAIL Hamid 2 Année EN DAOUD Bilel NEANG Gerard __________________________ Projet hyperfréquences _____________________________ 2 SOMMAIRE INTRODUCTION Introduction……………………………………………………………………………..3 GENERALITES SUR LES ANTENNES PATCH Généralités ……………………………………………………………………………...4 Antenne patch rectangulaire………………………………………………………….5 Influence des paramètres géométriques sur l'antennes…………………………..7 Largeur du patch W…………………………………………………………………7 Longueur du patch L………………………………………………………………...7 CAHIER DE CHARGE ET METHODOLOGIE SUIVIE Cahier des charges……………………………………………………………………..8 Méthodologie suivie…………………………………………………………………...8 ANTENNE PATCH Calculs des valeurs théoriques……………………………………………………….9 Simulation sous ADS…………………………………………………………………10 Simulation sous Momentum…………………………………………………………11 Adaptation de l’antenne………………………………………………………………12 RESEAU DE DEUX PATCHS À 2,45 GHz Simulation sous Momentum…………………………………………………………15 RESEAU DE DEUX PATCHS UN À 2,4 ET l’AUTRE À 2,5 GHz Simulation sous Momentum…………………………………………………………17 Visualisation du courant………………………….......................................................19 Visualisation des paramètres d’antenne………………………...............................20 Diagramme de rayonnement………………………………………………………20 paramètres caractéristiques………………………………………………………..21 ETUDE EXPERIMENTALE Diagramme de rélexion………………………………………………………………23 Rapport d’onde stationnaire…………………………………………………………24 CONCLUSION Conclusion………………………………………………………………...……………25
  3. 3. AAJAIL Hamid 2 Année EN DAOUD Bilel NEANG Gerard __________________________ Projet hyperfréquences _____________________________ 3 INTRODUCTION Introduction Dans le cadre d’un projet sur les circuits hyperfréquences, on nous a confié la réalisation d’une antenne émettrice polarisée rectilignement et fonctionnant entre 2 ,4 GHz et 2,5 GHz. Après avoir pris connaissance du cahier des charges nous avons décidé du type d’antenne que nous allions réaliser : il s’agit d’une antenne patch utilisant la technologie Microruban. Ce type d’antenne présente en effet de nombreux avantages comparés aux antennes micro-ondes classiques. Ces antennes présentent notamment un encombrement réduit et un faible coût de fabrication. Cependant les antennes patchs présentent quelques désavantages puisqu’elles offrent généralement une bande étroite ainsi qu’un faible gain (inférieur à 6 dB). Du fait de leur géométrie, elles ne rayonnent également que dans un demi plan.
  4. 4. AAJAIL Hamid 2 Année EN DAOUD Bilel NEANG Gerard __________________________ Projet hyperfréquences _____________________________ 4 GENERALITES SUR LES ANTENNES PATCH Généralités Une antenne à éléments rayonnants imprimés, communément appelée « antenne patch » est une ligne microruban de forme particulière. Elle se compose d’un plan de masse et d’un substrat diélectrique dont la surface porte un ou plusieurs éléments métalliques. Nous savons que la propagation des ondes dans une ligne microruban s’effectue à la fois dans le milieu diélectrique et dans l’air. Du point de vue modélisation, les deux milieux sont remplacés par un unique milieu effectif caractérisé par une constante diélectrique exprimée par : Ainsi la propagation dépend essentiellement : • De la largeur w des circuits de métallisation • Des caractéristiques du substrat : à savoir sa constante diélectrique εr et son épaisseur h
  5. 5. AAJAIL Hamid 2 Année EN DAOUD Bilel NEANG Gerard __________________________ Projet hyperfréquences _____________________________ 5 Le choix des valeurs de ces paramètres conditionne généralement le type d’application Pour la réalisation de circuits hyperfréquences, on recherchera à minimiser le rayonnement en espace libre de la ligne et choisira en conséquence un substrat tel que l’énergie électromagnétique reste concentrée dans le diélectrique (plus exactement dans la cavité que forme la bande métallique et le plan de masse). On utilisera donc des substrats de constante diélectrique élevé (époxy εr = 4.32) d’épaisseur h=1,6 mm et de perte tan§=0,018. L’antenne patch rectangulaire Les éléments rayonnants les plus simples ont la forme d’un rectangle, d’un carré, d’un disque circulaire ou encore d’un triangle. Parmi toutes ces formes, l’élément rectangulaire est sans contexte le plus facile à appréhender pour la compréhension des mécanismes de rayonnements des antennes microstrip. L’alimentation peut se faire par connexion directe avec une ligne microruban (généralement de 50 Ω ) dont le point de jonction est sur l’axe de symétrie de l’élément. Le mécanisme de rayonnement d’une antenne patch rectangulaire se comprend aisément à partir de sa forme géométrique. Lorsque vous excitez la ligne d’alimentation avec une source RF, une onde électromagnétique va se propager sur cette ligne puis va rencontrer l’élément rayonnant (de largeur plus grande que la ligne, donc plus apte à rayonner). Une distribution de charge va s’établir à l’interface Substrat / Plan de masse, sur et sous l’élément rayonnant. En fait le rayonnement du patch peut être modélisé par celui de deux fentes parallèles distantes de la longueur L et de dimensions W*h. La théorie de l’électromagnétisme nous fournit alors les expressions des champs rayonnés par le patch à une certaine distance d’observation.
  6. 6. AAJAIL Hamid 2 Année EN DAOUD Bilel NEANG Gerard __________________________ Projet hyperfréquences _____________________________ 6 Modélisation de l’antenne patch rectangulaire par deux fentes couplées. Si nous nous intéressons maintenant à la distribution des charges, nous pourrions montrer par l’étude des composantes tangentielles du champ magnétique que le patch rectangulaire peut se modéliser comme une cavité avec 4 murs magnétiques (bords de la cavité) et 2 murs électriques (formés par les métallisations et dans l’approximation que la composante normale du champ électrique est constante). En posant les équations de propagations avec les conditions aux limites adéquates, on détermine assez facilement les fréquences de résonances de l’antenne patch rectangulaire : ∆ L et ∆ W représentent respectivement les extensions de longueur et de largeur dues.
  7. 7. AAJAIL Hamid 2 Année EN DAOUD Bilel NEANG Gerard __________________________ Projet hyperfréquences _____________________________ 7 Influence des paramètres géométriques sur l’antenne Largeur du patch W La largeur du patch a un effet mineur sur les fréquences de résonance et sur le diagramme de rayonnement de l’antenne. Par contre, elle joue un rôle pour l’impédance d’entrée de l’antenne et la bande passante à ses résonances : Pour permettre un bon rendement de l’antenne, une largeur W pratique est : Longueur du patch L La longueur du patch détermine les fréquences de résonance de l’antenne. Il ne faut surtout pas oublier de retrancher la longueur ∆L correspond aux extensions des champs :
  8. 8. AAJAIL Hamid 2 Année EN DAOUD Bilel NEANG Gerard __________________________ Projet hyperfréquences _____________________________ 8 CAHIER DE CHARGE ET METHODOLOGIE SUIVIE Cahier des charges On se propose de réaliser une antenne d'émission à polarisation rectiligne, entre 2,3 et 2,6 GHz. L'objectif essentiel serait de garantir l'émission aux fréquences 2,4GHz et 2,5 GHz avec la meilleure adaptation possible. L'antenne réalisée devrait répondre à différents critères : - La plaque utilisée doit posséder des dimensions de 200 par 300 mm, sur un substrat époxy de permittivité relative εr = 4.32 et d'épaisseur h = 1.6 mm. - L’épaisseur de la couche d’air entre le plan de masse et le substrat est de 3mm. - L’épaisseur de la métallisation est de 35 µm. - Les pertes du substrat sont caractérisées par tan§ = 0,018. Méthodologie suivie Après avoir étudié théoriquement le fonctionnement de l’antenne patch. Nous avons ensuite mis en place une méthodologie à suivre. Celle-ci consiste à : 1. Calculer les dimensions théoriques du patch à réaliser à la fréquence d'émission désirée et faire une simulation Momentum pour vérifier. 2. S'assurer que le niveau d’adaptation le plus bas est centré à la fréquence d'émission, sinon, on utilise la règle de trois entre la longueur du patch et la fréquence d'émission pour l’ajuster. 3. Mettre des encoches afin d’améliorer l’adaptation de l’antenne patch.
  9. 9. AAJAIL Hamid 2 Année EN DAOUD Bilel NEANG Gerard __________________________ Projet hyperfréquences _____________________________ 9 ANTENNE UN PATCH Calculs des valeurs théoriques La formule suivante permet de calculer une largeur d’un patch permettant d’optimiser le rayonnement et de limiter les modes d’ordres supérieurs. Afin de calculer la largeur d’un patch, il est nécessaire de calculer la constante diélectrique effective, la longueur effective et l’extension de longueur résultante. La longueur vaut alors : On trouve alors W=37,54 mm et L=29,27mm
  10. 10. AAJAIL Hamid 2 Année EN DAOUD Bilel NEANG Gerard __________________________ Projet hyperfréquences _____________________________ 10 Simulation sous ADS A partir des valeurs calculées précédemment, on réalise une simulation sur le logiciel ADS. Le schéma du circuit est le suivant : Les dimensions d’une ligne 50Ω de longueur λg/2 qui alimente le patch ont été calculé à l’aide de l’utilitaire LineCalc (W=2,6672 mm et L=27,138 mm). On lance la simulation dans la bande de fréquence 1GHz-3GHz avec un pas de 1MHz, On obtient la courbe suivante pour le paramètre S11 en dB. On obtient un minimum de -1,8dB aux alentours de 2.45 GHz. Nos calculs théoriques semblent donc vérifiés. Nous avons créé le layout correspondant au circuit afin de pouvoir effectuer une simulation sous Momentum.
  11. 11. AAJAIL Hamid 2 Année EN DAOUD Bilel NEANG Gerard __________________________ Projet hyperfréquences _____________________________ 11 Simulation sous Momentum Pour la détermination sous Lineclac des dimensions exactes du patch, on donne à la largeur de la ligne, sa longueur et on analyse, on itère avec la longueur électrique et on s’arrête lorsque synthétise et analyse ne modifient ni les dimensions physiques ni la longueur électrique. On trouve W=L=33,2424mm On réalise le layout du patch et on insert la ligne d’impédance 50 Ω et de longueur λg/2, on définit le substrat, et on ajoute le port d’excitation. On lance la simulation dans la bande de fréquence 1,2GHz-3,6GHz (de type adaptative avec 100 point)
  12. 12. AAJAIL Hamid 2 Année EN DAOUD Bilel NEANG Gerard __________________________ Projet hyperfréquences _____________________________ 12 On remarque que le niveau d’adaptation n’est pas centré à 2,45GHz, on admet alors que la longueur du patch varie linéairement avec la fréquence dans la bande de fréquence utilisée, donc L’= (2,324*33,24)/2 .45=28.68 mm On efface le maillage du patch, et on change la longueur L par L’. On est bien centré à 2,45 GHz mais on a une adaptation de -2dB. Adaptation de l’antenne Pour adapter l’antenne, on utilise des encoches, il suffit de modifier la géométrie du patch en utilisant les potentialités de Momentum pour réaliser des opérations booléennes entre différents éléments géométriques. Les dimensions des encoches sont données par la relation :
  13. 13. AAJAIL Hamid 2 Année EN DAOUD Bilel NEANG Gerard __________________________ Projet hyperfréquences _____________________________ 13 On trouve alors h=0,4 mm et yo= 12,45 mm avec (Z (yo)=50Ω) On réalise le layout de l’antenne avec encoches et on simule sous Momentum, on obtient une adaptation de -14,3 dB ; on est bien adapté mais on n’a pas une bande passante suffisante à -3dB (40MHz au lieu de 100MHz), c’est pour ça qu’on va essayer de réaliser une antenne à deux patchs pour augmenter la bande passante.
  14. 14. AAJAIL Hamid 2 Année EN DAOUD Bilel NEANG Gerard __________________________ Projet hyperfréquences _____________________________ 14 Remarque : on peut faire l’adaptation de l’antenne et son réseau d’adaptation sous ADS en utilisant des lignes microrubans. Mais vue que la simulation sous ADS n’est pas adaptée aux calculs des éléments rayonnants tels que les antennes, on ne tiendra compte que des résultats des simulations de Momentum. Ceci posera un problème car les simulations Momentum sont très longues à effectuer, c’est pour cela qu’on va limiter la plage de fréquence étudiée à 2,05GHz-2,85GHz pour diminuer le temps de calcul.
  15. 15. AAJAIL Hamid 2 Année EN DAOUD Bilel NEANG Gerard __________________________ Projet hyperfréquences _____________________________ 15 RESEAU DE DEUX PATCHS À 2,45 GHz Simulation sous Momentum Après avoir effectué les mesures avec un patch, on simule maintenant une antenne avec deux patchs afin d'améliorer le gain et la bande passante. On utilise alors la ligne 50Ω du chapitre précédant et deux lignes 100 Ω de dimensions électriques L=36.4732mm et W=0.577mm (calculées avec LineCalc). La longueur des encoches est alors yo=8,43mm et leur largeur est toujours h=0,4mm avec Z (yo)=100Ω).
  16. 16. AAJAIL Hamid 2 Année EN DAOUD Bilel NEANG Gerard __________________________ Projet hyperfréquences _____________________________ 16 On n’est pas centré à 2,45GHz, on ajuste la fréquence centrale en changeant la longueur des deux patchs:L’=(2.33 *33,24)/2 .45=28.76 mm et yo’=8,01mm On est bien centré à 2,45GHz, on a une adaptation de -26dB mais une bande passante de 38MHz. On a essayé de faire un réseau de 4 patchs et il s’est avéré qu’il est impossible de réaliser une antenne large bande possédant une bande passante de 100 MHz centrée à 2,45GHz. On passe alors à la structure d’une antenne bi-bande.
  17. 17. AAJAIL Hamid 2 Année EN DAOUD Bilel NEANG Gerard __________________________ Projet hyperfréquences _____________________________ 17 RESEAU DE DEUX PATCHS (UN À 2,4 ET l’AUTRE À 2,5 GHz) Simulation sous Momentum Pour réaliser l’antenne bi-bande on commence par déterminer les dimensions électriques du patch1 fonctionnant à f 1 =2,4GHz et du patch2 fonctionnant à f 2 =2,5GHz et la longueur des encoches correspondantes à l’aide de LineCalc. Fréquence W L yo h f 1 30,90mm 30,90mm 8,51mm 0,4mm f 2 29,66mm 29,66mm 8,33mm 0,4mm On simule notre réseau sous Momentum et on obtient le diagramme suivant :
  18. 18. AAJAIL Hamid 2 Année EN DAOUD Bilel NEANG Gerard __________________________ Projet hyperfréquences _____________________________ 18 2.10 2.15 2.20 2.25 2.30 2.35 2.40 2.45 2.50 2.55 2.60 2.65 2.70 2.75 2.802.05 2.85 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 -28 0 Frequency Mag.[dB] m1 m2 S11 m1 freq= dB(antenne_mom_a..S(1,1))=-10.726 2.285GHz m2 freq= dB(antenne_mom_a..S(1,1))=-11.210 2.394GHz On remarque qu’on n’est pas centré ni à 2,4 GHz ni à 2,5GHz, on ajusté alors nos fréquences en changeant les longueurs des patchs : Fréquence W L’ Yo’ h f 1 30,90mm 29,40mm 8,09mm 0,4mm f 2 29,66mm 28,12mm 7,89mm 0,4mm
  19. 19. AAJAIL Hamid 2 Année EN DAOUD Bilel NEANG Gerard __________________________ Projet hyperfréquences _____________________________ 19 On a une bande passante de 21 MHz autour de 2,4GHz et une adaptation de -36 dB, et une bande passante de 19MHz et une adaptation de -22dB. On pratique on aura une bande Passante plus large et un gain moins importante car la simulation ne tient pas compte de toutes les pertes. 2.10 2.15 2.20 2.25 2.30 2.35 2.40 2.45 2.50 2.55 2.60 2.65 2.70 2.75 2.802.05 2.85 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 -20 0 Frequency Mag.[dB] S11 Visualisation du courant Distribution du courant dans l’antenne patch à la fréquence 2,4GHz. Distribution du courant dans l’antenne patch à la fréquence 2,5GHz.
  20. 20. AAJAIL Hamid 2 Année EN DAOUD Bilel NEANG Gerard __________________________ Projet hyperfréquences _____________________________ 20 On remarque que le courant qui circule dans l’antenne à la fréquence 2,4GHz est concentré dans le patch 1 et celui circulant dans l’antenne à la fréquence 2,5GHz est concentré dans le patch 2, ce qui montre que notre antenne est bien adaptée. Visualisation des paramètres d’antenne Diagramme de rayonnement Diagramme de rayonnement en 3D
  21. 21. AAJAIL Hamid 2 Année EN DAOUD Bilel NEANG Gerard __________________________ Projet hyperfréquences _____________________________ 21 On obtient bien un seul lobe (lobe principal) ce qui correspond au diagramme de rayonnement théorique d’une antenne patch. . Coupe du diagramme de rayonnement On remarque d’après cette coupe que la direction du rayonnement maximale est un peu décalée par rapport à la direction (thêta, phi)= (0,0) paramètres caractéristiques
  22. 22. AAJAIL Hamid 2 Année EN DAOUD Bilel NEANG Gerard __________________________ Projet hyperfréquences _____________________________ 22 On visualise les paramètres de l’antenne ainsi que le diagramme de rayonnement de chaque patch. Le diagramme de rayonnement montre que les deux patchs rayonnent bien dans tout le demi espace. Intéressons nous maintenant aux paramètres caractéristiques de l’antenne à savoir le gain, l’angle effectif et la directivité : Le gain de chaque patch est compris entre 5 et 6 dB (5.35 pour le patch 2 et 5.36 pour le patch 1) ce à quoi on pouvait s’attendre avec l’utilisation d’antennes patchs (gain inférieur à 6dB, on s’est rapproché le plus possible de 6dB). On a un angle effectif de 186.19 degrés pour le patch 1 et 185.88 degrés pour le patch 2 : on rayonne bien dans le demi espace (phi = 180 degrés) On peut aussi relever les directions maximales de rayonnement (thêta, phi) : (21, 9) pour le patch 1 et (21,6) pour le patch 2. Ces directions sont dues au décalage de l’antenne par rapport à l’axe. Polarisation rectiligne pour f = 2.4 GHz Polarisation rectiligne pour f = 2.5 GHz On remarque que E_co est bien plat pour thêta compris entre –40 et 40 degrés, par contre pour E_cros on a un max en thêta = -9 degré ce qui explique les paramètres trouvé pour la direction du rayonnement max. On a une différence de 25dB entre E_co et E_cross ce qui montre qu’on a bien une polarisation rectiligne.
  23. 23. AAJAIL Hamid 2 Année EN DAOUD Bilel NEANG Gerard __________________________ Projet hyperfréquences _____________________________ 23 ETUDE EXPERIMENTALE L’étude expérimentale nous permet d’observer en pratique les résultats obtenus, grâce au tracé du coefficient de réflexion et du ROS (Rapport d' Onde Stationnaire) en fonction de la fréquence. Cependant, nous n’avons pas pu effectuer le test de rayonnement de l’antenne à cause d’un problème de disponibilité du matériel requis. Diagramme de réflexion
  24. 24. AAJAIL Hamid 2 Année EN DAOUD Bilel NEANG Gerard __________________________ Projet hyperfréquences _____________________________ 24 Rapport d’onde staionnaire (ROS) On a ici le cœfficient de réflexion S11 en fonction de la fréquence. On a bien deux résonances à 2.4 GHz et 2.5 GHz à des adaptations de -19.8dB et -21dB respectivement. Ce qui nous prouve que l’antenne est bien adaptée et qu’elle résonne aux bonnes fréquences. On peut d' ailleurs vérifier l’adaptation avec le tracé du ROS: On est bien proche de 1 pour chaque résonance.
  25. 25. AAJAIL Hamid 2 Année EN DAOUD Bilel NEANG Gerard __________________________ Projet hyperfréquences _____________________________ 25 CONCLUSION Conclusion Ce projet a été très enrichissant. D’une part, il nous a permis d'appliquer les connaissances acquises sur le logiciel ADS lors des séances de TP hyper et d'autre part, Il nous a aussi permis d’approfondir nos connaissances sur les antennes patchs. Ce projet nous a permis aussi de nous familiariser avec une situation réelle de projet, de par le peu d’indications données au départ. Nous avons également pu observer la mise en pratique des notions d’hyperfréquences assez difficiles à appréhender seulement en théorie. Nous tenons à remercier l’ensemble du personnel enseignant qui nous a encadré durant ce projet pour l’aide qu’il nous a apporté.

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