Atelier. Mesure des Principales Caractéristiques d Antenne Microstrip Patch Rectangulaire

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1 Atelier Mesure des Principales Caractéristiques d Antenne Microstrip Patch Rectangulaire L objectif de TP est de mesurer à l analyseur de réseaux vectoriel l impédance d entrée, le coefficient de réflexion, le taux d ondes stationnaires, la fréquence de résonance et la bande passante d une antenne patch de forme rectangulaire. I-Etude Théorique Une antenne à éléments rayonnants imprimés, communément appelée antenne patch est une ligne microbande de forme particulière. Elle se compose d un plan de masse et d un substrat diélectrique dont la surface porte un ou plusieurs éléments métalliques. Antenne à éléments imprimés. Les éléments rayonnants les plus simples ont la forme d un rectangle, d un carré, d un disque circulaire ou encore d un triangle comme le montre la figure suivante: Divers types d éléments rayonnants. Parmi toutes ces formes, l élément rectangulaire est sans contexte le plus facile à appréhender pour la compréhension des mécanismes de rayonnements des antennes microstrip. Mais tout d abord se pose la question d alimenter une telle structure:

2 L alimentation peut se faire par connexion directe avec une ligne microbande (généralement de 50Ω) dont le point de jonction est sur l axe de symétrie de l élément (figure a) ou décalé par rapport à cet axe de symétrie (figure b) si cela permet une meilleure adaptation d impédance ; dans ce but, l alimentation axiale avec une encoche donne de bons résultats (figure c). Alimentation par une ligne microbande (a) axiale (b) décalée (c) axiale avec encoche. Le rayonnement du patch est modélisé par celui de deux fentes parallèles distantes de la longueur L et de dimensions W*h. La théorie de l électromagnétisme nous fournit alors les expressions des champs rayonnés par le patch à une certaine distance d observation. En posant les équations de propagation avec les conditions aux limites adéquates, on détermine les fréquences de résonances de l antenne patch rectangulaire: c fmn = εr weff = w + w L = 041h m m + πweff π Leff et ( ε + 0.3) w h w ( ε 0.58) eff eff h Leff = L + L L et W représentent respectivement les extensions de longueur et de largeur dues. W s obtient en remplaçant la largeur W par la longueur L dans la formule précédente.

3 La largeur du patch a un effet mineur sur les fréquences de résonance et sur le diagramme de rayonnement de l antenne. Par contre, elle joue un rôle pour l impédance d entrée de l antenne et la bande passante à ses résonances: ε L Z r in = 90 εr 1 w ε w h B r 1 = 3.11 ε Lw r Pour permettre un bon rendement de l antenne, une largeur W pratique est : c w = f 01 εr + 1 où le terme f 01 représente la fréquence fondamentale de l antenne. La longueur du patch détermine les fréquences de résonance de l antenne. Il ne faut surtout pas oublier de retrancher la longueur L correspond aux extensions des champs. λdiélectrique c L = L = L f01 εr L antenne patch de forme rectangulaire est alimentée par une ligne microruban d impédance caractéristique 50 dont le point de jonction est sur l axe de symétrie de l élément rayonnant (figure 1). L encoche de la ligne d alimentation permet d obtenir une bonne adaptation d impédance.

4 Figure 1: Schéma de l antenne patch rectangulaire alimentée par une ligne microruban (vue en dessus) II- Mesure des principales caractéristiques d antenne microstrip patch rectangulaire On se propose de mesurer à l analyseur de réseaux vectoriel le coefficient de réflexion d antennes imprimées en fonction de la fréquence afin de déterminer leur bande de fonctionnement. Les antennes à mesurer est un réseau de 41 antennes patchs de forme rectangulaire. Ces antennes ont été réalisées en technologie microruban sur un substrat de polycarbonate d épaisseur h =1mm et de permittivité relative ε r =.9. Les éléments rayonnants métallisés sont en argent. Les dimensions de l antenne patch seule sont : W = mm ; L = 10 mm Pour mesurer le coefficient de réflexion et du taux d ondes stationnaires de cette antenne en fonction de la fréquence, on dispose d un analyseur de réseaux vectoriel (Agilent E5061A/E506A). a. Etalonner l analyseur de réseaux en réflexion (1-port calibration) dans la bande de fréquences GHz. b. Mesurer le module du coefficient de réflexion (paramètre S11) en décibels de l antenne en fonction de la fréquence ainsi que son impédance d entrée.

5 c. En déduire la fréquence de résonance f0 de l antenne étudiée. Noter la valeur du module de S11 à la résonance. d. En déduire la largeur f de la bande passante. Calculer le rapport f f 0 On a l habitude de prendre pour critère d utilisation du patch la bande de fréquences dans laquelle le coefficient de réflexion est inférieur à -10 db et le Taux d Ondes Stationnaires (T.O.S ou V.S.W.R en anglais) est inférieur à. e. Mesurer le T.O.S des antennes dans la bande de fréquences GHz. En déduire la fréquence de résonance f0 de l antenne étudiée. Noter la valeur du TOS à la fréquence de résonance. Retrouver la bande passante de l antenne.