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Institut Mines-Télécom
Simulation électromagnétique d'antennes : manipulations avec le logiciel FEKO (EMSS)
Formation continue – 19-20 mai [email protected]
Institut Mines-TélécomInstitut Mines Telecom/TB/Dpt. MO/FLP
Simulation EM� Objectifs
• Prédire les grandeurs d’intérêt (EM & dérivées) selon les hypothèses de milieux, frontières et sources
• Réduire le prototypage (pré-dimensionnement des dispositifs / intégration processus CAO)
• Améliorer les performances nominales, les rendements, la sensibilité aux conditions de mise en œuvre, etc…
• Contribuer à l’analyse de l’origine de difficultés� Méthode
• Modélisation informatique (3D paramétrique, native ou import)• Résolution automatique des équations fondamentales• Post-traitement adapté au problème étudié• Export / co-simulation
� A noter• Différences modèle / réalité (toujours !)• Résolution dont la précision dépend des techniques utilisées et
des réglages adoptés ─ Notamment : maillage
• Adéquation des ressources ? (temps de calcul, mémoire…)
19/05/2014 Formation continue - Antennes2
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Logiciel de simulation EM FEKO
� Il existe de nombreux autres logiciels commerciaux pour la simulation EM ( http://emclab.mst.edu/csoft/ )
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http://www.feko.info/
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Les modules de FEKO
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CADFEKO
PREFEKO
Maillage (Mesh)
FEKO SOLVER
POSTFEKO
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Déroulement de la séance
� Présentation de séance• Simulation EM & FEKO
� Antennes filaires• Dipôle, monopôle, GPA• Dipôle avec réflecteur polarisé, • Antenne panneau (uniforme, binomial, déphasé)
� Patch ISM 2,4 GHz• Sur air, polarisation linéaire, circulaire• Substrat infini, fini• PiFa• Réseau de patchs : périodicité, couplages
19/05/2014 Formation continue - Antennes5
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Du dipôle à l’antenne panneau pour réseaux cellulaires
Prise en main du logiciel FEKO et étude graduelle d’ antennes filaires
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Dipôle filaire
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Paramètres principauxld= lam/2d= lam/1000 (dipôle fin)f0 = 2 GHz
On souhaite connaître• L’impédance ramenée• Le coefficient de réflexion• La distribution des
courants et charges• Le rayonnement• Les champs proches
dipole.cfx
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Construction du modèle dipole� Construct
• Définition des paramètres─ f0=2e9, lam=c0/f0, ld=lam/2, d=lam/1000
• Définition de la position d’excitation─ Wire-port /middle
� Configuration• Frequency : 1,8 à 2,2 GHz, Continuous interpolated• Source : Voltage 1V/50 Ohm• Request : currents, all currents
� Maillage• Mesh : custom : lam/40, segment radius : d
� Simulation� Post-Feko
• Coefficient de réflexion : cartésien (min, BP)• Impédances : parties réelles / imaginaires, résonance, abaque de smith• Ré-accord à 2 GHz• Adaptation
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Dipôle ajusté et adapté
19/05/2014 Formation continue - Antennes9
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20
Re
fle
ctio
n c
oe
ffic
ien
t [d
B]
Frequency [GHz]
Reflection coefficient Magnitude [dB] - dipole
Excitation
VoltageSource1
Minimum: (2.00448 GHz, -58.7512 dB)
0.208807 GHz
ld=lam/2*f1/f0
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Courants et charges sur le dipôle
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0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 5 10 15 20
Segment index
Current Magnitude - dipole
Frequency = 1.8 GHz Frequency = 2 GHz
Frequency = 2.2 GHz
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Rayonnement du dipôle
� Dans cad feko• frequency : 2 GHz (seulement)• Request
─ Far field 3D (5°)─ Near fields : grilles horizontales (xy) et verticales (xz) de
22X22 points sur une surface de lamXlam
� Post-Feko• Rayonnement qualitatif (3D)• Rayonnement quantitatif (polaire), gain, ouverture• Champ proches dans chaque plan : E, animation, H
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Dipôle : champs proches et lointains à la résonance
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Champs proches
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Monopôle
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l= lam/4*1,91/2d= lam/1000 (monopôle fin)f0 = 2 GHz
Corriger le modèle+ Plan de masse
Modifier les request- Champs lointains- Champs proches
dipole.cfx
monopole.cfx
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Monopôle
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-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20
Frequency [GHz]
Minimum: (1.9934 GHz, -75.5222 dB)
0.207545 GHz
Courant X2/ dipôle
Impédance / 2 par rapport au dipôle
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Monopôle : champs lointains
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Gain + 3dB
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Monopôle : champs proches
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Monopôle avec PM filaire
19/05/2014 Formation continue - Antennes18
36 Ohms / 200 MHz pour
le plan de masse infini
Remplacer le plan de masse par 6 fils
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Monopôle avec PM filaire
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2,15 dBi / 76°pour le dipôle
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GPA
19/05/2014 Formation continue - Antennes20
L’angle des brins contrôle le niveau d’impédance ramenée
GPA.cfx
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GPA à 2 GHz
19/05/2014 Formation continue - Antennes21
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Dipôle devant un réseau réflecteur
19/05/2014 Formation continue - Antennes22
Distance inter fils : lam/10Distance dipôle/PR : lam/4
PanneauFilsHorizontaux.cfx
Plans de symétrie
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Fils horizontaux
19/05/2014 Formation continue - Antennes23
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Dipôle devant un PR (fils verticaux)
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PanneauFilsVerticaux.cfx
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Antenne panneau UMTS
19/05/2014 Formation continue - Antennes25
Symétries EM ?
Panneau plein (mailles triangles)
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Rayonnement de l’antenne panneau
19/05/2014 Formation continue - Antennes26
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Effet des différentes lois d’alimentation
19/05/2014 Formation continue - Antennes27
Uniforme 1V-0° Binomial 1V/2V/1V-0°
Déphasé 0,57V-0°/0,59V-37,5°/0,57V-75°
10,92 dBi
Théorie des réseaux (logiciel Antenna Magus)
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Antennes imprimées
Patch isolé sur substrat air, diélectrique, PIFA, patchs en réseaux
19/05/2014 Formation continue - Antennes28
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ePatch
19/05/2014 Formation continue - Antennes29
x
y
z
h
l
w
Er
Config 1f0=2,4 GHzh=lam/50Er=1 (fr=2,23GHz)l=lam/?w=le= 0,25*l/2
Config 2Polarisation circulaire
Config 3Er=2 (fr=2,32GHz)=> w, l, h
AdaptationImpédancesDiagramme de rayonnementChamps proches (V, H, sphère (lam))
patch2p4.cfx
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Patch substrat air avec plan de masse infini
19/05/2014 Formation continue - Antennes30
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Patch substrat air avec plan de masse infini
19/05/2014 Formation continue - Antennes31
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Patch sur substrat infini Er=2
f0=2,4 GHzh=lam/50Er=2l=lam/2/sqrt(Er)w=le= 0,25*l/2
Formation continue - Antennes19/05/201432
patch2p4Er.cfx
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Patch sur substrat infini Er=2
19/05/2014 Formation continue - Antennes33
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Patch à polarisation circulaire
19/05/2014 Formation continue - Antennes34
patch2p4bimode.cfx
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Patch bimode : résultats
19/05/2014 Formation continue - Antennes35
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PIFA sur plan de masse infini
19/05/2014 Formation continue - Antennes36
PIFA2-MasseInfinie.cfx
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PIFA sur plan de masse infini
19/05/2014 Formation continue - Antennes37
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PIFA sur plan de masse infini
19/05/2014 Formation continue - Antennes38
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Réseau de 10X10 patchs couplés
19/05/2014 Formation continue - Antennes39
A partir de l’utilisation des conditions périodiques
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Réseau de 10X10 patchs couplés
19/05/2014 Formation continue - Antennes40
Beam angle = 0°
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Réseau de 10X10 patchs couplés -dépointage
19/05/2014 Formation continue - Antennes41
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Fin des manipulations
Questions ?
19/05/201442 Formation continue - Antennes