Antennes Larges Bandes Destinés Aux Normes GSM

SETIT 2009
5th International Conference: Sciences of Electronic,
Technologies of Information and Telecommunications
March 22-26, 2009 – TUNISIA
Antennes Larges Bandes Destinés Aux Normes GSM
Hadjira BADAOUI *,Amina BELKHOUCHE*, Belkacem BENADA *
et Mehadji ABRI*
Département de Télécommunications,
*
Faculté des Sciences de l’Ingénieur, Université Abou-Bekr Belkaïd -Tlemcen
BP 230, Pôle Chetouane, 13000 Tlemcen
[email protected]
amina _belkhouche @yahoo.fr
[email protected]
[email protected]
Abstract: Ce travail se rapporte plus particulièrement à la conception d’antennes larges bandes fonctionnant dans la
bande GSM (900 MHz et 1800 MHz). De nombreuses structures ont été proposées et simulées afin d’élargir la bande
passante. Les techniques d’alimentation utilisées sont celles par sonde coaxiale et par ligne microruban. Les outils de
simulation utilisés sont ADS/Momentum basés respectivement sur l’analyse nodale et la méthode des moments. Les
antennes développées présentent des bonnes performances en qualité d’isolation et un caractère large bande. Les
résultats de simulation obtenus sont présentés et discutés.
Key words: Antennes imprimées, large bande, multi couches, simulateurs ADS/Momentum.
dans le domaine des antennes. Les utilisateurs ont
tendance à favoriser l’utilisation de dispositifs légers,
de faible coût et peu encombrants. Les antennes
imprimées permettent largement de répondre à ces
exigences [POZ 92] [ZUR 92] [BID 92] [FRE 04].
Leurs structures souples et parfois conformables
permettent de les intégrer facilement dans divers
systèmes de télécommunications. Cependant les
antennes imprimées possèdent une bande passante très
faible et sont souvent très sensible à leur
environnement (fluctuations de température, objets
métalliques à proximité…). Ces perturbations
modifient de manière imprévisible la fréquence de
résonance de l’antenne, laquelle devient alors
beaucoup moins efficace. Dans ce but, et à cause des
applications liées aux nouvelles technologies, les
antennes doivent posséder une large bande passante
pour assurer le haut débit. Dans les dernières années,
le sujet d’élargir la bande passante des antennes
imprimées a reçu une attention considérable, certaines
techniques comme le couplage par ouverture,
l’utilisation des structures multicouches, des substrats
diélectriques épais permettent d’obtenir une bande
passante de 15% à 55%.
INTRODUCTION
De nos jours, les réseaux de communication se
sont beaucoup développés qu’ils soient filaires ou
hertziens. Les dernières années ont vu l’émergence
d’une grande variété de réseaux sans fil et un nouveau
besoin s’est créé : celui d’être connecté en
permanence à un réseau quelque soit l’endroit où l’on
se trouve. On voit alors apparaître de nombreux types
de réseaux : réseaux de téléphonie, de diffusion haut
débit, locaux ou très étendus par l’intermédiaire de
communications terrestres ou spatiales. Ainsi, le
développement de ces réseaux sans fil nécessite des
avancées technologiques au niveau des composants
électroniques, des logiciels informatiques, des
techniques de codage ou encore des antennes. En
effet, l’antenne est un des points clés des réseaux sans
fil puisque cet élément est le dernier maillon de la
chaîne permettant l’émission, la transmission et la
réception du signal et donc de l’information contenue
dans celui-ci.
Le marché des télécommunications connaît un
essor considérable depuis les récents progrès réalisés
Dans cette communication nous nous sommes
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intéressés particulièrement aux possibilités qui sont
utilisés au niveau de l’antenne pour accroître la bande
passante. Il s’agit de concevoir et optimiser des
antennes imprimées originales capables à fonctionner
dans la bande GSM, c'est-à-dire on s’intéresse à deux
bandes de fréquence l’une autour des 900 MHz et
l’autre autour de 1800 MHz destinées à des
applications dans le domaine de télécommunication.
RO3003
εr
3
tg δ
0.0013
h (mm)
0.762
Tableau 1 : Caractéristiques de substrats utilisés
La conception d’antennes pour ce type de système
doit répondre à un cahier de charge spécifique, dont le
premier critère est l’adaptation d’impédance sur toute
la bande de fréquence allouée. Un rayonnement à
caractère omnidirectionnel et variant peu sur cette
plage est également souhaitable.
3. Utilisation des plaques superposées
Des techniques utilisant les antennes à plaques
multiples sont aussi développées pour élargir la bande
passante [POZ 92] [ZUR 92][BID 92]. On peut avoir
des configurations contenant les plaques dans le même
plan ou des configurations à plaques superposées.
1. Procédure de conception
La configuration des éléments superposés à des
nombreuses particularités attirantes, on peut citer :
L’objectif principal d’une conception est
d’atteindre des caractéristiques de fonctionnement
spécifiques pour une fréquence désirée, dans le cadre
de notre projet, nous allons concevoir des antennes
imprimées capable de fonctionner dans le standard de
radio communication GSM, et donc nous sommes
concernés par les gammes de fréquences autour de
900 MHz et de 1800 MHz.
L’effet de superposer les éléments rayonnants
n’augmente pas la surface occupée par l’antenne
comparée aux éléments coplanaires parasitiques, donc
cette structure est bien adaptée à l’utilisation en
réseau.
Le diagramme du rayonnement d’une structure
multicouche reste symétrique tout le long de la bande
de fréquence du fonctionnement.
Nous avons [FRE 04]:
Pour la norme GSM 900 MHz :
4. Résultats de simulation
La bande 890-915 MHz pour l'émission des
stations mobiles.
4.1. Antenne fonctionnant à 900 MHz
La bande 935-960 MHz pour l’émission des
stations fixes.
En premier lieu, nous allons réaliser une structure
multicouche alimentée à travers une ouverture :
Pour GSM 1800 MHz :
- Un
élément
rayonnant
de
forme
rectangulaire, imprimé sur un substrat de
permittivité relative εr=3 et d’épaisseur h=0.762
dont sa fréquence de résonance vaut 925 MHz.
La bande 1710-1785 MHz pour l'émission des
stations mobiles.
La bande 1805-1880 MHz pour l'émission des
stations fixes.
- Une couche d’air située au dessous de ce
substrat permettant d’augmenter la bande passante
(hauteur =10 mm).
Donc nous allons concevoir deux antennes
résonnantes respectivement aux fréquences de 925
MHz et 1800 MHz qui correspondent à la moitié de
leurs bandes fréquentielles d’émission et de réception.
- Une alimentation par l’intermédiaire d’une
fente de couplage située dans le plan de masse (lf =
67.9 mm, wf = 9.4 mm).
Pour faire la conception de l’antenne, on
doit choisir le substrat, déterminer la longueur et la
largeur précise de l’élément rayonnant, choisir la
technique de l’alimentation et enfin déterminer la
position de l’alimentation.
- Une
ligne
microruban,
d’impédance
caractéristique Zc =50Ω terminée par un stub
(ls=7,4 mm). Cette ligne, située sous ce plan de
masse, repose sur une couche de substrat de
permittivité relative εr =3 et d’hauteur h=2.4 mm.
2. Choix du substrat diélectrique
lf
Le substrat utilisé est l’époxy puisqu’il est
largement disponible, cependant ce dernier présente
un facteur de perte très important ce qui diminue les
performances de l’antenne et rend difficile le calcul de
la bande passante. Ainsi il présente un diagramme de
rayonnement déformé. Nous avons choisi un autre
substrat qui est le Rogers RO3003. Les
caractéristiques des substrats que nous avons utilisées
sont récapitulées dans le tableau suivant :
Wl
Pavé
ls
RO3003 (εr, µr)
Air (ε0, µ0)
W
wf
Plan de masse
RO3003 (εr, µr)
L
Alimentation
microruban
Figure 1. Configuration d’une structure multicouche
alimentée à travers une ouverture
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couche de substrat de permittivité relative εr =3 et
d’hauteur h =0.762.
Nous présentons sur la figure 2 (a) et (b)
respectivement le coefficient de réflexion ainsi que le
rapport d’onde stationnaire de l’antenne ainsi simulée.
BP = 0.205 GHz
ROS
S11 [dB]
Nous présentons sur la figure 3, le rapport d’onde
stationnaire de l’antenne ainsi simulé.
Fr é q ue n ce [GHz]
Fréquence [GHz]
(a)
ROS
S
Figure 3. Rapport d’onde stationnaire de l’antenne
Nous remarquons de la figure 3 que le rapport
d’onde stationnaire présente un pic à la fréquence de
résonance. La valeur de la bande passante relevée est
de l’ordre de 11.11 %.
BP = 1.08 GHz
Pour augmenter beaucoup plus la bande passante,
nous avons utilisé une ligne quart d’onde au lieu d’une
ligne simple.
Nous présentons respectivement sur la figure 4 (a)
et (b), le coefficient de réflexion et le rapport d’onde
stationnaire.
Fréquence [GHz]
S11 [dB]
(b)
Figure 2 (a). Coefficient de réflexion de l’antenne
(b). Rapport d’onde stationnaire de l’antenne
Nous remarquons sur la figure 2 (a) et (b) que la
bande passante relevé est de l’ordre de 72.68 % pour
un ROS=2 (S11≤-9,54 dB), c’est une large bande
passante très suffisante pour couvrir la bande GSM
900 MHz.
Fréquence [GHz]
4.2. Antenne fonctionnant à 1800 MHz
(a)
ROS
La même structure multicouche alimentée par
ouverture sera utilisée pour l’antenne 1800 MHz
(figure. 1) :
Un élément rayonnant de forme rectangulaire,
imprimé sur un substrat de permittivité relative εr=3 et
d’épaisseur h=0.762 dont sa fréquence de résonance
vaut 1800MHz.
Une couche d’air située en dessous de ce substrat
permettant d’augmenter la bande passante (hauteur
10mm).
BP = 0.325 GHz
Fréquence [GHz]
(b)
Une alimentation par l’intermédiaire d’une fente
de couplage située dans le plan de masse (lf =32 mm,
wf =4 mm).
Figure 4 (a). Coefficient de réflexion de l’antenne
(b). Rapport d’onde stationnaire de l’antenne
Une ligne microruban, d’impédance caractéristique
Zc =50Ω terminée par un stub (ls=6.5 mm). Cette
ligne, située sous ce plan de masse, repose sur une
L’utilisation d’une ligne d’alimentation quart
d’onde a permet d’élargir d’avantage la bande
passante, un pourcentage de 17.85 % est obtenu qui
est suffisant pour couvrir la bande GSM.
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SETIT2009
GHz, donc on obtient une bande passante de l’ordre
de 7.23%.
Un autre résultat a été obtenu en utilisant une autre
ligne quart d’onde.
Sur la figure 5, nous présentons le rapport d’onde
stationnaire de la structure ainsi simulée.
ROS
D’après la figure 5 présentant le rapport d’onde
stationnaire, l’antenne ainsi simulée présente une
bande passante à ROS =2 égale à 43.88 % qui est
largement suffisante pour couvrir la bande GSM 1800
MHz.
BP = 0.132 GHz
Fréquence [GHz]
Figure 7. Rapport d’onde stationnaire de l’antenne
ROS
BP = 0.8 GHz
5. Conclusion
Dans cette communication, nous nous sommes
particulièrement intéressés aux antennes imprimées
larges bandes destinées à la norme GSM. Pour
atteindre cette objective, plusieurs techniques
d’élargissement de la bande passante ont été
proposées. Parmi ceci l’utilisation des couches
superposées. Deux types d’alimentation ont été
choisis. Il s’agit de l’alimentation par sonde coaxiale
et celle par ligne microruban à travers des fentes. La
meilleure configuration a donnée une bande passante
de l’ordre de 72.68 % pour la fréquence 925 MHz, ce
qui permet de couvrir avec une bonne marge la bande
GSM 900 MHz, et de l’ordre de 43.88 % pour la
bande GSM 1800 MHz. Les antennes développées
présentent des bonnes performances en qualité
d’isolation et un caractère large bande.
Fréquence [GHz]
Figure 5. Rapport d’onde stationnaire de l’antenne
Une autre technique pour élargir la bande passante
est l’utilisation des couches superposées mais
l’alimentation est par sonde coaxiale, il s’agit de
réaliser la configuration de la figure. 6 :
Un élément rayonnant de forme rectangulaire,
imprimé sur un substrat de permittivité relative ε r=3
et d’épaisseur h =2.4 mm dont sa fréquence de
résonance vaut 1800MHz.
Un deuxième élément rayonnant de forme
rectangulaire imprimé sur un substrat de permittivité
relative εr=3 et d’épaisseur h= 2.362 dont sa fréquence
de résonance est légèrement différente de 1800 MHz
déposé sur un plan de masse.
REFERENCES
[BAL 97] C. A. Balanis,Antenna Theory Analysis and
Design, Second Edition. United States of America. John
Wiley & Sons 1997., pp. 734.
Y
[BID 04] D. Bidou, ’Contribution à l’Etude d’Antennes Fort
Gain, Applications dans le Domaine Millimétrique’,
Thèse de doctorat université de Limoges.
Eléments
rayonnants
h2
RO3003
(x0,y0)
h1
X
RO3003
Plan de masse
Sonde coaxiale
[FRE 04] L. Freytag, ‘ Conception, Réalisation et
Caractérisation d’Antennes Pour Stations de Base des
Réseaux de Télécommunication Sans Fil ’, Thèse de
doctorat université de Limoges, Novembre 2004.
[JAM 89] J. R. James and P. S. Hall (eds), Handbook of
Microstrip antennas , Peter Peregrims, London, UK,
1989.
Figure 6. Structure multicouche alimentée par sonde
coaxiale
[MAI 94] R. J. Mailloux: 'Phased array antenna handbook'
(Artech House, 1994).
Nous optimisons la position optimale de la sonde
coaxiale. Nous trouvons ainsi (x0, y0) = (2.1, 30.8) mm
[POZ 92] D. M. Pozar, ‘Microstrip Antennas’, Proc. IEEE,
vol. 80, 1992, pp 79 -91.
Sur la figure 7, on présente le rapport d’onde
stationnaire de l’antenne.
[ZUR 92] J. F. Zurcher & F. E. Gardiol, Broadband Patch
Antenna, Artech House, Boston. London.
D’après la figure 7, on remarque que l’antenne est
bien adaptée sur la bande de fréquence [1.76, 1.94]
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