Antenne rectangulaire alimentée par sonde coaxiale

CONCEPTION DE RESEAUX D’ANTENNES IMPRIMEES

Il est primordial de pouvoir simuler les dispositifs hyperfréquences avec précision avant la réalisation. Le but final est d’avoir un circuit qui, une fois réalisé, fonctionne du premier coup tout en respectant les contraintes du cahier des charges et ce sans aucune retouche. Nous évitons ainsi un surcoût inutile lié à la réalisation d’un grand nombre de maquettes de tests tout en réduisant considérablement le temps de conception. Il est alors possible de maîtriser et de réduire le coût final du produit. Pour atteindre ces objectifs, il est nécessaire de disposer d’outils adéquats tels que des logiciels commerciaux de CAO. Pour nos travaux de thèse, nous avons choisi d’utiliser le logiciel ADS (Advanced Design System) de la société Agilent Technologies. Cet outil est très complet car il permet de faire des simulations de circuits analogiques hyperfréquences, de circuit numériques, de la co-simulation analogique/ numérique ainsi que des simulations électromagnétique basées sur le quadrillage par éléments finis du patch et présente les valeurs de gain et directivité ainsi que le diagramme de rayonnement en deux et trois dimensions. Du fait de son fort potentiel, cet outil est de plus en plus utilisé dans le monde de la recherche universitaire et industrielle. Plusieurs travaux ont montrés que des études fiables de structures d’antennes peuvent être menées à l’aide des logiciels que nous avons utilisés [21]. Ce chapitre présente la conception des réseaux d’antennes imprimées et de leurs circuits d’alimentation. Les différents résultats de simulations sont présentés et discutés.

Présentation de l’outil ADS Advanced Design System (ADS) est un environnement intégré composé de trois modules : la simulation système, la simulation circuit et la simulation électromagnétique. Cet environnement intègre le noyau Microwave Design System (MDS). Les simulations ont été réalisées avec l’outil Momentum qui effectue la simulation électromagnétique. Momentum est un solver 2.5D qui simule des structures trois dimensions avec une représentation en deux dimensions. La simulation se compose de cinq étapes : La définition des couches : dans cette partie, nous définissons les différentes couches qui composeront la structure à simuler, à savoir le plan de masse s’il y en a un, les différents diélectriques, les métallisations et les vias. Cette option est accessible sous Momentum à partir du menu Momentum, Substrate, Create/Modify. ADS considère les différentes couches définies comme étant infinies ce qui peut poser quelques problèmes, le plus souvent liés à la finitude du plan de masse en pratique. Une fois le substrat défini, il doit être précompilé avec l’option Precompute Substrate Functions. Cette étape est suivie de la saisie schématique. Nous avons à définir des paramètres de maillage et de simulation. La définition du maillage consiste à fixer la fréquence de maillage, le nombre de mailles par longueur d’onde et le maillage aux arêtes de la structure. La définition des paramètres de simulation consiste à définir la plage de simulation et à définir le type de simulation (adaptative, linéaire, logarithmique). La dernière étape est constituée par la visualisation et l’exploitation des résultats de la simulation avec l’outil Data Display qui nous permet de tracer les différentes courbes, et exploiter les valeurs des paramètres S.

ANALYSE DES RESEAUX D’ANTENNES IMPRIMEES

Pour caractériser une antenne, le calcul du diagramme de rayonnement est nécessaire. Dans ce troisième chapitre, nous nous intéressons à l’analyse des réseaux d’antennes imprimées. Cette analyse consiste à déterminer le rayonnement obtenu lorsque l’on connaît l’amplitude et la phase de l’onde appliquée à chaque antenne. L’analyse doit nous permettre de comprendre comment l’association de plusieurs antennes modifie le diagramme de rayonnement, ainsi que l’influence des principaux paramètres physiques du réseau sur ce rayonnement. Les réseaux d’antennes peuvent avoir deux structures : une structure plane et une structure conformée. La première partie de ce chapitre est consacrée aux réseaux plans : rectiligne, bidimensionnel. La deuxième partie aborde le cas des antennes imprimées sur une surface conformée, et est plus amplement développée. Nous présentons tout d’abord la méthode de l’approximation plane, méthode sur laquelle s’est porté notre choix. Cette méthode simple à mettre en oeuvre permet un calcul rapide du rayonnement issu de réseaux disposés sur une grande variété de surfaces convexes.

Les réseaux que nous avons étudiés comportent des sources élémentaires. Chacune de ces sources élémentaires est un élément rayonnant imprimé (patch). Notre choix s’est porté sur un élément de forme carrée car c’est la forme la plus simple et donc, la plus facilement modélisable. Diverses méthodes ont ainsi permis de calculer son champ rayonné lointain. Des approximations justifiées ont permis d’exprimer les composantes de son champ par des équations analytiques simples [22] (annexe 1), rendant ainsi la procédure de calcul du champ électromagnétique lointain facilement programmable. La taille des éléments rayonnants est optimisée par CAO pour une adaptation parfaite. Les techniques d’antennes imprimées (patch imprimé) offrent une opportunité intéressante pour la réalisation d’un réseau conformé grâce à la conformabilité du substrat. Pour que le substrat soit conformable, il doit être fabriqué d’un matériau mou. Son épaisseur doit être faible pour permettre de le conformer facilement autour de la surface porteuse.

Champ rayonné par un réseau conformé

Nous proposons, dans ce paragraphe, de montrer les étapes de calcul du champ rayonné par un réseau conformé d’antennes imprimées. L’élément choisi est une antenne imprimée de forme carrée, car c’est une antenne bien connue et simple. Les deux principales différences, entre un réseau d’antennes de géométrie plane et un réseau d’antennes de géométrie conformée, se situent au niveau de la répartition des sources et des diagrammes élémentaires. Si les diagrammes élémentaires sont identiques pour chaque source, la contribution de ces sources est la même pour une direction donnée. C’est à dire En(θ,ϕ) = E(θ,ϕ) pour tout n variant de 1 à N, comme le montre la figure III.12 Pour un réseau conformé, la normale de chacune des sources pointant des directions différentes, la contribution de leurs diagrammes élémentaires est différente (figure III.13). D’ou l’utilité d’indicer les diagrammes de rayonnement élémentaires par rapport à chacune des sources. Il est donc nécessaire de connaître, par mesure ou par calcul, les diagrammes pour chaque source dans toutes les directions. L’approximation plane consiste à prendre pour En(θ,ϕ) le diagramme de l’élément rayonnant sur une masse plane [30]. Ce diagramme est normalement connu dans un repère local propre à chaque élément. Il doit être évalué dans le même repère que le champ total E, c’est-à- dire en fonction de θ et ϕ. Les repères liés aux différentes sources peuvent être déduits du repère principal par une ou plusieurs rotations autour des axes ox, oy ou oz. Il faut donc faire des changements de repère.

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Table des matières

Introduction générale
CHAPITRE I : Généralités sur les antennes imprimées
I.1 Introduction
I.2 Structure d’une antenne imprimée
I.3 Domaine d’application des antennes imprimées
I.4 Avantages et inconvenients des antennes imprimées
I.5 Techniques d’alimentation
I.5.1 Alimentation par ligne micro-ruban dans le plan de l’élément rayonnant
I.5.2 Alimentation par sonde coaxiale
I.5.3 Alimentation par ouverture (ou par fente)
I.5.4 Alimentation par proximité
I.6 Caracterisation des antennes imprimées
I.6.1 Méthodes classiques
I.6.1.1 Méthode da la ligne de transmission
I.6.1.2 Méthode de la cavité
I.6.2 Méthodes évoluées
I.6.2.1 Méthodes des différences finies
I.6.2.2 Méthode de la matrice des lignes de transmissions
I.6.2.3 Méthode des éléments finis
I.6.2.4 Méthodes intégrales
I.7 Conclusion
CHAPITRE II : Conception de réseaux d’antennes imprimées
II.1 Introduction
II.2 Présentation de l’outil ADS
II.3 Antenne rectangulaire alimentée par sonde coaxiale
II.4 Adaptation d’impedance
II.4.1 Adaptation bande étroite
II.4.2 Adaptation large bande
II.5 Antenne rectangulaire alimentée par ligne micro-ruban
II.6 Réseau d’antennes alimentées par sonde coaxiale
II.7 Circuit d’alimentation
II.7.1 Diviseur de puissance
II.7.2 Division en deux parties égales
II.7.3 Division en deux parties égales avec adaptation par ligne quart d’onde
II.7.4 Division en deux parties inégales
II.8 Conception des diviseurs de puissance
II.7.1 Conception d’un diviseur par deux
II.7.2 Conception d’un diviseur par quatre
II.9 Conception de réseau d’antennes alimentées par ligne micro-ruban
II.9.1 Conception d’un réseaux de deux éléments
II.9.2 Conception d’un réseaux de quatre éléments
II.10 Conclusion
CHAPITRE III : Analyse des réseaux d’antennes imprimées
III.1 Introduction
III.2 Elément imprimé
III.3 Réseaux plans d’antennes imprimées
III.3.1 Réseau rectiligne
III.3.2 Réseau bidimensionnel
III.3.2.1 Reseaux planaires
III.3.2.2 Reseaux circulaires
III.4. Réseaux conformés d’antennes imprimées
III.4.1 Méthode d’analyse
III.4.2 Champ rayonné par un réseau conformé
III.4.3 Exemple de structures conformées analysées
III.4.3.1 Réseau dièdre
III.4.3.2 Réseau conique
III.4.3.3 Réseau cylindrique
III.5 Conclusion
CHAPITRE IV : Méthodes d’optimisation
IV.1 Introduction
IV.2 Problème d’optimisation
IV.3 Optimisation difficile
IV.4 Méta-heuristiques
IV.5 Source de l’efficacité des méta-heuristiques
IV.6 Problème d’un algorithme itératif classique
IV.7 Robustesse des méta-heuristiques
IV.8 Classification des méthodes d’optimisation
IV.9 Méthode du recuit simulé
IV.9.1 Présentation de la méthode
IV.9.2 Recuit réel et recuit simulé
IV.9.3 Algorithme du recuit simulé
IV.9.4 Règles d’acceptation
IV.10 Algorithmes évolutionnaires
IV.10.1 Principe d’un algorithme évolutionnaire
IV.10.2 Opérateurs de sélection
IV.10.3 Opérateurs de variation
IV.10.4 Boucle générationnelle
IV.11 Algorithmes génétiques
IV.11.1 Codage des variables
IV.11.2 Fonction de performance
IV.11.3 Sélection
IV.11.3.1 Sélection proportionnelle
IV.11.3.2 Sélection par tournoi
IV.11.3.2.1 Tournois déterministes
IV.11.3.2.2 Tournois stochastiques
IV.11.3.3 Sélection déterministe
IV.11.4 Elitisme
IV.11.5 Opérateurs de variation des AGs
IV.11.5.1 Croisement
IV.11.5.1.1 Croisement en un point
IV.11.5.1.2 Croisement en deux points
IV.11.5.1.3 Croisement uniforme
IV.11.5.2 Mutation
IV.11.5.2.1 Mutation bit flip
IV.11.5.2.2 Mutation déterministe
IV.11.6 Critère d’arrêt
IV.12 Optimisation par essaim particulaire
IV.12.1 Principe
IV.12.2 Algorithme
IV.12.3 Confinement des particules
IV.13 Méta-heuristique et logique floue
IV.14 Rappels des principes de la logique floue
IV.14.1 Définition
IV.14.2 Définition d’un sous-ensemble flou
IV.14.3 Méthode de raisonnement
IV.14.4 Variable linguistique
IV.14.5 Fonction d’appartenance
IV.14.6 Propositions floues élémentaires
IV.14.7 Propositions floues générales
IV.14.7.1 Négation de proposition floue
IV.14.7.2 Combinaisons de propositions floues
IV.14.7.3 Conjonction de propositions floues
IV.14.7.4 Disjonction de propositions floues
IV.14.7.5 Implication entre deux propositions floues
IV.15 Contrôle flou
IV.16 Structure d’un contrôleur flou
IV.16.1 Représentation floue des variables d’entrée
IV.16.2 Représentation floue des variables de sortie
IV.16.3 Base de règles floues
IV.16.4 Inférence à partir de règles floues
IV.16.4.1 Méthode d’inférence Max-Min
IV.16.4.2 Méthode d’inférence Max-Produit
IV.16.4.3 Méthode d’inférence Somme-Produit
IV.16.5 Défuzzification
IV.16.5.1 Méthode du centre de gravité
IV.16.5.2 Méthode du maximum
IV.16.6 Exemple
IV.17 Algorithme adaptatif
IV.17.1 Influence de la taille de la population
IV.17.2 Influence des probabilités associées aux opérateurs génétiques
IV.18 Algorithme génétique flou
IV.19 PSO adaptative
IV.20 PSO floue
IV.21 Conclusion
CHAPITRE V : Synthèse des réseaux d’antennes imprimées
V.1 Introduction
V.2 Problème de synthèse de réseaux d’antennes imprimées
V.3 Synthèse par le recuit simulé
V.3.1 Application à la synthèse de réseaux rectilignes
V.3.1.1 Synthèse par loi d’amplitude
V.3.1.2 Synthèse par lois d’amplitude et de phase
V.3.2 Application à la synthèse de réseaux planaires
V.3.2.1 Synthèse par loi d’amplitude
V.3.2.2 Synthèse par lois d’amplitude et de phase
V.3.3 Application à la synthèse de réseaux circulaires
V.3.3.1 Synthèse par loi d’amplitude
V.3.3.2 Synthèse par lois d’amplitude et de phase
V.3.4 Application à la synthèse de réseaux conformés
V.4 Synthèse par l’algorithme génétique
V.4.1 Application à la synthèse de réseaux rectilignes
V.4.1.1 Synthèse par loi d’amplitude
V.4.1.2 Synthèse par lois d’amplitude et de phase
V.4.2 Application à la synthèse de réseaux planaires
V.4.2.1 Synthèse par loi d’amplitude
V.4.2.2 Synthèse par lois d’amplitude et de phase
V.4.3 Application à la synthèse de réseaux circulaires
V.4.3.1 Synthèse par loi d’amplitude
V.4.3.2 Synthèse par lois d’amplitude et de phase
V.4.4 Application à la synthèse de réseaux conformés
V.5 Synthèse par essaim particulaire
V.5.1 Application à la synthèse de réseaux rectilignes
V.5.1.1 Synthèse par loi d’amplitude
V.5.1.2 Synthèse par lois d’amplitude et de phase
V.5.2 Application à la synthèse de réseaux planaires
V.5.2.1 Synthèse par loi d’amplitude
V.5.2.2 Synthèse par lois d’amplitude et de phase
V.5.3 Application à la synthèse de réseaux circulaires
V.5.3.1 Synthèse par loi d’amplitude
V.5.3.2 Synthèse par lois d’amplitude et de phase
V.5.4 Application à la synthèse de réseaux conformés
V.6 Comparaison
V.7 Comparaison avec d’autres méthodes
V.8 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE : Modélisation de la source élémentaire
Références bibliographiques