Influence des différents paramètres de l’antenne sur ses performances

Les performances d’un tel dispositif rayonnant sont contrôlées par différents paramètres géométriques que nous allons détailler dans ce paragraphe.

 Séparation entre les patchs supérieurs (variation de d)

Lors de la conception d’un réseau d’antenne classique, la distance inter-patchs (de centre à centre) est généralement fixée à λ0/2, ce qui implique pour un réseau de patch en polarisation linéaire des couplages inférieurs à 15 dB quel que soit le plan de l’excitation.

En effet, le couplage entre deux patchs coplanaires est fonction de la position d'un élément par rapport à l'autre, de leur alignement relatif et de leur plan d’excitation. La Figure 116 montre l’évolution du couplage entre les éléments lorsqu’ils sont positionnés co-linéairement le long du plan E et le long du plan H (séparés de c’). Le couplage dans le plan H est plus fort pour des séparations petites (typiquement c’ < 0,1 λ0). Cependant, en éloignant les patchs (typiquement c’ > 0,1 λ0), l’isolation reste plus élevée lorsque les éléments sont positionnés co-linéairement le long du plan H que lorsque les éléments sont positionnés co-linéairement le long du plan E (le couplage dans le plan E est plus important).

Dans une étude classique, il conviendrait donc d’exciter chacun des patchs afin de vérifier le couplage entre les différents éléments.

Cependant et comme évoqué précédemment, le principe de fonctionnement de cette antenne repose sur le couplage électromagnétique d’un réseau de quatre patchs par un patch principal se trouvant sous le réseau et séparé par un substrat. Ce patch inférieur permet l’excitation du réseau et un rayonnement déphasé de ce patch par rapport à celui des patchs supérieurs tendra à réduire le gain d'antenne. Pour minimiser le rayonnement de ce patch inférieur et le réduire à la seule fonction d’excitation du réseau, il est possible d’augmenter la surface de superposition des patchs supérieurs et du patch inférieur (diminution de d) [231]. Cependant, cela implique le rapprochement des éléments du réseau de la face supérieure et aura donc pour conséquence l’augmentation du couplage inter-éléments.

Dans cette configuration, il n’est pas possible d’étudier le couplage à l’aide des paramètres S classiquement utilisés. L’étude du couplage va donc se faire par l’intermédiaire des champs et des densités surfaciques de courants.

Figure 116 Couplage mutuel mesuré (en ligne continue) et simulé (en pointillé) entre deux antennes microruban excitées par des connecteurs coaxiaux selon les plans E et H. Les antennes ont une largeur de 10,57 cm, une longueur de 6,55 cm, l’épaisseur du substrat est de 0,1588 cm, Ɛr= 2,55, fr =

1410 MHz. Figure adaptée de [29], [233], [234].

Nous allons détailler cette étude du couplage qui a été faite de manière systématique dans l’optimisation de la configuration de l’antenne. Pour cela, nous partons d’une structure pour laquelle l’excitation du patch inférieur est faite avec un port discret (Figure 117).

(a) (b)

Figure 117 : Structure étudiée où le patch inférieur est excité par un port discret

Les modes résonants sont de types transverses magnétiques de type TMmnp (selon la direction z) avec p = 0, pour un substrat diélectrique d'épaisseur faible devant la longueur d'onde de fonctionnement, ce qui est le cas ici. Les dimensions choisies des patchs impliquent une première fréquence de résonance autour de 27,5 GHz. La Figure 118 montre le champ magnétique dans le plan z = 0,9 mm pour différentes distances entre les éléments du réseau

Réseau de patchs (couche supérieur) Patch inférieur Port discret

d

d

(distance d) et pour une hauteur de substrat séparant la première couche de la deuxième h2 = 0,406 mm.

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

Figure 118 : Champ magnétique dans le plan z=0.9mm pour différentes distances entre les éléments du réseau (a) d = λ0/1,75, (b) d = λ0/2, (c) d = λ0/2,25, (d) d = λ0/2,5, (e) d = λ0/3

Le patch inférieur excite les modes TM01 des patchs supérieurs puisque la composante Hx est prédominante.

Plusieurs conclusions peuvent être tirées de cette première étude :

-Lorsque les patchs sont trop éloignés (λ0/1,75), le patch inférieur joue le rôle d’excitateur du réseau supérieur mais pas seulement puisqu’il génère également un fort champ magnétique autour de lui. Cela signifie qu’il contribue au rayonnement de l’ensemble du dispositif et perturbe ainsi le champ magnétique de chacun des patchs supérieurs.

-Lorsque la distance entre les patchs diminue, le champ magnétique autour du patch inférieur diminue progressivement. Pour des distances comprises entre λ0/2 et λ0/2,5, les modes TM01

des patchs supérieurs sont bien installés.

-Lorsque la distance entre les patchs est faible (λ0/3), un couplage entre les patchs supérieurs apparait et perturbe fortement le mode TM01 de chacun des patchs.

-Dans l’intervalle λ0/2 < d < λ0/2,5, il existe un optimal à λ0/2,25 pour lequel le patch inférieur ne participera pas au rayonnement et le champ magnétique Hx n’est quasiment pas perturbé par les patchs environnants.

d=λ0/2.5

Cette valeur optimale peut être confirmée par l’étude de la densité surfacique de courants. La Figure 119 montre les modules des composantes Jx, Jy et Jz et la phase de Jy, seule composante non nulle.

(a) (b)

(c) (d)

Figure 119 : Densité surfacique de courants pour d = λ0/2,25 (a) module de Jy et (b) sa phase, modules de (c) Jx et (d) Jz.

Les composantes Jx et Jz sont nulles (Figure 119 (c) et (d)) et la densité surfacique de courants selon y sur chacun des patchs supérieurs sont en phase (Figure 119 (b)) et montrent une résonance en demi-longueur d’onde (Figure 119 (a)). Cela confirme que les modes TM01 de chaque patch sont excités en phase, condition pour laquelle le gain dans l’axe sera maximal. Nous pouvons vérifier que cela n’est pas vrai pour des distances d ne se trouvant pas dans l’intervalle λ0/2 < d < λ0/2,5. En guise d’exemple, cette même étude est faite pour d = λ0/3 et est présentée sur la Figure 120. Dans ce cas, seule la composante Jz est nulle (Figure 120 (d)), et des composantes non nulles selon x et y existent (Figure 120 (a) et (c)) sans être en phase (Figure 120 (b)). Dans ce cas, la combinaison des champs rayonnés ne sera pas optimale et le gain dans l’axe s’en verra affecté.

La Figure 121 trace la directivité à 27,5 GHz en fonction de la distance d/λ0.

Les constatations faites lors de l’étude des champs sont confirmées et la valeur de la distance d peut être déterminé de manière plus précise puisqu’une directivité maximale est obtenue lorsque d se trouve dans l’intervalle λ0/2 < d < λ0/2,7.

Cette étude a été menée pour une hauteur h2 fixée, il convient donc de faire une étude similaire pour différentes hauteurs du deuxième substrat qui a également une influence sur les modes de chacun des quatre patchs.

(a) (b)

(c) (d)

Figure 120 : Densité surfacique de courants pour d=λ0/3 (a) module de Jy et (b) sa phase, modules de (c) Jy et (d) Jz.

Figure 121 : Evolution de la directivité en fonction de d/λ0.

 Epaisseur du substrat supérieur (variation de h2)

Une étude similaire sur les champs et les densités surfaciques de courants a également été menée lorsque la hauteur du substrat est modifiée. Nous ne la détaillerons pas de nouveau ici mais nous pouvons tracer l’évolution de la directivité en fonction de différentes valeurs de h2

lorsque la distance d est égale à λ0/2,25 (Figure 122). Les différentes valeurs d’épaisseur h2

ont été fixées en prenant des valeurs disponibles dans le commerce.

0.5

Figure 122 : Evolution de la directivité en fonction de l’épaisseur du deuxième substrat h2.

Lorsque l’épaisseur h2 reste inférieure à 0,53 mm, la directivité est supérieure à 10 dB. Au-delà, la directivité est dégradée et l’étude des champs montre que ceux-ci sont très faibles puisque leur amplitude est divisée par deux dans le cas où h2 = 1,524 mm, ce qui explique la faible directivité obtenue.

Il faut préciser que la bande passante et le niveau d’adaptation du dispositif antennaire dépendent également de cette épaisseur. Il faut donc trouver un compromis entre les performances en rayonnement et la bande d’adaptation.

 Analyse et discussion

Cette étude a permis de montrer l’influence des différents paramètres du réseau et comment optimiser son rayonnement sans passer par l’étude des paramètres S qui dans cette configuration antennaire n’était pas possible. En effet, cette méthodologie passant par l’étude des champs et de la densité surfacique de courants sur chacun des patchs du réseau s’avère efficace quant à la prédiction des performances.

Cependant, cette étude s’est focalisée sur les performances rayonnées sans traiter des paramètres d’adaptation. Afin de se donner un degré de liberté sur ce paramètre, le patch inférieur ne sera pas alimenté par une simple sonde coaxiale de 50 Ω mais par une ligne qui comportera un dispositif d’adaptation, comme présenté sur la structure générale de l’antenne en début de la section (Figure 115). Cette ligne aura donc l’avantage de faciliter l’adaptation de l’antenne mais comme elle se situe à proximité des patchs, elle aura l’inconvénient de perturber les champs sous les patchs environnants. La méthode utilisée précédemment devra donc être réemployée après l’intégration de la ligne afin de régler la distance entre les patchs pour exciter proprement les modes TM01 de chacun d’entre eux.