ANTENNES COMPACTES POUR TÉLÉCOMMUNICATIONS (DOMAINE DÉCIMÉTRIQUE) PRINCIPE ET APPLICATIONS

1. ANTENNES COMPACTES POUR TÉLÉCOMMUNICATIONS (DOMAINE DÉCIMÉTRIQUE) PRINCIPE ET APPLICATIONS

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. Composant critique : l'antenne CONTEXTE DE L’ETUDE But : donner accès à des technologies complémentaires à partir d'un seul terminal

4. 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 Grande majorité des applications de terminaux mobiles LES ANTENNES COMPACTES Deux grandes familles d’antennes

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

6. Antenne boucle résonante Hélice simple • Mode radial • Mode axial Antenne hélice Hélices multiples LES ANTENNES FILAIRES (2)

7. Antenne à fente LES ANTENNES PLANAIRES 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. Antenne patch LES ANTENNES PLANAIRES Pastille métallique à la surface d’un substrat diélectrique dont la face inférieure est métallisée. Rayonnement directif Mode fondamental l/2

9. LES ANTENNES PLANAIRES Principe de fonctionnement : cavité à fuites

10. LES ANTENNES PLANAIRES Systèmes d’alimentations : Système classique : sonde coaxiale Placement en fonction de l’impédance et des modes désirés

11. LES ANTENNES PLANAIRES Alimentation par ligne microruban : Impédance élevée Ajout d’un effet selfique

12. LES ANTENNES PLANAIRES Alimentation par proximité par ligne à fente par ligne coplanaire par ligne microruban en sandwich couplage par fente

13. REDUCTION D’ENCOMBREMENT Antenne chargée : Ajout de self ou capacité Modification de la géométrie : On rallonge le trajet de l’onde au sein d’un même volume (modifie la polarisation)

14. UTILISATION DE COURT-CIRCUITS Antenne quart d’onde : Antenne IFA et PIFA : Effet inductif du court-circuit

15. Fil-plaque C-patch Patch quart d’onde P.I.F.A. ANTENNES PLANAIRES EVOLUEES

16. QUELQUES DETAILS SUR L’ANTENNE FIL-PLAQUE Structure avec fil de masse sans fil de masse

17. QUELQUES DETAILS SUR L’ANTENNE FIL-PLAQUE champ H champ E

18. Plan de coupe vertical Plan de coupe azimutal QUELQUES DETAILS SUR L’ANTENNE FIL-PLAQUE Rayonnement

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

20. L’ANTENNE FIL-PLAQUE COPLANAIRE Rayonnement champ E champ H

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

22. ANTENNES PLANAIRES EVOLUEES Antenne double L inversé Antenne E Fil-plaques superposées

23. ANTENNES PLANAIRES EVOLUEES Double C-patch Fil-plaques imbriquées

24. QUELQUES EXEMPLES

25. QUELQUES EXEMPLES

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. l/4 Fréquence (GHz) Fréquence (GHz) L’ANTENNE RUBAN REPLIEE Plus petit élément résonant possible : résonateur quart d'onde

28. Densité surfacique de courant RAYONNEMENT CONFORMÉ But : Contrôle du rayonnement par le dimensionnement des trois brins du résonateur pour un diagramme hémisphérique

29. h # λ/24 l1 # λ/15 l2 # λ/7 Optimisation FDTD h # λ/50 l1 # λ/13 l2 # λ/6.5 l 2 gap de couplage sonde coaxiale l 1 h l 2 l 1 h Variation de gain <3 dB  direction Utilisation d’un plan de masse limité RAYONNEMENT CONFORMÉ Pré-étude analytique

30. EVOLUTIONS DIVERSES Structure sans plan de masse Topologie coplanaire Nombreuses déclinaisons du même principe possibles selon les applications : intégration - large bande - multi-fréquences - faible pollution EM (Brevet international) Monopôle chargé Multi-résonateurs

31. ALLIGATOR : ALL InteGrAted meteRing Conception d'un module radio compact à haut niveau d'intégration et faible coût PREMIERE APPLICATION 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

32. Boîtier en ABS Structure coplanaire : large bande passante (17%) gain moyen élevé (-0.7 dB) PCB FR4 Batteries Champs induits sur le PCB faibles Validation par réalisation d’un prototype connecteur SMA RESULTATS OBTENUS Modélisation fine de toutes les composantes métalliques et diélectriques du boîtier Insensible aux perturbations

33. DEUXIEME APPLICATION LUTECE : Localisation d'Urgence pour TEléphone CEllulaire But :système de localisation permettant le sauvetage de personnes en détresse à partir de l'émission de leur téléphone portable

34. DISPOSITION SOUS L’HELICOPTERE Antenne émettrice 500 x 500 mm Antennes réceptrices 800 x 800 mm

35. Réception Émission 5 capteurs de réception à large ouverture antenne d'émission directive DISPOSITION SOUS L’HELICOPTERE (2)

36. ELEMENT DE BASE COMMUN Première bande de 150 MHz (16%) Seconde bande de 1.4 GHz (62%)

37. ANTENNE D’ÉMISSION Antenne d'émission : 4 éléments disposition délicate (compromis GSM/DCS)  très bons résultats en adaptation et rayonnement  rigidité insuffisante Gmax = 13.5 dB Gmax = 13.7 dB

38. Réseau de quatre éléments Réseau de cinq éléments Bon comportement du réseau de cinq éléments conception d'un circuit de distribution AUGMENTATION DE LA RIGIDITÉ Nouvel élément de base : substrat diélectrique compacité supérieure (84x60)  rigidité renforcée  bandes passantes amoindries

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. REALISATION ET MESURES

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

42. MISE EN EVIDENCE DES COUPLAGES Simulations FDTD du couplage entre deux capteurs parallèles à des distances variables Distance importante nécessaire entre les capteurs pour pouvoir négliger le couplage

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

44. REALISATION ET MESURES

45. EXPERIMENTATIONS Détection avec une précision du mètre carré en moins de trois minutes.