Conception d'antennes au CEA-LETI avec CST Microwave Studio

Conception d'antennes au CEA-LETI avec CST Microwave Studio CEA-LETI Minatec, Groupe Systèmes Antennaires & Propagation Lionel Rudant lionel.rudant@cea.fr CST Workshop series - Grenoble 1/19

CEA-LETI : activités Systèmes Antennaires & Propagation LETI/DSIS/LCS Groupe Systèmes Antennaires & Propagation 8 permanents (4 PhD / 4 Ingénieurs chercheurs), 6 CDD / post-docs, 7 doctorants / DRT Thématiques Antennes Structures rayonnantes (100 MHz à 75 GHz) Systèmes multi-antennes et réseaux d antennes Traitements d antennes Fonctions systèmes à base d antennes Electronique/µélectronique RF discrète associée Dispositif multi-antennes Antenne miniature UWB C = 12.1 pf R = 154 Ω L = 20.1 nh C = 0.13 pf C = 0.2 pf L = 1.42 nh L = 3.96 nh 1:n C = 0.2 pf L = 4.4 nh Ls = 6 mm Z0 = 165 Ω Lf = 11 mm W = 1.5 mm C = 0.4 pf Dipôle sur substrat SOI Fréquences millimétriques Modélisation circuit Récepteur RF multivoies Intégration d antennes miniatures Thématiques Propagation Caractérisation / Modélisation du canal de propagation Simulateur de canal Réseau de capteurs pour l automobile Mesures dans les contextes réels Effets Doppler Simulateur de canal en chambre anéchoïde CST Workshop series - Grenoble 2/19

Moyens de caractérisation expérimentale d antennes Caractérisation de systèmes antennaires de 100 MHz à 75 GHz Trois bases de mesure selon la bande de fréquence Chambre anéchoïde faradisée 900 MHz - 40 GHz Grande chambre anéchoïde faradisée 100 MHZ - 18 GHz Caractérisation sous pointes, application aux fréquences millimétriques 50-75 GHz Instrumentation radiofréquence dans les domaines fréquentiel et temporel Chambre anéchoïde f>900mhz Configuration fréquentielle & temporelle Grande chambre anéchoïde dans le Bâtiment des Industries Intégratives B2I Premières mesures en juin Mars 0,1-18 GHz (12x12x20 m 3 ) 0,9-40 GHz (3x3x6 m 3 ) 50-75 GHz Janvier Caractérisation en rayonnement sous pointes CST Workshop series - Grenoble 3/19

Moyens de sondage du canal de propagation Caractérisation d environnement électromagnétique Canal de propagation Sondeur fréquentiel de canal de propagation Sondeur temporel de canal de propagation Point à point, point-multipoint Caractérisation de matériaux / méta-matériaux Propagation bande ISM autour et à l intérieur du véhicule Propagation dans la cabine d un avion Propagation ULB en environnement neigeux Propagation ULB à l intérieur des bâtiments Réseaux de capteurs sur le corps humain Caractérisation en réflexion de méta-matériaux CST Workshop series - Grenoble 4/19

Moyens de simulation EM : CST Microwave Studio CST Studio Suite / Microwave Studio Solver domaine temporel Solver domaine fréquentiel Modèle corps humain HUGO 11 licences Nos usages Simulation / conception antenne, solver temporel Simulation / conception circuit passif RF Simulation antenne + circuit discret Parameter sweep / optimization Développement macro VB Exportation / importation de fichiers CAO, DXF & SAT Simulation / conception antenne, solver fréquentiel Plateformes informatiques n PC classiques [Dell Optiplex GX620] Dual-Core Intel Pentium4 3.2 GHz 2 Go mémoire vive Windows XP Professional 4 PC dédiés simulation EM [Dell Precision T7400] Dual Quad-Core Intel Xeon Processor 3 GHz 64 Go mémoire vive Windows XP Professional 64bits CST Workshop series - Grenoble 5/19

Quelques exemples de projet de conception d antennes au CEA-LETI en utilisant CST Microwave Studio Antenne miniature reconfigurable en fréquence Conception d antenne directive UWB Intégration de systèmes multi antennes multi bandes Antennes In Vivo CST Workshop series - Grenoble 6/19

Antenne miniature reconfigurable en fréquence 1/3 Contexte de l él étude Couverture de la bande UHF : agilité fréquentielle nécessaire Applications télécom et réseaux de capteurs Antenne miniature à polarisation rectiligne Antenne fil-plaque ou wire-patch antenna Antenne monopolaire à hauteur réduite Innovations : Miniaturisation par ajout d une fente dans le toit supérieur Ajout d une diode varicap chargeant la fente pour l agilité fréquentielle Toit supérieur Capacité variable W=41mm L=41mm H=5mm Plan de masse Fil court-circuit Feed probe Fente Modèle discret équivalent CST Workshop series - Grenoble 7/19

Antenne miniature reconfigurable en fréquence 2/3 Simulation Modélisation sous CST Microwave Studio Modélisation de la géométrie sur un plan de masse infini Maillage fin au niveau de la fente Modélisation de la diode varicap et de la capacité de filtrage DC avec des charges localisées Capacité DC block Diode varicap Maillage fin dans la fente Modèle de la structure complète Maillage optimisé Capacité charge localisée, modèle réaliste RC Lumped Element CST Workshop series - Grenoble 8/19

Antenne miniature reconfigurable en fréquence 3/3 Résultats -60-30 0 +30 +60 Impédance d entrée pour différentes valeurs de capacité 150 Simulation Measure -30-20 -10 0 dbi -90 +90-120 +120-150 +150 +180 CST Microwave Studio Gain dbi XY plane Impedance (Ohms) 100 50 0 3.2pF (5.5V) 1.8pF (8.8V) 2.4pF (6.6V) -30 xoy 0 +30-50 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Frequency (GHz) -60 +60-90 -30-20 -10 0 dbi +90-120 +120 Mesure -150 +180 +150 S. Sufyar, C. Delaveaud, R. Staraj, A Frequency Agility Technique on a Miniature Omnidirectional Antenna, 4th European Conference on Antennas and Propagation EUCAP, April, Barcelona Prototype fonctionnel CST Workshop series - Grenoble 9/19

Conception d antenne directive UWB 1/3 Contexte de l él étude Comment distribuer le très s haut débit d dans toute la maison? Tunnel optique à l aide de la radio sur fibre Extension de la couverture des systèmes Ultra Wide Band UWB au-delà de 100 m Extension transparente pour le système (radio sur fibre) Solution simple et bas coût (fibre type plastique) Besoin d antennes directives UWB Améliore le bilan de liaison pour la partie rayonnée Directivité supplémentaire réduction des interférences réduction de l étalement de la réponse de canal (en mode communication impulsionnelle) Spécifications du démonstrateur BILBAO Bande 3.1 GHz - 5.1 GHz Gain max supérieur à 10 dbi et diagramme indépendant de la fréquence Epaisseur inférieure à 1 cm Etude du comportement temporel de l antenne (en mode communication impulsionnelle) Démonstrateur tunnel optique Transmission vidéo Projet BILBAO CST Workshop series - Grenoble 10/19

Conception d antenne directive UWB 2/3 Simulation Réseau de 2x2 patch en E UWB Réseau d excitation de type corporate Spécificités de la simulation Méthode temporelle avantageuse pour les applications UWB Optimisation local du maillage : circuit micro ruban excitation capacitive des patchs rayonnants Sonde de champs (impulsions rayonnées) Développement de macros d exportation des données du champs rayonné Maillage de la zone d excitation 90 x 90 x 9 mm 3 Prototype / Démonstrateur S 11 db Gain dbi 0-5 -10-15 -20 Adaptation d impd impédance mesure simulation -25 2 3 4 5 6 12 10 8 6 4 2 0-2 -4 Fréquence GHZ Gain dans l axel measurement simulation 2 3 4 5 6 7 Frequency (GHz) Fréquence GHZ CST Workshop series - Grenoble 11/19

Conception d antenne directive UWB 3/3 Résultats Étude de la distorsion de l impulsion l rayonnée e dans l axel CST Microwave Studio Impulsion d excitation Impulsion rayonnée Etude du comportement temporel de l antenne étalement limité de la réponse en rayonnement Démonstration tunnel optique : validation de l antenne Débit atteint :3 flux de 80 Mo/s avec 3 sous-bandes OFDM de 500MHz ondulations liées à l antenne S. Bories, C. Delaveaud, H. Jacquinot, Low Profile and Directive UWB Antenna, the 3rd European Conference on Antennas and Propagation EUCAP, Mars 2009, Berlin CST Workshop series - Grenoble 12/19

Intégration de systèmes multi antennes multi bandes 1/3 Contexte de l él étude Outils de diagnostique automobile WiFi Internet, accès s réseau r local Depuis 1986, ACTIA est un constructeur de systèmes électroniques pour véhicule v : - Réparation et contrôle technique / Systèmes embarqués - Marché fortement concurrentiel, fort besoin d innovationd - 12% du CA investis dans des projets R&D USB sans fil Périphériques, riques, lien tablette/base 5 antennes à intégrer dans la tablette 3 antennes WiFi 2.4GHz en diversité 1 antenne 2.4GHz pour le bluetooth 1 antenne ultra large bande pour le Wireless USB (groupe 3, 6.6-7.656GHz) Objectif : toutes les antennes dans un volume unique 1 antenne à intégrer dans la base 1 antenne ultra large bande pour le Wireless USB (groupe 3, 6.6-7.656GHz) Bluetooth Périphériques, riques, connexion véhiculev Projet DODIESE CST Workshop series - Grenoble 13/19

Intégration de systèmes multi antennes multi bandes 2/3 Simulation Contexte d intd intégration Pièces métalliques découpées pliées (cuivre épaisseur 0.5mm) 80mm 2.5cm 12cm 1cm 0.2λ 0 0.96λ 0 0.08λ 0 @2.4GHz Circuit imprimé sur substrat FR4 0.8mm Antenne fente WUSB Antenne PIFA WiFi/BT Ecran Métal, plastique Capot ABS-PC ε r =3 tanδ=5e-3 Antenne fente WiFi/BT Carte multi antennes multi bandes WiFi/WUSB Façade ABS-PC ε r =3 tanδ=5e-3 Carte électronique FR4 ε r =4.4 tanδ=2e-2 Connectique Métal Protection Rubber ε r =3 Châssis Magnésium σ=7e6s/m Modèle réaliste Géométrie complète de la plateforme Définition radioélectrique des matériaux Modèle optimisé pour réduire les temps de simulation : Pas de câble coaxiaux Prise en compte partielle du contexte Critère de convergence optimisé Calculs séparés pour le WiFi et le WUSB Circuits d excitation optimisés avec un simulateur 2D CST Workshop series - Grenoble 14/19

Intégration de systèmes multi antennes multi bandes 3/3 Résultats Antenne fente WiFi/BT Port 5 PIFA WiFi/BT Port 4 Antenne fente WUSB Port 3 PIFA WiFi/BT Port 2 Antenne fente WiFi/BT Port 1 0 CST Microwave Studio 0 Mesure en chambre anécho choïde P loss,1 P loss,1-0.5 P loss,2 P loss,4-0.5 P loss,2 P loss,4 P loss,5 P loss,5-1 -1 1-P loss,i db -1.5 1-P loss,i db -1.5-2 -2-2.5-2.5-3 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 Frequency GHz -3 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 Frequency GHz CST Workshop series - Grenoble 15/19

Antennes In Vivo 1/3 Contexte de l él étude EPADIMD Projet européen Communication sans fils pour implants médicaux Conception d antenne miniature en bande Medical Implant Communication System MICS Étude de faisabilité d un lien radio en bande ISM 2,45 GHz Objectifs : analyse de l effet du corps humains (bilan de liaison) concevoir une antenne miniature bi-bande CST Microwave Studio Modèle corps humain HUGO 22,5 mm Boucle magnétique bi-bande intégrée dans un défibrillateur Modèle simplifié puis modèle complet industriel Prise en compte du rôle du boîtier, de l implant et des sondes Matériaux spécifiques biocompatibles Co-conception avec l électronique RF du front-end intégré (conception CEA-Leti) 50 Ω @ 403 MHz 100 Ω différentiel @ 2,45 GHz CST Workshop series - Grenoble 16/19

Antennes In Vivo 2/3 Simulation Stratégie de simulation EM adaptée Synthèse de modèles @ 2.45 GHz Modèle HUGO 1 mm sous CST MWS Modèle multicouche (impédance) Modèle homogène (rayonnement) Comparaison Simulation / Mesure Mesure Simulation Modèle HUGO 1mm Modèle équivalent multicouche Modèle équivalent homogène e Coefficient de réflexion db Diagramme de gain total (dbi) / Champ absolu Comparaison simulation / mesure avec modèle homogène CST Workshop series - Grenoble 17/19

Antennes In Vivo 3/3 Résultats Modélisation du bilan de liaison dans/hors du corps Contribution ETSI TR 102 655 V1.1.1 (2008-11) n = 2 LOS m = 3.92 L G = 19. 2 db P Rx = P Tx + G Rx + G air + L G + m e λ ( ) + 20log ( ) n10log ( ) 1 10 10 d 4π Enfouissement dans le corps Espace libre EPADIMD Etude des effets sanitaires : cartographie de Débit d Absorption Spécifique DAS Modèle HUGO indispensable (discrétisation spatiale 1 mm) Puissance émission max 2mW Compatible avec les recommandations sanitaires! Plan de coupe vertical @2.45GHz CST Workshop series - Grenoble 18/19

MERCI CEA-LETI Minatec, Groupe Systèmes Antennaires & Propagation responsable de groupe : christophe.delaveaud@cea.fr CST Workshop series - Grenoble 19/19