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1. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 1
ANTENNES COMPACTES POUR
TÉLÉCOMMUNICATIONS
(DOMAINE DÉCIMÉTRIQUE)
PRINCIPE ET APPLICATIONS

2. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 2
PLAN DU COURS
 Introduction
Historique, généralités
Caractéristiques des antennes
 Partie I : Antennes compactes
 Partie II : Antennes larges bandes
 Partie III : Antennes à polarisation circulaire
 Partie IV : Antennes grand gain
 Partie V : Formation de faisceau
 Partie VI : Antennes intelligentes
 Partie VII : MIMO

3. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 3
CONTEXTE DE L’ETUDE
But : donner accès à des technologies complémentaires à
partir d'un seul terminal
Composant critique : l'antenne

4. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 4
Grande majorité des
applications de
terminaux mobiles
LES ANTENNES COMPACTES
Deux grandes familles d’antennes
Antennes non-résonantes Antennes résonantes
Boucles magnétiques
L<<l
Ondes progressives
L>>l
Antennes filaires
L # l
Antennes planaires
L # l
Gain faible
Nécessité d’un
circuit d ’adaptation

5. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 5
LES ANTENNES FILAIRES
Le monopôle
taille min. :
l/4
Utilisation d’un plan de
masse
Élément de base :
le dipôle
taille min. :
l/2

6. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 6
LES ANTENNES FILAIRES (2)
(a) (b) (c)
Antenne boucle résonante Antenne hélice
Hélices multiples
Hélice simple
• Mode radial
• Mode axial

7. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 7
LES ANTENNES PLANAIRES
(b)
(a)
Antenne à fente
Dual du dipôle
l/2 l/4
Même comportement que le dipôle mais en
inversant les champs E et H.
Du coup, inversion également des impédances.

8. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 8
LES ANTENNES PLANAIRES
Antenne patch
Pastille métallique à la surface
d’un substrat diélectrique dont
la face inférieure est métallisée.
Rayonnement directif
Mode fondamental l/2

9. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 9
LES ANTENNES PLANAIRES
Principe de fonctionnement : cavité à fuites
h
Z
X
Y
Z
X
Direction de rayonnement
privilégiée

10. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 10
LES ANTENNES PLANAIRES
H
Plan de masse
Substrat diélectrique
Élément
rayonnant 
 
( )
r
Sonde
coaxiale
Systèmes d’alimentations :
Ez
y
x
lg/2
Sonde d ’alimentation
Plan de masse
Plaque métallique
y
z
E

Système classique : sonde coaxiale
Placement en fonction de
l’impédance et des modes désirés

11. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 11
LES ANTENNES PLANAIRES
H
Plan de masse
Substrat diélectrique
Élément
rayonnant 
 
( )
r
Ligne
microruban
(a)
H
Plan de masse
Substrat diélectrique
Élément
rayonnant 
 
( )
r
Ligne
microruban
(b)
Alimentation par ligne microruban :
Impédance élevée
Ajout d’un effet selfique

12. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 12
LES ANTENNES PLANAIRES

h
plan de
masse
fente dans
le plan de
masse
r

h
r
1
h1
2
h2
plan de
masse

h1

h2
ligne microruban
fente dans
le plan de
masse
1
2
Alimentation par proximité
par ligne à fente par ligne coplanaire
par ligne microruban en
sandwich couplage par fente

13. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 13
REDUCTION D’ENCOMBREMENT
Antenne chargée :
Modification de la géométrie :
Ajout de self ou capacité
x
z
y
H
L
H+L=l/4
L<l/2 L<l/2
JS
JS
Plan de masse
Antenne imprimée
On rallonge le
trajet de l’onde au
sein d’un même
volume
(modifie la
polarisation)

14. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 14
UTILISATION DE COURT-CIRCUITS
Antenne quart d’onde :
Antenne IFA et PIFA : Effet inductif du
court-circuit
Ez
y
x
lg/4
Sonde d ’alimentation
Plan de masse
Plaque de court-circuit
y
z
E
E

x
z
y
H
L D << l
H+L=l/4 Ez
y
x
lg/4
Sonde d ’alimentation
Plan de masse
Plaque de court-circuit
D

15. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 15
ANTENNES PLANAIRES EVOLUEES
Patch quart d’onde C-patch
P.I.F.A. Fil-plaque

16. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 16
QUELQUES DETAILS SUR L’ANTENNE FIL-PLAQUE
Structure
substrat diélectrique
toit capacitif
fil d'alimentation
fil de masse
plan de masse
câble coaxial
mode
f
Z(f) = R(f) + j X(f)
X(f)
R(f)
fondamental
résonance
série
Z(f) = R(f) + j X(f)
X(f)
R(f)
f
parallèle
résonance mode
fondamental
sans fil de masse avec fil de masse

17. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 17
QUELQUES DETAILS SUR L’ANTENNE FIL-PLAQUE
C
R
C Lalim.
L
mode fondamental
fond.
fond.
fond.
toit
C
L
Lmasse
C
R
alim.
toit
L
mode fondamental
fond.
fond.
fond.
champ H champ E

18. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 18
QUELQUES DETAILS SUR L’ANTENNE FIL-PLAQUE
Plan de coupe vertical
Plan de coupe azimutal
Rayonnement

19. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 19
L’ANTENNE FIL-PLAQUE COPLANAIRE
Principe
Plan de masse périphérique
Substrat diélectrique
Ruban de court-circuit
Ruban d’alimentation
fente
champ H
champ E
Tous les éléments de la
fil-plaque transposés
dans un seul plan

20. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 20
L’ANTENNE FIL-PLAQUE COPLANAIRE
Rayonnement
champ H
champ E
x
x
y
z
Y
Z
O
u
u

E
E
 (degrés)
Plan = 90°
E

21. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 21
TECHNIQUES D’OPTIMISATION
Utilisation de substrats
Principaux buts : élargissement de bande passante et fonctionnement
multi-fréquences
x
y
z
O
Ajout de fentes
Imbrication ou multi-couches
eff
o
g

l
l  permittivité
taille
gain
B.P.
Ajout de résonances large bande ou
multi-fréquences
Regroupement de fonctions dans le
volume de l’élément le plus basse
fréquence nombreux couplages

22. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 22
ANTENNES PLANAIRES EVOLUEES
y
x
Sonde d ’alimentation
Plan de masse
z
Sonde
d ’alimentation
Plan de masse
Plaque de court-circuit
Sonde d ’alimentation
Plan de masse
fils de court-circuit
Antenne double L
inversé
Antenne E Fil-plaques superposées

23. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 23
ANTENNES PLANAIRES EVOLUEES
Fils de court-circuit
Sonde d’excitation
Antenne initiale (contrôle de la fréquence basse)
Antenne parasite
(contrôle de la fréquence supérieure)
x
y
o
Plan de masse
Fil-plaques imbriquées
Double C-patch

24. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 24
QUELQUES EXEMPLES

25. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 25
QUELQUES EXEMPLES

26. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 26
ANTENNE A RESONATEUR DIELECTRIQUE
Volume de matériau diélectrique
formant une cavité résonante
très fort facteur de qualité
bande passante faible
Rayonnement difficile à maîtriser

27. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 27
Frequency (GHz)
Partie
réelle
de
Ze
(ohms)
Alimentation directe
Gap capacitif 2mm
Gap capacitif 4mm
Partie
imaginaire
de
Ze
(ohms)
Alimentation directe
Gap capacitif 2mm
Gap capacitif 4mm
Frequency (GHz)
(a)
(b)
Fréquence (GHz) Fréquence (GHz)
l/4
Plus petit élément résonant possible : résonateur quart d'onde
L’ANTENNE RUBAN REPLIEE

28. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 28
h
2h 2h
Masse infinie
l2
l1
Densité surfacique de courant
But : Contrôle du rayonnement par le dimensionnement des trois brins du
résonateur pour un diagramme hémisphérique
RAYONNEMENT CONFORMÉ

29. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 29
h
l2
l1
Pré-étude analytique
h # λ/24 l1 # λ/15 l2 # λ/7
h # λ/50 l1 # λ/13 l2 # λ/6.5
Optimisation FDTD
gap de
couplage
h
l1
l2
sonde
coaxiale
Variation de gain <3 dB  direction
RAYONNEMENT CONFORMÉ
Utilisation d’un plan de masse limité

30. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 30
EVOLUTIONS DIVERSES
+
+
-
-
Structure sans plan de masse
Limitation du plan de masse
Élargissement du
dernier brin
Élargissement du
dernier brin
Topologie coplanaire
Monopôle chargé Multi-résonateurs
Nombreuses déclinaisons du même principe possibles selon les applications :
intégration - large bande - multi-fréquences - faible pollution EM
(Brevet international)

31. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 31
PREMIERE APPLICATION
ALLIGATOR : ALL InteGrAted meteRing
Projet européen
Projet européen EURIMUS ayant
pour but le développement d'un
système de relevé à distance
des compteurs d'énergie
Rôle de l'IRCOM : étude
des antennes intégrées
avec minimisation des
effets CEM
Conception d'un module radio
compact à haut niveau
d'intégration et faible coût

32. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 32
Boîtier en ABS
PCB FR4
Batteries
90 mm
12
0
m
m
RESULTATS OBTENUS
Modélisation fine de toutes
les composantes
métalliques et diélectriques
du boîtier
connecteur SMA
Validation par réalisation
d’un prototype
Antenne au-dessus du PCB Antenne au-dessus des piles
|Ez| en V/m
Champs induits sur le PCB
faibles
Insensible aux
perturbations
Structure coplanaire :
large bande passante (17%)
gain moyen élevé (-0.7 dB)

33. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 33
Émetteur
GPS
simulateur station de base
récepteurs
PCI bus
i/o i/o
Numérisation IQ
FI 1.5 MHz
1.2 MHz
CPU Carte vidéo
plate-forme NT4
LUTECE : Localisation d'Urgence pour TEléphone CEllulaire
DEUXIEME APPLICATION
But : système de localisation permettant le sauvetage de personnes
en détresse à partir de l'émission de leur téléphone portable

34. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 34
Antenne émettrice
500 x 500 mm
Antennes réceptrices
800 x 800 mm
DISPOSITION SOUS L’HELICOPTERE

35. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 35
20°
Capot avant : Capot arrière :
Modification des
capots sous
l’hélicoptère pour
accueillir les
antennes
Pointage mécanique
DISPOSITION SOUS L’HELICOPTERE (2)
5 capteurs de réception à
large ouverture
antenne d'émission directive

36. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 36
ELEMENT DE BASE COMMUN
z
x
y
O
48 mm
116 mm
7
2
m
m
Frequency (GHz)
S11
(dB)
simulation
mesure
Fréquence (GHz)
Première bande de 150 MHz (16%)
Seconde bande de 1.4 GHz (62%)

37. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 37
O
x
y
z
Plan xOz
DCS
mesure
simulation
O
x
y
z
Plan xOz
GSM
mesure
simulation
46°
46° 42°
42°
ANTENNE D’ÉMISSION
Gmax = 13.5 dB Gmax = 13.7 dB
Antenne d'émission : 4 éléments
 disposition délicate
(compromis GSM/DCS)
 très bons résultats en
adaptation et rayonnement
 rigidité insuffisante

38. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 38
AUGMENTATION DE LA RIGIDITÉ
Nouvel élément de base :
substrat diélectrique
 compacité supérieure (84x60)
 rigidité renforcée
 bandes passantes amoindries
x
y
z
194 mm
170 mm
O
Réseau de quatre éléments
O
x
z
y
256 mm
232 mm
Élément DCS
Réseau de cinq éléments
Bon comportement du réseau de cinq
éléments conception d'un circuit de
distribution

39. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 39
CIRCUIT DE DISTRIBUTION
Circuit bi-bande 1 entrée / 5 sorties en phase avec pondération d’amplitude
Optimisation à l’aide du logiciel circuit HP ADS et Momentum

40. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 40
REALISATION ET MESURES
Plan phi=0°
GSM GSM
DCS DCS
Plan phi=90°
Gain max :12.77 dB
Gain max :10.89 dB
33° 35°
43° 48°
simulation
mesure
simulation
mesure

41. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 41
CAPTEURS DE RECEPTION
But :
disposition
optimale de 5
capteurs
indépendants
pour une
goniométrie
précise
Utilisation d’un élément de base sur
diélectrique

42. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 42
L
(mm)
Rapport à la longueur
d’onde
S21 max (dB)
83 0.5 λDCS -5.9
125 0.75 λDCS -11.7
167 0.5 λGSM -16.1
250 0.75 λGSM -21.6
Simulations FDTD du couplage entre deux
capteurs parallèles à des distances variables
Distance importante
nécessaire entre les
capteurs pour
pouvoir négliger le
couplage
L
z
x
O
y
MISE EN EVIDENCE DES COUPLAGES

43. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 43
80 cm
Capteur 1
Capteur 2
Capteur 3
Capteur 4
Capteur 5
 Choix de capteurs proches
avec prise en compte des
couplages complexes
 Étude de l’influence de la
taille du plan de masse sur la
goniométrie
 Calculs des diagrammes de
rayonnement obtenus avec ou
sans présence des autres
capteurs
OPTIMISATION DE LA DISPOSITION

44. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 44
REALISATION ET MESURES
GSM DCS
Phi=0 Phi=0
Phi=90 Phi=90

45. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 45
EXPERIMENTATIONS
Détection avec une précision
du mètre carré en moins de
trois minutes.