16èmes Journées Nationales Microondes
27-28-29 Mai 2009 Grenoble
16èmes
Journées Nationales Microondes, 27-28-29 Mai 2009 - Grenoble
Détermination du rendement d’antennes UHF multi-accès
dans une cavité de dimensions réduites
Jean-François Pintos1, Sylvain Guivarch
1, Ali Louzir
1,
Christophe Lemoine2, Gwenn Le Fur
2, Philippe Besnier
2 et Ala Sharaiha
2
1Thomson R&D France, Corporate Research, 1, av. Belle Fontaine, BP19, 35576 Cesson-Sévigné - cedex
2Institut d’Electronique et de Télécommunications de Rennes, Université de Rennes 1- 35042 Rennes
Résumé
Une nouvelle méthode de détermination du
rendement d’antenne multi-accès dans une cavité de
dimensions réduites et de forme quelconque est
présentée. Nous introduisons une formulation modifiée
de Huynh [1] en tenant compte des pertes de la cavité
qui peuvent être non négligeables à hautes fréquences.
Cette méthode est ensuite appliquée à la mesure du
rendement d’une antenne à multiples accès. Les résultats
obtenus sont cohérents avec des mesures effectuées dans
une Chambre Réverbérante à Brassage de Modes
(CRBM).
1. Introduction
Pour déterminer le rendement d’une antenne,
l’approche la plus classique consiste à mesurer son gain
ainsi que sa directivité dans une chambre anéchoïque. Le
rendement est ensuite obtenu en faisant le quotient de ces
deux paramètres.
Récemment, d’autres méthodes basées sur
l’utilisation de CRBM ont été proposées [2][3]. L’usage
de la CRBM offre l’avantage de ne pas être
particulièrement précautionneux quant au
positionnement de l’antenne sous test (AST). En CRBM,
le rendement total de l’antenne peut être déterminé en
tenant compte aussi des couplages avec les autres
éléments rayonnants [4].
D’autres approches se basent sur l’utilisation de
cavités de type Wheeler Cap sur de très larges bandes
[5]. Pour se faire, la cavité bien connue de Wheeler est
transformée en sphère et l’antenne est placée au centre.
Son rayon est tel, que la paroi métallique de la sphère est
située dans la zone de champ rayonné proche. Le
principe est que les réflexions issues des parois de la
sphère se concentrent sur l’AST de façon synchrone.
Cette méthode permet des mesures rapides avec un post-
traitement relativement simple, basé uniquement sur les
paramètres complexes du coefficient de réflexion de
l’antenne. La nécessité du post traitement est due à
l’apparition des différents modes de résonances, ceci est
d’autant plus important que la densité des modes
augmente avec la fréquence.
Ces deux approches peuvent être vues comme deux
situations extrêmes pour extraire le même paramètre
(rendement), à partir des paramètres S. Récemment, nous
avons introduit le fait que la géométrie de la cavité
n’avait que peu d’incidence sur le résultat obtenu. De
plus, nous avons introduit un paramètre qui tient compte
du rendement intrinsèque de la cavité qui devient non
négligeable pour des fréquences élevées (cf. section 2.).
Une cavité sphérique de type Wheeler Cap est bien
adaptée pour des antennes de petites dimensions. Mais
l’environnement de l’antenne (carte/boitier…) et a
fortiori lorsque qu’il y a plusieurs antennes, peut être
trop encombrant pour pouvoir utiliser une telle cavité.
L’objet de ce papier est de présenter une formulation
en tenant compte d’antennes multi-accès dans une cavité
de dimension réduite non sphérique. Les résultats
obtenus par cette méthode pour une antenne à double
accès sont comparés à des mesures effectuées en CRBM.
2. Modification de la formulation de Huynh
pour une cavité à pertes avec des antennes multi-accès.
La configuration de mesure, suivant Huynh [1], est
basée sur deux mesures séparées du paramètre S11 de
l’AST. Le paramètre S11 en espace libre est noté S11FS
Lorsque l’AST est placée dans la cavité, il est noté S11cav.
Dans le cas idéal, l’AST est positionnée dans une
cavité dont les parois sont placées à une distance
supérieure à λ0/2 de l’AST, permettant à l’antenne de
rayonner librement. L’énergie rayonnée par l’AST est
pour partie consommée par la cavité, pour partie
consommée par les autres antennes, le reste revenant à
l’antenne excitée.
L’ensemble des contributions de toutes les réfections
dans la cavité est intégré à travers la mesure du S11cav.
En tenant compte du rendement de la cavité cavη , la
formulation donnant le rendement de rayonnement
proposée par Huynh [1], pour une antenne mono-accès,
devient :
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[ ]2
11
2
11
2
11
2
11
2
11
21 FScavFScav
FScav
ray
SSS
SS
+−
−=
ηη (1)
En utilisant (1), avec la connaissance du rendement
d’une antenne de référence, il est possible de déterminer
correctement le paramètre cavη .
Dans le cas d’une antenne à accès multiples, le
rendement total totη qui tient également compte de la
désadaptation de l’antenne ainsi que du couplage avec
les autres éléments rayonnants, peut être défini comme :
−= ∑
=
N
n
niraytot Sii
1
21ηη (2)
avec cavη le rendement de la cavité et Sni le couplage
entre l’accès i et l’accès n. Pour une cavité idéale
( cavη =1) et un seul élément rayonnant (N=1), nous
retrouvons la formule de Huynh initiale.
3. Résultats expérimentaux
3.1. Moyens d’essai
La première campagne de mesure a consisté à valider
la formulation (1) dans le cas d’une antenne à un seul
accès, en l’occurrence un dipôle de référence centré
autour de 600 MHz, en comparant les mesures utilisant
la cavité développée par Thomson avec des mesures
effectuées dans la CRBM de l’IETR.
La CRBM (Figure 1. Chambre Réverbérante à
Brassage de Modes de l’IETR de l’IETR est une grande
chambre métallique de 3.7 m x 2.9 m x 8.7 m. La
fréquence la plus basse utilisable est estimée autour de
250 MHz. Le volume de test est assez loin des parois de
la chambre ainsi que du brasseur de mode ; la distance
est au moins à λ/2. Plus de détails sur les mesures du
rendement de rayonnement en CRBM sont fournis en
[6][7]. De manière à estimer l’incertitude du rendement
de rayonnement de l’AST dans un intervalle de +/-15%,
1500 mesures indépendantes des paramètres S ont été
sélectionnées, en utilisant le brassage mécanique et
fréquentiel [7].
Figure 1. Chambre Réverbérante à Brassage de
Modes de l’IETR
La cavité de Thomson (Figure 2) est un
parallélépipède métallique de taille 49.5 cm x 93 cm x
171 cm. Une petite ouverture (30 cm x 40 cm) est prévue
pour accéder à l’intérieur de la cavité. La fréquence de
coupure de la cavité est à 183 MHz et il n’y a pas de
système de brassage installé à l’intérieur de la cavité. Le
brassage est assuré par des mesures à des positions
différentes, dans la cavité (35 pour le dipôle de référence
et 60 pour l’antenne UHF double accès), de quelques
centimètres de séparation. Une moyenne du rendement
total est effectuée à l’aide d’une fenêtre glissante sur 10
MHz de bande.
Figure 2. Cavité parallélépipédique de Thomson
A ces deux moyens d’essai précédents, nous
complétons cette analyse par une mesure en cavité
sphérique. La sphère (Figure 3), de diamètre 30 cm, de
l’IETR est fabriquée dans un bloc aluminium/acier de
type AU4G [7]. Elle se compose de deux demi-coques
parfaitement ajustées pour assurer le blindage de la
cavité. Un câble coaxial assure le placement de l’AST au
centre de la sphère ainsi que sa connexion à l’analyseur
de réseau. Une moyenne du rendement total est effectuée
à l’aide d’une fenêtre glissante sur 10 MHz de bande.
Figure 3. Cavité sphérique de l’IETR
3.2. Antenne UHF mono-accès
Le dipôle de référence est réalisé à l’aide d’un
symétriseur du commerce (ANAREN ref. 3A425) qui est
adapté à 600 MHz avec un rendement total estimé autour
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de 90%. L’encombrement total du dipôle est de l’ordre
de 24 cm.
Figure 4. Comparaison des mesures (CRBM/cavité)
dipôle UHF de référence
Comme montrée en Figure 4, une très bonne
correspondance est obtenue entre les 3 mesures.
Cependant, un petit décalage fréquentiel peut être
observé dû à une modification de la longueur des brins
du dipôle entre les campagnes de mesures en CRBM et
dans la cavité Thomson.
3.3. Antenne UHF double-accès
La formulation du rendement a été ensuite appliquée
au cas d’une antenne UHF à diversité développée pour la
réception portable de la Télévision Numérique Terrestre
[8]. Les Figure 5 et 6 montrent les résultats obtenus pour
les deux accès dans la cavité Thomson, comparés avec
les mesures effectuées en CRBM. Le deuxième accès
étant chargé par 50 ohms.
0
20
40
60
80
100
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
Fréquence (GHz)
ren
de
me
nt
tota
l (%
)
Mesure cavité THOMSON
Mesures CRBM IETR
Figure 5. Comparaison des mesures (CRBM/cavité
Thomson) antenne UHF 2 accès, accès 1
0
20
40
60
80
100
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9Fréquence (GHz)
rendem
ent to
tal (
%)
Mesure cavité THOMSON
Mesures CRBM IETR
Figure 6. Comparaison des mesures (CRBM/cavité Thomson) antenne UHF 2 accès, accès 2
Une bonne correspondance des mesures peut être
observée sur les deux brins dans les deux moyens de
mesures compte tenu des incertitudes mentionnées.
4. Conclusion
Une méthode utilisant une cavité de faibles
dimensions et de géométrie quelconque pour la
détermination du rendement d’antennes multi-accès a été
présentée. Les résultats obtenus dans la bande UHF sont
conformes à ceux obtenus de façon plus classiques dans
une CRBM.
De plus, compte tenu, qu’il s’agit d’une
détermination de rendement à partir de mesures issue de
l’AST seule (pas d’utilisation d’antenne de référence), la
précision de mesure devrait être améliorée.
5. Bibliographie
[1] M.-C Huynh, « Wideband compact antenna for
wireless communications applications», Thèse,
Virginia Polytechnic Institute and State University,
2004, disponible sur http://scholar.lib.vt.edu
[2] K. Rosengren, P.-S. Kildal, C. Carlsson et J.
Carlsson, « Characterization of antennas for mobile
and wireless terminals in reverberation chambers :
improved accuracy by platform stirring »,
Microwave Opt. Technol. Lett, Vol 30, pp. 391-397,
Sept. 2001.
[3] P.-S. Kildal, K. Rosengren, J. Byun et J. Lee,
« Definition of effective diversity gain and how to
measure it in a reverberation chamber »,
Microwave Opt. Technol. Lett., Vol 34, pp. 56-59,
Juillet 2004.
[4] A. Diallo, C. Luxey, P. Le Thuc, R. Staraj, G.
Kossiavas, « Enhanced Diversity Antennas for
UMTS handsets », EUCAP conf. 2006,
[5] H. G. Schantz, « Measurement of UWB Antenna
Efficiency », Vehicular Technology Conference,
2001. VTC 2001 Spring. IEEE VTS 53rd
, Vol. 2, pp
1189-1191, 6-9 Mai 2001.
[6] C. Lemoine, « Contribution à l’analyse statistique
des mesures en chambre réverbérante à brassage de
modes », Thèse 2008, IETR Rennes, disponible sur
http://www.ietr.org/spip.php?auteur286&lang=fr
[7] G. Le Fur, C. Lemoine, P. Besnier et A. Sharaiha,
« Performances of UWB Wheeler cap and
reverberation chamber to carry out efficiency
measurements of narrow band antennas », IEEE
Antennas and Wireless Propagation Letters, 2009
[8] P. Minard, J-F. Pintos et A. Louzir, « Compact USB
Stick with Integrated Antenna Diversity for Digital
Terrestrial TV Reception », AP International
symposium, Honolulu, Hawaï, USA, Juin 2007
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