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INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES
1UMR6164
Antenne résonateur BIE à faisceau contrôlable
Olivier Roncière, Ronan Sauleau, Kouroch [email protected]
Institut d'Electronique & de Télécommunications de Rennes (IETR)
INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES
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I. Introduction• Généralités• Notion de diagramme de rayonnement et de directivité
Sommaire
II. Antennes à Bande Interdite Electromagnétique • Présentation et principe de fonctionnement
III. Application en bande Ku• Modèle 2D d'antenne à faisceau contrôlable
• Performances d'une antenne réelle
IV. Conclusion
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λ=c/f
Propagation
Er
Hr
kr
Rôle d'une antenne dans un système de communication
Une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émission) ou de capter(réception) les ondes électromagnétiques
Mise en forme du signal
Signal d'entrée
Antenne
Diagramme de rayonnement
Émission
Traitement du signal
Signal de sortie
Réception
Antenne
Oscillations électriques Ondes électromagnétiques
I.Introduction - Généralités- Rayonnement – Directivité
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Ou sont les antennes ?
• Antennes classiques:
- Antennes télé ou radio
- Téléphone portable
• Recherches aujourd'hui:
- Communications satellites
- Transport (radar automobile)
- Réseaux locaux (communications intra-bâtiments)
- Généralités- Rayonnement – DirectivitéI.Introduction
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•L'antenne isotrope, c'est-à-dire rayonnant de la même façon dans toutes les directions, est un modèle théorique irréalisable dans la pratique.
Diagramme de rayonnement
I.Introduction
Lobe principalLobes secondaires
Theta (°)
Puis
sanc
e no
rmal
isée
(dB
)Phi (°)
Diagramme de rayonnement
•En réalité, l'énergie rayonnée par une antenne est répartie inégalement dans l'espace, certaines directionssont privilégiées : ce sont les lobes de rayonnement.
- Généralités- Rayonnement – Directivité
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Deux plans d'observation orthogonaux:
•Plan E (plan contenant le vecteur )
•Plan H (plan contenant le vecteur )
Diagramme de rayonnement
Er
Hr
I.Introduction
Theta (°)
Phi (°)
- Généralités- Rayonnement – Directivité
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Diagramme de rayonnement
Diagramme 3D Coupes du diagramme 3D Plan E Plan H
I.Introduction
Theta (°)
Puis
sanc
e no
rmal
isée
(dB
)
Puis
sanc
e no
rmal
isée
(dB
)
Φ=0°
Φ=90°
Theta (°)
Phi (°)
- Généralités- Rayonnement – Directivité
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•Mesure la quantité d'énergie rayonnée dans une direction de l'espace U(θ, Φ) par rapport à l'énergie totale rayonnée.
Directivité d'une antenne
( ) ( )( )∫∫ Ω
=dU
UDφθπ
φθφθ,4
1,, où ( ) ( ) rHEU .*Re2
1, ×=φθ ^
I.Introduction
D(0,0)
Diagramme peu directif D(0,0)=7dB
Theta (°)
Puis
sanc
e no
rmal
isée
(dB
) z
yx
θ
Φ
Phi (°)
D(0,0)
Diagramme directif D(0,0)=22dB
Theta (°)Pu
issa
nce
norm
alis
ée (d
B)
Phi (°)
- Généralités- Rayonnement – Directivité
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•Mesure la quantité d'énergie rayonnée dans une direction de l'espace U(θ, Φ) par rapport à l'énergie totale rayonnée.
Diagramme peu directif D(0,0)=7dB
( ) ( )( )∫∫ Ω
=dU
UDφθπ
φθφθ,4
1,, où ( ) ( ) rHEU .*Re2
1, ×=φθ ^
Diagramme directif D(0,0)=22dB
I.Introduction
Theta (°)Theta (°)
Puis
sanc
e no
rmal
isée
(dB
)
Puis
sanc
e no
rmal
isée
(dB
)
Directivité d'une antenne
Ouverture à mi--puissance (-3dB)
θ-3dB= 70°
Ouverture à mi--puissance (-3dB)
θ-3dB= 16°
- Généralités- Rayonnement – Directivité
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Sommaire
II. Antennes à Bande Interdite Electromagnétique (BIE)• Présentation et principe de fonctionnement
III. Application en bande Ku• Modèle 2D d'antenne à faisceau contrôlable
• Performances d'une antenne réelleIV. Conclusion
I. Introduction• Généralités• Notion de diagramme de rayonnement et de directivité
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Antennes directives(IRCOM, Limoges)
II.Les Antennes BIELes antennes à Bande Interdite Electromagnétique (BIE)
- Communications point à point
Pourquoi des antennes directives?
Puissance concentrée dans la zone utile
- Communications à longue distance
Terre Orbite36000 kms
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Antennes reconfigurables(IETR, Rennes)
II.Les Antennes BIELes antennes à Bande Interdite Electromagnétique (BIE)
BTS
Couverture zone(stations de base)
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Radar Anti-collision
Motivations et objectifs de l'étude
Faisceau contrôlable Directivité variableTheta (°)
Puis
sanc
e no
rmal
isée
(dB
)
Passage d'un faisceau à ouverture large à un faisceau à ouverture étroite
Détection courte distance
Détection longue distance
II.Les Antennes BIE
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Géométrie des antennes BIE
Oz
OyOx
Source primaire
Miroir semi-réfléchissant:
- Empilement diélectrique
- Motifs métalliques
Plan de masse
II.Les Antennes BIE
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y
x
Miroir semiréfléchissant
Source primaire
z
x
Cartographies du champ E (module)
Oz
OyOx
Fonctionnement des antennes BIEL'antenne BIE étale le champ à sa surface pour obtenir une fortedirectivité.
II.Les Antennes BIE
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y
x
L'antenne BIE étale le champ à sa surface pour obtenir une fortedirectivité.
Miroir semiréfléchissant
Source primaire
z
x
Cartographies du champ E (module)
II.Les Antennes BIE
Fonctionnement des antennes BIE
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y
x
Directivité Taille de l'ouverture rayonnante
Antenne BIE à directivité variableL'antenne BIE étale le champ à sa surface pour obtenir une fortedirectivité.
Cartographies du champ E (module)
Miroir semiréfléchissant
Source primaire
z
x
II.Les Antennes BIE
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Sommaire
III. Application en bande Ku• Modèle 2D d'antenne à faisceau contôlable
• Performances d'une antenne réelle
IV. Conclusion
I. Introduction• Généralités• Notion de diagramme de rayonnement et de directivité
II. Antennes à Bande Interdite Electromagnétique • Présentation et principe de fonctionnement
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D
Géométrie de l'antenne
Miroirs semi réfléchissants
•Miroirs semi-réfléchissants: pistes métalliques
Source
•Source: Ligne de courant infinie
Grille active
•Grille active: pistes métalliques (période lâche)
L
•Ouverture rayonnante de taille variable Directivité variable
III. Application en bande Ku
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Modèle 2D de l'antenne
L
Source Grille active
Géométrie de l'antenne
x (m)
y(m)L=2×λ0 , fo=18.7GHz
Cartographies du champ E (|E|) Diagrammes de rayonnement
Theta (°)
Puis
sanc
e no
rmal
isée
(dB
)
III. Application en bande Ku
Ouverture rayonnante de taille variable (L)
Directivité variableMiroirs
•Le champ est arrêté par la grille active
L=6×λ0 , fo=18.4GHz Sans grille active L=8×λ0 , fo=18.4GHz
L=4×λ0 , fo=18.45GHz
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Géométrie de l'antenne réelle
Plan d'observationGrille inductive 2D (miroir semi-réfléchissant)
Grille active
Plan de masse
εr2
εr1 L
x
z
III. Application en bande Ku
Source primaire
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Résultats FDTD
Cartographies du champ E (|E|)
L=2×λo L=4×λo L=12×λo
Augmentation de l'ouverture rayonnante avec L.
III. Application en bande Ku
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Diagramme de rayonnement (Plan H)
-259°12-2418°4-1632°2
Niveau des lobes
θ(–3dB)Ouverture L (λ)
Le plan H est très bon
Résultats FDTD
Theta (°)
Puis
sanc
e no
rmal
isée
(dB
)
L=2λL=4λ
L=12λ
III. Application en bande Ku
Rq: dans le pan E, des lobes secondaires importants apparaissent
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L=12×λo
L=6×λo
L=4×λo
L=2×λo
∆Do=13.5dB
Variation maximale de directivité à f=16.05GHz:
∆Do=13.5dB.
Variation de directivité
Fréquence (GHz)
Dire
ctiv
ité (d
B)
Résultats FDTD
III. Application en bande Ku
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IV. Conclusion
•Faisabilité d'une antenne BIE à directivité variable
•Insertion d'une grille active à l'intérieur de la cavité
•Les simulations FDTD montrent une variation de directivité de 13.5dB
•Une maquette est en cours de réalisation
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Antenne résonateur BIE à faisceau contrôlable
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