Antenne microruban alimentée par ligne de proximité

Mourad ELGORMA août 30, 2019octobre 17, 2019 0 Comments Antenne, microruban

Partie Théorique

définitions et généralités sur les antennes microruban

Une antenne est un transducteur entre la ligne de transmission connectée à un générateur et le milieu où l’onde rayonne. Ainsi on peut définir une antenne en émission ou en réception selon son mode de fonctionnement. Une antenne reliée à une ligne de transmission et rayonnant en espace libre peut être considérée comme un dispositif de couplage entre une onde guidée le long de la ligne et une onde rayonnée dans l’espace. Par conséquent, une antenne est un dispositif qui permet de recevoir et d’émettre les ondes radioélectriques. Elle transforme l’énergie guidée en énergie rayonnée et vice versa. Ce dispositif est en général réciproque. Lorsqu’il est utilisé pour transmettre l’énergie électromagnétique d’une source radioélectrique vers le milieu de propagation, on l’appelle antenne d’émission. Par contre, lorsqu’il est utilisé en sens inverse, on l’appelle antenne de réception.

Les rôles d’une antenne :

L’antenne a plusieurs rôles dont les principaux sont les suivants :

permettre une adaptation correcte entre l’équipement radioélectrique et le milieu de propagation,
assurer la transmission ou la réception de l’énergie dans des directions privilégiées,
transmettre le plus fidèlement possible une information.

Les conceptions des antennes microruban furent proposées il y a de cela plus de 50 ans. Vingt ans après, ces antennes furent fabriquées à partir de meilleurs modèles théoriques et par des techniques de substrat en cuivre ou en or à large bande de constante diélectrique. Leurs propriétés mécaniques furent ainsi développées.

Une variété de types de profil d’antennes imprimées furent développés, les antennes à microbande (microstrip antennas), antennes à fentes (stripline slot antennas), antennes à dipôle imprimé (printed dipôle antennas).

Principe de fonctionnement des antennes microruban

Dans sa configuration géométrique usuelle, une antenne imprimée est constituée d’une plaque métallique de forme quelconque, appelée élément rayonnant, située sur la face supérieure d’un substrat diélectrique. On considère en général le conducteur comme étant parfait et d’épaisseur négligeable. La face inférieure de la lame diélectrique est métallisée et constitue le plan de masse.

L’alimentation de ce type de structure s’opère de différentes façons : par sonde coaxiale, par ligne microruban, par effet de proximité ou encore par fente. Dans son fonctionnement normal d’utilisation, une antenne imprimée sur substrat diélectrique peut être considérée en première approximation comme une cavité résonnante imparfaite, présentant des murs magnétiques verticaux à pertes. Pour certaines fréquences, appelées fréquences de résonance, cette cavité emmagasine de l’énergie électromagnétique selon un ensemble de modes de type TMm,n [8]. Le rayonnement engendré par cette structure s’interprète alors comme des pertes qui ont lieu au niveau des murs magnétiques. La forme et l’orientation des lignes de champs en bordure de l’élément rayonnant caractérisent les directions privilégiées du champ rayonné.

Généralement, le mode de fonctionnement de l’antenne est le fondamentale, celui-ci se caractérise par une répartition de champ électrique sous l’élément rayonnant dont une dimension au moins est égale à une demi-longueur d’onde.

Le rayonnement est à polarisation rectiligne horizontale parallèle au côté qui correspond à la résonance, de forme cardioïdale. On obtient 6 à 8 dB de directivité avec ce type d’antenne, et la largeur de la bande passante est très faible et exprimée en pourcentage par rapport à la fréquence centrale.

La compréhension physique du fonctionnement de l’antenne imprimée passe par la connaissance du champ électromagnétique en zone proche de la structure rayonnante. Une approche simplifiée de ce problème consiste à assimiler l’antenne à une cavité limitée par deux “murs électriques” horizontaux, qui correspondent à l’élément rayonnant et au plan de masse, et par deux “murs magnétiques” transversaux à pertes

Mécanisme de rayonnement des antennes microruban

Il est clair que le rapprochement qui existe entre la plaque conductrice et le plan de masse va tendre à concentrer les champs justes sous la plaque [1]. Les champs vont s’affaiblir dans l’air à travers le substrat entourant le ruban conducteur, menant à un problème complexe des conditions aux limites

Le mécanisme de rayonnement d’une antenne se comprend aisément à partir de sa forme géométrique. Lorsque nous excitons la ligne avec une source, une onde électromagnétique va se propager sur cette ligne puis va rencontrer l’élément rayonnant de largeur plus grande que la ligne donc plus apte à rayonner. Une distribution de charge va s’établir à l’interface substrat/plan de masse, sur et sous l’élément rayonnant. La figure suivante montre cette distribution dans le cas particulier où l’antenne rayonne le plus efficacement c’est-à-dire lorsqu’elle devient résonante (la longueur de l’élément rayonnant est un multiple de demi-longueur d’onde).

Ces distributions de charge et les densités de courants associés induisent une distribution du champ électrique représentée sur la figure (1.16) pour le mode fondamental.

Distribution de la composante verticale du champ électrique pour le mode fondamental de l’antenne.

Une analyse plus détaillée de distribution de charge et du champ électrique dans ce mode permet de retrouver tous les paramètres caractéristiques d’une antenne. Nous pouvons constater sur la figure suivante un inversement de phase des composantes verticales du champ électrique sur la longueur L de l’antenne. Ce cas correspond à la résonnance/2 de l’antenne. Il en est de même pour les composantes horizontales sur la largeur w de la plaque. La figure suivante montre les composantes horizontales des lignes de champ entourant l’élément imprimé. Contrairement à précédemment, elles créent des rayonnements qui sont en phase dans le plan de l’antenne.

Finalement, le rayonnement de la plaque peut être modélisé par celui de deux fentes parallèles distantes de L et de dimensions w × h. La théorie de l’électromagnétisme nous fournit alors les expressions des champs rayonnés par la plaque à une certaine distance d’observation.

Etapes de la conception et l’analyse électromagnétique d’un circuit HF : Exemple d’une ligne microruban

Créer un nouveau projet EsinsaWLAN.prj (unité mm)
Window Layout.
File/Save Design As …. Ligne

a. Masque du circuit

Insert > Rectangle (par exemple) ou Polygon …
On peut directement tracer le rectangle ou bien utiliser
Insert > Coordinate Entry
Dans ce cas, tapez (0,0), Apply, (60, 4.8) puis OK ou bien (0,0) puis OK et ensuite tracez le rectangle à l’aide des coordonnées dx et dy.
Ne pas oubliez de taper sur Esc pour sortir du mode rectangle.
Remarque : Faire attention à la couche de métallisation sur laquelle on se trouve (v,s cond) normalement ici (en haut de la fenêtre layout).
Remarque2 : On peut aussi tracer directement un masque à partir de la fenêtre schematic en faisant Layout Generate/ Update Layout (si on a un circuit que l’on veut fabriquer).

b. Insertion des ports d’alimentation

Insert > Port … ou bien en cliquant sur l’icône en forme de losange juste à côté la masse dans la barre d’outil. Bien constater que le port se trouve sur la bonne couche (cond ici), faire un zoom au besoin.

Bien positionner le port à l’entrée de la ligne microruban et au milieu de celle-ci, coordonnées (0, 2.4). Sélectionnez le port, Edit/Component/Port/Ground Size et tapez 5 dans la case Size. Sélectionnez le port, Edit/Component/Component Text Attributes et tapez 2 dans la case Size. Ces deux opérations permettent d’avoir un confort visuel vis-à-vis du port. Faire également attention au sens de la flèche du port : elle doit être dirigée vers l’entrée de la ligne microruban.

Selectionnez le port puis Momentum > Port Editor

Constatez tous les types de port disponibles (Single, Internal, Ground sont les plus utilisés). Constatez l’impédance d’entrée de ce port (50) et attardez vous sur le référence Offset (+ Help). Une fois configuré, constatez également le trait vertical blanc qui est inséré à partir du port et qui signifie que le circuit s’arrête là pour le simulateur (circuit de dimensions finies en X et infinies en Y).

Insérez un deuxième port « entrant » en sortie de la ligne microruban (Attention aux coordonnées, et bien observer que la flèche est dans le bon sens).

c. Définition et calcul du substrat du circuit

Momentum > Substrate > Create/Modify ….

Dans l’onglet Substrate layer, Substrate layer: Tapez Duroid à la place de Aluminium (on peut se passer de cette opération), puis rentrer les caractéristiques du substrat, thickness 1.52 mm, permittivité 2.2, tan  = 0.001 (perméabilité inchangée). Constatez que l’on peut rentrer la permittivité et la perméabilité sous 3 formes différentes. Cliquez sur les différentes couches à gauche et constatez leurs paramètres (on a ici un vrai substrat).

Dans l’onglet Layout Layers, se placer sur la couche qui est entre Free Space et Duroid et précisez que c’est une strip (ligne) et pas une slot (fente) puis faire Apply (Ne pas modifier son épaisseur).

Sauvez votre substrat : Momentum/Substrate/Save as … et constatez ou il se trouve enregistré (dans Networks).
Il faut maintenant pre-calculez votre substrat avant de lancer une simulation: Momentum > Substrate > Precompute entre une fréquence minimum de 4GHz et une fréquence max. de 6 GHz.

d. Calcul du maillage

Il faut maintenant mailler votre circuit … c’est-à-dire le découpez en petites surfaces sur lesquelles les équations de Maxwell seront résolues selon la méthode des Moments.

Momentum > Mesh > Setup permet de fixer quelque options parmi lesquelles, dans l’onglet global, la fréquence max. d’utilisation 6GHz ici (fixe la taille des cellules), le nombre de cellules par longueur d’onde (20 par défaut, ne pas modifier), et enfin si l’on veut utiliser un maillage fin sur les bords (edge mesh) ou bien un maillage ligne de transmission (laissez par défaut, vous pourrez toujours comparer après). Jetez un oeil aux autres onglets.
Momentum > Mesh > Precompute …. Regardez le maillage généré notamment sur les bords de la ligne microruban, là où la densité de courant surfacique d’une ligne microruban est élevée.

Pour effacer le maillage (cette opération ne le détruit pas) et revenir au masque classique.

Momentum > Mesh > Clear ….

e. Analyse du circuit

Momentum > Simulation > S-parameters fait apparaître la fenêtre de dialogue de simulation.

Entrez Start 4 GHz, Stop 6GHz et Sample points Limits 20. Constatez tous les champs notamment le Sweep Type par défaut Adaptative qui signifie que la simulation est adaptative (le simulateur s’arrêtera au pire après 20 points de simulation dans notre cas mais plus sûrement bien avant si le résultat lui convient pour interpoler). Regardez les autres options du Sweep Type.

Faire un Update et surtout reperez bien que le Dataset d’accueil est Ligne_mom qu’il ne faudra pas écraser si vous effectuez d’autres simulations (comme dans ADS précédemment). Cliquez sur Simulate et regardez quelles sont le fréquences qui ont réellement été simulées sur le fichier log (les autres points sont interpolés, ceci étant du à l’Adaptative Sweep).
Remarque : Pour arrêter une simulation, utilisez la fenêtre log et la commande Simulation/Synthesis Stop.
Remarque2: Ne jamais fermer la fenêtre log et la commande Simulation/Synthesis Stop.

f. Visualisation des résultats

Une fois la simulation terminée, la fenêtre Data Display s’ouvre automatiquement avec un tracé de tous les paramètres S. Pour bien comprendre les Datasets qui ont été générés, insérez un nouveau graphe et tracez le paramètre S11 du Dataset Ligne_Mom (points réellement calculés par la simulation) et superposez le paramètre S11 du Dataset Ligne_Mom_a (points calculés + interpolation).

Pour voir les densités de courants surfaciques : Momentum > Post-Processing > Visualisation puis Current/Plot Current …. (regarder Current/Set Port Solution Weights)
Jouez sur les différentes options disponibles.
Pour zoomer :
Scale

Pour les diagrammes de rayonnement (pas dans cet exemple mais après) : Momentum > Post-Processing > Radiation Pattern et sélectionnez selon l’option désirée 2D Data Display ou 3D Visualization.

On pourra notamment essayer de simuler la même ligne microruban sous ADS schematic et comparer le résultat. Quelle est donc l’utilité de Momentum ???

On pourra aussi essayer de simuler cette ligne sous Line-Calc.

Partie Pratique

But de TP :

Réaliser une antenne microruban alimentée par ligne de proximité sous environnement de MOMENTUM. Et faire sa conception et l’analyse du circuit.

Réalisation du schéma :

On doit réaliser une antenne microruban de forme carrée (coté= 20 mm) se trouvant à proximité d’une ligne microruban (distance ligne-pavé=0,2 mm).

Les dimensions de la ligne 50 ohm sont : longueur=60 mm, largeur=4,8 mm.

La structure est réalisée avec le logiciel de MOMENTUM. Et qui est la suivante :

La structure avec les ports :

Pour réalisé l’étude de cette antenne on doit considérer les caractéristiques du substrat utilisé suivants : épaisseur=1.52 mm, permittivité=2.2, tgσ=0.001