Etude paramétrique de l’antenne fente simple

Chapitre IV Réalisation et Etude des Antennes dans la Bande Millimétrique

161 Figure IV.77 Antenne fente alimentée par ligne CPW

a) Fente capacitive b) Fente inductive Lorsqu'il s'agit d’un substrat de silicium à faible résistivité comme le CMOS, les champs électriques dans le CPW doivent avoir une

interaction minimale avec le substrat massif, c’est pourquoi une couche épaisse de Polyimide peut être déposée pour réduire au minimum le couplage [IV.38]. Dans le cas de technologie SOI, la couche d’oxyde (de silice) affaiblit ce couplage.

De même que l’antenne dipôle, la longueur de l’antenne fente détermine sa résonance, la longueur de l’antenne fente (mode de résonance fondamental) est donnée par

[IV.19] reff g g f c ou L

ε

λ

λ

¾ L longueur à la première résonance

¾ λ_g est la longueur d’onde

¾ f est la fréquence d’opération

¾ c est la vitesse de lumière dans le vide,

c=3*108 m/s

¾ ε_reffest la permittivité effective du substrat

Même si la longueur de l’antenne fente détermine sa résonance, différents paramètres déterminent son impédance d’entrée. L’extrémité (encoche) du ruban central de l’alimentation de l’antenne détermine si l’antenne fente est plutôt inductive ou capacitive. La Figure IV.77 montre la géométrie de l’antenne fente. Dans la Figure IV.77 (a), nous présentons l’antenne capacitive, l’extrémité du ruban centrale n’est pas connectée au plan de masse de l’antenne. [IV.41] montre qu’en changeant la longueur de cette extrémité, l’impédance d’entrée de la fente diminue fortement en perturbant l’adaptation de l’antenne.

Pour étudier le comportement d’une fente inductive ou capacitive, nous prenons le cas d’une antenne fente intégrée en technologie SOI. L’antenne est imprimée sur la couche M6 d’épaisseur 0.96 µm. La longueur prise pour l’antenne est de 1100 µm qui correspond à une demi de longueur d’onde guidée (λg 2). L’antenne est alimentée par une ligne coplanaire CPW ayant un ruban central de 29 µm et un espacement entre ce ruban et les deux plans de masse de 10 µm.

La Figure IV.79 montre la partie imaginaire de l’impédance d’entrée de l’antenne fente simple. Les valeurs de l’impédance de l’antenne fente ayant une encoche non connectée au plan de masse sont capacitive (négative), d’où la notation antenne fente capacitive. De l’autre coté, pour le cas d’une encoche connecté, l’impédance est plutôt inductive (positive), ayant des valeurs proche de zéro. La Figure IV.78 montre la partie réelle de l’impédance d’entrée. La fente capacitive présente une forte résonance, avec des valeurs plus haute de la partie réelle par rapport à la fente inductive.

W

L Encoche

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162

Figure IV.78 Partie réelle de l’impédance

d’entrée d’une fente simple Figure IV.79 Partie imaginaire de l’impédance d’entrée d’une fente simple

Figure IV.80 Evolution de la partie réelle

d’impédance d’entrée d’une fente simple Figure IV.81 Evolution de la partie imaginaire d’impédance d’entrée d’une fente simple

L’adaptation d’impédance est difficile à trouver dans le cas de l’antenne capacitive, à cause d’une partie imaginaire trop basse. Pour cela, nous étudions seulement le cas des antennes fente inductives. Nous procédons à l’étude de l’influence de la largeur de la fente sur l’impédance d’entrée de l’antenne fente.

En augmentant la largeur de la fente de W=25 µm à W=45 µm, les parties réelle et imaginaire de l’impédance d’entrée de l’antenne augmentent. Le problème est que, dans les trois cas, la partie réelle ait des faibles valeurs à la première résonance ce qui complique l’adaptation de la fente. Ces faibles valeurs de l’impédance d’entrée déjà présentes pour l’antenne dipôle.

La Figure IV.80 montre que la partie réelle de l’antenne fente, pour une largeur de W=35 µm, est de 4.3 ohms à la première résonance (F=41 GHz). Par contre à la deuxième résonance (F=57 GHz), cette impédance d’entrée est de 200 Ohms. Nous essayons de prendre avantage de cet effet pour parvenir à concevoir une antenne fente adaptée intégrée en technologie SOI dans la bande de 60 GHz.

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163 Figure IV.82 Antenne double

fente inductive L’utilisation de l’antenne fente simple n’a pas aboutit à

une bonne adaptation par rapport à impédance de 50 Ohms. Pour essayer de résoudre ce problème, nous optons pour une solution d’antenne double fente afin d’avoir une impédance d’entrée d’antenne proche de 50 Ohm.

Il est bien connu que l'impédance d'entrée de l'antenne dipôle constituée de N éléments est donnée par [IV.40].

[IV.20] Z_in,N =N2Z_dipole dipole

Z étant l’impédance d’une antenne doublet dans l’air

(Zdipole =70Ohms)

En utilisant le principe de Babinet [III.3] [IV.40], une antenne fente de constituée de N éléments aurait alors une impédance d'entrée donnée par

[IV.21] 2

, Z N

Z_{in N} = _fente fente

Z étant l’impédance d’une antenne fente simple dans l’air (Z_fente =500Ohms)

L'utilisation des fentes additionnelles nous permet de régler l'impédance de l'antenne sur une série étendue des fréquences de résonance, N ne doit pas être trop grand.

La Figure IV.82 montre l’architecture de l’antenne double fente.

Pour étudier l’effet des brins ajoutés et leurs connexions avec les plans de masse, nous prenons le cas d’une fente de longueur de 1100 µm et de largeur W= 35 µm. la largeur des brins ajoutés est de 10 µm et la distance entre les extrémités de brins ajoutés et le plan de masse p est de 10 µm.

Les Figure IV.83 et Figure IV.84 montrent la comparaison des impédances réelles et imaginaire de l’impédance d’entrée de l’antenne fente.

Avec une partie réelle presque divisée par 2 en comparant le cas d’une antenne fente simple et une antenne double fente court-circuitée. La conception de l’antenne finale est décrite dans la partie suivante.