Antennes et circuits actifs en ondes millimétriques - Etude et conception d’antennes reconfigurables

Mes activités de recherche se déroulent dans le cadre de la thématique Antennes Millimétriques au sein du groupe Antennes et Hyperfréquences de l'IETR UMR-CNRS 6164. Dans ce premier chapitre, je présente mes activités de recherche liées à la caractérisation simple des substrats diélectriques entrant dans la composition des antennes imprimées.

Caractérisation des matériaux jusqu'aux ondes millimétriques

Introduction et état de l'art

Caractérisation de substrats en bandes millimétriques

Je donne maintenant dans les tableaux 1.1 et 1.2 suivants quelques résultats de cette technique de caractérisation pour différents matériaux que j'ai utilisés en millimètres pour la conception d'antennes imprimées. En conclusion, cette technique de caractérisation ne prétend pas être rigoureuse, mais permet aux concepteurs d'antennes hyperfréquences et de circuits imprimés.

Impact sur le rendement des antennes

Technologies multicouches

Introduction et problématique

Ces technologies multicouches permettent également de protéger les composants actifs (MMIC, MEMS ou autres) des rayonnements des antennes. Différents substrats diélectriques ont également été utilisés dans ces technologies multicouches et, selon les cas, ils sont soit collés à la semelle épaisse, soit soudés à celle-ci.

Procédés technologiques développés

Dans ce cas, après gravure des fentes de jonction dans la plaque de cuivre, les couches de substrat sont soit soudées, soit collées sur cette plaque pour réaliser le circuit multicouche (figure 1.14).

Transitions multicouches ligne - fente - ligne sur épaisseur de

Un plan de masse de 0,2 mm d'épaisseur est ajouté dans lequel la fente linéaire est gravée. Les transitions à deux sorties ont également été optimisées dans le but de les intégrer dans l'arbre d'alimentation du réseau d'antennes (figure 1.18).

Transitions multicouches ligne - fente - ligne avec plan de masse

Cette transition a été optimisée et simulée avec CST Microwave Studio et les résultats de simulation et de mesure sont présentés dans la Figure 1.20. Les diagrammes de rayonnement mesurés sont présentés de 1,26 à 48,7 GHz et comparés aux résultats de simulation.

Pastilles alimentées par fente

L'épaisseur de la fente a un effet principal sur la valeur de l'impédance d'entrée du plot alimenté par la fente. Il est donc indispensable d'en tenir compte dans la méthode théorique d'évaluation de l'impédance d'entrée d'un plot alimenté par fente.

Réseaux d'antennes à diagrammes formés basés sur des pastilles

Une semelle de 0,2 mm d'épaisseur (la surface de base dans laquelle les fentes sont gravées) a été ajoutée entre les deux couches diélectriques pour rigidifier le prototype et permettre le transfert des puces actives (Figure 1.37). Les diagrammes de rayonnement mesurés et simulés à 57,5 ​​GHz dans la polarisation principale sont présentés dans la partie gauche de la figure 1.40, et le gain mesuré est donné dans la partie droite de la même figure.

Conclusions

Les résultats sont ensuite présentés sur la Figure 3.18 en fonction de la distance axiale normalisée z comme précédemment. Module du coefficient de réflexion (S11) de la source seule et de la source reliée à la lentille.

Introduction

Dans un premier temps, il est important de décrire en détail les spécifications et notamment les capacités de ces systèmes de détection courte portée 24 GHz. Par exemple, dans ce cas, nous pouvons trouver qu'une cible latérale de 10 cm à 24 GHz a un SER de 9,1 dBsm dans le champ lointain.

Etude des architectures mises en oeuvre

La différence de phase permet alors d'évaluer la distance entre la cible et le radar (R) comme suit. Où R est la distance entre la cible et le radar, et c est la vitesse de la lumière.

Circuits passifs et actifs

• Antennes
• Choix des composants : transistors
• Amplicateur faible bruit
• Oscillateur et association avec l'antenne
• Modulateur
• Démodulateur

Pour apprécier la qualité spectrale du modulateur, il est alors indispensable de vérifier le spectre du signal modulé obtenu, comme le montre la figure 2.13. 56 Circuits actifs et radar courte portée Pour la première technique, le signal modulé est envoyé à l'entrée d'une diode de type Schottky (figure 2.14).

Détection de cibles avec le système complet

• Tests avec le démonstrateur
• Problématique des phénomènes de propagation
• Solutions alternatives envisagées pour l'optimisation de la dé-

Nous avons donc choisi la seconde solution basée sur la détection par estimation de la distance radar/cible. A chaque fois, on représente d'abord la puissance reçue en fonction de la distance, puis la distance estimée depuis une opération de traitement. Les modes de détection restent la comparaison à un seuil d'amplitude ou l'estimation de la distance.

Comme déjà expliqué, l'estimation de distance est basée sur la phase du signal reçu.

Conclusions

Il est éclairé par un guide d'onde ouvert situé à une distance h de la lentille. Les mesures comparatives du S11 de la source seule et de celle associée à la lentille sont présentées à la figure 3.22. Dans ce cas, l'aspect d'alignement mécanique de la source avec l'objectif est encore plus sensible qu'à 77 GHz.

Diagrammes de rayonnement en champ lointain à 24 GHz, obtenus avec CST Microwave Studior, lorsque (+) les quatre antennes imprimées et () les deux antennes imprimées centrales sont alimentées : (b) uniquement à partir de la source et (c) à partir de la source avec la lentille à neuf coques.

Distribution d'indice au sein des lentilles

Pour Lubenurg, r0 = 1etr1 → ∞car un point central à l'entrée de la lentille permettra de recevoir une onde plane à grande distance. Pour les lentilles MFE normales, r0 = 1 et r1 = 1 puisqu'à partir d'un point focal sur la lentille sphérique on en trouve un de l'autre côté de la lentille (figure 3.5). Pour l'objectif MFE, par exemple, les points focaux conjugués ne peuvent plus se fixer sur l'objectif, mais s'en éloigner.

Pour le prouver, on peut dire que r0 =a et r1 =a et dans ce cas la distribution de l'indice n à l'intérieur de la lentille est donnée par (Equation) L'intégrale présente dans cette équation 3.8 n'a pas de solution analytique connue, mais peut être calculée numériquement et est donnée dans [6].

Technique de réalisation choisie et d'optimisation de la discré-

Ces lois dites "classiques" permettent ainsi de voir que pour la lentille de Lunebourg la constante diélectrique varie en volume de 1 à l'extérieur à 2 au milieu, alors que cette même constante pour la lentille Maxwell Fish Eye (MFE) varie de 1 à l'extérieur à 4 au milieu. 84 Lentilles à gradient d'indice et sources associées pour minimiser la fonction de coût C qui mesure la différence entre ²thr(r) et ²recr(r) sur le volume de la lentille (équation Si q est choisi égal à inni, cela correspond à faire une optimisation selon le critère minmax. Dans [8], les auteurs ont décidé de choisir l'indice (ou la liquidité) pour choisir l'indice (ou ses équivalents) moyen dans la lentille.

²i =²thr ((ri+1+ri) Enfin, on considère des lentilles uniformes, c'est-à-dire que chaque coquille a la même épaisseur et la constante diélectrique est égale à la constante diélectrique du rayon moyen de la lentille idéale.

Etude des performances des lentilles HMFE et Luneburg en focalisation 87

• Etude des performances des lentilles HMFE en bandes millimé-
• Réalisation et caractérisation d'antennes lentilles HMFE en bande
• Dépointage mécanique du faisceau

De plus, le coefficient de réflexion de la source elle-même est presque le même que celui de la source connectée à la lentille. Cela signifie également qu'il est possible de concevoir la source indépendamment de l'objectif en termes de personnalisation. 94 Les lentilles à gradient d'indice et les sources associées sont identiques à la source quel que soit le nombre de coques (entre 3 et 10).

Les résultats sont donnés par rapport à la position normalisée (z), c'est-à-dire que z=1 correspond à la surface de la lentille (Figure 3.17).

Conclusions

• Introduction et explications
• Matrice de Butler et réseau imprimé passif à 60 GHz
• Antenne multifaisceaux active à 24 GHz basée sur une matrice

Multifaisceau basé sur une matrice de Butler avec dispositif de commutation actif permettant la sélection du faisceau. La matrice de Butler est une configuration bien connue [3] qui permet de fixer des phases dans des éléments rayonnants. Par souci de synthèse, je n'entrerai pas dans trop de détails sur la matrice de Butler elle-même.

Une matrice de Butler passive alimentant un réseau d'antennes à partir de 4 sources est donc conçue pour valider le principe permettant d'assurer l'adaptation.

Antennes à directivité variable

• Introduction et explications
• Circuit de commutation et principe d'adaptation
• Prototype passif
• Prototype actif

Si l'on considère des interrupteurs parfaits (isolement interne entre les états OFF et ON), les diagrammes de rayonnement simulés avec Ansoft Designer et en fonction du nombre d'éléments excités (1 à 4) sont représentés sur la figure 4.15. Dans ce cas, les aiguillages sont des interstices dans les lignes que l'on vient d'ouvrir ou de fermer (figure 4.17). Les diagrammes de rayonnement mesurés sont maintenant présentés pour démontrer la reconfiguration de l'antenne en direction et donc en largeur de faisceau (figure 4.19).

Les coefficients de réflexion simulés avec Ansoft Designer sont donnés à la Figure 4.20(a) et les diagrammes de rayonnement à la Figure 4.20(b) pour une configuration d'émission.

Antennes recongurables pour l'obtention de diagrammes formés et/ou

• Introduction et explications
• Congurations et résultats obtenus
• Prototype lentille + réseau de sources à 24 GHz

Un diagramme de rayonnement de type secteur est obtenu lorsque les 3 sources sont alimentées (a) et un diagramme de type guide lorsque la source centrale n'alimente que la lentille. Une représentation du principe est donnée à la figure 4.27 ainsi que les diagrammes de rayonnement sectoriels dépointés. Les diagrammes de rayonnement du seul réseau à 2 et 4 sources alimentées respectivement sont donnés à 24 GHz (b).

Enfin, la figure 4.28 (c) représente les diagrammes de rayonnement de type directif et sectoriel obtenus avec 2 ou 4 sources pilotées et associées à la lentille HMFE.

Conclusions

Le Garrec, "Etude et conception en bande millimétrique d'antennes reconfigurables basées sur la technologie MEMS", Thèse de l'Université de Rennes 1, 2004. Caillet, "Etude et conception d'un système radar courte portée et d'antennes reconfigurables en bande millimétrique", Thèse de l'Université de Rennes 1, soutenue le 15 novembre 2006. Ces activités sont réalisées dans le cadre de l'étude de la thèse de Thomas Lambard, dont je suis le directeur et en collaboration avec l'ONERA à Toulouse.

Travail sur la simulation et la mesure de la surface équivalente radar (RES) des véhicules dans la bande 77 GHz.

Activités de recherche débutées récemment

• Antennes multicouches dans la bande des 60 GHz
• Etude d'antenne à balayage électronique embarquée sur Drone 155
• Antennes recongurables en bandes millimétriques

On voit bien sur la figure 5.1 l'interconnexion de la partie antenne avec le module actif constitué du MMIC. Etude de 360 ​​déphaseurs analogiques pour assurer les déphasages dans le réseau tout en favorisant un minimum de pertes. Depuis le début de cette thèse, l'essentiel du travail a consisté à travailler d'abord sur l'étude de sources à diagrammes plus ou moins larges pour visualiser l'influence de l'ouverture du faisceau lors du réseau (réduction du gain lors du dépointage des pics).

158 Recherches récemment engagées et perspectives Des études préparatoires sont donc en cours pour comparer ces technologies en termes de pertes et de facilité d'intégration.

Perspectives des activités de recherche

• A court terme
• A plus long terme

Daniel, « Extension de la méthode de cavitation aux pastilles épaisses fendues », Journées nationales du micro-onde, mai 1999, Arcachon. Je suis membre de la commission de spécialistes du 63ème département de l'Université de Rennes 1. Durant ma thèse j'ai été vacataire à l'UFR Structures et Propriétés de la Matière (SPM) de l'Université de Rennes 1.

Depuis 2003, je suis chargé d'organiser les prestations pédagogiques des enseignants impliqués dans les formations du Département d'Electronique de l'Université de Rennes 1.