Antennes caractérisées par simulation

Plusieurs antennes ont été simulées via les logiciels de modélisation :

• une antenne dipôle filaire inclinée d’un angle de 45^◦ par rapport à l’axe Oz de son repère local, simulée sur N EC^{T M}

• une antenne monocône développée au CEA-Leti [6], simulée sur HF SST M

• une antenne monopôle de longueur l = 15mm, simulée sur N ECT M (avec variation de la taille du plan de masse)

• une antenne monopôle de longueur l = 20mm, inclinée d’un angle de 20◦par rapport à l’axe Oz de son repère local, simulée sur N EC^{T M} (avec variation de plan de masse) • une antenne Z (nommée ainsi en raison de sa forme en lettre “Z” en vue de dessus),

L’antenne dipôle inclinée

La géometrie de cette antenne est présentée sur la figure 3.10. C’est une antenne dipôle de dimension 26.6mm, constituée de deux brins métalliques. L’antenne est alimentée en son milieu. Elle est inclinée d’un angle de 45^◦ par rapport à l’axe Oz de son repère local. On note que le plan (0, x, z) est un plan de symétrie pour l’antenne .

Fig. 3.10: Antenne dipôle inclinée

Comme le montre la figure 3.11, le coefficient de réflexion de ce dipôle est optimal pour une fréquence de 3GHz. Sa bande passante à −10dB est de 28% (2.69GHz à 3.57GHz). Ce dipôle n’est donc pas ultra large bande.

Fig. 3.11: Coefficient de réflexion de l’antenne dipôle inclinée

La figure 3.12 représente son diagramme de rayonnement dans les plans φ = 0˚ et φ = 90˚à 3GHz. On remarque que le gain total maximal est de 2.11dBi et qu’il correspond à une polarisation verticale dans la direction φ = 0˚ et θ = 135˚. Dans le plan φ = 0˚ qui correspond au plan de symétrie de l’antenne, seule la polarisation verticale est présente. Au contraire, dans le plan orthogonal à φ = 90˚, les polarisations verticale et horizontale ont des niveaux quasiment identiques.

Pour la suite, la fonction d’antenne a été simulée à l’aide du logiciel N EC^{T M} sur une plage de fréquence de 2 à 8GHz (avec un pas fréquentiel de 50M Hz) et avec une résolution spatiale de 5^◦ sur 4π stéradians.

Fig. 3.12: Diagramme de rayonnement de l’antenne dipôle inclinée donné dans les plans φ = 0˚ et φ = 90˚ à 3GHz (simulation 4N EC2)

L’antenne monocône

La structure de cette antenne est donnée sur la figure 3.13 (a). C’est une antenne ULB de type dipôle, constituée par deux plaques métalliques de forme elliptique d’une longueur de 30.2mm, excitée par deux disques circulaires de diamètre 15.6mm. Afin de réduire la hauteur de l’antenne, les deux disques sont reliés l’un à l’autre par deux fils symétriques de court-circuit, éloignés de 20mm. Ces derniers ont une forme cylindrique avec un diamètre de 2.7mm et une hauteur de 14.1mm. Un connecteur SMA est placé au milieu de l’antenne pour l’alimenter.

(a) (b)

Fig. 3.13: Antenne monocône : photo (a), définitions des plans de mesure (b) L’antenne a une bande passante très large de 3.1GHz à 18GHz. Les coefficients de réflexion de l’antenne simulé et mesuré sont donnés sur la figure 3.14. La figure 3.15 montre le diagramme de rayonnement de cette antenne tracé dans les deux plans d’élévation définis en figure 3.13 (b) : plan 1 passant par les fils de court-circuit et plan 2 passant par les plaques elliptiques. Pour des fréquences inférieures à 4GHz, l’antenne fonctionne comme une antenne monopôle. Ensuite, plus on monte en fréquence, plus le rayonnement d’antenne s’approche de celui d’un dipôle. A 10GHz, le diagramme de rayonnement est très semblable avec celui d’une antenne de type dipôle (voir figure 3.15). Le gain de l’antenne dans la

direction θ = 0^◦ varie entre −3dBi dans les basses fréquences et 4.5dBi dans les hautes fréquences (supérieures à 6GHz).

Fig. 3.14: Coefficient de réflexion de l’antenne monocône [6]

Fig. 3.15: Diagramme de rayonnement de l’antenne monocône : (a) plan 1 et (b) plan 2 [6]

Pour la suite de l’étude, l’antenne a été simulée via le logiciel HF SST M pour une bande de fréquence de 2GHz − 8GHz, avec une résolution fréquentielle de 50M Hz et spatiale de 5^◦.

L’antenne monopôle

Cette antenne monopôle, de longueur l = 15mm, est alimentée dans sa partie inférieure et possède un plan de masse maillé comme le montre la figure 3.16. Cette antenne a été simulée sur 4N EC2^{T M} pour des plans de masse circulaires de diamètre variable, allant de 20mm à 108mm par pas de 4mm. Le plan de masse simulé a été maillé en cercle avec des longueurs de maille de 6mm au maximum et des diamètres de maille de 1mm comme le montre la figure 3.16. Cette longueur maximale de maille, qui correspond à λ/25 à 2GHz et à λ/6 à 8GHz, peut amener des différences notables par rapport à un plan de masse

continu mais ceci ne fait pas l’objet de notre étude. A titre d’exemples, quelques résultats de simulation obtenus sont présentés ici.

Fig. 3.16: Antenne monopôle simulée pour un plan de masse de diamètre égal à 20mm La figure 3.17 présente le coefficient de réflexion d’antennes monopôles pour des plans de masse allant de 20mm à 88mm. On remarque sur cette figure que le comportement en fréquence du coefficient de réflexion varie énormément en fonction de la taille du plan de masse. De 20mm à 72mm, plus la dimension du plan de masse augmente, plus la fréquence d’adaptation diminue, de 5GHz à 4GHz environ. Pour des dimensions de plan de masse plus grandes, une deuxième fréquence d’adaptation plus élevée apparaît sur la fenêtre fréquentielle visualisée. Celle-ci est d’ailleurs optimale pour une dimension de 84mm. Ce comportement n’est pas celui d’un monopôle simple et l’effet du plan de masse maillé se fait ici énormément ressentir à cause de la faible dimension de l’antenne (15mm). On remarque que l’antenne est plus ou moins bien adaptée suivant la dimension du plan de masse. Pour un plan de masse très grand (108mm), il semble que l’adaptation devienne optimale autour de 4.4GHz. Ceci peut être comparé à la même antenne mais avec un plan de masse infini parfait : on obtient alors une fréquence d’adaptation optimale de 4.65GHz, ce qui confirme que le maillage employé pour le plan de masse n’est pas équivalent à un plan conducteur parfait.

Les diagrammes de rayonnement de l’antenne pour des plans de masse de 20mm et 80mm sont donnés sur la figure 3.18. La polarisation est purement verticale avec un gain maximal de 1.63dBi à θ = 0˚pour 20mm et 3.61dBi à θ = 35˚pour 80mm. On remarque ici que le diagramme de rayonnement pour 20mm est celui d’un dipôle, avec un rayonnement identique de chaque côté du plan de masse. Dans ce cas, le plan de masse ne joue aucun rôle de réflecteur de part ses dimensions réduites. Au contraire, avec un plan de masse de 80mm, le plan de masse joue un très grand rôle dans le rayonnement et amène à un diagramme avec un rayonnement arrière plus faible. Dans les deux cas, les propriétés de symétrie entraînent un diagramme de rayonnement omnidirectionnel en φ avec un zéro de rayonnement dans l’axe de l’antenne.

Pour la suite, cette antenne a été simulée en rayonnement pour 51 points de fréquence dans la bande 3GHz − 5GHz.

L’antenne monopôle inclinée

L’antenne a une longueur l = 20mm et est inclinée d’un angle de 20^◦ par rapport à l’axe Oz de son repère local. Cette antenne a été aussi simulée pour différentes dimensions de

Fig. 3.17: Coefficient de réflexion de l’antenne monopôle pour des dimensions de plan de masse de 20 à 88mm

Fig. 3.18: Diagrammes de rayonnement de l’antenne monopôle avec des plans de masse de 20mm (à gauche) et 80mm (à droite) à 5GHz

diamètre de plan de masse, allant de 20mm à 108mm par pas de 4mm. Sur la figure 3.19, on retrouve la photo de l’antenne pour un plan de masse de diamètre 20mm.

Fig. 3.19: Antenne monopôle inclinée avec un plan de masse de diamètre 20mm La figure 3.20 présente le coefficient de réflexion pour l’antenne monopôle inclinée pour des plans de masse allant de 20mm à 88mm. On remarque que plus la dimension du plan de masse augmente, plus la fréquence d’adaptation diminue. Pour 88mm, elle est d’environ 3.2GHz et pour 20mm, elle est d’environ 4GHz. On remarque que l’antenne est plus ou moins bien adaptée suivant la dimension du plan de masse. Pour un plan de masse très grand, il semble que l’adaptation devienne optimale autour de 3.1GHz. Ceci peut être comparé à la même antenne mais avec un plan de masse infini parfait : on obtient alors une fréquence d’adaptation optimale de 3.55GHz, ce qui confirme là-aussi que le maillage employé pour le plan de masse n’est pas équivalent à un plan conducteur parfait.

Fig. 3.20: Coefficient de réflexion de l’antenne monopôle inclinée pour des dimensions de plan de masse de 20 à 88mm

Les diagrammes de rayonnement de l’antenne en 3D pour des plans de masse de 20mm et 80mm sont montrés sur la figure 3.21. La figure 3.22 présente les diagrammes de rayon-nement à 5GHz pour un plan de masse de 20mm dans les plans de coupe φ = 0˚et φ = 90˚. On remarque que dans le plan de l’antenne (φ = 90˚) la polarisation est purement verticale

avec un gain maximal de 1.86dBi pour une direction θ = 120˚environ. Dans le plan ortho-gonal au plan de symétrie de l’antenne, la polarisation horizontale devient non-négligeable avec une variation de 11dBi à −5.7dBi.

Fig. 3.21: Diagrammes de rayonnement 3D de l’antenne monopôle inclinée à 5GHz pour des dimensions de plan de masse de 20mm (à gauche) et 80mm (à droite)

Pour la suite de l’étude, les diagrammes de rayonnement de l’antenne monopôle inclinée ont été simulés pour 51 points de fréquence sur un intervalle de 3GHz à 5GHz.

L’antenne Z

Cette antenne a été étudiée car, contrairement aux autres antennes détaillées précédem-ment, elle ne présente aucune symétrie. Il s’agit d’une antenne en forme de “Z”, constituée de quatre brins métalliques : deux de 13mm et deux de 6.2mm (ceux placés en parallèle avec le plan de masse). L’antenne est fixée au milieu par l’intermédiaire d’un conducteur métallique de longueur 1mm. L’alimentation de l’antenne se fait au niveau de ce dernier (voir la figure 3.23).

La figure 3.24 présente le coefficient de réflexion de l’antenne Z pour des plans de masse allant de 20mm à 88mm. On remarque que sur la bande de fréquence considérée ici (3GHz à 5GHz), l’antenne Z n’est pas adaptée, quelle que soit la dimension du plan de masse. Il semble néanmoins, comme il a été observé pour les autres antennes, que la fréquence optimale d’adaptation diminue quand le plan de masse augmente. Pour un plan de masse de 20mm par exemple, on remarque que l’adaptation présente une sortie de palier jusqu’à 4.5GHz puis descend à nouveau pour atteindre un minimum, non présent sur le graphique, à 6.2GHz et −8.7dB. Pour information, le coefficient de réflexion pour la même antenne avec un plan de masse infini est optimal à une fréquence de 3.6GHz.

Les diagrammes de rayonnement de l’antenne en 3D pour des plans de masse de 20mm et 80mm sont montrés sur la figure 3.25. La figure 3.26 présente les diagrammes de rayon-nement à 5GHz pour un plan de masse de 20mm dans les plans de coupe φ = 0˚et φ = 90˚. On remarque que la polarisation n’est pas purement verticale. En particulier, en φ = 0˚, le

Fig. 3.22: Diagrammes de rayonnement de l’antenne monopôle inclinée avec un plan de masse 20mm à 5GHz pour les plans de coupes : φ = 0˚ (à gauche) et φ = 90˚ (à droite)

Fig. 3.24: Coefficient de réflexion de l’antenne Z pour des dimensions de plan de masse de 20 à 88mm

gain maximal est de 1.88dBi pour la polarisation verticale et −15dBi pour la polarisation horizontale dans le direction θ = 90˚. Le niveau de polarisation horizontale reste malgré tout assez faible et cela est encore plus marqué dans le plan φ = 90˚pour lequel la différence de gain entre les deux polarisations est de 40.51dBi (2.51dBi et −38dBi).

Fig. 3.25: Diagrammes de rayonnement 3D de l’antenne Z à 5GHz pour des dimensions de plan de masse de 20mm (à gauche) et 80mm (à droite)

Pour la suite de l’étude, l’antenne Z a été simulée pour 51 points de fréquence sur un intervalle de 3GHz à 5GHz.

Fig. 3.26: Diagramme de rayonnement de l’antenne Z de plan de masse 20mm à 5GHz sur deux coupes φ = 0˚ (à gauche) et φ = 90˚ (à droite)