Dans le cadre du mini projet en dispositifs micro-ondes et antennes, nous avons eu l'occasion d'étudier une antenne planaire qui est constituée d’un plan de masse et d’un substrat diélectrique dont la surface porte un ou plusieurs éléments métallisés appelés «Patch». Ces Patchs peuvent prendre des formes différentes: carré, rectangulaire, disque. L’élément rayonnant utilisé dans notre étude, est celui de forme rectangulaire, ses dimensions sont la longueur L et la largeur W. Ces dimensions consistent à faire une adaptation d'impédance entre le « Patch » est le milieu de rayonnement (l'air). L’alimentation de cet élément s’effectue au moyen d’une ligne micro ruban reliée à un connecteur

1. MINI PROJET EN DISPOSITIFS MICRO-ONDES
ET ANTENNES
Etude, conception et réalisation
d'une antenne planaire HF en technologie micro ruban
Présenté par : Encadré par :
Badi Mohamed Ali Mme. Aguilli Chiraz
Ben hssine saif Mme. Attia Meriem
Chaieb Ghassene
Année universitaire : 2014/2015

2. I. Introduction.............................................................................................................. 1
II. Présentation de l'antenne patch ................................................................................ 1
1. Modélisation de l'antenne Patch rectangulaire..................................................... 1
2. Influence des paramètres géométriques ............................................................... 2
2.1. La largeur...................................................................................................... 2
2.2. La longueur ................................................................................................... 2
3. Calculs des valeurs théoriques ............................................................................. 3
4. Logiciel de simulation.......................................................................................... 4
5. Simulation sous ADS ........................................................................................... 4
6. Simulation avec Momentum ................................................................................ 5
7. Adaptation de l'antenne ........................................................................................ 7
7.1. Adaptation quart d'onde ................................................................................ 7
7.2. Adaptation simple stub ................................................................................. 9
7.3. Adaptation double stub ............................................................................... 11
8. Comparaison et Interprétations .......................................................................... 13
8.1. Diagramme de rayonnement....................................................................... 13
8.2. Gain............................................................................................................. 13
8.3. Directivité ................................................................................................... 14
8.4. Comparaison et Interprétations................................................................... 14
9. Adaptation d’impédance .................................................................................... 15
10. Conclusion...................................................................................................... 16

4. 1
I. Introduction
Dans le cadre du mini projet en dispositifs micro-ondes et antennes, nous avons eu l'occasion
d'étudier une antenne planaire qui est constituée d’un plan de masse et d’un substrat
diélectrique dont la surface porte un ou plusieurs éléments métallisés appelés «Patch». Ces
Patchs peuvent prendre des formes différentes: carré, rectangulaire, disque. L’élément
rayonnant utilisé dans notre étude, est celui de forme rectangulaire, ses dimensions sont la
longueur L et la largeur W. Ces dimensions consistent à faire une adaptation d'impédance entre
le « Patch » est le milieu de rayonnement (l'air). L’alimentation de cet élément s’effectue au
moyen d’une ligne micro ruban reliée à un connecteur (figure I.1).
Figure I.1 : Antenne Patch en technologie micro ruban
Le but de cette étude est la construction d'une antenne patch fonctionnant à la fréquence
2.4 GHz.
II. Présentation de l'antenne patch
1. Modélisation de l'antenne Patch rectangulaire
Ce type d'antenne micro ruban sera représenté par une cavité résonnante délimitée par des
murs magnétiques sur les côtés latéraux et des murs électriques (métalliques) sur les côtés
supérieurs.
En posant les équations de propagations avec les conditions aux limites adéquates, on peut
déterminer aisément les fréquences de résonances de l’antenne patch rectangulaire :
h
L
W

5. 2
𝑓𝑚𝑛 =
𝑐
√ εr
√(
𝑚
𝜋 𝑊𝑒𝑓𝑓
)2 + (
𝑛
𝜋 𝐿𝑒𝑓𝑓
)2
Avec: Weff = W+ 2DW
Leff = L + 2DL
Où D L et DW représentent respectivement les extensions de longueur et de largeur. Le patch
est électriquement étendu d'une valeur ΔL de chaque côté tel que:
∆L = 0.412 h [
(𝜀𝑒𝑓𝑓 + 0.3) ( 𝑊
ℎ
+ 0.264)
(𝜀𝑒𝑓𝑓 − 0.258) ( 𝑊
ℎ
+ 0.813)
]
2. Influence des paramètres géométriques
2.1. La largeur
La largeur a un effet mineur sur le rayonnement et les fréquences de résonnances. Elle joue
aussi un rôle important sur l'impédance à l'entrée et sur la bande passante.
Pour permettre un bon rendement de l'antenne, il suffit de définir:
𝑊 =
𝑐
2 ∗ 𝑓r
√
2
𝜀𝑟 + 1
2.2. La longueur
La longueur permet de définir la fréquence de résonance.
𝐿 =
𝜆𝑑𝑖é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒
2
− 2∆𝐿
𝐿 =
𝑐
2 𝑓𝑜 √𝜀𝑒𝑓𝑓
− 2 ∆𝐿

6. 3
La longueur et la largeur jouent un rôle important pour l’impédance d’entrée de l’antenne à la
fréquence de résonnance :
𝑍𝑖𝑛 = 90
𝜀𝑟²
𝜀𝑟 − 1
(
𝐿
𝑊
)²
𝛽 =
𝜀𝑟 − 1
𝜀𝑟2
𝑊
𝐿
ℎ
𝑊
3. Calculs des valeurs théoriques
Données:
Fréquence résonance: fr = 2.4 GHz
Constante diélectrique: εr = 4.32
Célérité de la lumière: c = 3.108
𝑚𝑠−1
Epaisseur: h = 1.52 mm
Entité Formule Application Numérique
Largeur du patch
𝑊 =
𝑐
2𝑓r
√
2
𝜀𝑟 + 1
W = 38.22 mm
Constante
diélectrique
effective
𝜀𝑒𝑓𝑓 =
𝜀𝑟 + 1
2
+
𝜀𝑟 − 1
2
[1 +
10ℎ
𝑊
]−1/2
εeff = 4.02
Longueur effective 𝐿𝑒𝑓𝑓 =
𝑐
2 𝑓0 √𝜀𝑒𝑓𝑓
Leff = 0.0305
Longueur du patch L = Leff – 2 ∆L ∆L = 0.0006536
L = 29.27 mm

7. 4
4. Logiciel de simulation
Le logiciel de simulation utilisé pour tracer, simuler et prévoir les
caractéristiques de l'antenne patch est: ADS pour Advanced Design
System qui et grâce à son outil Momentum permet de réaliser une
simulation électromagnétique basée sur le quadrillage par éléments
finis du patch et présente les valeurs de gain et directivité ainsi que le
diagramme de rayonnement en deux et 3 dimensions.
5. Simulation sous ADS
Dans la partie précédente, on a pu calculer les valeurs des différents composants de l'antenne,
il ne nous reste qu'à déterminer les paramètres du composant MLIN. Ceci est fait à l'aide de la
commande "LineCalc" et on a WR = 2.66 mm et LR = 27.138 mm. Ainsi on a
obtenu toutes les valeurs nécessaires pour la construction de l'antenne.
Figure II.1 : Schéma du circuit
On lance la simulation dans la bande de fréquence 1.8GHz-3GHz avec un pas de 0.2MHz,
On obtient la courbe suivante pour le paramètre S(1,1) en dB.

8. 5
On remarque que l'antenne résonne à la fréquence 2.4 GHZ, donc les valeurs théoriques
obtenues sont proches des résultats pratiques. Soit alors la figure de S (1 ,1) en dB :
Figure II.2 : Simulation sous ADS
On remarque qu’on a un maximum du gain à notre fréquence de résonnace qui est
2.4GHz
6. Simulation avec Momentum
Pour lancer le mode Momentum on choisit: Layout  Generate/update Layout Apply. On
obtient alors le schéma dans la page suivante.

9. 6
Soit aussi le diagramme de rayonnement :
Figure II.4 : diagramme de rayonnement
Le résultat de la simulation avec Momentum est le suivant:
Figure II.5 : Simulation avec Momentum
Figure II.3 : Schéma du circuit avec
Momentum
Figure II.4 : Antenne en 3D

10. 7
On remarque que la résonance est centrée à la fréquence 2,4GHz.
7. Adaptation de l'antenne
7.1. Adaptation quart d'onde
Figure II.11: Modélisation de l'antenne à adaptation quart d'onde
Un tronçon de ligne quart d’onde permet une transformation d’impédance:
𝑍′
𝑐 = √𝑍𝑖𝑛 𝑍𝑐
Où
𝑍𝑖𝑛 = 90
𝜀𝑟²
𝜀𝑟 − 1
(
𝐿
𝑊
)
2
≈ 302Ω
Donc
𝑍′
𝑐 = √361 ∗ 50 = 122.9 Ω
Une ligne quart-d’onde ne fonctionne qu’autour de la fréquence correspondante. D'où
l'utilisation de plusieurs tronçons d’impédances progressives.
ZinZ'cZc
𝐿 =
𝜆𝑔
4
=
𝜆
4 √ 𝜀𝑟
Zc
Z'c
L=
𝜆𝑔
4
2 l0 l0
Zin
w'

11. 8
Calcul de L et w':
𝐿 =
𝜆𝑔
4
=
𝜆
4 √ 𝜀𝑟
=
122
4√4.32
= 15 mm
𝑍′
𝑐 =
60
√𝜀𝑒𝑓𝑓
log(
8 ℎ
𝑤′
+
𝑤′
2ℎ
) = 122.9 Ω
8 ℎ
𝑤′
+
𝑤′
2ℎ
= 𝑒134.5∗
√4.02
60 = 89.5
On obtient alors une équation du second ordre: w'² - 130 w' + 36.96 =0 dont les solutions
sont w'1 = 0.115mm et w'2 = 0mm. La deuxième valeur nulle, on adopte alors la première.
Figure II.12 : Adaptation quart d'onde Figure II.13 : Adaptation quart d'onde en 3D
Le résultat de la simulation est le suivant:
Figure II.14 :Simulation de l' adaptation quart d'onde

12. 9
La mesure confirme la fréquence de résonance du patch élémentaire à 2.44GHz donc
l'adaptation de l'antenne n'est pas parfaite.
Le diagramme de rayonnement de l'adaptation quart d'onde est le suivant:
Figure II.15 : Diagramme de rayonnement
Le diagramme de rayonnement est constitué de 3 lobes dont chacun correspondant à une
impédance des 3 trouvées précédemment et de gain 9.6dB.
7.2. Adaptation simple stub
Un stub est un tronçon de ligne de longueur s que l’on branche en dérivation sur la ligne
principale à une distance d de la charge.
Figure II.16: Modélisation de l'adaptation simple stub
Pour l'implémentation du stub sous Momentum, on a déterminé s et d à partir de l’abaque
de Smith (voir Annexe). On a trouvé 2 solutions.

13. 10
Solution 1 :
d1=0.136* 𝜆𝑔 Avec : 𝜆𝑔 =
𝜆0
√ℇ0
= 0.061𝑚
s1=0.096* 𝜆𝑔
Solution 2 :
d2=0.283* 𝜆𝑔
s2=0.406* 𝜆𝑔
Figure II.17 : Adaptation simple stub Figure II.18 : Adaptation simple stuben 3D
L'adaptation est un peu parfaite, elle résonne à la fréquence 2.44:
Figure II.19: Simulation de l'adaptation simple stub

14. 11
Le diagramme de rayonnement est le suivant:
Figure II.20: Diagramme de rayonnement
Le diagramme de rayonnement est constitué d'un seul lobe droit et de gain 5.49dB à la
fréquence de résonance du patch 2.45GHz
7.3. Adaptation double stub
L'adaptation double stub a le même principe que l'adaptation simple stub, mais cette fois
on dispose de deux stubs en parallèle séparés d'une distance d2.
Figure II.21: Modélisation de l'adaptation double stubs

15. 12
Figure II.22: Adaptation double stub Figure II.23: Adaptation double stub en 3D
Le résultat de la simulation est le suivant:
Figure II.25: Simulation de l'adaptation double stub

16. 13
Le diagramme de rayonnement est le suivant:
Figure II.26: Diagramme de rayonnement
Le diagramme de rayonnement est constitué d'un seul lobe droit et de gain 5.32dB à la
fréquence de résonance du patch élémentaire 2.49GHz
8. Comparaison et Interprétations
Pour rendre compte des performances de l’antenne d’un point de vue des champs rayonnés
on utilise le diagramme de rayonnement, la directivité, le gain et la puissance.
Alors nous allons nous basé sur ces caractéristiques pour comparer les performances des
différentes adaptations utilisées. On commence alors par les introduire:
8.1. Diagramme de rayonnement
Un diagramme de rayonnement est la représentation graphique de la répartition dans l'espace
d'une grandeur caractérisant le rayonnement d'une antenne, cette grandeur est l'énergie.
Le diagramme de rayonnement d'une antenne permet de visualiser les lobes d'émission dans les
trois dimensions, dans le plan horizontal ou dans le plan vertical incluant le lobe le plus
important.
8.2. Gain
Le gain définit l'augmentation de puissance émise ou reçue dans le lobe principal. Il est dû
au fait que l'énergie est focalisée dans une direction. Il s'exprime en dB.

17. 14
Augmenter le gain d’une antenne c’est concentrer son flux sur une zone précise, mais la zone
couverte sera plus réduite.
8.3. Directivité
La directivité de l'antenne dans le plan horizontal est une caractéristique importante dans le
choix d'une antenne. Elle possède un ou quelques lobes nettement plus importants que les autres
qu'on nomme « lobes principaux ». Elle sera d'autant plus directive que le lobe le plus important
sera étroit.
La directivité est un paramètre difficilement dissociable du gain. Elle représente la capacité de
l’antenne à envoyer ou recevoir les ondes dans une zone précise et non dans toutes les
directions.
8.4. Comparaison et Interprétations
Les résultats pratiques obtenus peuvent être résumé dans ce tableau:
Fréquence
de
résonance
Gain (dB)
Directivité
(dB)
Diagramme de
rayonnement
Puissance
Simple Stub 2.43 GHz 5.49 6.28 Un seul lobe
Double Stub 2.49 GHz 5.32 5.83 Un seul lobe
Quart d'onde 2.44 GHz 9.61 9.62
Un lobe principal et
deux lobes
secondaires

18. 15
D'après le tableau, on remarque que pour les adaptations simple stub et double stub, la
directivité et le gain ont des valeurs très proches, cela signifie qu'il n'y a pas de pertes
contrairement à l'adaptation quart-d'onde.
Pour les trois premières adaptations, on a des valeurs de gain proches, ce qui explique la
ressemblance des allures des courbes de puissance et de diagrammes de rayonnement qui sont
constitués d'un seul lobe où est emmagasinée toute l'énergie.
Pour la dernière adaptation (quart d'onde), on a obtenu un diagramme de rayonnement plus
directif puisque la directivité est plus élevée et il se compose de trois lobes: un principal et
deux secondaires.
En comparant les différents types d'adaptations, on peut conclure qu'au niveau de la fréquence
de résonance l'adaptation simple stub est la meilleure car elle résonne exactement à 2.43GHz.
Mais d'autre part, l'adaptation quart d'onde est meilleure en ce qui concerne la directivité.
9. Adaptation d’impédance
En haute fréquence, la condition d’adaptation est telle que𝑍𝑔 = 𝑍𝑒. Avec Zg est l’impédance
du générateur et Ze est l’impédance d’entrée du circuit. Sur ADS pour faire l’adaptation
d’impédance on tape l’équation suivante𝑍𝑒 = 𝑧𝑖𝑛( 𝑆(1,1), 50), puis on trace le Réel et
l’Imaginaire de notre impédance, on obtient alors le suivant :
Figure 27 : courbe du réel de l’impédance

19. 16
On remarque que le réel (réel ze1) est presque égal à 50 à la fréquence 2.42 GHz, si on utilise
une fonte de longueur 8 mm et de largeur 2 mm
En ce qui concerne l’imaginaire de l’impédance, il faut que c dernier soit nul à la fréquence 2.4
GHz, c’est ce qu’on a le prouver par ADS, soit alors la figure 28 :
Figure 28 : Imaginaire de l’impédance
De même, l’imaginaire (imag ze0) ne sera presque nul à la fréquence 2.42GHz que si on utilise
la même fonte décrite précédemment.
10. Conclusion
Après avoir établie ce travail, on ne peut pas nier qu'on a acquis de nouvelles méthodes
qui ont transformées nos connaissances théoriques et pratiques. On a eu l'occasion d'étudier un
type très fréquent d'antenne qui est l'antenne patch. Ainsi que l'application de plusieurs formes
d'adaptation sur cette antenne.
Le seul inconvénient c'est qu'on n'a pas pu réaliser cette antenne, mais grâce au logiciel
de simulation ADS, on a obtenu des résultats très proches de la réalité.