Post on 03-Apr-2015
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 1
FORMATION DE FAISCEAU FORMATION DE FAISCEAU
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 2
PLAN DU COURSPLAN DU COURS
IntroductionHistorique, généralités
Caractéristiques des antennes Partie I : Antennes compactes
Partie II : Antennes larges bandes
Partie III : Antennes à polarisation circulaire
Partie IV : Antennes grand gain
Partie V : Formation de faisceau
Partie VI : Antennes intelligentes
Partie VII : MIMO
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 3
PRINCIPEPRINCIPE
L’association de plusieurs éléments rayonnants en réseau permet de combiner leur capacité de rayonnement pour
augmenter le gain dans une direction particulière.
On sait que de faire varier la phase relative appliquée en entrée de chacun des éléments autorise le décalage de
l’axe du lobe principal de l’antenne globale.
A partir d’un réseau donné, on peut donc faire varier, dynamiquement ou non, l’orientation privilégiée du gain en
jouant sur les alimentations des divers éléments.
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 4
PERSPECTIVESPERSPECTIVES
Suivi de cible
Augmentation de capacité
Antennes adaptatives
MIMO
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 5
STRUCTURE GENERALESTRUCTURE GENERALE
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 6
COUVERTURE MULTI-FAISCEAUCOUVERTURE MULTI-FAISCEAU
Le but est alors de pouvoir couvrir un angle donné par le balayage d’un faisceau de gain élevé (au lieu d’un
large faisceau faible gain)
Pour obtenir une couverture optimale, il faut alors que les faisceaux se recoupent au plus à –3 dB
sin(u)/u
-0,3
-4 u0-
La fonction caractéristique à amplitude constante donne une loi
en sin u/u
On peut se contenter de valeurs de phases discrètes et non
continues
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 7
LIMITATIONLIMITATION
Une relation coexiste entre l’ouverture et le niveau des lobes secondaires : si l’ouverture diminue, le niveau des lobes secondaires augmentent et vice-versa. Pour un réseau
d’antennes linéaire de pas d avec un faisceau pointant dans une direction donnée () au voisinage de la normale au réseau, et
pour un nombre important N d’éléments rayonnants, l’ouverture est donnée par
(a) (b)(a) (b)
α
Bα
(a) (b)(a) (b)
α
Bα
cos
8858,0
NdB
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 8
STRUCTURE GENERALESTRUCTURE GENERALE
Pour diminuer le niveau de lobes secondaires, on peut faire varier l’amplitude des alimentations
pondération d’amplitude
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 9
INTERET DE LA PONDERATION D’AMPLITUDEINTERET DE LA PONDERATION D’AMPLITUDE
Illustration : l’antenne cosécante-carrée
But : supprimer les zones non couvertes proches des antennes (dues aux lobes secondaires)
H
d
d max
d
0
Emetteur
Zone de réception = sol
0
2
2
cos
cos
ec
ecG
)sin(.2
..Pr 0HGrPe
ne dépend plus de la distance
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 10
ANTENNE COSECANTE CARREEANTENNE COSECANTE CARREE
-50
-40
-30
-20
-10
0-9
0
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
théta (°)
Ga
in (
dB
)
théta0 = 1°
théta0 = 3°
25 dB 35 dBDiagramme théorique
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
-90-80-70-60-50-40-30-20-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Angle in degrees
Ga
in in
dB Diagramme réalisé
avec 8 éléments
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 11
ANTENNE COSECANTE CARREEANTENNE COSECANTE CARREE
Lois de pondération
Structure réalisée3.5mm
40 mm
sonde coaxiale
-120
-110
-100
-90
-80
-70
0 250 500 750 1000 1250 1500
distance en mètre
pu
issa
nce
re
çu
e e
n d
BAvec une antenne directive
Seuil de réception
Avec une antenne en cosécante carrée
Zones de non réception
dmax
Résultats sur la couverture
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 12
RESEAU DE DISTRIBUTIONRESEAU DE DISTRIBUTION
En technologie imprimée, les alimentations sont réalisées par les lignes
microrubans
Le design de ces lignes doit prendre en compte :
-la stabilité des phases;-le niveau des amplitudes;
-le minimum de pertes;-la réduction des couplages
parasites.
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 13
REPARTITEURS DE FAISCEAUXREPARTITEURS DE FAISCEAUX
Si on veut commuter entre divers pointages de faisceaux, on peut soit utiliser des systèmes d’alimentations actifs (amplis variables pour les amplitudes et déphaseurs) ou des circuits passifs. Dans ce dernier cas, pour chaque
direction de lobe désirée, il faudrait en théorie un circuit de distribution différent. En réalité, on utilise des circuits
permettant, suivant l’entrée choisie, d’appliquer les phases voulues aux antennes. C’est ce que l’on appelle les
répartiteurs de faisceaux passifs.
les types quasi-optiques, entraînant un arrangement hybride, soit d’un réflecteur, soit d’un objectif de lentille avec un réseau d’antennes,
les types circuits en technologie microruban (microstrip), ligne suspendue (stripline) ou encore en guides d’onde.
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 14
LA LENTILLE DE ROTMANLA LENTILLE DE ROTMAN
Type quasi-optique
sourcelinéique
pour recevoir outransmettre cornets d’entrée
lentille à plaques parallèles
contour intérieur de la lentille C1
câbles coaxiaux RFsondes RF
contour extérieur linéique,ouverture rayonnante
sourcelinéique
pour recevoir outransmettre cornets d’entrée
lentille à plaques parallèles
contour intérieur de la lentille C1
câbles coaxiaux RFsondes RF
contour extérieur linéique,ouverture rayonnante
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 15
LA LENTILLE DE ROTMANLA LENTILLE DE ROTMAN
F1
F2
G
R
X
Y
x
y
α
α
Arc focal circulaire de rayon R
Centre de l’arc focal
F
Périphérie intérieure C1 de la lentille
Entrées de la lentille
sorties de la lentille sur le contour C1
Sources en réseau
d
Front d’ondes
Lignes de transmission de différentes longueurs électriques
P(x,y)
F1
F2
G
R
X
Y
x
y
α
α
Arc focal circulaire de rayon R
Centre de l’arc focal
F
Périphérie intérieure C1 de la lentille
Entrées de la lentille
sorties de la lentille sur le contour C1
Sources en réseau
d
Front d’ondes
Lignes de transmission de différentes longueurs électriques
P(x,y)
G
F1
F2
G
R
X
Y
x
y
α
α
Arc focal circulaire de rayon R
Centre de l’arc focal
F
Périphérie intérieure C1 de la lentille
Entrées de la lentille
sorties de la lentille sur le contour C1
Sources en réseau
d
Front d’ondes
Lignes de transmission de différentes longueurs électriques
P(x,y)
F1
F2
G
R
X
Y
x
y
α
α
Arc focal circulaire de rayon R
Centre de l’arc focal
F
Périphérie intérieure C1 de la lentille
Entrées de la lentille
sorties de la lentille sur le contour C1
Sources en réseau
d
Front d’ondes
Lignes de transmission de différentes longueurs électriques
P(x,y)
G
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 16
LA LENTILLE DE ROTMANLA LENTILLE DE ROTMAN
Exemple de système radar à 94 GHz
10 antennes, couverture +30/-30° par pas de 3,3°
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 17
LA LENTILLE DE ROTMANLA LENTILLE DE ROTMAN
Exemple de système de communications indoor 27 à 30 GHz
Transposition du principe en technologie imprimée :11 antennes, couverture +60/-60° par pas de 15°
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 18
LA LENTILLE DE ROTMANLA LENTILLE DE ROTMAN
Exemple en technologie stripline
Répartition en lignes et colonnes :9 entrées, 25 sorties
dépointage en 2D
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 19
LA MATRICE DE BLASSLA MATRICE DE BLASS
Type circuit
charges
M ports d’entrée
Réseau de N sources
1
2
3
M
1 2 3 N
Ligne transverse
Ligne de ramification
coupleur
charges
M ports d’entrée
Réseau de N sources
1
2
3
M
1 2 3 N
Ligne transverse
Ligne de ramification
coupleur
Conception très complexe
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 20
LA MATRICE DE BLASSLA MATRICE DE BLASS
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 21
LA MATRICE DE BUTTLERLA MATRICE DE BUTTLER
Type circuit (parallèle)
Phases fixes
3 dB 90° hybrides
croisement
1R 2RL 1L
A B C
- 45°+ 45° + 45°
Coupleur 4.77 dBgradients (m) :
matrice binaire :
- 1R : + 90°
- 1L : - 90°
matrice non-binaire :
- 1R : + 60°
- 2R-L :-180°
- 1L : - 60°
(a) (b)
Phases fixes
3 dB 90° hybrides
croisement
1R 2RL 1L
A B C
- 45°+ 45° + 45°
Coupleur 4.77 dBgradients (m) :
matrice binaire :
- 1R : + 90°
- 1L : - 90°
matrice non-binaire :
- 1R : + 60°
- 2R-L :-180°
- 1L : - 60°
(a) (b)
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 22
LA MATRICE DE BUTTLERLA MATRICE DE BUTTLER
180° 180°
180° 180°
90°
1L 1R 2R-L 0
180° 180°
180° 180°
90°
1L 1R 2R-L 0
90° 90°
90° 90°
-45° -45°
90° 90°
90° 90°
-45° -45°
1R 2L 1L2R
Gradients de phase des matrices 4x4
Standard
1R : + 45° / 1L : - 45°
2R : +135° / 2L : -135°
Non standard
1R : + 90° / 1L : - 90°
2R-L : 180° / 0 : 0°
1R 1Lentrées RF
coupleurs 3-dB
déphaseurs
(a) (b)
180° 180°
180° 180°
90°
1L 1R 2R-L 0
180° 180°
180° 180°
90°
1L 1R 2R-L 0
90° 90°
90° 90°
-45° -45°
90° 90°
90° 90°
-45° -45°
1R 2L 1L2R
Gradients de phase des matrices 4x4
Standard
1R : + 45° / 1L : - 45°
2R : +135° / 2L : -135°
Non standard
1R : + 90° / 1L : - 90°
2R-L : 180° / 0 : 0°
1R 1Lentrées RF
coupleurs 3-dB
déphaseurs
180° 180°
180° 180°
90°
1L 1R 2R-L 0
180° 180°
180° 180°
90°
1L 1R 2R-L 0
90° 90°
90° 90°
-45° -45°
90° 90°
90° 90°
-45° -45°
1R 2L 1L2R
Gradients de phase des matrices 4x4
Standard
1R : + 45° / 1L : - 45°
2R : +135° / 2L : -135°
Non standard
1R : + 90° / 1L : - 90°
2R-L : 180° / 0 : 0°
1R 1Lentrées RF
coupleurs 3-dB
déphaseurs
(a) (b)
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 23
LA MATRICE DE BUTTLERLA MATRICE DE BUTTLER
Matrices 4x4 sans croisements
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 24
COMPARATIFCOMPARATIF
40% pour une matrice
32x32> 2:1-13 dB1660°
Matrice de Butler
75%< 1%-13 dB1560°Matrice de
Blass
> 63%4:1-20 dB1045°Lentille de
Rotman
Efficacité typique
Capacité de la bande passante
Niveau des lobes
secondaires typique
Taille d’ouverture
typique
Gamme de couverture
typique
Type de répartiteur
de faisceaux
40% pour une matrice
32x32> 2:1-13 dB1660°
Matrice de Butler
75%< 1%-13 dB1560°Matrice de
Blass
> 63%4:1-20 dB1045°Lentille de
Rotman
Efficacité typique
Capacité de la bande passante
Niveau des lobes
secondaires typique
Taille d’ouverture
typique
Gamme de couverture
typique
Type de répartiteur
de faisceaux
Large bande : RotmanPeu de faisceaux (2 ou 3) : Blass
Tout autre cas : Buttler
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 25
SYSTEME OPTIQUESYSTEME OPTIQUE
Tout le système de distribution est réalisé par des fibres optiques réalisant les retards, reliés à des photodiodes
fournissant la puissance voulue.
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 26
SYSTEME OPTIQUESYSTEME OPTIQUE
parfaitement linéaire en fréquence