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Elargissement de la Bande Passante des antennes BIE à l’aide de SSR à surface combinée

Elargissement de la Bande Passante des antennes BIE à l’aide de SSR à surface combinée. Thai-Hung VU , Anne-Claude TAROT Sylvain COLLARDEY , Kouroch MAHDJOUBI. IETR, UMR CNRS 6164, Université de Rennes 1. Sommaire. I. Rappels sur les antennes BIE Modèle analytique

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Elargissement de la Bande Passante des antennes BIE à l’aide de SSR à surface combinée

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  1. Elargissement de la Bande Passante des antennes BIE à l’aide de SSR à surface combinée Thai-Hung VU, Anne-Claude TAROT Sylvain COLLARDEY, Kouroch MAHDJOUBI IETR, UMR CNRS 6164, Université de Rennes 1

  2. Sommaire I. Rappels sur les antennes BIE • Modèle analytique • Principe d’élargissement de la bande par surface combinée II. SSR combinée (excitée par onde plane) • Formule analytique pour le coefficient de réflexion • Optimisation de la SSR combinée • Influence sur l’impédance • Influence sur le diagramme de rayonnement III. SSR combinée (excitée par un patch) • Influence sur l’impédance • Influence sur le diagramme de rayonnement IV. Conclusions et Perspectives

  3. I. Rappels sur les antennes BIE 1. Modèle analytique TFP SSR1 (r1 ; t1) θ Surface semi réfléchissante( SSR) D1 D SSR2 (r2 ; t2) Coefficient de transmission TFP • Directivité maximale • (condition de résonance) • Exemple: • r1= 0.95, r2= -1; fres=2.4GHz, • Ouverture à 3dB = 15º

  4. Module d'Impédance Z 15000 (r1 ; t1) 10000 Amplitude 5000 D2 0 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 f(GHz) (r2 ; t2) I. Rappels sur les antennes BIE • Impédance d’entrée [1] Pour l’onde plane • Exemple: r1=0.95, r2=-1; fres=2.4GHz, Angle à 3dB~15º, BP ~1.7%  Bande passante étroite [1 ] T-H.Vu, K. Mahdjoubi, A.C. Tarot, S. Collardey, “Input Impedance of Planar FP & EBG Antennas” LAPC 2007 (Loughborough Antennas & Propagation Conference), 2-3 April 2007, Loughborough, UK

  5. Diagramme de rayonnement Phase φ(f) = φr1+φr2 dφ02 α dφ01 F(f)=2kD freq f1 f0 f2 • f1 (2.36GHz), f0 (2.4GHz), f2 (2.44GHz) I. Rappels sur les antennes BIE • Pourquoi la bande passante est faible ? • Condition de résonance : à f = f0, on a φr1+ φr2 =2kD • Aux fréquences f1 et f2 : jr1+ jr2 ≠ 2kD • La bande passante d’une antenne à BIE dépend de l’angle α. • Pour une SSR classique, α est grand (bande passante très faible). Réduire a pour élargir la bande passante

  6. Phase Φ (f)=φr1+φr2 Φ (f)=φr1+φr2 F(f)=2kD Phase Δφ2 F(f)=2kD Δφ1 f f f1 fres f2 I. Rappels sur les antennes BIE 2. Méthodes pour élargir la bande passante Réduire α • En utilisant un AMC (Artificial Magnetic Conductor) [2] • En utilisant une surface « combinée » pour obtenir une « inversion de phase » [3,4] [3] H. P. Feresidis, J. C. Vardaxoglou, “A broadband high-gain resonant cavity antenna with single feed”, Pro. EuroCAP 2006’, Nice, France 2006. [2 ] A. Ourir, A. de Lustrac, and Jean-Michel Lourtioz, “All-metamaterial-based subwavelength cavities (λ/60) for ultrathin directive antennas”, Applied Physic Letters, No 88, 084103, 2006 [4]T-H.Vu, A.C. Tarot, S. Collardey, K. Mahdjoubi,“Bandwidth enlargement of planar EBG antennas” LAPC 2007 (Loughborough Antennas & Propagation Conference), 2-3 April 2007.

  7. Sommaire I. Rappels sur les antennes BIE • Modèle analytique • Principe d’élargissement de la bande par surface combinée II. SSR combinée (excitée par onde plane) • Formule analytique pour le coefficient de réflexion • Optimisation de la SSR combinée • Influence sur l’impédance • Influence sur le diagramme de rayonnement III. SSR combinée (excitée par un patch) • Influence sur l’impédance • Influence sur le diagramme de rayonnement IV. Conclusions et Perspectives

  8. SSR1b (r’’1 ; t’’1) d SSR1a (r’1 ; t’1) Onde plane incidente Rcomb a Pt II. SSR combinée Développement d’une formule analytique pour décrire la surface combinée SSR1(r1 ; t1) D D2 SSR2(r2 ; t2) avec |r1’|>|r1’’| • Coefficient de réflexion • Coefficients de transmission et de réflexion des SSRs: • Obtenus à partir des simulations numériques exactes (FDTD, HFSS…) • Obtenus à partir des modèles analytiques pour certains types de SSR Ex. d’une SSR (1D,2D) réalisée à l’aide de pistes mruban (largeur a) de périodicité Pt SSR1a (r’1 ; t’1) Modèle de SSR (Marcuvitz, Marcuvitz optimisé,Ulrich, Lee, Wang,Chen …) Largeur a Périodicité Pt Coeff. de réflexion r’1et transmission t’1

  9. CONST : Pt1, Pt2, Rmin, f0 , Df f1= f0-Df, f2= f0+Df, VAR (r1,t1) a1, a2 d (r2,t2) (r1, t1), (r2, t2),d D a1 Pt1 varier d PEC a2 Pt2 non Rcombinée = f (r1, t1, r2, d) centré sur f0 ? Phase F(f)=2kD Φ (f)=φr1+φr2 α φ2 φ0 oui φ1 hauteur de la cavité f f1 f2 f0 oui fo de coût a1, a2, d, D F minimale ? II. SSR combinée Méthode d’optimisation mise en œuvre  Minimiser α

  10. II. SSR combinée Résultats d’optimisation CONST : Pt1 = 10 mm, Pt2 = 20 mm, f0 =2,4 GHz, Rcomb = 0,85, Df Module et Phase du coefficient de réflexion Fig. 3 : DF = ± 7,5 % (2,22 GHz – 2,58 GHz) Fig. 2 : DF = ±5 % (2,28GHz – 2,52 GHz) Fig. 1 : DF = ± 2,5 % (2,34 GHz – 2,46 GHz)

  11. Antenne à BIE avec SSR combinée Antenne à BIE classique ( Avec les mêmes directivités) SSR1a (r’1 ; t’1) SSR1b (r"1 ; t"1) SSR1 (r1 ; t1) SSR2 = PEC SSR2 = PEC DF = 5%  a1 = 1,7 mm a2 = 0,8 mm BIE classique SSR combinée B.P Plus large bande II. SSR combinée 1. Influence sur l’Impédance (pour onde plane)

  12. II. SSR combinée 2. Influence sur le diagramme de rayonnement Antenne à BIE classique Antenne à BIE avec SSR combinée ( Avec les mêmes directivités) SSR1a (r’’1 ; t’’1) SSR1 (r1 ; t1) SSR1b (r’1 ; t’1) SSR2 = PEC SSR2 = PEC Coefficient de transmission Diagrammes de rayonnement B.P (b) F= 2,36 GHz (d) F= 2,44 GHz (c) Fres= 2,4 GHz DF = 5%a1 = 1,7 mm; a2 = 0,8 mm Plus large bande

  13. Sommaire I. Rappels sur les antennes BIE • Modèle analytique • Principe d’élargissement de la bande par surface combinée II. SSR combinée (excitée par onde plane) • Formule analytique pour le coefficient de réflexion • Optimisation de la SSR combinée • Influence sur l’impédance • Influence sur le diagramme de rayonnement III. SSR combinée (excitée par un patch) • Influence sur l’impédance • Influence sur le diagramme de rayonnement • Influence sur la directivité IV. Conclusions et Perspectives

  14. III. SSR combinée (excitée par un patch) 1. Influence sur l’impédance Patch & SSR combinée (à F0 = 2,45 GHz ) Patch & SSR simple (à F0 = 2,45 GHz ): a2=5,6mm – Pt2=40 mm a1=21,6mm – Pt1=40 mm a=13mm – Pt=40 mm -> Même réflectivité (Même |R|=0.9) à 2.45 GHz BP 55 MHz BP 40 MHz Résonance du patch seul Résonance du patch seul

  15. III. SSR combinée (excitée par un patch) 2. Influence sur le diagramme de rayonnement Patch & simple SSR Patch & SSR combinée F = 2,3 GHz F = 2,35 GHz F = 2,4 GHz F = 2,45 GHz F = 2,5 GHz

  16. III. SSR combinée (excitée par un patch) 3. Influence sur la directivité Bande passante à – 1 dB -Avec SSR combinée : 7.4% ( max Dir =17.96 dB) -Avec SSR normale : 4.9% ( max Dir =16.35 dB)

  17. Conclusions • Développement d’une formule analytique et une méthode d’optimisation pour la conception d’une SSR combinée • Élargissement de la bande passante (théorique) d’une Antenne à BIE en utilisant une SSR combinée. IV. Conclusions & Perspectives Perspectives • Surface combinée > 2 couches • Méthode d’optimisation des SSRs combinées avec plusieurs critères : bande passante, directivité, … • Vérification de la bande passante sur l’impédance

  18. Elargissement de la Bande Passante des antennes BIE à l’aide de SSR à surface combinée Thai-Hung VU, Anne-Claude TAROT Sylvain COLLARDEY, Kouroch MAHDJOUBI Merci de votre attention ! IETR, UMR CNRS 6164, Université de Rennes 1

  19. PRS PRS (surface semi-réfléchissante) • Impédance d’entrée pour une source réaliste [2,3] L’image d’une source d’onde cylindrique devant une SSR est aussi une source d’onde cylindrique… Partie réelle Partie imaginaire FDTD Analytique [2] T-H Vu, K. Mahdjoubi, A-C Tarot, S. Collardey, “Input Impedance of Planar FP & EBG Antennas”, Loughborough Antennas Propagation Conference 2007 (LAPC07) [3] “Input Impedance & Radiation Pattern of Planar EBG Antennas”, 2007 IEEE International Workshop on Antenna Technology Small and Smart Antennas Metamaterials and Applications,IWAT 2007

  20. SSR1b (r’’1 ; t’’1) d SSR1a (r’1 ; t’1) Onde plane incidente R • Exemple d’une surface combinée • SSR1a : a/Pt=20%, Pt=10mm, • SSR1b : a/Pt=5%,Pt=20mm, • d = 54.3275mm Amplitude Phase Développement d’une formule analytique pour décrire la surface combinée SSR1(r1 ; t1) D D2 SSR2(r2 ; t2) • avec |r1’|>|r1’’| • Coefficient de réflexion

  21. Influence sur l’Impédance (Rmin = 0,85) DF = 2,5% a1 = 2,2 mm a2 = 1,6 mm DF = 5% a1 = 1,7 mm a2 = 0,8 mm

  22. Résultat d’optimisation CONST : Pt1 = 10 mm, Pt2 = 20 mm, f0 =2,4 GHz, Rmin = 0,95, Df Module et Phase du coefficient de réflexion Fig. 6 : DF = 7,5 % (2,22 GHz – 2,58 GHz) Fig. 5 : DF = 5 % (2,28GHz – 2,52 GHz) Fig. 4 : DF = 2,5 % (2,34 GHz – 2,46 GHz)

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