Antennes intégrées et microstructurées

Antennes intégrées et microstructurées 1/40

Plan du cours Planning 2008 # 11 janvier : AS Poynting, Q, ondes spheriques, réduction de taille # 18 janvier : AS antennes large bande, multibandes et UWB # 25 janvier : AS Terahertz et µtechnos # 01 février : CR transitions, feeding, integration antennes-circuit # 04 février : CR BIP, fractales, haute impedance # 15 fevrier : AS diversité # 22 février : AS/CR TP antennes ULB # 22 février : CR TP mesures antennes ULB # 7 mars : CR TP (2me ½ groupe)? # 21 mars : AS-CR CC AS = A. Sibille, alain.sibille@ensta.fr ; CR= C. Roblin, christophe.roblin@ensta.fr 2/40

Menu Techniques d alimentation des antennes et Intégration antenne/circuit Problématique Antennes élémentaires Antennes à ouverture : guide d onde, cornet, transition coax/guide Antennes référencées filaires & planaires Antennes équilibrées : baluns Antennes à polarisation circulaire : jonctions hybrides Antennes d émission-réception : duplexers Mise en réseau 3/40

Problématique Tout simplement connecter le(s) éléments rayonnants au Tx/Rx Adapter (si l antenne est intrinsèquement mal adaptée) Elargir la bande passante d entrée (adaptation large bande) Intégrer l antenne au(x) circuit(s) Eliminer un éventuel mode commun (baluns pour antennes équilibrées) Obtenir des antennes à polarisation circulaire (ou elliptique) Mettre les éléments rayonnants en réseau (antennes directives, antennes ULB, formation de faisceau, balayage électronique, diversité, etc.) 4/40

Techniques d alimentation des antennes Antennes élémentaires 5/40

Antennes à ouverture Exemple : transition coaxial/guide rectangulaire ; Cornet Coax stub Modes évanescents Court-circuit Sonde «électrique» 6/40 Sonde == petite antenne dans le guide Modes évanescents atténués rapidement Forme & position de la sonde «adaptés» au mode choisi Adaptation : dépend de la position de la sonde dans le guide ; le CC peut être mobile.

Antennes référencées Antenne avec plan de masse Excitation avec une ligne référencée Exemples de lignes référencées Ligne microbande 7/40 Ligne coaxiale Autres lignes

Alimentation coaxiale Monopôles et variantes S11 measured S11 simulated S11< -10dB from 2.7GHz to 9.4 GHz fractional bandwidth 111% 3GHz (blue) 4.5GHz (cyan) 6GHz (green) 7.5GHz (orange) 9GHz (yellow). 8/40

Alimentation coaxiale «hybride» Monopôles optimisé par AG avec couplage inductif (Choo & Ling, 2003) 9/40

Alimentation coaxiale Pastilles (patch) Bande étroite! Rappel du principe de fonctionnement : pour l essentiel, ligne microbande demi-onde en circuit ouvert résonateur dont les «champs marginaux» (fringing fields) rayonnent (fentes rayonnantes) 10/40

Alimentation (coplanaire) par ligne planaire Lignes microbande Monopôles planaires, patches Technique simple d adaptation : Z = V/I Excitation CPW ENSTA 2005 11/40

Alimentation non coplanaire Méthode «hybride» ligne microbande et sonde : exemple intégré avec céramique co-cuite (LTCC) 12/40

Alimentation par couplage EM Couplage capacitif Couplage par fente (inductif) Large bande : 13 % Bande étroite! Excitation par couplage avec une microbande coplanaire 13/40

Techniques de compensation Compensation capacitive de la sonde (inductive) : méthode bande étroite à modérée 14/40

Techniques de compensation Compensation (Ultra) large bande : excitation par couplage capacitif Exemple des patchs L-probe & F-probe 15/40

Techniques de compensation F-probe 16/40

Techniques de compensation 15 mm 67 mm AC Lepage ENST Paris 2004 17/40

Techniques de compensation Return Loss : db 0-10 -20 Good agreement between simulation and measure -10 db bandwidth : Δf = [3.1-5.0 GHz] or 47% or 1.61:1 2 3 4 5 6 7 GHz Measurement Simulation 18/40

Techniques de compensation Dielectric permittivity : 1.23 measurement simulation 19/40

Techniques d alimentation des antennes Utilisation de circuits passifs ou actifs 20/40

Fonctions et circuits passifs élémentaires (1) Diviseur/Combineur de puissance : hexapôle (plus généralement multipôle) parfaitement adapté (dissipatif ou non selon les topologies). Dans le cas d un hexapôle la matrice de répartition est donnée par : Exemple de réalisation : diviseur de Wilkinson : Coupleurs directifs (ou bidirectionnels) : octopôle parfait, réciproque, parfaitement adapté et dont deux couples d accès sont idéalement totalement découplés (par exemple (1,3) et (2,4), ou (1,4) et (2,3)) ; dans le cas symétrique, la matrice [S] ne dépend idéalement que d un seul paramètre ϕ : 21/40 0 S S [S] 0 0 S31 0 0 21 31 = S 21 0 [S] 0 0 [S] 1 1 2 2 = 1 2 1 2 0 0 0 S S S S 0 S S 21 31 41 21 32 42 = S31 S32 0 S43 S41 S42 S43 S31 = S42 = 0, S21 = S43 = cos ϕ, S = S =± jcosϕ 41 23 0 1 1 50 Ω diviseur combineur λ/4 Wilkinson 3 (4) 70.7 Ω 70.7 Ω 2 3 2 100 Ω 3 coupleur directif 1 2 4 (3)

Fonctions et circuits passifs élémentaires (2) Coupleurs directifs : caractéristiques et imperfections, qualifiées par les paramètres : Les Pertes d Insertion : Le Couplage : La Directivité : L Isolation : ( 2 2 ) 21 41 L= 1 S + S C D I 1 = 10log = P4 20log ( S41 ) Jonctions hybrides : coupleurs directifs ayant pour particularité : 1. de répartir également la puissance dans les deux voies de sortie, et 2. d introduire entre ces signaux un déphasage en quadrature ou en opposition de phase. Ils vérifient donc : S 21 = S 43 = S 41 = S 23 1/ = 2 On démontre qu il existe deux solutions : la jonction hybride 90 degrés, symétrique, et la jonction hybride 180 degrés qui possède une voie somme (voie Σ) et une voie différence (voie Δ). 22/40 P P 10log 20log S 4 41 = = P 3 S 31 P 1 = 10log = P3 20log ( S31 )

Fonctions et circuits passifs élémentaires (3) Jonctions hybrides 180 deg. : Jonction large bande (qq. 10%) Matrice S de la forme (jonction idéale) : 1 [S] = 2 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 Jonction rat-race 3λ/4 λ/4 2Z 0 Z 0 Z 0 Z 0 λ/4 λ/4 Z 0 Court-circuit virtuel Jonctions hybrides 90 deg. : Jonction large bande (qq. 10%) Matrice S de la forme (jonction idéale) : Jonction branchline 23/40 [S] = 1 2 0 1 0 j 1 0 j 0 0 j 0 1 j 0 1 0 2Z 0 Z 0 λ/4 λ/4 2Z 0 Court-circuit virtuel

Fonctions et circuits passifs élémentaires (4) Théorie des lignes couplées (rappel) Structures cylindriques à 2 conducteurs et plus : V 1 θ, Z 0e, Z 0o V 4 Mode fondamental TEM ou quasi-tem V 2 V 3 Simplification des équations de Maxwell Problème quasi-statique : équations des télégraphistes généralisées Calcul statique des paramètres primaires dans une section transverse : Matrices de Maxwell C (capacités) et d inductances linéiques L Equation des télégraphistes : 24/40 v i dv + L = 0 z t dz i v di + C = 0 z t dz Modes : problème aux valeurs propres modes pair et impair (cas symétrique) θ, θ, Z, Z e o 0e 0o = jωli = jωcv 2 d v 2 dz 2 d i 2 dz 2 ω = LCv 2 ω = CLi 0 0

Fonctions et circuits passifs élémentaires (4) Théorie des lignes couplées (rappel) Relations pour l octopôle (en z = 0 et z = l) : V = ZI V 1 θ, Z 0e, Z 0o V 4 Z v i 1 v i 1 R [ CT][ R ] R [ CS][ R ] = v i 1 v i 1 R [ CS][ R ] R [ CT][ R ] V 2 V 3 25/40

Techniques d adaptation Z in Technique par éléments localisés (L, C) ou semilocalisés méthodes classiques d adaptation et de filtrage. S 11 circuit d adaptation Z A Technique par éléments répartis méthodes classiques d adaptation et de filtrage en micoondes 26/40 Une technique possible simplifiant la synthèse : modéliser l impédance d antenne par un circuit R, L, C équivalent Exemple simple : adapatation bande étroite à 2 stubs (ENSTA)

Antennes d émission/réception : duplexeur Schéma d un système d émission/réception typique (rappel) Ampli. de puissance PA Ampli. à gain variable M ÉL AN GE UR (Up Converter) M ODULATEUR I - Q I B AN D E DE BASE RF FI Σ 90 "M AP PIN G " D ONNÉES Contrôleur F IL TRE RF f up A MPLI. FI Q F ILTRES NUMÉRIQUES (N YQUIST ) Duplexeur Détecteur PLL f FI f down I RF FI 90 R ÉCEPTEUR BB LNA F IL TRE RF M ÉLANGEUR (Ampli. faible bruit) (Down Converter) F IL TRE FI (Saw) Q D ÉMODULATEUR I - Q 27/40

Antennes d émission/réception : duplexeur Circulateur : le plus souvent à ferrite Cas parfait : hexapôle non réciproque parfaitement adapté Sa matrice de répartition est donnée par : Application full duplex 1 2 3 [ S] 0 = 1 0 0 1 0 0 1 0 Commutateur (switch) : diodes PIN, FET (AsGa), & aujourd hui MEMS Application : par ex. TDD (non «full duplex») Exemple : MEMS 28/40

Antennes à polarisation circulaire (1) Objectif : exciter 2 champs orthogonaux et en quadrature de phase Suppose que l élément rayonnant peut supporter 2 modes orthogonaux Exemples : cornets, patches, double fente (croix) Techniques bande étroite : λ/4 29/40 Polarisations othogonales Patch carré avec Lignes quart d onde Patches rectangulaires Presque carrés

Antennes à polarisation circulaire (2) Techniques large bande : jonctions hybrides 90 degrés Jonctions hybrides : coupleurs directifs 3 db avec sorties en quadrature ou en opposition de phase (càd diviseurs de puissance avec déphasage) 0 1 1 1 0 La jonction 90 deg est symétrique, de matrice [S] : [ S] = 2 0 j Exemples : jonction «branchline» & coupler de Lange j 0 0 j 0 1 j 0 1 0 1 2 2Z 0 Z 0 λ/4 λ/4 3 2Z 0 4 30/40

Coupleur de Lange intégré 31/40

Antennes à polarisation circulaire (3) 32/40

Antennes à polarisation circulaire (4) Déphaseur très large bande : cellule de Schiffman 2 r tg θ cos Φ= 2 r + tg θ Z0e r = Z 0o 33/40 Guo et al, IEEE AP, Mars 2006

Antennes à polarisation circulaire (5) Déphaseur très large bande : cellule de Schiffman ΔΦ = Kθ cos 1 r r 2 tg θ 2 + tg θ K = 3 (rad) 7 180 6 160 140 5 120 4 100 Φ 3 ΔΦ 80 2 1 60 40 20 BW ~ 40% r=1 r=3 r=5 r=7 r=9 r=11 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 θ (rad) 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 θ 34/40

Antennes équilibrées : symétriseurs (1) Antennes équilibrées : antenne dipôle, bicône, papillon, à fente, etc. Problématique : on utilise le plus souvent des lignes référencées (coaxiale, microbande, guide d onde coplanaire, triplaque, etc.) les antennes équilibrées doivent être alimentées par 2 courants en opposition de phase (sinon, mode commun ) Solution : utiliser un symétriseur (balun) 0 180 35/40 «Marchand balun» Coaxial «sleeve balun»

Antennes équilibrées : symétriseurs (2) Principe du symétriseur de Marchand Y CL Y1 Y2 = Y Y2 Y1 1 + j Y cotθ Y cotθ = + 2 Y cotθ Y cotθ Y 2 + j Y cscθ Y cscθ = + 2 Y cscθ Y cscθ -1 * -1 S=R 0(1-ZY)(ZY+1) 0 0 R0 R 0 = diag ReZ ( 0 i ) Z 0 =diag Z0 i ( ) Accès référencé Y a 0 180 1 4 Y CL 2 3 Y 1 4 Y CL 2 3 C. O. 36/40 Objectif : S 11 = 0 21 31 [( Y Y )csc θ] 2( Y Y ) YY csc θ = 0 4 2 2 0e 0o 0e 0o a b S = S Pour θ = π/2 (λ/4) : Y0 Y0 = 2YY e o a b Y b Y b Accès équilibrés Il faut r = Z 0e /Z 0o suffisamment grand, mais la condition est moins sévère ici : r = 3 à 5 suffit

Antennes équilibrées : symétriseurs «Marchand balun» : exemple de réalisation 37/40

Antennes équilibrées : symétriseurs (1) Autres exemples de réalisation (large bande) : Symétriseur microbande ligne symétrique Symétriseur bande étroite : Directo Simple diviseur et ligne λ/2 additionnelle λ Half wave dipole 180 degree phase change Standard power Divider/Splitter Reflector (Backside ground plane) Quarter-wave Transformer 38/40 50 ohm Microstrip line

Antenne à diversité mixte Antenne à commande électronique à diversité mixte anguaire/polarisation circulaire (ENSTA 2001) ~ 50 mm 39/40

Antenne à diversité mixte Résultats 40/40