Extension du plan de masse

Une observation des mécanismes de couplage a fait ressortir qu'il existe des courants qui parcourent le plan de masse d'une antenne à une autre (voir Figure 2.18). Il apparaît intéressant d’agir sur ce dernier pour limiter cette circulation de courant.

Figure 2.18: Distribution des courants à 900 MHz lorsque l’accès 1 est alimenté.

D’autre part, nous avons vu dans la section 2.3.1.3 que pour faire déplacer la bande basse vers les plus basses fréquences, il fallait augmenter la longueur L_gd2. Pour des contraintes

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d’intégration, cette solution ne peut être adoptée. Pour ces raisons, nous allons exploiter l’espace se trouvant sur les bords du plan de masse afin de permettre une amélioration de l’isolation et un fonctionnement aux plus basses fréquences, et cela sans augmenter la taille globale du système. Pour ce faire, on ajoute de chaque côté du plan de masse un rectangle de dimensions Wgd3 et Lgd3, comme le présente la Figure 2.19 (b).

(a) (b)

Nous allons étudier l’influence des dimensions de cette extension (Lgd3 et Wgd3) sur le comportement des antennes. W_gd3 varie de 0 à 40 mm avec une dimension maximale fixée par rapport à l’espace occupé par les éléments rayonnants de chaque côté, afin de ne pas augmenter la taille globale de la structure. L_gd3 varie de 17 à 50 mm avec une dimension maximale fixée de sorte que les éléments rayonnants gardent un rayonnement omnidirectionnel.

a) Lgd3= 17 mm

En augmentant W_gd3, la bande basse se décale vers les plus basses fréquences (voir Figure 2.20 (a)). On constate un décalage de 50 MHz pour W_gd3= 25 mm par rapport à la bande de fréquence basse obtenue avec la version initiale (sans extension du plan de masse). De plus, une forte isolation (|S21| < -25 dB) est observée à la fréquence 826 MHz.

Figure 2.19: Système antennaire à un brin méandre avec suppression des coins supérieurs et extension du plan de masse: (a) vue de dessus, (b) vue de dessous.

65 (a)

(b)

Figure 2.20:Variation des paramètres S en fonction de W_gd3 pour L_dg3= 17 mm: (a) bande basse, (b) bande haute.

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La Figure 2.21 montre l’amplitude maximale des densités de courants sur le système antennaire avec et sans extension de plan de masse, à la fréquence 826 MHz.

(a) (b)

Figure 2.21: Distribution des courants sur le système à 826 MHz lorsque l’accès 1 est alimenté: (a) sans, (b) avec extension du plan de masse (W_gd3= 25 mm).

L’antenne 1 est excitée, la deuxième est chargée sur 50 Ω. Une forte concentration des courants est observée sur l’antenne 2 ainsi que sur sa ligne d’alimentation coplanaire pour la structure sans extension (Wgd3= 0 mm) alors qu’elle est beaucoup moins importante pour Wgd3= 25 mm, comme le montre la Figure 2.21 (b). En revanche, la zone où les courants sont plus forts réside sur l’extension du plan de masse. Cette extension a permis de déplacer les nœuds de courant (qui avant étaient proches de l’accès 2) entrainant ainsi une diminution du couplage. En ce qui concerne la bande haute, elle est peu influencée et couvre toujours la bande 2.5-2.69 GHz avec |S₁₁|< -10 dB et |S₂₁| < -7 dB.

b) L_gd3= 33.5 mm

Pour L_gd3 =33.5 mm, on observe les mêmes comportements que pour L_gd3 =17 mm en ce qui concerne le décalage fréquentiel et le couplage (voir Figure 2.22). De plus, quand la valeur W_gd3 augmente, les monopôles se désadaptent. Cependant, le module du coefficient de réflexion reste inférieur à -10 dB. Une forte isolation est toujours atteinte pour W_gd3=25 mm à la fréquence 826 MHz. La bande haute est peu influencée par l’extension du plan de masse.

67 (a)

(b)

Figure 2.22: Variation des paramètres S en fonction de Wgd3 pour Ldg3= 33.5 mm: (a) bande basse, (b) bande haute.

c) L_gd3= 50 mm

La désadaptation de la bande haute s’accentue. La bande est d’autant plus dégradée pour une valeur élevée de W_gd3 (voir Figure 2.23 (a)). La forte isolation est toujours maintenue pour W_gd3=25 mm (voir Figure 2.23 (b)). Contrairement à L_gd3 =33.5 mm, la bande haute se décale vers les basses fréquences avec l’augmentation de W_gd3.

68 (a)

(b)

Figure 2.23: Variation des paramètres S en fonction de W_gd3 pour L_dg3= 50 mm: (a) bande basse, (b) bande haute.

Les dimensions de l’extension du plan de masse pour lesquelles la bande de fonctionnement basse est la plus décalée vers les basses fréquences avec une isolation supérieure à 17 dB sont Lgd3=17 mm et Wgd3= 25 mm.

d) Impact sur le rayonnement

Nous proposons à présent d’observer l’influence de l’extension du plan de masse sur le rayonnement du système antennaire. Cette extension permet d’obtenir un faible couplage entre accès. Cependant, si elle modifie les rayonnements de chaque antenne de sorte qu’ils se ressemblent, la diversité entre les diagrammes disponibles sera amoindrie. Pour cela, les

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Figure 2.24 et Figure 2.25 présentent les simulations des diagrammes de rayonnement aux fréquences 872 MHz et 2.49 GHz: fréquences où les deux structures (avec et sans extension de plan de masse) présentent le même module du coefficient de réflexion. La composante principale du champ rayonnée par l’antenne 1 correspond dans les Figure 2.24 et Figure 2.25 à Eφ dans le plan XZ et à Eθ dans le plan YZ. Par conséquent, la composante croisée du champ rayonné correspond à Eθ dans le plan XZ et à Eφ dans le plan YZ.

(a) (b)

Figure 2.24: Influence de l’extension du plan de masse sur le rayonnement simulé de l’antenne 1 dans le plan XZ: (a) 872 MHz, (b) 2.49 GHz.

(c) (d)

Figure 2.25: Influence de l’extension du plan de masse sur le rayonnement simulé de l’antenne 1 dans le plan YZ: (a) 872 MHz, (b) 2.49 GHz.

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En ce qui concerne les polarisations principales, dans les deux plans et aux deux fréquences, de très faible modifications sont constatées. Les écarts observés résident plutôt sur la polarisation croisée à 872 MHz. En effet, l’isolation entre les ports a permis la diminution significative de la polarisation croisée, supérieure à 10 dB dans le plan H. Dans le plan E, elle décroît de 10 dB entre les angles 150° et 30° et reste inférieure à -10 dB entre 30° et 150°. A 2.49 GHz, l’écart est surtout constaté dans le plan E pour les angles entre -75° et -15°, et entre -165° et -105°. L’allure des rayonnements est conservée avec l’extension du plan de masse et par conséquent n’entraine pas la baisse de la diversité antennaire. Cette solution peut être utilisée pour diminuer efficacement le couplage entre les accès.

e) Conclusion

Pour une extension du plan de masse de dimensions Lgd3=17 mm et Wgd3= 25, une forte isolation est atteinte (|S21|< - 20 dB) avec une distance inter éléments de λ01/10. Un fonctionnement à plus basses fréquences du système est possible sans augmentation de la taille globale de la structure. Par ailleurs, le module du coefficient de transmission connaît également une forte atténuation à 3.2 GHz. Il apparaît intéressant d’introduire un deuxième degré de liberté permettant de décaler cette atténuation dans la bande 2.5-2.69 GHz sans dégrader l’isolation de la bande basse. Pour cela, l’insertion d’encoche dans le plan de masse est proposée dans le paragraphe suivant pour atteindre une bonne isolation dans les deux bandes de fréquence.