Conception et simulation d`un réflectomètre six

Conception et simulation d’un réflectomètre six-port ultra large bande
Tianjun LIN, Sijia Gu et Tuami Lasri
Laboratoire IEMN
Avenue Poincaré
59652 Villeneuve d’Ascq Cedex, France
E-mail : {tianjun.lin, sijia.gu, tuami.lasri}@iemn.univ-lille1.fr
Résumé
Beaucoup d’applications micro-ondes nécessitent
l’emploi d’un analyseur de réseau. En effet, dans la
plupart des cas, les propriétés de réflexion et/ou de
transmission d’un matériau sont mesurées au moyen de
cet appareil. Si l’on veut adresser des applications où les
aspects de coût, de facilité d’utilisation et de portabilité
sont visés il est alors nécessaire de proposer des
solutions alternatives àcet outil de mesure. Un candidat
potentiel pour cet usage est le réflectomètre six-port.
Néanmoins, un des inconvénients major de ce type de
système est la faible largeur de bande de fréquence
disponible.
Dans cet article, un réflectomètre six-port ultra large
bande (UWB) a été étudié et simulé. Il inclut cinq
coupleurs 3dB/90˚ UWB fabriqués à partir d’une
technique multi-couches. Les résultats de simulation
obtenus pour le coupleur en termes de couplage et de
coefficient de transmission sont de 3±1.2dB. L’adaptation
et l’isolation sont meilleures que 20dB sur toute la bande
de fréquence sélectionne (3GHz-10.6GHz). Le déphasage
est pratiquement constant avec une variation de 2˚ autour
de 90˚ sur toute la bande.
Le réflectomètre construit à partir de ce type de
coupleur a été simulé. Les résultats obtenus montrent
qu’il est possible de mesurer sur une large bande de
fréquence le coefficient de réflexion d’une charge avec
une bonne précision.
1. Introduction
Ces dernières années, les applications micro-ondes ont
connu un développement très important dans le domaine
de la mesure. L’analyseur de réseau vectoriel (VNA),
l’appareil de référence en micro-ondes, un système est
bien adapté pour un usage en laboratoire grâce à ses
performances en termes de précision et de bande de
fréquence de fonctionnement. Aussi, il permet un grand
nombre de mesures différentes. Il offre la possibilité
d’une grande variété d’applications comme le contrôle
non destructif (CND) [1], la caractérisation de liquides
[2] et l’imagerie [3]. Néanmoins malgréces avantages, ce
type d’appareil reste encore très sophistiqué, encombrant
et cher pour des applications plus portables. Pour
répondre ce besoin de portabilité, il faut donc développer
des outils qui permettent de faire des mesures
équivalentes mais avec des performances un peu moins
bonnes en termes de bande de fréquence, de nombre de
paramètres mesures et de rapport signal àbruit mais qui
sont adaptées à l’application visée.
De plus, comme un grand nombre d’applications en
particulier dans le domaine du CND ne nécessite qu’une
mesure en réflexion. Le système de mesure peut être
simplifié.
En fait, de nombreux efforts ont été faits dans cette
direction et le réflectomètre introduit par G.F Engen [4]
en 1972 est considérée comme l’une des alternatives la
plus prometteuse au VNA en utilisant le principe
hétérodyne. L’architecture six-port est alors réduite àun
circuit passif linéaire avec quatre détecteurs de puissance.
De nombreuses applications de cette technique ont été
développées avec succès dans différents domaines [5] [6].
En particulier, les structures utilisant la technique six-port
pour des applications de télécommunication ont été
proposées pour atteindre des performances UWB [7] [8]
[9].
Comparé au VNA, le réflectomètre est beaucoup
moins complexe, de cout très abordable et portable. Une
technologie très accessible qui ne nécessite pas beaucoup
d’investissement est la technologie micro ruban. Aussi
dans ce travail nous avons opté pour cette solution
technologique. Par contre, un inconvénient majeur est la
relative faible largeur de bandes de fréquences offerte par
cette technologie. La bande de fréquences sélectionnée
ici s’étend de 3 GHz à10.6 GHz. Ce qui est une bande
de fréquence possible avec la technologie micro-ruban.
La solution présentée dans ce papier sur une topologie
qui intègre un coupleur hybride UWB proposé par M.
Amin Abbosh [10]. Dans la partie 2 du papier on présente
le principe et le fonctionnement du réflectomètre. Les
résultats de la simulation du coupleur et de l’ensemble du
système sont présentés dans les parties 3 et 4.
2. Théorie du réflectomètre Six-Port
Comme illustré sur la Fig.1, le réflectomètre est
composé par cinq coupleurs identiques Q-hybrides
(coupleur 3dB) [11]. Le fonctionnement UWB de ce
système dépende de la bande de fonctionnement des
coupleurs mais aussi de l’interconnexion entre eux. La
source micro-ondes et le dispositif sous test (DUT) sont
connectés aux ports 1 et 2 du coupleur Q1,
respectivement.
En supposant que tous les coupleurs présentent un
couplage de 3dB et que le circuit est intrinsèquement
sans perte, un signal d’amplitude A est injecté par la
source micro-ondes au port 1. Celui-ci traverse le
A
A
coupleur Q1 puis se sépare en deux parties: et ∠90°,
2
2
(identique en module mais avec un déphasage de 90
degrés), vers le DUT et le coupleur Q2. La partie de
A
signal ∠90°traverse le coupleur Q2 (adaptépour tous
2
A
les ports) et se sépare de nouveau en deux signaux ∠90°
4
A
et ∠180°, vers les coupleurs Q3 et Q4 respectivement.
4
Comme montrésur la figure 1, les signaux reçus par les
A
A
détecteurs P3 et P4 sont ∠270°, ∠90° (identique en
8
8
module et opposéen phase). Les signaux détectés par P5
et P6 sont identique en module et phase.
coupleurs hybrides identiques UWB pour que ce système
fonctionne dans la bande UWB où de nombreuses
applications existent.
La figure 2 montre un layout du coupleur à l’aide du
logiciel HFSS™ (méthode des éléments finis). Il est
composé de trois couches conductrices et deux couches
diélectriques. Port 1 et 2 sont situés en première
conductrices en haut et port 3 et 4 sont situés en dernier
conductrices en bas. Dans cette structure, deux
conducteurs de forme elliptique sont couplés via une
fente en forme d’ellipse dans la couche intermédiaire
pour former un couplage fort.
Idéalement, le signal injecté dans port 1 traverse le
conducteur et se sépare en deux parties, identiques en
module mais avec un déphasage de 90 degrés, vers le port
2 et 3 respectivement. Le port 4 est bien isolédu port 1.
Figure 2. Layout du coupleur UWB
Figure 1. L’architecture du réflectomètre six-port
Selon cette configuration, le coefficient de réflexion (Γ)
peut être mesuré à partir des quatre détecteurs de
puissance P3 àP6. Il s’exprime par ces expressions [12] :
Γ = Γ1 + 𝑗Γ2 =
Γ=
𝑃5 + 𝑃6 − 𝑃3 − 𝑃4
𝑃6 − 𝑃5
+𝑗
4𝑃4
2𝑃4
|𝑆51 |2 + |𝑆61 |2 − |𝑆31 |2 − |𝑆21 |2
|𝑆61 |2 − |𝑆51 |2
+𝑗
2
4|𝑆41 |
2|𝑆41 |2
La puissance détectée par les détecteurs respecte une
loi quadratique. Les deux expressions qui sont
équivalentes nous permettent donc de calculer le
coefficient de réflexion en utilisant les paramètres S à
partir la simulation HFSS ™ et ADS™.
3. Coupleur ultra large bande
Comme déjà écrit dans l’introduction, l’idée de ce
travail est de constituer le réflectomètre par cinq
Le substrat utilisé pour ce design est le Rogers
RT/duroid 5880 avec une constante diélectrique de 2.2 et
une tangente de perte de 0.0009. Basé sur l’analyse du
dispositif et des formulaires fournies dans [12] nous
avons déterminé les dimensions du coupleur. Un
programme MATLAB a été écrit afin de déterminer
toutes ces grandeurs. Après une optimisation faite sur
HFSS ™, les dimensions finales sont données dans le
tableau dessous.
Longueur de la carte (L)
Largeur de la carte (W)
Longueur de l’ellipse (Le)
Largeur de l’ellipse (We)
Largeur de la fente (Wf)
Largeur du micro-ruban (Wm)
Epaisseur du substrat (Es)
Epaisseur du métal (Em)
Epaisseur du dispositif
2.5cm
1.5cm
9.4mm
5.8mm
8.9mm
1.54mm
0.508mm
17µm
1.07mm
Table 1. Dimensions finales du coupleur
Les résultats de la simulation du coupleur sont donnés
àla figure 3 en termes de paramètres S et de déphasage.
On peut constater qu’il fonctionne bien sur toute la
fréquence d’intérêt (3GHz à 10.6GHz). Le couplage est
de 3±1.2dB. L’adaptation et l'isolation sont meilleures
que 20 dB pour toute la bande de fréquence.
De plus, le déphasage entre les Port 2 et 3 est quasiconstant sur toute la bande de fréquence (90±2˚). Ces
résultats indiquent que ce dispositif est un bon candidat
pour être intégrédans le réflectomètre.
0
-5
Paramètre S (dB)
-10
-15
-20
-25
-30
S11 Adaptation
S21 Transmission
S31 Couplage
S41 Isolation
-35
-40
-45
-50
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
(b)
Fréquence (GHz)
Figure 4. Simulation ADS du réflectomètre
Déphasage (degré)
(a)
94
(a) Signaux de sortie aux ports 3 à 6
93
(b) Le déphasage entre les ports 3 et 4 et entre les
ports 5 et 6
92
91
90
89
88
Déphasage
87
86
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Fréquence (GHz)
(b)
Figure 3. Simulation électromagnétique du coupleur
(a) Module des paramètres S (S11 adaptation, S21
transmission, S31 couplage, S41 isolation)
(b) Déphasage entre les ports 2 et 3 du coupleur
4. Simulation du réflectomètre
Après la simulation du coupleur seul, le système
complet (figure 1) peut être simulépar le logiciel ADS™.
Les résultats de la figure 4(a) confirment que les
signaux sorties aux ports 3 à6 (port 1= entrée) varient de
-9dB à-12dB dans la bande de travail par rapport à-9dB
théoriquement, (passage par trois coupleurs). Notons que
le déphasage entre les ports 3 et 4, ainsi que celui entre
les ports 5 et 6 sont de 180˚ et 0˚ respectivement, ce qui
correspond bien àla partie théorie.
Figure 5. Coefficient de réflexion pour un court-circuit,
une charge adapté et un circuit ouvert
A partir des formulaires pour calculer le coefficient de
réflexion fournie dans la partie théorie du réflectomètre
six-port, nous pouvons calculer le coefficient de réflexion
et le reporter sur l’abaque de Smith. Nous donnons les
trois cas classiques : court-circuit, charge adaptée et
circuit ouvert sur la figure5. Globalement on retrouve les
résultats attribués. Notons que ces résultats peuvent être
améliorés en utilisant une procédure de calibration avec 3
standards initialement proposée par G.F Engen [13],
5. Conclusion
Dans cet article, un réflectomètre six-port qui
fonctionne de 3GHz à10.6GHz a étéproposéet évalué.
Les résultats obtenus montrent la possibilitéde remplacer
le VNA par ce réflectomètre pour mesure un coefficient
de réflexion sur une large bande de fréquence avec une
précision compatible avec de nombreuses applications.
(a)
Références
[1]
[2]
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