Conception et évolution d une nouvelle matrice de Butler 4*4 alimentant une antenne réseaux.

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1 SETIT 7 4 th International Conference: Sciences of Electronic, Technologies of Information and Telecommunications March 5-9, 7 TUNISIA Conception et évolution d une nouvelle matrice de Butler 4*4 alimentant une antenne réseaux TRAII Mbarek 1 *, GHAYOULA Ridha ** et GHARSALLAH Ali 3 * * Laboratoire d électronique, Faculté des sciences de Tunis Elmanar9 Tunis, Tunisie traii_moncef@yahoofr ali_gharsallah@fstrnutn ** Laboratoire d électronique, Faculté des sciences de Tunis Elmanar9 Tunis, Tunisie ridha_ghayoula_fst@yahoofr Résume: Au cours de cet article, nous étudions la méthodologie employée pour concevoir une Nouvelle topologie de matrice de Butler 4x4 standard (sans faisceau dans l axe principal) Le choix de déphaseur et de type de coupleur (3 db, 9 ) est détaillé La nouvelle structure de la matrice de Butler 4x4 monocouche sans croisements, pouvant être facilement réalisée par un simple procédé de gravure et par conséquent faible coût Mots Clés: Antenne multifaisceaux, matrice de Butler, répartiteur de faisceaux, simulation avec ADS INTRODUCTION Les réseaux d alimentation des antennes à multiples faisceaux (Multiple Beam Network) jouent un rôle central dans de nombreuses applications antennaires En effet, le désir de balayer le faisceau d une antenne, possédant une largeur à mi-puissance étroite et un gain important, permet d effectuer une vaste couverture Ce désir provient de la complexité croissante des systèmes de communication et de surveillance En réponse, les futurs réseaux de communications devront mettre en œuvre des techniques de plus en plus évoluées Actuellement des exemples tels que les radars à faisceaux agiles, les systèmes de brouillage ECM, les systèmes de communication satellite ou indoor, illustrent cette complexité croissante des exigences modernes Une antenne multi-faisceaux a la capacité de former plusieurs faisceaux dans différentes directions Ce système fonctionne aussi bien en réception qu en émission et de plus il est passif La matrice de Butler est le meilleur choix pour les réseaux d alimentation à multiples faisceaux en technologie microruban [], Leur importance liée au fait qu avec un seul circuit, il est possible d alimenter un réseau d éléments et de choisir l angle de pointage dépendant du port d entrée Cet important intérêt est acquis pour sa possibilité d utilisation dans les applications des antennes intelligentes Pour contourner ce problème, la conception d une matrice de Butler 4x4 non-standard aurait été préférable car elle permet l obtention d un faisceau dans l axe principal Cependant les coupleurs (3-dB, 18 ) possèdent des inconvénients impropres à une utilisation dans le domaine millimétrique Ils sont asymétriques et contradirectifs ce qui pose des problèmes au niveau de la conception et ajoute des pertes à la matrice par des suppléments de croisements non désirés De plus ces coupleurs possèdent une bande passante beaucoup plus étroite (de quelques pourcents) et n aurait pas la plage de fréquence souhaitée En effet cette matrice de Butler 4x4 fonctionne à la fréquence centrale de 41,5 GHz pour une bande passante de 3 GHz (7, %) Par ailleurs l espace de couverture du système de communications est découpé en quatre secteurs angulaires identiques, ce qui impose une zone de balayage de ce dispositif à multiples faisceaux de 9 Toutefois une recherche de gain maximal sera notre priorité 1 Analyse et conception 11 Etude de la matrice de Butler 4x4 standard La matrice de Butler N*N crée un ensemble de faisceaux orthogonaux dans l'espace, ces faisceaux sont - 1 -

2 SETIT7 fixés dans la direction θ dont l équation : sin iλ = ± ; i = 1,3,5,, N 1 nd- θ (1) R 1L Le changement de phase entre deux éléments espacés d une distance : λ d = est: λ i β d sin θ = i i π N = () Avec : π β = nombre d onde λ 1 Nouvelle topologie proposée La conception d une matrice de Butler 4*4 à besoin de 4 coupleurs hybrides (3dB, 9 ) et déphaseurs fixes égaux ( ) Cependant, le point critique de ce schéma est la présence des deux croisements de lignes à réaliser dans le domaine millimétrique Afin de pouvoir substituer ce type de croisement à une version entièrement planaire de la matrice de Butler, plus facile à réaliser grâce à un simple procédé de gravure chimique par exemple, on peut remplacer un croisement par deux jonctions hybrides (3dB, 9 ) mises bout à bout, appelé aussi coupleur db Toutefois le nombre de coupleurs hybrides utilisé se trouve considérablement augmenté (8 hybrides pour une matrice 4x4), ce qui a pour effet de produire des pertes supplémentaires Afin d éviter cela, on peut modifier l architecture de la matrice Une nouvelle topologie (fig1) permettant de s'affranchir de ces croisements indésirables [5] peut ainsi être obtenue en "dépliant" la structure de la matrice 1R Figure 1 Nouvelle topologie de la matrice de Butler 4x4 L Cette topologie propose des ports d entrée en vis-àvis, contrairement à l original Elle offre le même nombre de composants sans les croisements Le seul reproche qu on puisse lui faire est que l on ne peut plus dissocier la matrice du réseau d antennes En effet, la matrice entoure le réseau d antennes et bien sûr plus le réseau d antennes est important, plus les longueurs de lignes reliant les différents coupleurs le sont Donc pour un réseau linéique d antennes de quatre sources de petites dimensions, c est sûrement le meilleur schéma circuit que l on puisse obtenir Pour des sources de tailles importantes Nous utiliserons donc cette topologie avec un réseau d antennes linéique de quatre éléments rayonnants Les paramètres de substrat utilises pour la simulation de la matrice de Butler sont données dans le tableau si dessous : Parametres Symbole Unite Type Substrat Duroid 6 Permitivite relative εr 94 Angle de perte tanδ 38 1R L R 1L Epaisseur de Substrat Longueur d`onde h µm 54 λ mm 7 Tableau 1 Paramètres de Substrat - -

3 SETIT7 Simulation des éléments constituant la matrice de Butler 4x4 standard 1 Simulation du coupleur (3 db, 9 ) à branches Les coupleurs hybrides sont des dispositifs bien connus utilisés pour leur capacité de produire des signaux déphasés de 9 à ces sorties Une analyse de ces coupleurs mise en application en utilisant des lignes de transmission comme montrée dans la figure, la matrice S de ce réseau à quatre orifices comme dans [3] est : j 1 1 j 1 S = (3) 1 j 1 j Le signal mis a l`entrée du port 1 est également distribué entre les ports situés du coté opposé au coupleur (ports 3 et 4) Il y a donc une différence de phase de 9 degrés entre ces deux ports ; le port le plus près du port d'entrée (voie incident) a une phase de 9 Le port situé du même côté que le port d'entrée est isolé puisqu'il n'y a aucune puissance qui l'atteignant (Figure ) 186mm 117mm 1 3 Les résultats de simulations sont présentés sous la forme de paramètres S D une part, ils sont fournis en amplitude pour les 4 ports (fig 4) et d autre part en phase pour les voies de découplage (fig 5) db(s(4,1)) db(s(3,1)) db(s(,1)) db(s(1,1)) Figure 4 Paramètres S en amplitude du coupleur simulé En amplitude, la dynamique entre les voies de découplages (port 3 et 4) est inférieure à,8 db sur la bande 4 43 GHz avec un niveau moyen de l ordre de -3,5 db au lieu de -3dB attendu Cela est dû aux pertes apportées par le diélectrique, et par le rayonnement du coupleur (fig 3) De même, le coefficient de réflexion (S11) est satisfaisant (il reste inférieur à -1 db sur toute la bande) et l isolation de sa voie adjacente (voie ) est convenable (elle reste inférieure à -115 db) 1 mm 186 mm Figure Dimensions du coupleur (3 db, 9 ) simulé Afin de minimiser les couplages entre lignes à l intérieur même du coupleur, l impédance d entrée du coupleur a été choisie assez forte (1 Ω) En effet, cela permet d obtenir des lignes microrubans plus fines dont la longueur d onde est plus importante Ainsi ce coupleur est simulé à la fréquence centrale de 41,5 GHz à l aide du logiciel ADS Figure 3 Layout du coupleur (3 db, 9 ) sous Momentum phase(s(4,1)) phase(s(3,1)) Figure 5 Paramètres S en phase des deux voies de découplage du coupleur simulé Pour la différence de phase des voies de découplage (port 3 et 4), on se retrouve en position de quasi quadrature de phase (87 ), avec une balance de 86,3 à 87 Les résultats de simulation de ce coupleur sont donc tout à fait acceptables 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 [4] de telle manière - 3 -

4 SETIT7 que : L = θ λg/36 Chemin equivalent avec dephasage Chemin parcouru: L + L θ Figure 6 Equivalence d un déphasage crée à l aide de lignes à retard de phase en technologie microruban 3 Les croisements Dans une matrice de Butler 4x4, il existe deux croisements Plusieurs manières de les réaliser en technologie microruban sont possibles L utilisation de la technique de pont produit des couplages indésirables entre les lignes de croisement et une perte de la symétrie de l'ensemble de la structure lorsque l on monte en fréquence Une étude a été faite pour substituer ce type de croisement à une version entièrement planaire de la matrice de Butler sans pont [1] Elle consiste à remplacer le croisement par deux jonctions hybrides (3dB, 9 ) mis bout à bout (fig 7) Ce type de jonction est appelé aussi coupleur db 1 A C (3 db) A/ e jθ A/ e j9 C (3 db) Figure 7 Schématique du coupleur db 3 Simulation de la totalité de matrice de Butler 4x4 standard La matrice de Butler alimentant les quatre éléments rayonnants est décrite dans la figure 8 Il faut noter que le diagramme de rayonnement final se formera dans le plan H du fait de la position des alimentations des patchs De plus, comme ils sont alimentés alternativement en opposition de phase sans compensation de déphaseurs de 18, la dénomination des ports d'entrées est alors à permuter : - la voie 1R devient la voie L - la voie L devient la voie 1R - la voie 1L devient la voie R - la voie R devient la voie 1L A 3 4 Figure 8 Layout de la matrice de Butler 4x4 standard alimentant son réseau d antennes 31 Diagramme de rayonnement de la matrice 4*4 db(tp3_fgain) db(tp_fgain) db(tp1_fgain) db(gain) THETA Figure 9 Diagrammes de rayonnement correspondant aux pondérations calculées par le simulateur ADS à 41,5 GHz Le diagramme de rayonnement de l antennes réseaux linéaires est satisfaisant, on retrouve 4 faisceaux avec parfois un léger décalage avec ce qui était prévu (variation de pointage allant jusqu à 1 ) Les écarts de pondération en amplitude d un élément rayonnant à un autre influent peu sur les lobes secondaires à la fréquence centrale de 41,5 GHz et laissent apparaître une légère dissymétrie des lobes 3 Paramètres S Les résultats des paramètres S d adaptation et d isolation en amplitude et en phase, pour l alimentation de la voie 1L sont présenté s dans les figures ci-dessous (figure 1 et 11) - 4 -

5 SETIT7 POBINO, F PIARULLI, B PIOVANO, db(s(4,1)) db(s(3,1)) db(s(,1)) db(s(1,1)) Figure 1 Paramètres S en amplitude de l adaptation et de l isolation lorsque la voie 1L est alimentée phase(s(4,1)) phase(s(3,1)) phase(s(,1)) phase(s(1,1)) "Hight performance microstrip networks for multibeam and reconfigurable operation in mobileradio systems", Proc IEEE GLOBECOM'94, San Francisco, USA, November 1994 Christophe 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 4-3 Université de Limoges - soutenue en Novembre 3 D M Pozar, Microwave engineering, Wiley, nd ed, New York, 1998 JR JAMES and P S HALL, Handbook of microstrip antennas, Vol, Peter Peregrinus Ldt, London, UK, 1989 K UEHARA, T SEKI and K KAGOSHIMA, "A planar sector antenna for indoor high-speed wireless communication terminals", Antennas and Propagation Society International Symposium, 1997 IEEE Digest, Vol, Jul 1997, pp Figure 11 Paramètres S en Phase de l adaptation et de l isolation lorsque la voie 1L est alimentée Ces résultats sont très satisfaisants avec des niveaux inférieurs à -15 db sur la bande de travail (fig1) Les résultats pour les autres voies ne sont présentés, mais on reste toujours à des niveaux inférieurs à -15 db 3 Conclusion Cette première version améliorée de la matrice de Butler 4x4 intégrée avec son réseau d antennes de 4 éléments rayonnants offre dans sa configuration actuelle (c'est-à-dire sans croisement) des faisceaux de qualités en terme de dépointage et d ouvertures à mipuissance En effet le premier système entièrement planaire et monocouche offrait l avantage d être facilement réalisable, mais nous nous sommes heurtés à des rayonnements parasites importants, provenant notamment du rayonnement des coudes dans la matrice et à des problèmes d assemblage du circuit REMERCIEMENT Les auteurs voudraient remercier tout ceux qui ont aidés dans la réalisation de ce travail REFERENCES A ANGELUCCI, P AUDAGNOTTO, P CORDA, - 5 -