elargissement de la bande passante des antennes bie à l’aide de ssr à surface combinée
DESCRIPTION
Elargissement de la Bande Passante des antennes BIE à l’aide de SSR à surface combinée. Thai-Hung VU , Anne-Claude TAROT Sylvain COLLARDEY , Kouroch MAHDJOUBI. IETR, UMR CNRS 6164, Université de Rennes 1. Sommaire. I. Rappels sur les antennes BIE Modèle analytique - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES
1UMR6164
Elargissement de la Bande Passante des antennes BIE à l’aide de SSR à surface
combinée
Thai-Hung VU, Anne-Claude TAROT
Sylvain COLLARDEY, Kouroch MAHDJOUBI
IETR, UMR CNRS 6164, Université de Rennes 1
INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES
2/17UMR6164XVième Journées Nationales Micro-ondes
Sommaire
I. Rappels sur les antennes BIE– Modèle analytique– Principe d’élargissement de la bande par surface combinée
II. SSR combinée (excitée par onde plane)– Formule analytique pour le coefficient de réflexion– Optimisation de la SSR combinée– Influence sur l’impédance– Influence sur le diagramme de rayonnement
III. SSR combinée (excitée par un patch)– Influence sur l’impédance– Influence sur le diagramme de rayonnement
IV. Conclusions et Perspectives
INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES
3/17UMR6164XVième Journées Nationales Micro-ondes
I. Rappels sur les antennes BIE
))cos(2exp(1
)))cos(2exp(1()(
21
221
jkDrr
jkDrtTFP
Coefficient de transmission TFP
Directivité maximale
(condition de résonance)
kDrr 221
5
10
15
30
210
60
240
90
270
120
300
150
330
180 0
Diagramme de rayonnement à f0=2.4 GHz
theta(degree)
De
cim
al
1. Modèle analytique
Exemple: r1= 0.95, r2= -1; fres=2.4GHz, Ouverture à 3dB = 15º
D1
D
SSR1 (r1 ; t1) θ
SSR2 (r2 ; t2)
Surface semi réfléchissante( SSR)
TFP
INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES
4/17UMR6164XVième Journées Nationales Micro-ondes
ZjkDr
jkDr
jkDr
jkDrY
1
)2exp(1
)2exp(1
)2exp(1
)2exp(1
377
1
22
22
11
11
(r2 ; t2)
(r1 ; t1)
D2
Bande passante étroite
Exemple: r1=0.95, r2=-1; fres=2.4GHz, Angle à 3dB~15º, BP ~ 1.7%
• Impédance d’entrée [1]
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.80
5000
10000
15000
Module d'Impédance Z
f(GHz)
Am
plitu
de
[1 ] T-H.Vu, K. Mahdjoubi, A.C. Tarot, S. Collardey, “Input Impedance of Planar FP & EBG Antennas”LAPC 2007 (Loughborough Antennas & Propagation Conference), 2-3 April 2007, Loughborough, UK
Pour l’onde plane
I. Rappels sur les antennes BIE
INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES
5/17UMR6164XVième Journées Nationales Micro-ondes
o La bande passante d’une antenne à BIE dépend de l’angle α.o Pour une SSR classique, α est grand (bande passante très faible).
• Pourquoi la bande passante est faible ?
o Condition de résonance : à f = f0, on a φr1+ φr2 =2kDo Aux fréquences f1 et f2 : r1+ r2 ≠ 2kD
freq
φ(f) = φr1+φr2
Phase
F(f)=2kD
α
f0f1 f2
dφ01
dφ02
Réduire pour élargir la bande passante
f1 (2.36GHz), f0 (2.4GHz), f2 (2.44GHz)
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 1000
2
4
6
8
10
12
14
theta(degree)D
eci
ma
l
f0=2.4GHz
f1=2.36 GHz
f2=2.44 GHz
Diagramme de rayonnement
I. Rappels sur les antennes BIE
INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES
6/17UMR6164XVième Journées Nationales Micro-ondes
En utilisant un AMC (Artificial Magnetic Conductor) [2]
Phase Φ (f)=φr1+φr2
F(f)=2kD
f
f2fresf1
Δφ1
Δφ2
En utilisant une surface « combinée » pour obtenir une « inversion de phase » [3,4]
Φ (f)=φr1+φr2 F(f)=2kDPhase
f
[2 ] A. Ourir, A. de Lustrac, and Jean-Michel Lourtioz, “All-metamaterial-based subwavelength cavities (λ/60) for ultrathin directive antennas”, Applied Physic Letters, No 88, 084103, 2006
[3] H. P. Feresidis, J. C. Vardaxoglou, “A broadband high-gain resonant cavity antenna with single feed”, Pro. EuroCAP 2006’, Nice, France 2006.
Réduire
α
2. Méthodes pour élargir la bande passante
[4] T-H.Vu, A.C. Tarot, S. Collardey, K. Mahdjoubi, “Bandwidth enlargement of planar EBG antennas” LAPC 2007 (Loughborough Antennas & Propagation Conference), 2-3 April 2007.
I. Rappels sur les antennes BIE
INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES
7/17UMR6164XVième Journées Nationales Micro-ondes
Sommaire
I. Rappels sur les antennes BIE– Modèle analytique– Principe d’élargissement de la bande par surface combinée
II. SSR combinée (excitée par onde plane)– Formule analytique pour le coefficient de réflexion– Optimisation de la SSR combinée– Influence sur l’impédance– Influence sur le diagramme de rayonnement
III. SSR combinée (excitée par un patch)– Influence sur l’impédance– Influence sur le diagramme de rayonnement
IV. Conclusions et Perspectives
INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES
8/17UMR6164XVième Journées Nationales Micro-ondes
II. SSR combinée
d
RcombOnde plane incidente
SSR1b (r’’1 ; t’’1)
SSR1a (r’1 ; t’1)
Développement d’une formule analytique pour décrire la surface combinée
Rjcomb eR
jkdrr
jkdrtrR
)2exp("'1
)2exp("''
11
121
1 Coefficient de réflexion
SSR2(r2 ; t2)
SSR1(r1 ; t1)
D2
D
avec |r1’|>|r1’’|
Ex. d’une SSR (1D,2D) réalisée à l’aide de pistes ruban (largeur a) de périodicité Pt
Largeur aPériodicité Pt
Coeff. de réflexion r’1 et transmission t’1
Modèle de SSR (Marcuvitz, Marcuvitz optimisé,Ulrich, Lee, Wang,Chen …)
SSR1a (r’1 ; t’1)
Coefficients de transmission et de réflexion des SSRs: Obtenus à partir des simulations numériques exactes (FDTD, HFSS…) Obtenus à partir des modèles analytiques pour certains types de SSR
Pta
INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES
9/17UMR6164XVième Journées Nationales Micro-ondes
Méthode d’optimisation mise en œuvre
II. SSR combinée
φ1
φ0
φ2
Φ (f)=φr1+φr2
Phase
ff0 f2
f1
αF(f)=2kD
Minimiser α
2
2
1
1
ffF
F minimale ?
CONST : Pt1, Pt2, Rmin, f0 , f f1= f0- f, f2= f0+ f,
VARa1, a2
(r1, t1), (r2, t2),d
Rcombinée = f (r1, t1, r2, d)centré sur f0 ?
oui
non
hauteur de la cavité
a1, a2, d, D
fo de coût
varier d
kD R
2
oui
d
D
(r1,t1)
(r2,t2)
PEC
Pt1a1
a2 Pt2
INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES
10/17UMR6164XVième Journées Nationales Micro-ondes
N° figure Rcomb f=f0-f1 a1(mm) Nba1 a2(mm) Nba2 D (mm) Nbd
1 0,85 2,5% 2.2 100 1.6 50 54.902 51
2 0,85 5,0% 1.7 100 0.8 50 53.186 51
3 0,85 7,5% 1.3 100 0.4 50 51.716 51
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.80.85
0.9
0.95
1
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.82.85
2.9
2.95
3
3.05
3.1
R surface combinée : Rmin = 0,85 - a1=2,2mm - a2=1,6 mm - D=54,902mm
R surface combinée
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.80.85
0.9
0.95
1
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.82.85
2.9
2.95
3
R surface combinée
R surface combinée : Rmin=0,85 - a1=1,7mm - a2=0,8mm - D=53,186mm
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.80.85
0.9
0.95
1
R surface combinéeR surface combinée
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.82.8
2.85
2.9
2.95
3
3.05
R surface combinée
R surface combinée : Rmin=0,85 - a1=1,3mm - a2=0,4mm - D=51,716mm
II. SSR combinée
Résultats d’optimisation
Fig. 1 : F = ± 2,5 %
(2,34 GHz – 2,46 GHz)
Module et Phase du coefficient de réflexion
CONST : Pt1 = 10 mm, Pt2 = 20 mm, f0 =2,4 GHz, Rcomb = 0,85, f
Fig. 2 : F = ±5 %(2,28GHz – 2,52 GHz)
Fig. 3 : F = ± 7,5 %
(2,22 GHz – 2,58 GHz)
INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES
11/17UMR6164XVième Journées Nationales Micro-ondes
1. Influence sur l’Impédance (pour onde plane)
Plus large bande
SSR2 = PEC
SSR1 (r1 ; t1)
Antenne à BIE classique
SSR2 = PEC
SSR1a (r’1 ; t’1)
SSR1b (r"1 ; t"1)
Antenne à BIE avec SSR combinée( Avec les mêmes directivités)
F = 5%
a1 = 1,7 mm a2 = 0,8 mm
BIE classique
SSR combinée
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500Impédance d'entrée Z
f(GHz)
Am
plit
ud
e
B.P
II. SSR combinée
INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES
12/17UMR6164XVième Journées Nationales Micro-ondes
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.80
1
2
3
4
5
6
7
8Comparaison sur le coefficient de transmission
f(GHz)
Am
plit
ud
e
Surface combinée
Surface normale
SSR2 = PEC
SSR1 (r1 ; t1)
Antenne à BIE classique
SSR2 = PEC
SSR1a (r’’1 ; t’’1)
SSR1b (r’1 ; t’1)
Antenne à BIE avec SSR combinée( Avec les mêmes directivités)
2. Influence sur le diagramme de rayonnement
Plus large bande
(b) F= 2,36 GHz (c) Fres= 2,4 GHz (d) F= 2,44 GHz
Coefficient de transmission Diagrammes de rayonnement
F = 5% a1 = 1,7 mm; a2 = 0,8 mm
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 1000
1
2
3
4
5
6
7
8
theta(degree)
De
cim
al
(T1) a f1=2.36 GHz
Surface combinée
Sourface normale
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 1000
1
2
3
4
5
6
7
8
theta(degree)
De
cim
al
(T) à f0=2.4 Ghz
Surface combinée
Surface normale
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 1000
1
2
3
4
5
6
7
8
theta(degree)
De
cim
al
(T2) a f2=2.44 GHz
Surface combinée
Surface normale
B.P
II. SSR combinée
INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES
13/17UMR6164XVième Journées Nationales Micro-ondes
Sommaire
I. Rappels sur les antennes BIE– Modèle analytique– Principe d’élargissement de la bande par surface combinée
II. SSR combinée (excitée par onde plane)– Formule analytique pour le coefficient de réflexion– Optimisation de la SSR combinée– Influence sur l’impédance– Influence sur le diagramme de rayonnement
III. SSR combinée (excitée par un patch)– Influence sur l’impédance– Influence sur le diagramme de rayonnement– Influence sur la directivité
IV. Conclusions et Perspectives
INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES
14/17UMR6164XVième Journées Nationales Micro-ondes
Résonance du patch seulRésonance du
patch seul
BP40 MHz
BP55 MHz
Patch & SSR simple (à F0 = 2,45 GHz ):
III. SSR combinée (excitée par un patch)
-> Même réflectivité (Même |R|=0.9) à 2.45 GHz
Patch & SSR combinée
(à F0 = 2,45 GHz )
1. Influence sur l’impédance
a=13mm – Pt=40 mm a1=21,6mm – Pt1=40 mm
a2=5,6mm – Pt2=40 mm
INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES
15/17UMR6164XVième Journées Nationales Micro-ondes
Patch & simple SSR
F = 2,3 GHz F = 2,35 GHz F = 2,4 GHz
F = 2,45 GHz F = 2,5 GHz
Patch & SSR combinée
III. SSR combinée (excitée par un patch)
2. Influence sur le diagramme de rayonnement
INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES
16/17UMR6164XVième Journées Nationales Micro-ondes
III. SSR combinée (excitée par un patch)
3. Influence sur la directivité
2.3 2.35 2.4 2.45 2.5 2.55 2.6 2.65 2.710
15
20
25
Freq (GHz)
Dire
ctiv
ité
avec SSR normale
avec SSR combinée
Bande passante à – 1 dB-Avec SSR combinée : 7.4% ( max Dir =17.96 dB)-Avec SSR normale : 4.9% ( max Dir =16.35 dB)
INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES
17/17UMR6164XVième Journées Nationales Micro-ondes
IV. Conclusions & Perspectives
•Développement d’une formule analytique et une méthode d’optimisation pour la conception d’une SSR combinée
•Élargissement de la bande passante (théorique) d’une Antenne à BIE en utilisant une SSR combinée.
Conclusions
•Surface combinée > 2 couches
•Méthode d’optimisation des SSRs combinées avec plusieurs critères : bande passante, directivité, …
•Vérification de la bande passante sur l’impédance
Perspectives
INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES
18/17UMR6164XVième Journées Nationales Micro-ondes
Merci de votre attention !
Elargissement de la Bande Passante des antennes BIE à l’aide de SSR à surface
combinée
Thai-Hung VU, Anne-Claude TAROT
Sylvain COLLARDEY, Kouroch MAHDJOUBI
IETR, UMR CNRS 6164, Université de Rennes 1
INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES
19/17UMR6164XVième Journées Nationales Micro-ondes
L’image d’une source d’onde cylindrique devant une SSR est aussi une source d’onde cylindrique…
• Impédance d’entrée pour une source réaliste [2,3]
PRS PRS (surface semi-(surface semi-réfléchissante)réfléchissante)
PRSPRS
2 4 6 8 10 12 14 16 18
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
FREQUENCY( GHz)
oh
m
Real part of Z
real(Z), FDTD
real(Z), Analytical formula
2 4 6 8 10 12 14 16 18-4000
-3500
-3000
-2500
-2000
-1500
-1000
-500
0
FREQUENCY ( GHz)
Oh
m
Image part of Z
imag(Z), FDTD
imag(Z), Analytical formula
Partie réelle Partie imaginaire
FDTD
Analytique
[3] “Input Impedance & Radiation Pattern of Planar EBG Antennas”, 2007 IEEE International Workshop on Antenna Technology Small and Smart Antennas Metamaterials and Applications, IWAT 2007
[2] T-H Vu, K. Mahdjoubi, A-C Tarot, S. Collardey, “Input Impedance of Planar FP & EBG Antennas”, Loughborough Antennas Propagation Conference 2007 (LAPC07)
INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES
20/17UMR6164XVième Journées Nationales Micro-ondes
d
R Onde plane incidente
SSR1b (r’’1 ; t’’1)
SSR1a (r’1 ; t’1)
Développement d’une formule analytique pour décrire la surface combinée
)2exp("'1
)2exp("''
11
121
1 jkdrr
jkdrtrR
Coefficient de réflexion
SSR2(r2 ; t2)
SSR1(r1 ; t1)
D2
D
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.40.8
0.9
1
abs(
R)
Frequency (GHz)2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4
165
170
175
angl
e(R
)
AmplitudePhase
SSR1a : a/Pt=20%, Pt=10mm, SSR1b : a/Pt=5%, Pt=20mm, d = 54.3275mm
Exemple d’une surface combinée
avec |r1’|>|r1’’|
INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES
21/17UMR6164XVième Journées Nationales Micro-ondes
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.85
5.5
6
6.5
f(GHz)
Am
plit
ud
e/P
ha
se
abs(r1)
angle(r1)abs(r2)
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8-4000
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
4000
5000Impédance d'entrée Z
f(GHz)
Am
plit
ud
e
real(Z)
imag(Z)abs(Z)
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.76
6.05
6.1
6.15
6.2
6.25
6.3
6.35
6.4
6.45
6.5
f(GHz)
Am
plit
ud
e/P
ha
se
abs(r1)
angle(r1)
abs(r2)
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8-6000
-4000
-2000
0
2000
4000
6000
8000Impédance d'entrée Z
f(GHz)
Am
plit
ud
e
real(Z)
imag(Z)
abs(Z)
F = 2,5% a1 = 2,2 mm a2 = 1,6 mm F = 5% a1 = 1,7 mm a2 = 0,8 mm
• Influence sur l’Impédance (Rmin = 0,85)
INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES
22/17UMR6164XVième Journées Nationales Micro-ondes
N° figure Rmin f=f0-f1 a1(mm) Nba1 a2(mm) Nba2 D (mm) Nbd
4 0,95 2,5% 3.9 100 2.0 50 56.373 201
5 0,95 5,0% 3.1 100 0.8 50 54.167 201
6 0,95 7,5% 2.7 100 0.4 50 52.941 201
Résultat d’optimisation
Module et Phase du coefficient de réflexion
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.80.94
0.95
0.96
0.97
0.98
0.99
1
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.83.02
3.03
3.04
3.05
3.06
3.07
3.08
3.09
R surface combinéeR surface combinéeR surface combinéeR surface combinéeR surface combinéeR surface combinée
Rmin=0.95 - a1=3.9mm, a2=2mm, D=56.373mm
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.80.95
0.96
0.97
0.98
0.99
1
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.83
3.01
3.02
3.03
3.04
3.05
Rmin=0.85 - a1=3.1mm, a2=0.8mm D=54.167mm
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.80.95
0.96
0.97
0.98
0.99
1
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.82.98
2.99
3
3.01
3.02
3.03
Rmin=0.95, a1=2.7mm, a2=0.4mm, D=52.941mm
CONST : Pt1 = 10 mm, Pt2 = 20 mm, f0 =2,4 GHz, Rmin = 0,95, f
Fig. 4 : F = 2,5 %(2,34 GHz – 2,46 GHz)
Fig. 5 : F = 5 %(2,28GHz – 2,52 GHz)
Fig. 6 : F = 7,5 %(2,22 GHz – 2,58 GHz)