SETIT 7 4 th International Conference: Sciences of Electronic, Technologies of Information and Telecommunications March 5-9, 7 TUNISIA Etude d une Antenne Agile à Base de Cavité de Pérot- Fabry Fehim Sahbani *, Mohsen Kaddour ** Ali Gharsallah *, Abdelhafidh Gharbi * *Laboratoire de Physique de la matière Molle. Faculté des Sciences de Tunis El Mannar 9 Tunisie sahbanifehim@yahoo.fr ali.gharsallah@fst.rnu.tn abdel.gharbi@fst.rnu.tn ** Faculté des Sciences de Sfax Tunisie mohsen_kaddour_tn_fss@yahoo.fr ésumé : Nous présentons ici les caractéristiques d'une antenne agile a base du résonateur de Pérot Fabry. La réponse de l antenne est modifiée au moyen d un champ électrique statique externe qui agit sur la permittivité des cristaux liquides. Mots clés: antenne, cristaux liquides, résonateur de Pérot-Fabry, antennes agiles INTODUCTION Les dispositifs agiles en fréquence sont des circuits dont la réponse fréquentielle peut être modifiée au moyen d une commande extérieure. Dans le domaine millimétrique, ces circuits présentent d intéressantes applications en télécommunications. De ce fait, nous utilisons des matériaux dont les propriétés électromagnétiques sont ajustables par un champ électrique ou magnétique extérieur et qu on appelle les cristaux liquides. Ayant montré leurs potentialités [], [], [3] et [4]. Les cristaux liquides généralement utilisés dans les dispositifs d affichage et de visualisation. Ils sont anisotropes et peuvent être utilisés en tant que substrat commandable sous l effet d un champ électrique ou magnétique externe. Pour les applications interférometriques, Les résonateurs de Pérot-Fabry ont été largement utilisés en optique [5] et [6]. En tant que dispositifs de focalisation dans le domaine millimétriques, Leur utilisation est plus récente [7], [8], [9] et []. Ces structures sont constituées d un empilement de couches diélectriques (miroir de Bragg) ou métalliques fortement réfléchissantes. Les caractéristiques de leur réponse fréquentielles ne dépendent alors que de la polarisation de l onde incidente et de la géométrie du volume périodique élémentaire. Par analogie avec les grilles actives ou les combineurs de puissance à l état solide [], nous pouvons introduire des composants actifs (diodes PIN, Varactors, Transistors, FET, ) à l intérieur des mailles du réseau périodique métallique pour obtenir des structures commutables ou reconfigurables [] et [3]. Dans ce présent travail, nous présentons l application des cristaux liquides : la cavité de Pérot- Fabry et une antenne agile en fréquence. Le logiciel de simulation utilisé dans notre travail est le HFSS de ANSOFT, c est un simulateur 3D qui est basé sur la méthode des éléments finis.. Etude théorique Une cavité résonante est un volume diélectrique - -
SETIT7 limité par une paroi conductrice dans laquelle les champs E et H peuvent prendre certaines configurations spatiales des fréquences particulières. La fig. comporte la structure d un interféromètre de Pérot-Fabry à faces planes ayant deux miroirs semi réfléchissants constitués d un empilement de couches diélectriques fines et à faibles pertes. L espace séparant les deux miroirs est souvent de l air, mais nous pouvons réaliser l étude dans le cas général d un diélectrique de permittivitéε r. La figure présente la Cavité de Pérot-Fabry à grille inductive. Les miroirs métalliques supposés identiques et parfaitement conducteurs sont constitués de grilles inductives, la période et la largeur des motifs métalliques sont notée a i et d i Le substrat central a pour épaisseur D. Figure : Cavité de Pérot-Fabry à grille inductive Figure : Interféromètre de Pérot-Fabry. CONCEPTION ET ESULTATS.CAVITE PEOT FABY: Nous présentons dans la fig.3 la cavité de Pérot Fabry simulé avec HFSS avec une période a i 5.8mm et une largeur des motifs métalliques d i 3.6mm. En additionnant les contributions individuelles des champs réfléchis et transmis après des réflexions multiples à l intérieur de la cavité, la transmittance globale T IPF du dispositif s écrit [5]. T IPF E E t i [ ] T T + 4 sin Φ ( )( ) Φ [ ] + 4 sin -T m : transmittance du miroir M m avec m, - m : réflectivité du miroir M m - Φ déphasage associé à un aller-retour de l onde dans la cavité. Figure 3 : Cavité de Pérot Fabry 4ΠD ε Φ r ; λ Longueur d onde de la source λ lumineuse dans le vide En absence de pertes dans le diélectrique et avec un conducteur métallique parfait et en prenant le transfert de puissance est maximal et vaut f ( + ). Π Φ q q,, Les fréquences de résonance ( q ) res, q, IPF + D c ε r du dispositif Dans la bande ku (-8) GHZ Les résultats de la simulation ont donné un coefficient de transmission égale à.98 et qui sont très proches des résultats réalisés N.Gueriu []. Cette similarité entre les résultats est montrée à la fig.4. - -
SETIT7 Nous présentons en figure 6 trois cas de simulations du cristal liquide dans le quel on montre la variation des coefficients de transmission en fonction de la permittivité du cristal. ε r.64.64.98 ; ε. r 64 ;. 98 ε. Figure 4 : Variation du coefficient de transmission en fonction de la longueur d onde. CAVITE PEOT -FABY A SUBSTAT COMMANDABLE : La période et la largeur des motifs métalliques pour cette cavité est a i 3.6mm et sa largeur d i.8mm. Les deux substrats latéraux ( ε r,, tanδ ), présentent de faible permittivité, servent de supports aux grilles métalliques. Le substrat central présente une épaisseur D.6mm et contient le cristal liquide ( ε r,, tanδ ) polarisé par un champ électrique entre les deux grilles, comme le montre à la figure 5. Figure 5 : Modèle de cavité de Pérot-Fabry Le cristal liquide simulé est le K5 (pentylcyanobiphényl) qui ne présente qu une phase nématique entre.5 et 35. Le tableau montre la caractérisation diélectrique du K5 à la température ambiante []. Caractéristiques diélectriques Cristal K5 liquide ' ε r ε tan gδ '' r,64 8,. 3,... Cristal liquide est à l état pur : Sa permittivité tensorielle est : ε r.64.64.98 Nous montrons dans ce cas (Fig6-a) une excursion en fréquence centrée à 9 GHz avec une isolation parfaite S -34dB.. Orientation planaire des molécules du cristal liquide : Sous l influence d un traitement de surface les molécules s orientent parallèlement à la direction de frottement et la permittivité du cristal liquide devient : ε. 64 L excursion fréquentielle est centrée à 8 GHz avec une isolation parfaite S -34dB (Fig6-b)..3 Orientation homéotropique des molécules du cristal liquide : Sous l influence d un champ électrique les molécules s orientent parallèlement aux lignes du champ et la permittivité du cristal liquide devient : ε 98 r. L excursion en fréquence est centrée à 7 GHz avec une isolation parfaite S -33dB (fig.6.c). ε ' r ε '' r tan Δ ε ' gδ,98 4,.,4.. 34-3 -
SETIT7 l intérieur de la cavité de Pérot Fabry à.84 mm au dessus de masse et alimenté par un câble coaxial fig.8. Figure 6 : Variation des coefficients de transmission en fonction de la permittivité du cristal liquide La fig.7 montre que les coefficients S et S atteindront -. db sur la bande de fréquence de 4 GHz à 3 GHz. Ainsi nous montrons qu on est en présence d une cavité à grilles inductives suffisamment sélective en fréquence. Figure 8 : Structure d une antenne à base de cavité de Pérot Fabry 3. ESULTATS ET ANALYSES : D après la figure 9 les résultats de simulation de l antenne montrent, un coefficient de réflexion agile en fréquence cela est dû à la variation de la permittivité du substrat qui dépend du champ électrique appliqué sur les cristaux liquides. ε r.64.64.98 ; ε. r 64 ;. 98 ε. Figure 7 : Variation des coefficients de réflexions en fonction de la permittivité du cristal liquide 3. CONCEPTION D UNE ANTENNE AGILE: 3. CAACTEISTIQUES DE L ANTENNE : La grille inductive de l antenne a une forme parallélépipédique de largeur L 6,6mm, d hauteur hmm avec une période a.74mm et largeur de motif b3.6mm (fig.8). Le substrat utilisé est le K5.64 ayant une permittivité ε r.64.98 La cavité de Pérot Fabry est constituée d un plan de masse, agissant comme un miroir parfait, et d une grille métallique agissant comme un miroir semi réfléchissante. Le patch de l antenne est un carré ayant une largeur de coté 8.54mm et qui est placé à Figure 9 : Variation des coefficients de réflexions en fonction de la permittivité du cristal liquide 4. Conclusion Dans le travail que nous avons présenté, nous avons montrée l intérêt des cristaux liquides pour l amélioration des performances des circuits microondes. Pour cela nous avons pris le cas de la cavité de Pérot Fabry remplie de cristal liquide qui sous l effet d un champ électrique extérieur devient agile en fréquence. Pour valider la méthode de simulation - 4 -
SETIT7 électromagnétique utilisant HFSS, nous avons comparé un résultat dans le cas d une cavité simple avec ceux existant dans la littérature et les résultats concordent bien. Cette étude a été élaboré dans le but de concevoir une antenne agile dans la réponse varie en fonction du permittivité du cristal liquide. EFEENCES [] N TENTILLIE Contribution à la Caractérisation Diélectrique Micro-onde de Cristaux Liquides. Application aux circuits agiles en fréquences. Thèse de Doctorat. Université de Lille I. Décembre 3. [] F.GUÉIN, J.M.CHAPPE, D.DOLFI Modelling Synthesis and Characterization of a Millimeter Wave Multilayer Micro-strip Liquid Crystal Phase Shifter. Jpn.j.appl.phy.vol.37.part.pp.96-98. 997. [3] B SPLINGAT, N.TENTILLIE, F.HUET, C.LEGANT Liquid Crystal Applications to.f and Microwave Tunable Component. Molecular Crystals and Liquid Crystals.vol.368.pp.83-9.. [4] N. TENTILLIE, F.DUBOIS, B. SPLINGAT, C.LEGANT,.DABOWSKI Caractérisation et Application en Micro-ondes d un Cristal Liquide Nématique à Forte Biréfringence". ème Colloque Francophone sur les Cristaux Liquides. Montpellier, 5. [5].N.CLAKE, C.B.OSENBEG: Fabry- Perot and Open esonators at Microwave and Millimeter Wave Frequencies, -3 GHz j.phy.e:instrum.vol.5.pp.9-3. 98. [6].BADOUAL Les micro-ondes. MASSON, 984. [7].SAULEAU : Etude de ésonateurs de Pérot-Fabry et d Antennes Imprimées en Ondes Millimétriques. Conception d Antennes à Faisceau Gaussien : Thèse de l Université de ennes, Décembre 999. [8] T.AKALIN, J.DANGLOT, O.VANBESIEN, D.LIPPENS: A highly Directive Dipole Antenna Embedded in a Fabry-Perot type Cavity. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol., n, pp.48-5, Février. [9] E. OZBAY, B.TEMELKUAN, M.BAYINDI,.BISWAS, M.M.SIGALAS, G.TUTTLE,K. HO Photonic Crystal Based esonant Antenne with a Very High Directivity. Millienium Conference on Antenna and Propagation, session A, AP. Davos, Suisse, Avril. [].SAULEAU, PH.COQUET, D.THOUOUDE, J.-P.DANIEL, T.MATSUI adiation Characteristics and Performance of Millimetre Wave Horn fed Gaussian Beam Antenna IEEE Trans.on Antenna and Propagation Février 3. [].A.YAK, Z.B.POPOVIC : Active and Quasi-Optical Arrays for Solid State Power Combining. New York, Wiley, 997. [] Nicolas GUEIN, Stephan ENOCH, Gerard TAYEB, Pierre SABOUOUX, Patrick VINCENT, And HEVE LEGAY: A Metallic Fabry Perot Directive Antenna. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 54, N, January 6. - 5 -