guillaume villemaud – cours techniques dantennes 1 formation de faisceau

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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 1 FORMATION DE FAISCEAU FORMATION DE FAISCEAU

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Page 1: Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 FORMATION DE FAISCEAU

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 1

FORMATION DE FAISCEAU FORMATION DE FAISCEAU

Page 2: Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 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

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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.

Page 4: Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 FORMATION DE FAISCEAU

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 4

PERSPECTIVESPERSPECTIVES

Suivi de cible

Augmentation de capacité

Antennes adaptatives

MIMO

Page 5: Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 FORMATION DE FAISCEAU

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 5

STRUCTURE GENERALESTRUCTURE GENERALE

Page 6: Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 FORMATION DE FAISCEAU

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

Page 7: Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 FORMATION DE FAISCEAU

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

(a) (b)(a) (b)

α

cos

8858,0

NdB

Page 8: Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 FORMATION DE FAISCEAU

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

Page 9: Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 FORMATION DE FAISCEAU

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

Page 10: Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 FORMATION DE FAISCEAU

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

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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

Page 12: Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 FORMATION DE FAISCEAU

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.

Page 13: Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 FORMATION DE FAISCEAU

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.

Page 14: Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 FORMATION DE FAISCEAU

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

Page 15: Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 FORMATION DE FAISCEAU

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

Page 16: Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 FORMATION DE FAISCEAU

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°

Page 17: Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 FORMATION DE FAISCEAU

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°

Page 18: Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 FORMATION DE FAISCEAU

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

Page 19: Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 FORMATION DE FAISCEAU

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

Page 20: Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 FORMATION DE FAISCEAU

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 20

LA MATRICE DE BLASSLA MATRICE DE BLASS

Page 21: Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 FORMATION DE FAISCEAU

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)

Page 22: Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 FORMATION DE FAISCEAU

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)

Page 23: Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 FORMATION DE FAISCEAU

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 23

LA MATRICE DE BUTTLERLA MATRICE DE BUTTLER

Matrices 4x4 sans croisements

Page 24: Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 FORMATION DE FAISCEAU

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

Page 25: Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 FORMATION DE FAISCEAU

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.

Page 26: Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 FORMATION DE FAISCEAU

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 26

SYSTEME OPTIQUESYSTEME OPTIQUE

parfaitement linéaire en fréquence