4.4 Influence des réflecteurs artificiels sur le coefficient de réflexion de l’an-
4.4.3 Antenne réseau sur SHI
Influence des réflecteurs artificiels sur le coefficient de réflexion de
l’antenne réseau connectée 99
0 5 10 15 20
ï20 ï15 ï10 ï5 0
Fréquence [GHz]
|K| [dB]
Réflecteur CEP : Modèle Analytique Réflecteur CEP : HFSS
Réflecteur CMP : Modèle Analytique Réflecteur CMP : HFSS
Figure 4.17 – Comparaison du module du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence d’une antenne damier monocouche placée au-dessus d’un CEP et d’un CMP.
L’antenne est éclairée par une onde plane en incidence normale. L’espaceur considéré à une permittivité�r = 1 et une épaisseur égale àλ0/4 à 8.5GHz
à haute impédance devraient donc valider l’hypothèse précédente sur l’élargissement de la bande [4].
Considérons une antenne damier placée àλ0/4 à 8.5GHz d’un réflecteur à haute im- pédance. Ce réflecteur est composé de motifs carrés métalliques (w= 1.mm) périodiques (P = 1.16mm) imprimés sur un diélectrique (h = 0.762mm,�r = 10.35) terminé par un plan de masse. Le réflecteur se comporte comme un CMP à la fréquencefr = 17GHz.
La cellule élémentaire de l’antenne complète modélisée avec HFSS est représentée sur la Figure4.18.
Figure 4.18 – Cellule élémentaire de l’antenne damier sur un réflecteur à haute impé- dance
Le module du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence de l’antenne sur le
réflecteur à haute impédance est représenté sur la Figure 4.19. En fixant la hauteur de l’espaceur àλ0/4 à la fréquencef0, la SHI présentera alors une phase deπ et résonnera à 2f0. La solution classique du plan de masse parfaitement conducteur (CEP) ne permet d’obtenir qu’une bande passante autour de la fréquencef0. En raison de la modification de l’impédance de charge de l’antenne de 189Ω à 300Ω, on obtient une bande passante de l’antenne à 6.5GHz au lieu de f0 = 8.5GHz. L’utilisation d’un réflecteur à haute impédance permettra d’obtenir une seconde bande passante autour de la fréquence 2f0 (Fig. 4.19). L’antenne présente une épaisseur de λ0/7 à 4.4GHz.
0 5 10 15 20
ï20 ï15 ï10 ï5 0
|K| Antenne complète [dB]
Fréquence [GHz]
0 5 10 15 20ï180
ï135 ï90 ï45 0 45 90 135 180
K de la SHI [°]
0 5 10 15 20ï180
ï135 ï90 ï45 0 45 90 135 180
K de la SHI [°]
Modèle Analytique : |K| Antenne sur SHI Modèle Analytique : K SHI
HFSS : |K| Antenne sur SHI HFSS : K SHI
Figure4.19 – Module du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence de l’antenne damier monocouche sur réflecteur à haute impédance (fr = 17GHz). Le réflecteur est placé à une distanceλ0/4 à la fréquence 8.5GHz à l’aide d’un espaceur de permittvité
�r = 1
L’évolution du module du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence pour les angles d’incidence 0◦, 30◦, 45◦ et 60◦ dans les plansE etH. sont représentés sur la Figure4.20. Les angles d’incidence sont très bien pris en compte permettant d’affirmer que le modèle prédit correctement le module du coefficient de réflexion d’une antenne à balayage placée au-dessus d’une SHI.
Influence des réflecteurs artificiels sur le coefficient de réflexion de
l’antenne réseau connectée 101
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
ï20 ï15 ï10 ï5 0
Fréquence [GHz]
|K| [dB]
Modèle Analytique : e = 0°
Modèle Analytique : e = 30°
Modèle Analytique : e = 45°
Modèle Analytique : e = 60°
HFSS : e = 0°
HFSS : e = 30°
HFSS : e = 45°
HFSS : e = 60°
(a)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
ï20 ï15 ï10 ï5 0
Fréquence [GHz]
|K| [dB]
Modèle Analytique : e = 0°
Modèle Analytique : e = 30°
Modèle Analytique : e = 45°
Modèle Analytique : e = 60°
HFSS : e = 0°
HFSS : e = 30°
HFSS : e = 45°
HFSS : e = 60°
(b)
Figure 4.20 – Evolution du module du coefficient de réflexion en fonction de la fré- quence d’une antenne damier monocouche sur réflecteur à haute impédance (fr = 17GHz). Le réflecteur est placé à une distance λ0/4 à la fréquence 8.5GHz à l’aide d’un espaceur de permittvité�r = 1. Les angles d’incidence dans les plans E etH sont pris en compte :(a)planH,(b)plan E
La modification de la SHI va permettre déplacer la fréquence de résonance et donc autoriser l’apparition de la seconde bande passante (Fig. 4.21). Dans ce but, une SHI composée de motifs carrés est dimensionnée pour obtenir le comportement d’un CMP à la fréquence de 13GHz. Les dimensions de la SHI sont : P = 1.82mm, w = 1.7mm, h = 0.762mm et �r = 10.35. La phase du coefficient de réflexion prise au niveau de la SHI est représentée sur la Figure 4.21. Les résultats sont identiques entre celui obtenu avec le modèle analytique et celui obtenu avec HFSS montrant la validité du modèle analytique de SHI. Ce réflecteur particulier est ensuite placé à une distance de λ0/4 à 8.5GHz sous les éléments rayonnants. L’espaceur à une permittivité�r= 1 et l’antenne présente une épaisseur deλ0/7 à 4.4GHz.
0 5 10 15 20
ï20 ï15 ï10 ï5 0
|K| Antenne complète [dB]
Fréquence [GHz]
0 5 10 15 20ï180
ï135 ï90 ï45 0 45 90 135 180
K de la SHI [°]
0 5 10 15 20ï180
ï135 ï90 ï45 0 45 90 135 180
K de la SHI [°]
Modèle Analytique : |K| Antenne Modèle Analytique : K SHI HFSS : |K| Antenne HFSS : K SHI
Figure 4.21 – Comparaison entre résultats analytiques et numériques : Module du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence de l’antenne damier sur SHI et Phase du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence prise au niveau de la SHI (fr = 13GHz)
Les résultats obtenus analytiquement et numériquement sont très concordants. Seul un faible décalage en fréquence est observé au niveau de la deuxième résonance. On y voit qu’à la fréquence de résonance de la SHI un faible écart en fréquence est ob- servé entre les deux modèles. La contrainte étant de dimensionner un réflecteur à haute impédance composé d’un nombre entier de motifs dont la somme des périodicités doit être commensurable à la cellule élémentaire. Les diagrammes de rayonnement pour un réseau de 5x5 éléments aux fréquences de résonance 6.5GHz et 13GHz sont représentés sur la Figure 4.22. Les diagrammes de rayonnement de l’antenne réseau connectée en polarisation verticale sont obtenus à l’aide du facteur de réseau pour un dépointage nul.
On voit très clairement, à partir des Figures 4.19 et 4.21, qu’une modification du design, modifie l’apparition de la deuxième bande passante. Une possibilité pour élargir la bande passante de l’antenne est donc de créer différentes bandes passantes à l’aide de SHI comportant de multiples résonances. Un motif composé d’anneaux concentriques permet de répondre à cet objectif [94]. Ce motif est composé d’ anneaux métalliques ayant le même centre mais de rayons différents (Fig.4.23). Chaque anneau va résonner à une fréquence fr. De ce fait, autant de bandes passantes que d’anneaux métalliques
Influence des réflecteurs artificiels sur le coefficient de réflexion de
l’antenne réseau connectée 103
(a) (b)
Figure4.22 – Diagramme de rayonnement d’une antenne réseau connectée en polarisa- tion verticale. L’antenne est composée de 5x5 éléments :(a)Gain réalisé àf = 6.5GHz, (b)Gain réalisé àf = 13GHz
présents apparaîtront. Le motif à anneaux concentriques considéré est composé de deux anneaux métalliques de rayon :r1 = 2.2mm et r2 = 2.5mm. Ces anneaux métalliques sont imprimés sur un diélectrique de permittivité �r = 2.2 et d’épaisseur h = 1mm.
Le motif a au final une périodicitéP = 5.5mm. Un plan de masse est placé à l’arrière de la SHI. Le phénomène de multi-résonance du motif est illustré sur la Figure 4.24.
La phase du coefficient de réflexion de cette structure est composée de deux fréquences de résonances : une par anneau. L’impédance de surfaceZs calculée à l’aide de HFSS est ensuite introduite dans le modèle analytique pour déterminer le coefficient de ré- flexion de l’antenne réseau placée au-dessus de ce réflecteur particulier. Le modèle a ainsi l’avantage de pouvoir caractériser rapidement une antenne réseau placée au-dessus de SHI à motifs variés sans se soucier au départ de la commensurabilité du nombre de motifs à la cellule élémentaire de l’antenne.
r
2r
1h
P
Figure4.23 – Motif élémentaire : Anneaux concentriques
La Figure4.24ci-dessous montre le module du coefficient de réflexion d’une antenne damier placée à λ0/4 à 8.5GHz au-dessus d’un réflecteur composé de motifs anneaux concentriques. On constate qu’il y a autant de bandes passantes que de résonance du motif SHI. Ceci permet ainsi d’élargir notablement la bande passante de l’antenne par introduction de bandes passantes additionnelles générées par les résonances de chaque anneau métallique.
0 5 10 15 20
ï20 ï15 ï10 ï5 0
|K| Antenne complète [dB]
Fréquence [GHz]
0 5 10 15 20ï180
ï135 ï90 ï45 0 45 90 135 180
K de la SHI [°]
Modèle Analytique : |K| Antenne sur SHI Modèle Analytique : |K| Antenne sur CEP Modèle Analytique : K SHI
Figure4.24 – Module du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence de l’antenne damier monocouche placée au-dessus d’un réflecteur à haute impédance composé de motifs à anneaux concentriques. La phase du coefficient de réflexion de ce réflecteur calculée avec HFSS est représentée