Contribution à l étude de diagramme de rayonnement D une antenne réseaux alimentée par une nouvelle Architecture de matrice de Butler

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1 SETIT 27 4 th International Conference: Sciences of Electronic, Technologies of Information and Telecommunications March 25-29, 27 TUNISIA Contribution à l étude de diagramme de rayonnement D une antenne réseaux alimentée par une nouvelle Architecture de matrice de Butler TRAII Mbarek, GHAYOULA Ridha, GHARSALLAH Ali Laboratoire d`électronique, Faculté des sciences de Tunis Elmanar292 Tunis, Tunisie traii_moncef@yahoofr ridha_ghayoula_fst@yahoofr aligharsallah@fstrnutn Résume: Une simulation de la matrice de Butler sans réseau d antennes a été faite afin d obtenir les pondérations en amplitude et en phase qui doivent être distribuées à chaque élément rayonnant et déterminer le diagramme de rayonnement Ensuite, nous procéderons à une simulation globale de la matrice avec son réseau d antennes pour calculer les paramètres S de réflexion et d isolation des voies d entrée et voir une approche de diagramme de rayonnement de la totalité de matrice Mots Clés: faisceaux axial, matrice de Butler, répartiteur de faisceaux, simulation avec Momentum INTRODUCTION Dans les systèmes antennaires traditionnels, les transmissions omnidirectionnelles de radio fréquence (RF) sont soumises aux interférences et donc à une qualité plutôt médiocre En effet, ce type de couverture est nécessaire car l emplacement de l utilisateur est inconnu Ce type de transmission a pour conséquence de polluer l environnement électromagnétique en rayonnant de la puissance dans des directions inutiles Les systèmes d antennes intelligents déterminent l emplacement d un utilisateur et essaient de concentrer et de recevoir l énergie seulement dans les directions souhaitables et donc un rayonnement plus directif Ce concept existe déjà depuis de nombreuses années dans le domaine de la défense, mais jusqu à récemment ce sont des barrières de coûts qui ont empêché son emploi dans des systèmes grand public Les équipementiers de réseaux sans fil offrent deux approches générales: des réseaux d antennes à faisceaux commutables et des réseaux d antennes adaptés Ces deux systèmes essaient d accroître le gain selon l emplacement de l utilisateur, cependant seul le système adaptatif propose un gain optimal tout en minimisant les signaux d interférences Ce travail consiste à étudier la faisabilité dans le domaine millimétrique de répartiteurs de faisceaux [2] à faibles coûts pouvant faire l objet par exemple d une intégration dans un système LMDS 1 Les Matrices de Butler 11 Etude des coupleurs Les coupleurs sont des dispositifs permettant aux sorties de recueillir une puissance proportionnelle à l'entrée Ce sont des dispositifs à 4 ports dont l'un est refermée sur son impédance caractéristique Les grandes classes de coupleurs directifs sont des coupleurs à trous, les coupleurs par proximité et les coupleurs à junctions Parmi ceux-ci, on distingue les coupleurs en échelle que nous étudierons et les coupleurs en anneau Le coupleur hybride se compose de quatre ports (voir figure 1) Mais pour assurer le bon fonctionnement du circuit il faut isoler le port 2 en y plaçant une résistance de 5 Ω que l on relie à la masse Port 1 Port 2 5 Ω Z λ 4 Z 2 λ 4 Port 4 Port 3 Figure 1 Schéma de coupleur Hybride - 1 -

2 SETIT Analyse du coupleur 3dB, 9 à trois branches Les largeurs des lignes nécessaires pour la modélisation de ce coupleur sont les suivantes : W 5Ω =132µm, L 5Ω = 3877µm W 6Ω = 94µm, L 6Ω = 4375µm W 112Ω = 245µm, L 112Ω = 4375µm Ces valeurs sont optimisées pour avoir une bande assez large et des accès parfaitement adaptés [3] Figure 2 Structure maillée du coupleur hybride (3dB, 9 ) à 3branches sous MOMENTUM Figure 2 Structure maillée du coupleur hybride (3dB, 9 ) à 3 branches sous MOMENTUM Les résultats de simulation électromagnétiques (Paramètres S en amplitude et en phase) sont illustrés dans les figures ci-dessous: db(s(4,1)) db(s(3,1)) db(s(2,1)) db(s(1,1)) Figure 3 Les paramètres S ij en amplitude du coupleur (3dB, 9 ) à 3 branches en fonction de la fréquence Ces résultats montrent une équiamplitude entre les deux ports couplés 3 et 4, entre 115 et 125 GHz L écart entre les deux voies sur cette bande est inférieur à 1dB La différence en terme d amplitude entre la voie couplée et directe du coupleur reste tolérable entre 11 et 13 GHz En dehors de cette bande, nous avons une dégradation du fonctionnement du coupleur Le niveau n est pas tout à fait de -3dB mais plutôt de -394 db du fait des pertes diélectriques et métalliques dues au substrat et au cuivre [4] On peut noter qu on a une symétrie au niveau des amplitudes de la sortie On peut remarquer que les pertes dans ce coupleur sont très faibles (94dB), sachant que le coupleur à deux branches avait 54dB de pertes Sur cette même bande de fréquence, le coefficient de réflexion au niveau du port 1 est inférieur à -3dB, donc une très bonne adaptation Le port 2 est complètement isolé puisque S 21 est aux alentours de -35 db La bande à -1dB est très large, donc il n y aura pas des pertes due aux désadaptations En terme de phase, les signaux de sortie sur les ports 3 et 4 sont en quasi quadrature de phase L écart de phase est de 89 à la fréquence 12 GHz 112 Les déphaseurs fixes Le terme «fixe» est utilisé pour parler des déphaseurs passifs en technologie planaire ; c est-à-dire les lignes de transmission à retard de phase Alors, Pour créer un retard de phase θ avec une ligne microruban par rapport à une autre, il suffit d ajouter une longueur de ligne supplémentaire L de telle manière que : L = θ λg/ Etude des coupleurs db à six branches Le coupleur db à 6 branches est l agencement de deux coupleurs (3dB, 9 ) à 3 branches mis bout à bout Le seul paramètre à optimiser est donc la distance entre ceux-ci Ce coupleur est très utile dans la construction des matrices de répartition car il remplace les croisements entre deux lignes Son schéma est donné dans la figure 5 15 m1 m2 freq=12ghz freq=12ghz phase(s(4,1))=58128 phase(s(3,1))= phase(s(3,1)) phase(s(4,1)) m1 m Figure 4 Les paramètres S ij en phase du coupleur (3dB, 9 ) à 3 branches en fonction de la fréquence Figure 5 Structure maillée du coupleur db à 6 branches sous MOMENTUM Les résultats de la simulation électromagnétique du coupleur db, après optimisation, sont les suivantes - 2 -

3 SETIT27 Forme des paramètres S en amplitude et en Phase 1-1 db(s(3,1)) db(s(1,1)) -2-3 mag(s(3,1)) mag(s(2,1)) mag(s(1,1)) Figure 6 Paramètres de réflexion et d isolation du coupleur db Les imperfections des composants de la matrice ont pour effet d appliquer un facteur multiplicatif, en forme (1+δ)e jβ, à la matrice D où un changement dans le pointage des lobes principaux, et une réduction ou une augmentation des niveaux des lobes secondaires Dans l`article suivant, nous simplifions la matrice 4x4 afin d obtenir 3 faisceaux dont un dans l axe principal Ensuite, elle sera modélisée et simulée Pour cela, nous allons employer le logiciel hpads, incorporant MOMENTUM [1] utilisant la méthode des moments finis, afin de déterminer les pondérations en amplitude et en phase de chaque élément rayonnant 2 Simulation et optimisation 21 Résultats des paramètres S ij correspondant à la voie 1L Cette matrice emploie trois coupleurs à trois branches, vus précédemment, et deux coupleurs db La matrice totalement planaire [5,6] pourra donc être réalisée avec un circuit monocouche La matrice est simulée entièrement sous le logiciel MOMENTUM sans réseau de patch est décrite dans la figure 7 Figure 8 : paramètres S en amplitude correspondant à l alimentation du voie d entrée 1 phase(s(3,1)) phase(s(2,1)) phase(s(1,1)) Figure 9 : Paramètres S en phase correspondant à l alimentation du voie d entrée 1 En sortie, le niveau d amplitude est autour de -69dB sur la bande [118Ghz ; 122Ghz] On pourra considérer une équiamplitude sur les voies de sortie en exception de la voie 7 qui présente des pertes supplémentaires par rapport aux autres voies A propos de la phase, la matrice génère un gradient de phase autour de 9 [7] Ces pondérations en amplitude et en phase sur chaque élément rayonnant seront appliquées sur le réseau d antennes pour que nous puissions déduire le diagramme de rayonnement correspondant 3 Diagramme de rayonnement de la matrice de Butler avec réseaux d antenne : Figure 7: Layout de la matrice de Butler sans réseaux d antenne Les résultats de la simulation sont présentés sous 1L 1R BS Figure 1 : Layout de la matrice de Butler avec son réseau d antenne sur une structure monocouche - 3 -

4 SETIT27 Pour fournir les diagrammes de rayonnements correspondant à l alimentation de la voie 1L, 1R et BS (figure 11), un réseau d antennes linéaires de quatre éléments carrés espacés de 6 λ fonctionnant à 12 Hz a été employé Ces diagrammes sont donnés dans le plan H à l aide du simulateur électromagnétique MOMENTUM Sous les figures suivantes : 32 Performances du faisceau 1L et 1R : Ces deux faisceaux (figure 11 a, b) présentent une légère dissymétrie notamment dans les lobes secondaires suite aux différentes pondérations en amplitude appliquées au réseau Le faisceau 1L pointe à -21 tandis que l autre faisceau extrême 1R pointe à 22, ce qui correspond aux valeurs trouvés par analyse du réseau L ouverture à mipuissance est de 23 pour chacun des faisceaux extrêmes, ce qui entraîne une couverture de 67 Le niveau de la polarisation croisée est faible et reste inférieur à -18 db, aussi pour les niveaux des lobes secondaires 4 Conclusion Figure 11 : composantes principales et croisées des faisceaux formés dans le plan H et correspondantes à la voie 1L (a), 1R (b) et BS (c) simulés sous MOMENTUM à 12 Hz 31 Performances du faisceau axial «BS» : Les résultats de simulation (figure 11c) présentent des lobes secondaires plus élevés (le premier lobe secondaire se situe à -1dB contre un niveau -12dB dans le cas d application des pondérations sous PCAAD L ouverture à mi-puissance reste inchangée et égale à 23 Le dépointage est correct avec seulement un écart de 1 de la valeur théorique Le niveau de la polarisation croisée reste inférieure à -13 db (a) (b) (c) Une nouvelle procédure de conception d une matrice de Butler à faisceau axial a été mise au point L objectif est d établir la faisabilité de cette nouvelle architecture de matrice C est pourquoi, les différents composants constituant la matrice (coupleurs (3dB, 9 ), déphaseurs et croisements) ont été étudiés et simulés Ainsi, la matrice a été simulée dans sa totalité La conception de la matrice a pu être mis en oeuvre grâce au logiciel basé sur la méthode des moments finis 2D ½ (MOMENTUM) Ensuite, une mise en réseau d'éléments rayonnants a été nécessaire pour que celui-ci soit relié au répartiteur Cette matrice avec son réseau plan de 4 sources élémentaires a été simulée dans sa totalité Les diagrammes de rayonnement montrent bien la présence de trois faisceaux dont un dans l axe principal Ce travail permet donc de déboucher sur des perspectives dans un proche et lointain temps Proche car maintenant, nous allons améliorer les performances de la matrice Aussi, nous étudierons la technique d alimentation du réseau plan par la matrice à travers des fentes de couplage dans le but de simuler la matrice par FDTD et extraire les diagrammes de rayonnements du réseau sans les rayonnements parasites de la matrice elle même Ensuite, une réalisation de la matrice et de son réseau d antenne reste nécessaire pour valider expérimentalement le concept de cette matrice et pour quantifier le degré d erreur commis par les logiciels de simulation électromagnétique Lointain car enfin, il est très possible de développer et améliorer le rendement de ces antennes multifaisceaux en intégrant des éléments actifs Aussi, concevoir et réaliser le système complet à balayage électronique en intégrant des circuits de commutation RF susceptibles d intervenir en amont de la matrice REMERCIEMENT Les auteurs voudraient remercier tout ceux qui ont nous aidés dans la réalisation de ce travail - 4 -

5 SETIT27 REFERENCES Advanced Design System ADS 24 C DALL OMO, Contribution à l étude d antennes à pointage électronique en millimétrique Conception et réalisation de différentes topologies de Matrices de Butler» Thèse de doctorat n Université de Limoges - soutenue en Novembre 23 GL MATTHAEI, L YOUNG and EMT JONES, "Microwave filters, impedance-matching networks, and coupling structures", Mc Graw-Hill Book Company, 1964, pp H NOVAK et al: «A single layer 8x8 Butler matrix with patch antenna» MTTS European wireless 1998 Conf Proc Amsterdam October 1998 JButler and RLowe "Beam-Forming matrix simplifies Design of electrically M-scanned antennas "Electronic Design, April JPShelton and RHowe Multiple Beams for Linear Arrays Ire Trans on Ant & Prop March1961 pp R BESANCON, Contribution à l étude de réseau d antennes imprimées à pointage électronique Conception et réalisation de maquettes en bande C et Ka» Thèse de doctorat n Université de Limoges - Décembre