UNIVERSITE DE LIMOGES. ECOLE DOCTORALE Science Technologie Santé FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES THESE. pour obtenir le grade de

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1 UNIVERSITE DE LIMOGES ECOLE DOCTORALE Scinc Tchnologi Santé FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES Anné : 23 THESE pour obtnir l grad d Thès N DOCTEUR DE L UNIVERSITE DE LIMOGES Disciplin : "Elctroniqu ds Hauts Fréquncs, Optoélctroniqu" Spécialité : "Télécommunications" présnté t soutnu par Christoph DALL OMO l 13 Novmbr 23 Contribution à l étud d antnns à pointag élctroniqu n millimétriqu. Concption t réalisation d différnts topologis d Matrics d Butlr. JURY : Thès dirigé par Monsiur Thirry MONEDIERE Monsiur S. VERDEYME Monsiur M. HIMDI Monsiur R. PLANA Madam I. ALBERT Monsiur D. CAFARELLI Monsiur B. JECKO Monsiur T. MONEDIERE Monsiur Y. WOLK Monsiur O. LAFOND Monsiur G. VILLEMAUD Présidnt Rapportur Rapportur Examinatur Examinatur Examinatur Examinatur Examinatur Invité Invité

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3 REMERCIEMENTS C travail a été ffctué à la Faculté ds Scincs d l Univrsité d Limogs, au sin d l Institut d Rchrch n Communications Optiqus t Micro-onds (IRCOM) dirigé par Monsiur l Profssur P.Y. GUILLON. J adrss ms sincèrs rmrcimnts à Monsiur T. MONEDIERE, profssur à l Univrsité d Limogs, qui a bin voulu assurr la dirction d ctt thès, pour son soutin t ss préciux consils. J tins à xprimr ma profond rconnaissanc à Monsiur S. VERDEYME, Profssur à l Univrsité d Limogs, d m fair l honnur d présidr l jury d soutnanc, ainsi qu à Monsiur M. HIMDI, Profssur à l Institut d Elctroniqu t d Télécommunications d Rnns, t à Monsiur R. PLANA, Profssur au Laboratoir d Analys t d Architctur ds Systèms d Toulous, qui ont bin voulu assurr la tâch d rapportur t d consacrr un parti d lur tmps à l xamn d c travail. J rmrci tout particulièrmnt ls mmbrs d la société THALES Communications à Colombs, partnair tchniqu d c projt, pour avoir participé à un contrat CIFRE, dont Monsiur D. CAFARELLI, rsponsabl du Laboratoir Antnns t Hyprfréquncs, t Monsiur Y. WOLK, rsponsabl ds activités Antnns. J tins égalmnt à salur M. ELKAËL, ancin mmbr d THALES Communications, qui a dirigé l début d c projt. J associ égalmnt à cs rmrcimnts Madam I. ALBERT, Ingéniur du Cntr Spatial d Toulous, t Monsiur B. JECKO, Profssur à l univrsité d Limogs, dirctur du CREAPE t rsponsabl d l équip Elctromagnétism, pour m avoir fait l honnur d participr au jury d cs travaux. J tins à salur M. Castignau du Laboratoir d Microélctroniqu d l IRCOM, M. Frugir ds Atlirs d L IRCOM t M. A. L Fvr d THALES Communications pour lur savoir fair dans l domain ds réalisations ds circuits hypr. Enfin, j rmrci nos dux charmants scrétairs, Nadin Aymard t Patricia Lroy, pour lur dévoumnt.

4 J ai aussi un ptit pnsé particulièr pour M. Eric Arnaud, qui m a offrt son aid t d son tmps pour ls divrss msurs ffctués dans la chambr compact du CREAPE. Rchignant parfois, souvnt têtu, il a quand mêm toujours su gardr sa bonn humur t son franc parlr fac aux problèms rncontrés. Encor mrci. Enfin, j n pouvais trminr cs rmrcimnts sans salur tous ls gns qu j ai pu côtoyé tout au long d cs qulqus annés. J pns notammnt à ma collègu d burau GG, très prspicac dans c qu ll ntrprnd t pour qui j ai baucoup d stim. Puiss l rêv américain s réalisr!! J salu aussi tous cux du CREAPE, d l IRCOM, ms amis d Dordogn, d Limogs, d Rnns, d Nants, d Massy, d Lyon, d Chambéry, d Mr t d Londrs. Pour finir, j rmrci tout particulièrmnt ms parnts qui ont toujours cru n moi, mon frèr, Yannick, ma ptit sœur, Juli, t tout ma famill.

5 SOMMAIRE REMERCIEMENTS INTRODUCTION GENERALE... 1 CHAPITRE I - REPARTITEURS DE FAISCEAUX RF : ETAT DE L'ART CHAPITRE I REPARTITEURS DE FAISCEAUX RF : ETAT DE L ART... 7 I- INTRODUCTION... 9 II- LES SYSTEMES DE TELECOMMUNICATION DE POURSUITE... 1 II-1 Ouvrtur d un antnn II-2 Nombr d faiscaux disponibls II-3 Tmps pour l signal d idntification II-4 Tmps d calcul du contrôlur II-5 Exmpl d poursuit dans un dimnsion III- LES ANTENNES RESEAUX : PRINCIPE IV- ETUDE D UN CAS SIMPLE : LE RESEAU LINEAIRE A DEPHASAGE V- BALAYAGE A MULTIPLES FAISCEAUX VI- EXEMPLE DE TYPE QUASI-OPTIQUE : LA LENTILLE DE ROTMAN VI-1 Princip d fonctionnmnt VI-2 Avantags t inconvénints VI-3 Applications VII- EXEMPLES DE TYPE CIRCUIT VII-1 Ls matrics d Blass a) Introduction...25 b) Avantags t inconvénints d la matric d Blass...26 c) Applications t nouvlls évolutions d la matric d Blass...27 VII-2 Ls matrics d Butlr a) Introduction...29 b) Propriétés d la matric d Butlr...31 c) Avantags t inconvénints d la matric d Butlr...32 d) Applications...33 VIII- LIMITATIONS ET RESUME DES PERFORMANCES DES REPARTITEURS DE FAISCEAUX VIII-1 Limitations VIII-2 Comparaisons ds prformancs IX- CONCLUSIONS SUR LES DIFFERENTES TECHNIQUES BIBLIOGRAPHIE... 39

6 CHAPITRE II - MATRICES DE BUTLER : ETUDE THEORIQUE CHAPITRE II - MATRICES DE BUTLER : ETUDE THEORIQUE I- INTRODUCTION II- LES COMPOSANTS INTRINSEQUES A LA MATRICE DE BUTLER II-1 Ls couplurs 3-dB a) L couplur (3-dB, 9 ) à jonctions ou hybrid...48 b) L couplur (3-dB, 18 ) n annau...5 II-2 Ls déphasurs fixs II-3 Ls croismnts III- FAISCEAUX DISPONIBLES POUR UNE MATRICE DE BUTLER III-1 Vrsion génériqu d la matric d Butlr III-2 La matric d Butlr 4x a) Prformancs t propriétés d la matric d Butlr 4x b) Combinaisons d faiscaux à l aid d un matric d Butlr...62 III-3 Ls matrics d Butlr 8x a) Form standard d la matric d Butlr d ordr b) Form non-standard d la matric d Butlr d ordr IV- GENERALISATION DES MATRICES DE BUTLER D ORDRE N IV-1 Procédur d concption pour ds matrics utilisant ds couplurs (3-dB, 9 ) a) Positions t valurs ds déphasurs dans la matric...71 b) Valur ds gradints d phas n sorti...72 IV-2 Procédur d concption pour ds matrics utilisant ds couplurs (3 db, 18 ) a) Positions t valurs ds déphasurs dans la matric...74 b) Valur ds gradints d phas n sorti...75 IV-3 Condition pour l affranchissmnt ds lobs d résaux pour un cas linéair t régulir V- LES MATRICES DE BUTLER DANS LE DOMAINE MILLIMETRIQUE V-1 Caractéristiqus du domain millimétriqu (3 GHz-3 GHz) V-2 Applications dans l domain millimétriqu V-3 Caractéristiqus du substrat choisi a) Classs d matériaux diélctriqus xistants...79 b) Choix du matériau diélctriqu...81 VI- OUTILS DE SIMULATION UTILISES VI-1 L logicil SARA VI-2 L logicil ADS VI-3 L cod d différncs finis (FDTD) VII- CONCLUSION BIBLIOGRAPHIE... 87

7 CHAPITRE III - CONCEPTION ET EVOLUTION D'UNE PREMIERE MATRICE DE BUTLER 4X4 CHAPITRE III - CONCEPTION ET EVOLUTION D UNE PREMIERE MATRICE DE BUTLER 4X I- INTRODUCTION II- ETUDE DE LA MATRICE DE BUTLER 4X4 STANDARD II-1 Nouvll topologi proposé II-2 Etud du résau d antnns linéiqu a) Choix d l élémnt rayonnant...93 b) Diagramms d rayonnmnt analytiqus...94 III- SIMULATION DES ELEMENTS CONSTITUANT LA MATRICE DE BUTLER 4X4 STANDARD III-1 Simulation du couplur (3 db, 9 ) à 2 branchs III-2 Caractéristiqus ds ligns t couds mployés a) Caractéristiqus ds ligns microrubans sans t avc saut d impédanc...98 b) Caractéristiqus ds ligns coudés 1 Ω...99 IV- SIMULATION DE LA MATRICE DE BUTLER 4X4 STANDARD IV-1 Procédé d simulation choisi IV-2 Résultats d simulation d la matric d Butlr 4x a) Evaluation ds nouvaux pointags...12 b) Estimation ds prts dans la matric...14 V- MESURES DE LA PREMIERE MATRICE V-1 Moyns d msurs xpérimntaux V-2 Réalisation t msurs d la prmièr matric d Butlr a) Explication du décalag fréquntil ds msurs...18 b) Explication d la dissymétri ds diagramms d rayonnmnt (i) Effts ds chargs millimétriqus sur ls msurs (ii) Rmplacmnts ds conncturs d 2,92 mm (iii) Comparaison d gravur chimiqu t mécaniqu (iv) Effts d bords d la soudur VI- MATRICE DE BUTLER AMELIOREE : ALIMENTATION PAR FENTE DU RESEAU D ANTENNES VI-1 Alimntation d un élémnt rayonnant par fnt à polarisation linéair VI-2 Simulation d la matric d Butlr t d son résau d antnns avc un structur bicouch VI-3 Réalisation t msurs d la matric d Butlr amélioré a) Réalisation d la matric d Butlr b) Msurs d la matric d Butlr (i) Résultats ds diagramms d rayonnmnt t analys (ii) Paramètrs d adaptation t d isolation d la matric (iii) Prformancs t gains ds faiscaux msurés (iv) Analys ds causs sur ls différncs d gain ntr simulations t msurs (v) Evolutions ds prformancs ds faiscaux sur la band 4 43 GHz VII- CONCLUSION BIBLIOGRAPHIE

8 CHAPITRE IV - CONCEPTION D'UNE SECONDE MATRICE DE BUTLER 4X4 CHAPITRE IV - CONCEPTION D UNE SECONDE MATRICE DE BUTLER 4X I- INTRODUCTION II- ETUDE AFFINEE SUR LES COUPLEURS (3-DB, 9 ) EN ECHELLE II-1 Analys du couplur (3-dB, 9 ) à dux branchs a) Simulation du couplur (3-dB, 9 ) à dux branchs b) Msurs du couplur (3-dB, 9 ) à dux branchs c) Simulation global d la réalisation II-2 Analys du couplur (3-dB, 9 ) à trois branchs a) Simulation du couplur (3-dB, 9 ) à trois branchs b) Msurs du couplur (3-dB, 9 ) à trois branchs III- CONCEPTION ET REALISATION DE LA SECONDE MATRICE DE BUTLER SEULE III-1 L couplur -db à six branchs III-2 Simulation d la scond matric a) Alimntation d la voi 1R (i) Résultats sur ls paramètrs Sij (ii) Diagramms d rayonnmnt t prformancs du faiscau 1R b) Alimntation d la voi 2L (i) Résultats ds paramètrs Sij (ii) Diagramms d rayonnmnt t prformancs du faiscau 2L c) Conclusions sur ls simulations d la nouvll matric III-3 Réalisation t msurs d la scond matric d Butlr sul a) Elaboration t assmblag du circuit avc son boîtir...15 b) Msurs ds paramètrs Sij IV- SIMULATION ET REALISATION DE LA MATRICE INTEGREE AVEC SON RESEAU D ANTENNES IV-1 Analys du résau plan 4x IV-2 Simulation FDTD d la matric d Butlr intégré avc l résau d antnns plan 4x a) Présntation d la structur global b) Diagramms d rayonnmnt simulés IV-3 Réalisation t msurs d la scond matric d Butlr 4x a) Elaboration t assmblag du circuit avc son boîtir b) Msurs ds paramètrs Sij...16 c) Msurs ds diagramms d rayonnmnt d) Prformancs ds faiscaux à 41,5 GHz ) Evolution ds prformancs ds faiscaux ntr 4-43 GHz V- CONCLUSIONS SUR LA SECONDE MATRICE DE BUTLER 4X BIBLIOGRAPHIE

9 CHAPITRE V - MATRICE DE BUTLER 8X8 ET COMMUTATIONS RF DANS LE DOMAINE MILLIMETRIQUE CHAPITRE V - MATRICE DE BUTLER 8X8 ET COMMUTATIONS RF DANS LE DOMAINE MILLIMETRIQUE I- INTRODUCTION II- ETAT DE L ART DES MATRICES DE BUTLER 8X II-1 Emploi d la tchnologi guid d ond II-2 Emploi d la tchnologi ds matériaux supraconducturs II-3 Emploi d la tchnologi ds circuits imprimés II-4 Conclusions sur ls tchnologis xaminés III- ETUDE DES CROISEMENTS SUSCEPTIBLES D INTERVENIR DANS LA MATRICE DE BUTLER 8X III-1 L couplur à doubl fac a) Etud théoriqu du couplur b) Simulation du couplur à doubl fac (méthod FDTD) (i) Sans smll épaiss d cuivr n guis d plan d mass (ii) Avc un smll épaiss d cuivr (5 µm) n guis d plan d mass III-2 Ls transitions lign/fnt/lign a) Simulation d un transition lign/fnt/lign : cas idéal...18 b) Influnc sur la largur d la fnt d couplag Wf c) Influnc d la coll t/ou d la bull d air d) Influnc du bisau créé par la gravur chimiqu III-3 Ls croismnts lign/fnt/lign/fnt/lign a) Simulation du croismnt b) Prts du connctur t msurs du croismnt (i) Evaluation ds prts ds conncturs mployés (ii) Msurs du croismnt III-4 Conclusions IV- CONCEPTION ET SIMULATION D UNE MATRICE DE BUTLER 8X IV-1 Proposition d un architctur innovant a) Problèms rncontrés...19 b) Topologi original d un matric d Butlr 8x IV-2 Simulation d la matric d Butlr 8x a) Simulation du couplur à trois branchs à accès 5 Ω b) Exmpl d simulation d un prmir étag d la matric 8x c) Simulation d l nsmbl d la matric (i) Dimnsionnmnt t caractéristiqus d la matric (ii) Paramètrs Sij d la matric...2 (iii) Diagramms d rayonnmnt du dispositif...22 (iv) Rmis n caus d la concption d la matric d Butlr 8x8?...23 (v) Rmis n caus du rayonnmnt parasit?...24 IV-3 Conclusions sur la matric d Butlr 8x V- CIRCUITS DE COMMUTATION RF POUR REPARTITEURS DE FAISCEAUX V-1 Ls commutaturs élctromécaniqus V-2 Ls commutaturs à bas d transistors V-3 Ls commutaturs à diod PIN V-4 Ls commutaturs MEMs (Micro-Elctromchanical Machin Systm) V-5 Comparatif ds différnts tchniqus d commutation VI- CONCLUSION BIBLIOGRAPHIE CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES

10 ANNEXES ANNEXES ANNEXE 1 - DEFINITIONS DE LA DIRECTIVITE ET DU GAIN D UNE ANTENNE ANNEXE 2 - DETERMINATION DES PARAMETRES S D UN COUPLEUR EN ECHELLE A DEUX BRANCHES ANNEXE 3 - COMBINAISONS DE SIGNAUX A L ENTREE DE LA MATRICE DE BUTLER STANDARD 4X ANNEXE 4 - LISTE DES MATERIAUX DIELECTRIQUES (SOURCE LABTECH) ANNEXE 5 - PRESENTATION DU LOGICIEL MOMENTUM ANNEXE 6 - PRESENTATION DU LOGICIEL BASE SUR LA METHODE FDTD ANNEXE 7 - DIMENSIONS DES MATRICES DE BUTLER REALISEES LISTE DES ARTICLES DURANT LA THESE

11 INTRODUCTION GENERALE * * * * * * * 1

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13 Introduction général L'Autorité d Régulation ds Télécommunications (ART) a publié son drnir rapport (mars 23) sur l marché ds srvics d télécommunication pour l troisièm trimstr 22 n Franc. Slon l'organism d régulation, trois grands tndancs s dégagnt d c baromètr trimstril : ls mobils sont toujours n ntt progrssion avc un marché qui a augmnté d 17,2% n volum (près d 13 milliards d minuts n tout) t d 15% n chiffr d affairs par rapport au mêm trimstr d l'anné 21. l'intrnt poursuit son ascnsion : ls rvnus générés par l'activité Intrnt auprès ds utilisaturs offrnt un croissanc d 6% sur un an, pour un volum d près d 15 milliards d minuts (+14,8%). L nombr d abonnés, pour l haut débit notammnt (ADSL), st n très fort progrssion (+33,9%). la téléphoni fix voit son chiffr d'affairs baissr (-2%). Il st n constant diminution dpuis début 22. Au cœur d ctt croissanc la dmand st toujours plus conséqunt par ls utilisaturs d communications sans fil (mobils) t d échangs d informations (Intrnt) comparabls n trms d qualité t d disponibilité à cll fourni par un résau câblé. On put donc pnsr qu d ici qulqus annés, qu c soit dans ds pays industrialisés ou n voi d dévloppmnt, ls communications sans fil dépassront l dévloppmnt d résaux câblés. Cpndant pour rndr ct avnir plus tangibl, d sériux obstacls sont à surmontr. Tout d abord l coût d c srvic doit êtr comparabl ou moins élvé à clui du câbl d aujourd hui. Duxièmmnt, un qualité équivalnt t un capacité d trafic considérabl doivnt êtr miss n œuvr afin d pouvoir accuillir ds utilisaturs supplémntairs t d anticipr l augmntation du trafic ds transmissions d donnés. Ls équipmntirs t ls fournissurs d srvic n sont conscints, c st pourquoi ils xplornt sans css divrss tchnologis xistants ou innovants afin d surmontr cs obstacls. Touts cs tchnologis ont un objctif commun. Employr avc un maximum d fficacité ls rssourcs qui rlint un station d bas à un trminal fix ou mobil. Cs innovations inclunt un millur gstion ds spctrs grâc à ds arrangmnts d accès digitaux plus fficacs comm l AMRT t l AMRC (autrmnt applés TDMA t CDMA), mais aussi un millur agncmnt spatial 3

14 Introduction général au moyn d systèms proposant un couvrtur cllulair sous form d microclluls, t plus récmmnt par ds tchniqus antnnairs plus «intllignts» (SMART). Dans ls systèms antnnairs traditionnls, ls transmissions omnidirctionnlls d radio fréqunc (RF) sont soumiss aux intrférncs t donc à un qualité plutôt médiocr. En fft, c typ d couvrtur st nécssair car l mplacmnt d l utilisatur st inconnu. C typ d transmission a pour conséqunc d pollur l nvironnmnt élctromagnétiqu n rayonnant d la puissanc dans ds dirctions inutils. Au contrair, ds systèms d antnns plus intllignts détrminnt l mplacmnt d un utilisatur t ssaint d concntrr t d rcvoir l énrgi sulmnt dans ls dirctions souhaitabls. C concpt xist déjà dpuis d nombruss annés dans l domain d la défns, mais jusqu à récmmnt c sont ds barrièrs d coûts qui ont mpêché son mploi dans ds systèms grand public. En princip ls équipmntirs d résaux sans fil offrnt dux approchs générals : ds résaux d antnns à faiscaux commutabls t ds résaux d antnns adaptés. Cs dux systèms ssaint d accroîtr l gain slon l mplacmnt d l utilisatur, cpndant sul l systèm adaptatif propos un gain optimal tout n minimisant ls signaux d intrférncs. C systèm nécssit toutfois d l énrgi pour ss composants ; il st dit actif. Par conséqunt c st un systèm plus onérux t plus prformant qu l systèm passif ds faiscaux commutabls. Ctt approch du systèm à faiscaux commutabls (applé plus souvnt répartitur d faiscaux) st un xtnsion d la méthod d sctorisation cllulair actull dans laqull un sit st découpé typiqumnt n trois ou quatr macro-scturs d 12 t 9 rspctivmnt. L répartitur d faiscaux subdivis alors l nsmbl ds macro-scturs n plusiurs micro-scturs contnant chacun un diagramm d rayonnmnt prédétrminé avc bin ntndu un plus grand snsibilité au cntr du faiscau t un snsibilité moindr aillurs. Ainsi lorsqu l utilisatur pénètr dans un macro-sctur particulir, l répartitur opt pour l micro-sctur contnant l signal l plus fort. En comparaison d clluls sctorisés d façon convntionnlls, cs répartiturs d faiscaux puvnt augmntr la porté d 2 à 2% slon ls circonstancs, c qui prmt à un opératur d économisr ds somms d argnt substantills dans ls dépnss d infrastructur t d baissr ls prix pour ls consommaturs. 4

15 Introduction général Par aillurs la saturation du volum ds télécommunications intrvint d autant plus rapidmnt qu l nombr d srvics offrts augmnt. En fft, s il st possibl d diffusr qulqus programms télévisuls vrs un multitud d abonnés n utilisant un nombr rlativmnt rstrint d canaux, l introduction d un dos plus ou moins important d intractivité dans ls programms ntraîn un augmntation considérabl du débit nécssair t donc d la plag d fréquncs. Ctt saturation ds plags fréquntils impliqu alors l assujttissmnt d fréquncs virgs élvés offrant d hauts débits. L systèm LMDS (Local Multipoint Distribution Srvics) s propos d offrir à ss futurs abonnés la récption d programms d télévision numériqus ainsi qu l accès à l Intrnt rapid avc un couvrtur ds zons concrnés d typ cllulair (station d bas t émttur-récptur d abonné) dans un rayon infériur à 5 Km. Pour cla, il doit fournir un liaison dscndant (vrs l abonné) numériqu à haut débit ainsi qu un liaison rmontant (vrs la station d bas) numériqu d débit moindr. En raison d cs bsoins n débit importants, un plag d fréqunc d 3 GHz dans la band Ku ntr 4,5 t 43,5 GHz a été alloué n Europ. Ctt band d fréqunc s situ donc dans l domain millimétriqu (3 GHz 3 GHz) t présnt ds particularités par rapport aux fréquncs plus basss habitullmnt mployés n transmissions hrtzinns. Dans l cadr ds étuds d rchrch t dévloppmnt concrnant ls systèms d communication sans fil, cs travaux d thès ont été mnés au sin d l équip CREAPE (Cntr d Rchrch n Elctromagnétism ds Antnns à Pointag Elctroniqu) d l IRCOM (Institut d Rchrch n Communications Optiqus t Microonds) n partnariat avc l industril THALES COMMUNICATIONS à Colombs sous la form d un contrat CIFRE. C travail a consisté à étudir la faisabilité dans l domain millimétriqu d répartiturs d faiscaux à faibls coûts pouvant fair l objt par xmpl d un intégration dans un systèm LMDS. Ainsi l contxt d l étud st l objt du prmir chapitr qui comprnd qulqus notions d bas sur ls systèms d télécommunications t ls antnns, ainsi qu un important état d l art sur ls différnts tchniqus d commutation d faiscaux mttant n avant lurs points forts t lurs points faibls. Cs différnts tchniqus sont nsuit comparés afin d optr pour l répartitur d faiscaux suscptibl d êtr l plus prformant pour c projt : ls matrics d Butlr. L scond chapitr st composé d dux grands partis. Tout d abord, un parti théoriqu important st consacré à la dscription ds matrics d Butlr. Lurs composants (couplurs 3 db, 5

16 Introduction général déphasurs t croismnts) sont étudiés n détail, ainsi qu ls combinaisons possibls d faiscaux dans l domain millimétriqu n tchnologi imprimé faibl coût. Ls moyns d modélisations mis à notr disposition t prmttant d simulr cs répartiturs d faiscaux sont nsuit présntés. Au cours du troisièm t quatrièm chapitr, nous abordons la concption t la réalisation d matrics d Butlr 4x4 pouvant fournir 4 faiscaux commutabls : Un prmièr matric mploi un architctur innovant s affranchissant ds croismnts pénalisants dans l domain millimétriqu n trm d prts. Ct ssai ntièrmnt planair, nous amèn par la suit à nvisagr un structur bicouch isolant l résau d antnns ds rayonnmnt parasits du répartitur d faiscaux. Un scond matric d Butlr prnant n compt ls problèms rncontrés sur la prmièr mploi un topologi différnt basé sur l utilisation d croismnts formés par ds couplurs db afin d assurr l augmntation du gain du résau d antnns. Enfin, l drnir chapitr st consacré à la faisabilité d un matric d Butlr 8x8 pouvant fournir 8 faiscaux. Après un brèv étud bibliographiqu, un architctur innovant st présnté, conçu t simulé. Ctt matric st accompagné d un brf dscriptif ds commutaturs disponibls sur l marché pouvant êtr intégré n amont d cll-ci. C mémoir s trmin par un conclusion sur ls travaux présntés t par ls prspctivs d dévloppmnt possibls. 6

17 CHAPITRE I REPARTITEURS DE FAISCEAUX RF : ETAT DE L ART * * * * * * * INTRODUCTION LES SYSTEMES DE TELECOMMUNICATION DE POURSUITE LES ANTENNES RESEAUX : PRINCIPES ETUDE D UN CAS SIMPLE : LE RESEAU LINEAIRE A DEPHASAGE BALAYAGE A MULTIPLES FAISCEAUX EXEMPLE DE TYPE QUASI-OPTIQUE : LA LENTILLE DE ROTMAN EXEMPLES DE TYPE CIRCUIT LIMITATIONS ET RESUME DES PERFORMANCES DES REPARTITEURS DE FAISCEAUX CONCLUSION SUR LES DIFFERENTES TECHNIQUES 7

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19 Chapitr 1 Répartiturs d faiscaux RF : état d l art I- Introduction Ls résaux d alimntation ds antnns à multipls faiscaux [I-1] qu l on appll plus communémnt répartitur d faiscaux («bamformr» n anglais) s rtrouvnt dans d nombruss applications d systèm antnnair qu cla soit dans l domain civil ou militair. L principal bénéfic d un tl systèm st l augmntation d la capacité utilisatric du systèm cllulair. En fft, la possibilité d balayr l faiscau d un antnn, sans avoir rcours à un qulconqu mécanism d rotation comm on put n obsrvr sur ds navirs d gurr par xmpl, additionné à la possibilité d obtnir un faiscau ayant un gain important t un ouvrtur à mi-puissanc étroit, prmt d ffctur un vast couvrtur t d suivr ls déplacmnts d un utilisatur à l intériur d un mêm cllul n minimisant l bruit t ls intrférncs. A c jour, un foul d tchniqus innovatrics sont apparus. Cpndant l princip st toujours rsté l mêm : pour formr ds faiscaux multipls, un résau d antnns constitué d N élémnts rayonnants st conncté à un répartitur d faiscaux à N ports d faiscaux. L répartitur a la capacité d agir sur ls antnns pour formr ls faiscaux dans ds dirctions préciss d l spac à partir d la mêm ouvrtur avc un dirctivité accru. L dévloppmnt ds tchniqus d formations d faiscaux RF [I-2] a été abondant. Clui-ci n présnt pas non sulmnt un variété déconcrtant d typs d procédés, mais mènnt dans la plupart ds cas à s intrrogr sur l incrtitud quant à la millur tchniqu à êtr appliqué pour un problèm donné. C st pourquoi nous nous intérssrons plus particulièrmnt aux systèms passifs qui fonctionnnt aussi bin n récption qu n émission. Il xist dux mods d fonctionnmnt d cs répartiturs d faiscaux : soit un systèm d signaux indépndants st conncté à chaqu port, l opération d simultanéité dans plusiurs dirctions put par conséqunt êtr obtnu, soit un sul systèm st conncté aux ports d ntré par un command à chmin multipl ou commutatur («switch» n anglais) donnant un antnn à balayag séquntill. Cs antnns à multipls faiscaux commutés puvnt rvnir moins chr qu ds résaux d antnns équivalnts déphasés, n particulir lorsqu pu d faiscaux sont nécssair. 9

20 Chapitr 1 Répartiturs d faiscaux RF : état d l art II- Ls systèms d télécommunication d poursuit Avant tout chos, qulqus définitions t concpts sur l'antnn d bas sont ssntils pour la bonn compréhnsion d l nsmbl ds systèms d communications. Divrs paramètrs importants sront abordés afin d comparr ls différnts prformancs d tls systèms. En conséqunc du princip d réciprocité ds antnns, nous discutrons ds caractéristiqus d rayonnmnt tantôt n trms d émission, tantôt n trms d récption. Ls systèms d communications sans fil d bass sont nombrux (fig. I-1). Dans la plupart ds cas (fig. I-1(a)), il y a un échang bilatéral d informations ntr dux trminaux par l intrmédiair d onds hrtzinns. Cpndant, l nsmbl ds systèms nécssit au minimum crtains composants d bas (fig. I-1()), la fréqunc d la sourc RF étant référé à la fréqunc portus. Émttur-récptur Émttur-récptur Radar émttur-récptur (a) (b) Émttur (c) Récptur Récptur (d) Information Information Modulation Modulation Génératur RF Génératur RF Démodulation Démodulation Information () Information Figur I-1 Rprésntation schématiqu d différnts systèms d communication sans fil : (a) liaison d communication d bas, (b) systèm radar monostatiqu, (c) systèm radar bistatiqu, (d) systèm goniométriqu, () systèms d communications généralisés. 1

21 Chapitr 1 Répartiturs d faiscaux RF : état d l art En outr, il y a trois configurations possibls ds communications mobils ntr un sourc t un antnn récptric : la sourc st mobil t l antnn récptric st statiqu (xmpl : un station d bas d téléphon cllulair communiquant avc un prsonn s déplaçant dans un véhicul fig. I-1(d)) l antnn récptric st mobil t la sourc st statiqu (xmpl : un véhicul communiquant avc un satllit) l émttur t l récptur s déplacnt (xmpl : un véhicul s déplaçant équipé d un radar afin d détctr la position d autrs véhiculs circulant). A partir d ctt optiqu, un important propriété ds antnns élctroniqumnt contrôlabl apparaît : l tmps d poursuit (tracking tim n anglais) xigé n trm d acquisition initial du signal t n trm d maintnanc du canal d communication un fois l acquisition réalisé. Pour détctr un sourc mobil, il st nécssair d vérifir l nivau du signal par rapport aux différnts dirctions ds antnns t d choisir la dirction où la forc du champ st maximal, ou ncor où l rapport signal à bruit st maximisé. L systèm doit êtr rapid t fficac sinon ls informations puvnt êtr prdus. Ctt fficacité s traduit par dux paramètrs : l tmps d acquisition t a qui st l tmps xigé pour un rchrch global parmi touts ls dirctions disponibls afin d localisr un signal, l tmps d mis à jour t d qui st l tmps xigé pour un rchrch local où sulmnt ls dirctions adjacnts à la position la plus récnt d nivau maximal d signal sont xaminés. Cs dux paramètrs puvnt srvir d un bas d comparaison pour tous ls systèms d communication contrôlabl élctroniqumnt. Ils dépndnt d un nombr d facturs qui inclunt : l ouvrtur d l antnn (B α ), l nombr d faiscaux disponibls par l systèm (N tot ), l tmps d décodag xigé pour l signal d idntification (t c ), l tmps d calcul (t ) rquit par l systèm pour vérifir l idntification du signal t pour mttr à jour ls fonctions d position t d contrôl d l'antnn pour dirigr l faiscau n conséqunc. Cs différnts facturs sont maintnant discutés plus n détail. 11

22 Chapitr 1 Répartiturs d faiscaux RF : état d l art II-1 Ouvrtur d un antnn Un diagramm d rayonnmnt st un rprésntation graphiqu 2D ou 3D d l évolution du gain d un antnn (annx 1) dans un dirction donné n dgré (fig. I-2). L diagramm d rayonnmnt st caractérisé par l ouvrtur angulair d son lob principal qui st défini à mipuissanc (- 3 db). Ctt ouvrtur angulair dépnd à la fois d ss dimnsions t d la longuur d'ond λ. Plus l rapport dimnsion/longuur d'ond st élvé, plus l'antnn st caractérisé par un lob d dirctivité étroit. Un rlation coxist ntr l ouvrtur t l nivau ds lobs scondairs : si l ouvrtur diminu, l nivau ds lobs scondairs augmntnt t vic-vrsa. Pour un résau d antnns linéair d pas d avc un faiscau pointant dans un dirction donné (α) au voisinag d la normal au résau, t pour un nombr important N d élémnts rayonnants, l ouvrtur st donné par [I-1] :,8858λ Bα (I-1) Nd cosα α B α (a) (b) Figur I-2 Diagramm d rayonnmnt, (a) 2D, (b) 3D. II-2 Nombr d faiscaux disponibls Si l on considèr qu l on s plac dans l cas d un sphèr d rayon r t qu l ouvrtur à mi-puissanc d un faiscau st rpéré par ls angls θ t ϕ (donc B θ t B ϕ ), ctt ouvrtur st alors défini par un côn avc un sction lliptiqu dont ls diagonals sont rb θ t r B ϕ. L air d l llips, ainsi formé st : A b π.(rb θ /2).( rb ϕ /2). Ainsi l nombr d faiscaux dans un hémisphèr st l rapport ntr l air d ctt hémisphèr (2πr²) t l air d l llips, soit : 12

23 Chapitr 1 Répartiturs d faiscaux RF : état d l art 8 N tot B B (I-2) θ. ϕ Or on a ls inégalités : θ π/2 t ϕ 2π, donc l nombr d faiscaux pour ϕ = st N θ = (π/2)/ B θ + 1 t pour θ = st N ϕ = 2π/ B ϕ t donc : ( N 1) 8Nϕ θ N tot (I-3) 2 π Cla st vrai pour ds ouvrturs constants qulqu soit l faiscau utilisé [I-3]. II-3 Tmps pour l signal d idntification Dans un canal mployant d nombruss forms d cods [I-4] - comm l Accès Multipl à Répartition n Fréqunc (AMRF), prmir procédé mployé, ou l Accès Multipl à Répartition dans l tmps (AMRT), l plus utilisé dans l domain ds transmissions par satllits, ou ncor l Accès Multipl à Répartition par Cod (AMRC), un méthod d accès aux canaux satllits prmttant à plusiurs stations trrstrs d utilisr l mêm canal d transmission l systèm doit êtr capabl d détctr t d décodr corrctmnt ls séquncs d idntification afin d sélctionnr la dirction désiré. C tmps d idntification t c st dépndant du systèm d codag. II-4 Tmps d calcul du contrôlur Avc un systèm antnnair complètmnt élctroniqu, synchronisé sur un horlog, l tmps t, pris ntr la récption d un signal t sa sorti pour commutr l'antnn, s st rapproché d la complxité du calcul impliqué, contrairmnt aux systèms élctromécaniqus qui tinnnt compt du tmps supplémntair du à la rotation d l antnn par xmpl. Cs calculs assurnt trois différnts fonctions : la vérification d l idntification du signal, la comparaison du nivau du signal avc cux ds faiscaux adjacnts t la décision pour un nouvll dirction du faiscau si bsoin st. Chaqu jour c tmps diminu un pu plus avc la monté n puissanc ds vitsss d horlog ds microprocssurs, mais il sra différnt d un algorithm à un autr. Ainsi l tmps rquis pour balayr touts ls dirctions d faiscaux st N tot t. II-5 Exmpl d poursuit dans un dimnsion Pour comprndr un pu miux ls rlations ntr cs divrs paramètrs, considérons un cas bin concrt. Par xmpl l cas d un radar d aéroport dont ls faiscaux d contrôl s situ sulmnt dans la dirction ϕ. On suppos qu l ouvrtur à mi-puissanc d chaqu faiscau dans l 13

24 Chapitr 1 Répartiturs d faiscaux RF : état d l art plan ϕ st B ϕ = 2 t qu l contrôl du faiscau s ffctu d manièr mécaniqu. La rotation d l antnn supposé discrèt sur 36, par pas d 2, c'st-à-dir qu l nombr d faiscaux disponibls st : N tot = N ϕ = 18. Dux évntualités s posnt : la rotation st possibl dans un sul dirction ou dans ls dux dirctions. Dans l prmir cas, n supposant qu la vitss d rotation d l antnn st constant t égal à un tour par scond, soit un vitss angulair constant d 2π. L tmps d acquisition du faiscau dvint donc l produit du nombr d faiscaux disponibls par un tmps corrspondant à la somm du tmps d décodag, du tmps d calcul t du tmps d rotation rquis pour chaqu incrémntation d faiscaux : t ( t + t B / ) = N tot c ϕ 2π (I-4) a + Dans l scond cas, l tmps d acquisition st plus brf t l tmps d mis à jour st d nviron l doubl d clui d idntification d un faiscau. Cs paramètrs sont donc indispnsabls pour avoir un vu général d l nsmbl d un systèm mployant d multipls faiscaux t l mérit n rvint aux antnns disposés n résau qui n assurnt la production. III- Ls antnns résaux : princip Ls antnns résaux sont composés d N sourcs rayonnants (cornts, dipôls, élémnts imprimés ) distribués dans l spac. L répartitur d faiscaux jou alors l rôl d distributur d cs sourcs n agissant sur lurs amplituds t lurs phass rlativs (fig. I-3). Grâc à ctt pondération, il st possibl d produir ds lois d illumination sophistiqués, soit ds diagramms d rayonnmnt ayant la form souhaité. Ls princips généraux d rayonnmnt ds résaux ont déjà été traités [I-5], t dans ctt thès, suls ls résaux régulirs, à savoir dont ls élémnts rayonnants sont spacés d un distanc d constant applé pas du résau disposés suivant un plan sont xaminés. 14

25 Chapitr 1 Répartiturs d faiscaux RF : état d l art Figur I-3 Schéma simplifié d un résau d N sourcs élémntairs alimntés par un répartitur d faiscaux. Ls configurations géométriqus possibls d antnns résaux régulièrs sont d un grand variété, mais d façon général lls sont soit : linéairs : ls sourcs sont alignés sur un droit circulairs : ls sourcs sont disposés sur un crcl planairs : ls sourcs sont disposés sur un plan. surfaciqus : ls sourcs sont disposés sur un sphèr, un cylindr ou un autr typ d surfac présntant un courbur ; l résau st dit conformé volumiqus : ls sourcs sont répartis dans un volum La prochain parti abord un cas simpl, l résau linéair à déphasag, car il sra mployé pour la vérification ds concptions t réalisations ds répartiturs d faiscaux plus avant. IV- Etud d un cas simpl : l résau linéair à déphasag Soit un résau linéair d N sourcs équidistants d un pas d résau d (fig. I-4). Cs sourcs sont alimntés avc la mêm amplitud A (pondération équi-amplitud) t avc un gradint d phasθ. Pour un point M situé dans la zon d rayonnmnt lointain (qui corrspond à un distanc R tll qu R > 1D t R > 2D²/λ où D st la plus grand dimnsion du résau t λ la longuur d ond du miliu), l champ total rayonné st donné par la somm d chaqu champ élémntair : 15

26 Chapitr 1 Répartiturs d faiscaux RF : état d l art jk OM N ( ) 1 jψi E M = K Ai (I-5) OM i= où : - K st un factur d homogénéité dont la valur vaut - k st la constant d propagation égal à 2π/λ 6π j (Ω/m) λ - O st un origin arbitrair situé sur la lign contnant ls sourcs - ls amplituds sont constants (A i = A) t ls phass : ψ i = θ i + kd i sinα = i (θ + kd sinα) Figur I-4 Schéma d un résau linéair régulir. L champ total n modul s écrit alors : ( nψ / 2) ( ψ / 2) sin = E (I-6) sin E tot où E st l modul du champ d la prmièr sourc, ψ = θ + kd sinα t α st l angl d pointag. Il st alors intérssant d introduir la notion d factur d résau qui corrspond au rapport du modul du champ total par l modul du champ d la prmièr sourc : 16

27 Chapitr 1 Répartiturs d faiscaux RF : état d l art E(total) = E(un élémnt) * F(factur d résau) (I-7) C factur (applé aussi factur d alignmnt dans crtains ouvrags) st indépndant d la sourc élémntair composant l résau. On not n c cas trois configurations possibls : pour l cas où touts ls sourcs sont n phass (c'st-à-dir un gradint d phas nul : ψ = ), l champ rayonné st maximum dans l plan normal au résau, lorsqu il xist un gradint d phas non nul, l maximum d rayonnmnt apparaît pour ψ = 2mπ. Ls solutions sont périodiqus t font apparaîtr sur un mêm diagramm d rayonnmnt ds lobs d résaux pour ds valurs d m. Cpndant, afin qu l énrgi n s disprs pas inutilmnt t donc pour qu il y ait qu un sul dirction d rayonnmnt maximal, divrss conditions sont rquiss. Ells sront abordés ultériurmnt. pour l cas particulir où θ = -kd, on obtint un angl d pointag d 9 : l maximum d rayonnmnt st obtnu à l horizontal. Dans tous ls cas d figurs, l faiscau s inclin toujours du côté où ls phass rtardnt. En un mot, la variation du gradint d phas du résau détrmin cll du pointag. C st à partir d cs rmarqus qu ls répartiturs d faiscaux sont élaborés. L nombr d ntré du dispositif corrspondant au nombr d pointags souhaités. Chaqu signal ntrant, ls autrs ports d ntrés étant préalablmnt chargés à 5 Ω, s divis dans la structur jusqu à amnr l gradint d phas nécssair au résau d antnns, afin d produir l pointag voulu. L fait qu il n y ait pas d pondérations n amplitud (variation d amplitud sur l résau constant) impliqu qu la fonction caractéristiqu d rayonnmnt soit d la form sin(u)/u avc u = (πl/λ)sinα où L st la longuur du résau [I-6]. Un propriété important pour ctt form d rayonnmnt apparaît pour la combinaison optimal ds faiscaux élémntairs t introduit la notion d orthogonalité ; l maximum d un faiscau qulconqu doit coïncidr avc ls zéros ds faiscaux adjacnts (fig. I-5). En raison d la régularité d lur spacmnt, tous ls faiscaux s rcoupnt au mêm nivau, c qui put êtr calculé n considérant, par xmpl, ls faiscaux corrspondant à la sourc focalisé t à la prmièr sourc adjacnt pour u = π/2. Ctt valur nous donn un nivau rlatif d,637 soit -3,92 db. 17

28 Chapitr 1 Répartiturs d faiscaux RF : état d l art sin(u)/u -π π/2 π 2π u -,3 Figur I-5 -Translation d la fonction sin(u)/u d π t 2π suivant l ax ds u. L nivau optimum d rcoupmnt d dux faiscaux adjacnts st d -3 db car cla donn un dnsité d puissanc constant sur tout l champ d vu d l antnn. Pour ds nivaux différnts, il y a ds ondulations [I-6]. V- Balayag à multipls faiscaux Nous avons vu qu la dirction du faiscau principal pouvait êtr ajusté par un gradint d phas judiciux appliqué sur l résau d antnns. Ls commutaturs RF sont utilisés avc un répartitur d faiscaux pour contrôlr l changmnt d phas ds ligns d transmission alimntant l résau [I-7]. Si l contrôlur d l'antnn st un systèm d calculatur numériqu, l contrôl s ffctu d manièr discrèt plutôt qu continullmnt variabl. Un autr altrnativ consist à mployr ds élémnts actifs (amplificaturs RF pour l contrôl ds amplituds t déphasurs variabls pour clui ds phass), cpndant l architctur st complx (nombrux problèms pour distribur l énrgi aux différnts moduls, pour rfroidir ls amplificaturs, ) t donc onérus [I-8]. Dans l domain ds répartiturs d faiscaux passifs, dux classs coxistnt, à savoirs : ls typs quasi-optiqus, ntraînant un arrangmnt hybrid, soit d un réflctur, soit d un objctif d lntill avc un résau d antnns, ls typs circuits n tchnologi microruban (microstrip), lign suspndu (striplin) ou ncor n guids d ond. Plusiurs xmpls courammnt utilisés vont maintnant êtr présntés. 18

29 Chapitr 1 Répartiturs d faiscaux RF : état d l art VI- Exmpl d typ quasi-optiqu : la lntill d Rotman VI-1 Princip d fonctionnmnt Ls typs quasi-optiqus sont nombrux. On pourra ntndr parlr d réflcturs hybrids [I- 9], d lntill d Ruz [I-1], d Lunbrg [I-11], R-KR [I-12], tc. Toutfois, l typ quasi-optiqu l plus connu rst la lntill d Rotman [I-13]. La procédur d synthès d'un lntill d Rotman st basé sur ds princips d l'optiqu géométriqu. Ls ports d'ntré ou d sorti, suivant qu l'on st n émission ou récption, alimntnt l'intériur d'un cavité d'un lntill plat dont la périphéri st convnablmnt défini. L'xcitation d'un port d'ntré produit un distribution d'amplitud approximativmnt uniform t un déclivité d phas linéair (gradint d phas constant) aux ports d sorti. La contraint d longuur d chmins égaux jusqu'au front d'ond rél, assur qu la dirction ds faiscaux émis rst invariabl avc la fréqunc. La lntill st donc un véritabl dispositif à rtard d tmps. La form d la cavité, aussi bin qu ls positions t la taill ds ports, détrmin l nivau ds ondulations d distribution. L succès, n fait, d'un concption d'un lntill d Rotman st d minimisr c nivau d'ondulations sur un larg band d fréqunc. La taill ds ports st généralmnt infériur à un dmi-longuur d'ond corrspondant à la plus haut fréqunc d'utilisation, afin d n pas xcitr ls mods d'ordr supériur t, par conséqunt, afin d n pas augmntr ls prts d'insrtion. La prmièr lntill d Rotman (fig. I-6) st apparu au début ds annés soixant t sa géométri st basé sur ls équations générals d Gnt [I-14] pour la génération du contour intériur C 1. L modèl xpérimntal utilisait alors un guid d ond à plaqus parallèls avc ls ports d ntrés t ls ports du résau d antnns distribués à la périphéri ds contours opposés. Ctt lntill, dont la hautur ntr ls dux plaqus st infériur à λ/2 afin d stimulr uniqumnt un mod d propagation TEM, possèd trois foyrs (fig. I-7) situés sur l arc focal circulair d ntré d la lntill dont dux (F 1, F 2 ) sont d part t d autr d son ax d symétri t définis par l angl α, l troisièm G siégant sur l ax lui-mêm. Cs trois points produisnt un gradint d phas parfait sur l résau. En d autrs mots, ls autrs ports d ntrés subissnt ds ptits abrrations d phas (prt du gradint d phas). 19

30 Chapitr 1 Répartiturs d faiscaux RF : état d l art D c fait quatr dgrés d librté sont obsrvabls pour sa concption : la coordonné x d chaqu port d sorti la coordonné y corrspondant afin d définir l contour d sorti d la lntill la longuur élctriqu d la lign joignant chaqu port d sorti d la lign à un élémnt du résau la longuur du résau d antnns Ainsi, chaqu cornt d ntré propag ds onds micro-onds suivant l mod TEM ntr ls plaqus t illuminnt ls sonds placés sur l contour intériur d la lntill qui transfèrnt l énrgi aux câbls coaxiaux jusqu à un scond ju d sonds agissant comm un résau d antnns linéair d monopols. sourc linéiqu pour rcvoir ou transmttr cornts d ntré contour xtériur linéiqu, ouvrtur rayonnant sonds RF câbls coaxiaux RF contour intériur d la lntill C1 lntill à plaqus parallèls Figur I-6 Prmièr lntill d Rotman [I-13]. Y Périphéri x Entrés d la lntill F 1 Arc focal circulair d rayon R G R intériur C 1 d la lntill P(x,y) F y α Cntr d l arc focal X d α Front d onds F 2 G Ligns d transmission d différnts longuurs élctriqus sortis d la lntill sur l contour C 1 Sourcs n résau Figur I-7 Paramètrs d la lntill micro-ond. 2

31 Chapitr 1 Répartiturs d faiscaux RF : état d l art Ctt lntill a subi au cours du tmps d nombruss adaptations t analyss [I-15 ; I-19], t un comparaison ds différnts prformancs a été précisé [I-2]. L utilisation d un tchnologi microruban t triplaqu [I-21 ; I-24] a plus récmmnt été pratiqué. Ss avantags majurs sont la réduction d la taill d la lntill avc un substrat diélctriqu fort (factur ε r ) t un simplification du procédé d réalisation par gravur. Cpndant dux facturs significatifs réduisnt ls prformanc d un lntill imprimé par rapport à clls d un lntill n guid d onds : l absorption ds onds élctromagnétiqus sur ls parois latérals t la disposition ds ports d ntré d la lntill. Un prmièr approch consist à mployr ds ports factics sur ls xtrémités d la lntill d part t d autr d son ax d symétri, toutfois l fait d chargr cs ports rvint chr t la puissanc incidnt n st pas ntièrmnt capturé [I-25]. Un scond approch consist à mttr ds matériaux à prts qui présntnt l avantag pour l absorption d un indépndanc vis-à-vis d la fréqunc t ds angls d incidnc [I-26]. En c qui concrn la concption t la disposition ds ports d ntré, il faut tnir compt du fait qu c st un mod quasi-tem qui s propag [I-26]. VI-2 Avantags t inconvénints A partir d touts ls rmarqus qu nous avons faits, la lntill d Rotman st intérssant car ll autoris un crtain librté d concption avc d nombrux paramètrs à ajustr, ll bénéfici d l obtntion d un quantité appréciabl d faiscaux t ll dispos surtout d un systèm stabl n fréqunc. Cpndant ss inconvénints n sont pas négligabls : la concption d la lntill put dvnir très compliqué à caus mêm d la kyrill d variabls à réglr l couplag mutul ntr chaqu port d ntré st rél t st difficil à maîtrisr ls faiscaux orthogonaux n xistnt pas n raison ds débordmnts (spillovr) indésirabls du diagramm primair d la lntill l choix d un dirction précis du faiscau n put pas êtr réalisé n dhors ds trois foyrs car la lntill d Rotman put sulmnt fournir un séri distinct d faiscaux du fait d la disposition ds ports d ntrés. 21

32 Chapitr 1 Répartiturs d faiscaux RF : état d l art VI-3 Applications La lntill d Rotman dans l domain millimétriqu [I-27] st ssntillmnt fabriqué n guids d'ond. Dans l xmpl ci-dssous [I-28] (fig. I-8, I-9 t I-1), l fonctionnmnt d la lntill s'ffctu à la fréqunc cntral d 94 GHz n guids d'ond WR8 standard pour ds applications radars t d communications. Ctt lntill comport 19 ports d'ntré pour couvrir ± 3 par pas d 3,3 t 1 ports d sorti pour alimntr un résau d'antnns linéair d 1 élémnts dont l pas st d,62 λ. Afin d obtnir un compromis ntr la taill du systèm t ds abrrations d phas, la longuur focal (F) st d 12 λ. On notra, figur I-1, la grand constanc du pointag au nivau du diagramm d rayonnmnt sur un très larg band d fréqunc. Un aid à la concption d cs lntills n guid d onds st fourni par Ptrson [I-29]. Figur I-8 - Photographi d l intériur d un systèm d lntill d Rotman à 94 GHz (mai 1999). Figur I-9 - Diagramms d faiscaux msurés d un résau d antnns d 1 élémnts. Figur I-1 - Vu 3D du diagramm d rayonnmnt pointant à 1 n fonction d la fréqunc. 22

33 Chapitr 1 Répartiturs d faiscaux RF : état d l art Dans ls bands micro-onds cntimétriqus (3 GHz 3 GHz), la concption d la lntill d Rotman s fait généralmnt n tchnologi microruban ou striplin voir mêm n fibr optiqu [I-3]. On put n rtrouvr d nombrux xmpls dans la littératur [I-31 ; I-37]. Ls figurs I-11 t I-12 montrnt la concption t la simulation d'un lntill imprimé (tchnologi microruban) pour un systèm d communication indoor fonctionnant à 27-3 GHz (1997). Ctt lntill st composé d 11 ports d'ntré, d 11 ports d sorti alimntant un résau d'antnns linéair d 11 élémnts (pas du résau :,5 λ) t d 12 ports factics. Figur I-11 -Lntill d Rotman n circuit imprimé. Figur I-12 - Diagramms d rayonnmnt corrspondant n simulation. Ls prformancs d la lntill donnés par l concptur n simulation sont ls suivants : un couvrtur d 12 avc 11 faiscaux (largur d faiscau à mi-puissanc allant d 13 à 2 ) chvauchmnt d faiscaux adjacnts aux nvirons d 3dB gains du factur d résau variant d 4.9 db à 7.8 db corrspondant aux faiscaux allant d la position xtrêm au cntr (différnc d 2,8 db) Ls résultats xpérimntaux ont donné quant à ux un différnc d gain d 5 db avc la simulation t ds lobs scondairs jusqu à -1 db. Un autr xmpl st donné n tchnologi striplin pour un systèm d communication satllit [I-35]. La lntill génériqu comport 9 ports d'ntré t 25 ports d sorti (fig. I-13). 23

34 Chapitr 1 Répartiturs d faiscaux RF : état d l art Figur I-13 - Lntill d Rotman génériqu striplin. Figur I-14 - Résau d alimntation n ligns t colonns. Ensuit, ll st assmblé n résau d ligns t colonns pour acquérir un agilité ds faiscaux dans ls dux dimnsions (fig. I-14). Figur I-15 Couvrtur hxagonal d 61 faiscaux. Figur I-16 - Diagramms d rayonnmnt suivant l plan R. Ss principals prformancs donnés sont : un couvrtur hxagonal (déploimnt n 2 dimnsions) un répartitur d faiscaux 2D (contnant 225 répartiturs 1D) alimntant 469 élémnts rayonnants production d 61 faiscaux (fig. I-14 à I-16) 24

35 Chapitr 1 Répartiturs d faiscaux RF : état d l art VII- Exmpls d typ circuit VII-1 Ls matrics d Blass a) Introduction La matric d Blass [I-38, I-39] st un résau d'alimntation n séri avc un structur n trillis (fig. I-17), dans laqull la puissanc st diminué séquntillmnt à partir ds ligns transvrss ("through lin" n anglais) dans ls ligns d ramification ("branch lin" n anglais) au moyn d couplurs dirctionnls. Cs couplurs détrminnt la distribution n amplitud du résau d antnns t par conséqunt l nivau ds lobs scondairs ds diagramms d rayonnmnt. Dans la lign transvrs, ntr dux couplurs dirctionnls, s situ un déphasur ou un ajustur d longuur d lign communiquant l changmnt d phas nécssair à la création du gradint d phas ntr chaqu port d sorti. Cs couplurs t longuurs d lign prmttnt d fournir ls xcitations aux ports d sorti spécifiés. On notra qu pour l port n 1 d ntré d la matric, l diagramm d rayonnmnt désiré st attint sans difficulté. L port n 2 sra lui affcté par l résau d alimntation du port n 1. Ctt affctation a été calculé par Blass [I-38] pour un distribution d couplurs uniform, un fficacité d un résau d antnns d 7 % t un séparation ntr l faiscau 1 t 2 d un ouvrtur à mipuissanc. L fft d prturbation produit alors un lob scondair d 13 db d dynamiqu dans la dirction du faiscau produit par l port n 1. Pour l alimntation du m ièm faiscau par l port n M, il y aura donc un prturbation ds (M-1) résaux d alimntations précédnts. D plus, la matric d Blass put produir ds faiscaux orthogonaux ou non, c st slon l choix du concptur. Toutfois, on gardra n têt qu plus ls faiscaux sont éloignés ls uns ds autrs, moins l intractions ntr ls différnts ligns d alimntation s fra rssntir. Mêm si la matric possèd un grand souplss pour la pondération d ss élémnts rayonnants, l nombr d composants mis à sa disposition st conséqunt. Sa topologi a donc évolué [I-4, I-41, I-42, I-43] pour arrivr à un architctur sans charg, avc moins d composants, mais disposant d moins d dgrés d librté au nivau ds pondérations [I-44] (fig. I-18). 25

36 Chapitr 1 Répartiturs d faiscaux RF : état d l art M ports d ntré N Résau d N sourcs Lign transvrs M couplur Lign d ramification chargs Figur I-17 - Topologi d la matric d Blass d bas. Figur I-18 Topologi d la matric à alimntation cntré. Evolution du nombr d ss composants : Matric d bas : - couplurs dirctionnls : M.N - déphasurs : M.(N-1) Matric à alimntation cntré : - couplurs : N²/4 si M N/2 M.(N-M) si M < N/2 - déphasurs : N²/4 si M N/2 M.(N-M) si M < N/2 Exmpl : Soit un matric d Blass à 3 ports d ntré t alimntant un résau d 4 sourcs, l nombr d couplurs t d déphasurs pour un matric d Blass d bas st rspctivmnt 12 t 6. Pour un matric à alimntation cntré, on aura 4 couplurs t 4 déphasurs. b) Avantags t inconvénints d la matric d Blass Ls principaux avantags d utilisation d la matric d Blass sont : Pour un grand résau, la disposition d intrcommunication du circuit st simpl car il n y a pas d croismnts (c sont ls couplurs qui n font offics) t pas d circuit multicouch nécssair (procédé d fabrication aisé) 26

37 Chapitr 1 Répartiturs d faiscaux RF : état d l art Ls faiscaux formés sont produits n jouant sur ls rapports d couplag ds couplurs dirctionnl (la pondération n amplitud st possibl pour chaqu faiscau) L tmps d rtard assur un crtain constanc ds faiscaux avc la fréqunc Néanmoins ls désavantags qu ll offr sont d loin plus conséqunt t mpêchnt bin souvnt d la sélctionnr : La concption dvint complx avc un nombr d élémnts d résau t/ou d ntré important car, pour chaqu port d ntré d la matric, ls couplurs dirctionnls diffèrnt, lurs cofficints d couplag varint L nombr d couplurs dvint vit important t cla impliqu un plus grand coût n matéril t poids Plus l nombr d faiscaux augmnt, plus l intraction ntr ls différnts ligns transvrss st grand, c qui rnd ls résaux baucoup plus difficils à concvoir c) Applications t nouvlls évolutions d la matric d Blass La matric d Blass autoris l usag d divrss tchnologis. Ainsi ds vrsions n guid d onds ont vu l jour, comm par xmpl pour ds applications d imagri satllit à l aid d un radar à synthès d ouvrtur (SAR) dont l antnn génèr dux faiscaux simultanés à partir d la mêm ouvrtur fonctionnant à 5,3 GHz [I-45]. Drnièrmnt un réalisation optiqu d la matric d Blass basé sur un structur n guid d onds d substrat opérant ntr 18 t 26 GHz, a été mné pour un systèm photoniqu d résau d antnns à déphasag [I-46]. Enfin, un nouvau concpt d'antnns [I-47] incorpor un répartitur d faiscaux t un résau d'élémnts rayonnants dans un dispositif simpl t planair (fig. I-19(a)). Ctt intégration ds composants diminu considérablmnt la complxité d la construction. L'action d formation d faiscaux (fig. I-19(b)) rssmbl à cll d la matric d Blass, bin qu l'utilisation d résaux d'antnns résonnants n séri par couplag élctromagnétiqu nécssit la disparition ds couplurs dirctionnls (fig. I-19(c)) t impos un band passant plus faibl. Un xmpl d concption à 8,3 GHz a été étudié. Il comport 5 ligns d'alimntation pour la création d 5 faiscaux. Cs ligns alimntnt un résau plan d 6x7 élémnts rayonnants. Ds gains maximaux ntr 13 t 19 db sont réalisés avc un band passant d'nviron 5 % à 1 db. Ls prts d c circuit sont indiqués tablau 1. 27