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

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Very compact antenna structures for telecommunications

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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 1

ANTENNES COMPACTES POUR ANTENNES COMPACTES POUR TÉLÉCOMMUNICATIONSTÉLÉCOMMUNICATIONS

(DOMAINE DÉCIMÉTRIQUE)(DOMAINE DÉCIMÉTRIQUE)PRINCIPE ET APPLICATIONSPRINCIPE ET APPLICATIONS

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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 2

PLAN DU COURSPLAN DU COURS

IntroductionHistorique, 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

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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 3

CONTEXTE DE L’ETUDECONTEXTE DE L’ETUDE

But : donner accès à des technologies complémentaires à partir d'un seul terminal

Composant critique : l'antenne

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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 4

Grande majorité des Grande majorité des applications de applications de

terminaux mobilesterminaux mobiles

Grande majorité des Grande majorité des applications de applications de

terminaux mobilesterminaux mobiles

LES ANTENNES COMPACTESLES ANTENNES COMPACTES

Deux grandes familles d’antennesDeux grandes familles d’antennes

Antennes non-résonantesAntennes non-résonantes Antennes résonantesAntennes résonantes

Boucles magnétiquesL<<

Ondes progressivesL>>

Antennes filairesL #

Antennes planairesL #

Gain faible

Nécessité d’un circuit d ’adaptation

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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 5

LES ANTENNES FILAIRESLES ANTENNES FILAIRES

générateurplan de masse

monopôle

Irayonnement

générateur

I

dipôle

rayonnement

(a) (b)

générateurplan de masse

monopôle

Irayonnement

générateur

I

dipôle

rayonnement

(a) (b)

Le monopôle

taille min. :/4

Utilisation d’un plan de masse

Élément de base :le dipôle

taille min. :/2

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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 6

LES ANTENNES FILAIRES (2)LES ANTENNES FILAIRES (2)

(a) (b) (c)

Antenne boucle résonante Antenne hélice

Hélices multiples

Hélice simple

• Mode radial• Mode axial

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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 7

LES ANTENNES PLANAIRESLES ANTENNES PLANAIRES

(b)(a)

Antenne à fente

Dual du dipôle/2 /4

Même comportement que le dipôle mais en inversant les champs E et H.

Du coup, inversion également des impédances.

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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 8

LES ANTENNES PLANAIRESLES ANTENNES PLANAIRES

patch

x

y

z

O

substrat

plan de masse

rayonnementxOz

rayonnement

yOz

Antenne patch

Pastille métallique à la surface d’un substrat diélectrique dont la face inférieure est métallisée.

Rayonnement directifMode fondamental /2

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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 9

LES ANTENNES PLANAIRESLES ANTENNES PLANAIRES

Principe de fonctionnement : cavité à fuites

h

Z

XY

Z

X

Direction de rayonnement privilégiée

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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 10

LES ANTENNES PLANAIRESLES ANTENNES PLANAIRES

H

Plan de masse

Substrat diélectrique Élémentrayonnant ( )r

Sondecoaxiale

Systèmes d’alimentations :

Ez

y

x

g/2

Sonde d ’alimentation

Plan de masse

Plaque métalliquey

z

E

Système classique : sonde coaxiale

Placement en fonction de l’impédance et des modes désirés

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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 11

LES ANTENNES PLANAIRESLES ANTENNES PLANAIRES

H

Plan de masse

Substrat diélectrique Élémentrayonnant ( )r

Lignemicroruban

(a)

H

Plan de masse

Substrat diélectrique Élémentrayonnant ( )r

Lignemicroruban

(b)

Alimentation par ligne microruban :

Impédance élevée

Ajout d’un effet selfique

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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 12

LES ANTENNES PLANAIRESLES ANTENNES PLANAIRES

h r

1h1

2h2plan demasse

h1

h2

ligne microruban

fente dansle plan de

masse

1

2

Alimentation par proximité

par ligne à fente par ligne coplanaire

par ligne microruban en sandwich couplage par fente

Page 13: 1 - compact antennas

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 13

REDUCTION D’ENCOMBREMENTREDUCTION D’ENCOMBREMENT

Antenne chargée :

x

y

zL</4

Modification de la géométrie :

Ajout de self ou capacité

x

z

y

H

LH+L=/4

L</2 L</2

JSJS

Plan de masse

Antenne imprimée

On rallonge le trajet de l’onde au sein d’un même

volume(modifie la

polarisation)

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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 14

UTILISATION DE COURT-CIRCUITSUTILISATION DE COURT-CIRCUITS

Antenne quart d’onde :

Antenne IFA et PIFA : Effet inductif du court-circuit

Ez

y

x

g/4

Sonde d ’alimentation

Plan de masse

Plaque de court-circuit

y

z

EE

x

z

y

H

L D << H+L=/4 Ez

y

x

g/4

Sonde d ’alimentation

Plan de masse

Plaque de court-circuit

D

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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 15

x

y

z

O

plan de masse

court-circuit(a)

(b)

x

y

z

Oplan de massecourt-circuit

patch reprise de masse

(a)

(b)

ANTENNES PLANAIRES EVOLUEESANTENNES PLANAIRES EVOLUEES

Patch quart d’onde C-patch

P.I.F.A. Fil-plaque

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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 16

QUELQUES DETAILS SUR L’ANTENNE FIL-PLAQUEQUELQUES 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

résonancesérie

Z(f) = R(f) + j X(f)

X(f)

R(f)f

parallèlerésonance mode

fondamental

sans fil de masse avec fil de masse

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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 17

QUELQUES DETAILS SUR L’ANTENNE FIL-PLAQUEQUELQUES DETAILS SUR L’ANTENNE FIL-PLAQUE

C

R

C L alim.

L

mode fondamentalfond.

fond.

fond.

toit

C

L

Lmasse

C

R

alim.

toit

L

mode fondamental

fond.

fond.

fond.

champ H champ E

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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 18

QUELQUES DETAILS SUR L’ANTENNE FIL-PLAQUEQUELQUES DETAILS SUR L’ANTENNE FIL-PLAQUE

Plan de coupe vertical

Plan de coupe azimutal

Rayonnement

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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 19

L’ANTENNE FIL-PLAQUE COPLANAIREL’ANTENNE FIL-PLAQUE COPLANAIRE

PrincipePlan de masse périphérique

Substrat diélectriqueRuban de court-circuit

Ruban d’alimentation

fente

champ H

champ E

Tous les éléments de la fil-plaque transposés

dans un seul plan

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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 20

L’ANTENNE FIL-PLAQUE COPLANAIREL’ANTENNE FIL-PLAQUE COPLANAIRE

Rayonnement

champ H

champ E

xx

yz

Y

Z

O

u

u

EE

(degrés)

Plan = 90°

E

X

Y

O

uu

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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 21

TECHNIQUES D’OPTIMISATIONTECHNIQUES D’OPTIMISATION

Utilisation de substratsUtilisation de substrats

Principaux buts : élargissement de bande passante et fonctionnement multi-fréquences

x

y

z

O

Ajout de fentesAjout de fentes

Imbrication ou multi-couchesImbrication ou multi-couches

eff

og

permittivitétaille

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

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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 22

ANTENNES PLANAIRES EVOLUEESANTENNES 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

Page 23: 1 - compact antennas

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 23

ANTENNES PLANAIRES EVOLUEESANTENNES 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

Page 24: 1 - compact antennas

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 24

QUELQUES EXEMPLESQUELQUES EXEMPLES

Page 25: 1 - compact antennas

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 25

QUELQUES EXEMPLESQUELQUES EXEMPLES

Page 26: 1 - compact antennas

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 26

ANTENNE A RESONATEUR DIELECTRIQUEANTENNE A RESONATEUR DIELECTRIQUE

Volume de matériau diélectrique formant une cavité résonante

très fort facteur de qualité

bande passante faible

Rayonnement difficile à maîtriser

Page 27: 1 - compact antennas

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 27

Frequency (GHz)

Partie réelle

de Z

e (ohm

s) Alimentation directe

Gap capacitif 2mm

Gap capacitif 4mm

Partie im

aginaire

de Z

e (ohm

s)

Alimentation directe

Gap capacitif 2mm

Gap capacitif 4mm

Frequency (GHz)

(a)

(b)

Fréquence (GHz)Fréquence (GHz) Fréquence (GHz)Fréquence (GHz)

/4/4Plus petit élément résonant possible : résonateur quart d'ondePlus petit élément résonant possible : résonateur quart d'onde

L’ANTENNE RUBAN REPLIEEL’ANTENNE RUBAN REPLIEE

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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 28

h2h 2h

Masse infinie

l2

l1

Densité surfacique de courantDensité surfacique de courant

But But : Contrôle du rayonnement par le dimensionnement des trois brins du : Contrôle du rayonnement par le dimensionnement des trois brins du résonateur pour un diagramme hémisphériquerésonateur pour un diagramme hémisphérique

RAYONNEMENT CONFORMÉ RAYONNEMENT CONFORMÉ

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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 29

h

l2

l1

Pré-étude analytiquePré-étude analytique

h # λ/24h # λ/24 ll11 # λ/15 # λ/15 ll22 # λ/7 # λ/7

h # λ/50h # λ/50 ll11 # λ/13 # λ/13 ll22 # λ/6.5 # λ/6.5

Optimisation FDTDOptimisation FDTD

gap decouplage

h

l1

l2

sondecoaxiale

Variation de gain <3 dB Variation de gain <3 dB direction direction

RAYONNEMENT CONFORMÉ RAYONNEMENT CONFORMÉ

Utilisation d’un plan de masse limitéUtilisation d’un plan de masse limité

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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 30

Plan de masse

s

alimentation

masse

masse

Résonateur λ/4Masse coplanaire

Gap de couplage

Gap de couplage

EVOLUTIONS DIVERSESEVOLUTIONS DIVERSES

++

--

résonateur fréquence haute

résonateur fréquence basse

Structure sans plan de masse

Limitation du plan de masse

Élargissement dudernier brin

Élargissement dudernier 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)

Page 31: 1 - compact antennas

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 31

PREMIERE APPLICATIONPREMIERE APPLICATION

ALLIGATOR : ALL InteGrAted meteRingALLIGATOR : ALL InteGrAted meteRingProjet européen

Projet européen EURIMUS ayant Projet européen EURIMUS ayant pour but le développement d'un pour but le développement d'un

système de relevé à distance système de relevé à distance des compteurs d'énergiedes compteurs d'énergie

Rôle de l'IRCOM : étude Rôle de l'IRCOM : étude des antennes intégréesdes antennes intégréesavec minimisation des avec minimisation des

effets CEMeffets CEM

Conception d'un module radio Conception d'un module radio compact à haut niveau compact à haut niveau

d'intégration et faible coûtd'intégration et faible coût

Page 32: 1 - compact antennas

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 32

Boîtier en ABS

PCB FR4Batteries

RESULTATS OBTENUSRESULTATS 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)

Page 33: 1 - compact antennas

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 33

ÉmetteurGPS

simulateur station de base

récepteurs

PCI bus

i/o i/oNumérisation IQ

FI 1.5 MHz

1.2 MHz

CPU Carte vidéoplate-forme NT4

LUTECELUTECE : : LLocalisation d'ocalisation d'UUrgence pour rgence pour TETEléphone léphone CECEllulairellulaire

DEUXIEME APPLICATIONDEUXIEME APPLICATION

But :But : système de localisation permettant le sauvetage de personnes système de localisation permettant le sauvetage de personnes en détresse à partir de l'émission de leur téléphone portableen détresse à partir de l'émission de leur téléphone portable

Page 34: 1 - compact antennas

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 34

Antenne émettrice 500 x 500 mm

Antennes réceptrices800 x 800 mm

DISPOSITION SOUS L’HELICOPTEREDISPOSITION SOUS L’HELICOPTERE

Page 35: 1 - compact antennas

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 35

20°

Capot avant : Capot arrière :

Modification descapots sous

l’hélicoptère pouraccueillir les

antennes

Pointage mécanique

DISPOSITION SOUS L’HELICOPTERE (2)DISPOSITION SOUS L’HELICOPTERE (2)

Émiss

ion

Réception

5 capteurs de réception à 5 capteurs de réception à large ouverturelarge ouverture

antenne d'émission directiveantenne d'émission directive

Page 36: 1 - compact antennas

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 36

ELEMENT DE BASE COMMUNELEMENT DE BASE COMMUN

zx

y

O

48 mm

Frequency (GHz)

S11

(dB

)

simulation

mesure

Fréquence (GHz)

Première bande de 150 MHz (16%)Première bande de 150 MHz (16%)Seconde bande de 1.4 GHz (62%)Seconde bande de 1.4 GHz (62%)

Page 37: 1 - compact antennas

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 37

Ox

yz

Plan xOz

DCS

mesuresimulation

Plan yOz

DCS

mesuresimulation

Ox

yz

Plan xOz

GSM

mesuresimulation

Plan yOz

GSM

mesuresimulation

46°46° 42°42°

ANTENNE D’ÉMISSION ANTENNE D’ÉMISSION

Gmax = 13.5 dB Gmax = 13.7 dB

Antenne d'émission Antenne d'émission : : 4 éléments

disposition délicate (compromis disposition délicate (compromis GSM/DCS)GSM/DCS)

très bons résultats en très bons résultats en adaptation et rayonnementadaptation et rayonnement

rigidité insuffisanterigidité insuffisante

Page 38: 1 - compact antennas

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 38

AUGMENTATION DE LA RIGIDITÉAUGMENTATION DE LA RIGIDITÉ

Brin court-circuité

Brin en circuit ouvert

Substrat Duroïd

Coaxial rigide

Plan réflecteur

Masse supérieure

Nouvel élément de base :Nouvel élément de base :substrat diélectrique

compacité supérieure (84x60)compacité supérieure (84x60)

rigidité renforcéerigidité renforcée

bandes passantes amoindriesbandes passantes amoindries

xy

z

O

Réseau de quatre éléments

O

x

z

y

Élément DCS

Réseau de cinq éléments

Bon comportement du réseau de cinq éléments conception d'un circuit de

distribution

Page 39: 1 - compact antennas

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 39

CIRCUIT DE DISTRIBUTIONCIRCUIT DE DISTRIBUTION

50 cm

50 c

m

connecteur d’entrée

niveau antenneniveau masse

supérieure

câble coaxialmasse inférieure

substrat Duroïd 3 mm

sorties

Circuit bi-bande 1 entrée / 5 sorties en phase avec pondération d’amplitudeOptimisation à l’aide du logiciel circuit HP ADS et Momentum

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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 40

REALISATION ET MESURESREALISATION 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°

simulationmesure

simulationmesure

Page 41: 1 - compact antennas

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 41

CAPTEURS DE RECEPTIONCAPTEURS DE RECEPTION

Brin court-circuité

Brin en circuit ouvert

Substrat Duroïd

Coaxial rigide

Plan réflecteur

Masse supérieure

But :But : disposition disposition

optimale de 5 optimale de 5 capteurs capteurs

indépendants indépendants pour une pour une

goniométrie goniométrie préciseprécise

Utilisation d’un élément de base sur diélectrique

Page 42: 1 - compact antennas

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 42

Simulations FDTD du couplage entre deux Simulations FDTD du couplage entre deux capteurs parallèles à des distances variablescapteurs parallèles à des distances variables

Distance importante Distance importante nécessaire entre les nécessaire entre les

capteurs pour capteurs pour pouvoir négliger le pouvoir négliger le

couplagecouplage

zx

O

y

MISE EN EVIDENCE DES COUPLAGESMISE EN EVIDENCE DES COUPLAGES

Page 43: 1 - compact antennas

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 43

80 cm

Capteur 1

Capteur 2

Capteur 3

Capteur 4

Capteur 5

Choix de capteurs proches Choix de capteurs proches avec prise en compte des avec prise en compte des

couplages complexescouplages complexes

Étude de l’influence de la Étude de l’influence de la taille du plan de masse sur la taille du plan de masse sur la

goniométriegoniométrie

Calculs des diagrammes de Calculs des diagrammes de rayonnement obtenus avec ou rayonnement obtenus avec ou

sans présence des autres sans présence des autres capteurscapteurs

OPTIMISATION DE LA DISPOSITIONOPTIMISATION DE LA DISPOSITION

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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 44

REALISATION ET MESURESREALISATION ET MESURES

GSM DCS

Phi=0 Phi=0

Phi=90 Phi=90

Page 45: 1 - compact antennas

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 45

EXPERIMENTATIONSEXPERIMENTATIONS

Détection avec une précision du mètre carré en moins de

trois minutes.