Développement d’antennes millimétriques en bande W

Visite invitée : chercheur invité à l'ENRI en mars 2002 dans le cadre de JSPS (Japan Society for Promoting Science). Depuis janvier 2006, l'activité sur les antennes millimétriques menée au laboratoire intègre ACE, (Antenna Center of Excellence), réseau d'excellence sur les antennes dans le cadre du WP 2.1.1 intitulé "mmWave antennas".

Antennes millimétriques pour radars embarqués

Introduction – historique des travaux menés

Outre le développement du radar 94 GHz réalisé à l'ENRI, d'autres applications des radars dans le domaine millimétrique arrivent à maturité. Toujours dans le domaine automobile, citons également les travaux réalisés sur les radars de proximité dans la bande 22-29 GHz [6,13-14].

Etat de l'art

• Spécificité des antennes pour radar millimétrique de détection d'obstacle
• Réflecteurs de Fresnel millimétriques

Des antennes à réflecteurs imprimés alimentés quasi optiquement, comme les réflecteurs de Fresnel imprimés [40-42] ou les réflecteurs [43-44], sont apparus depuis la fin des années 1980. Dans le cas d'une lentille ou d'un réflecteur de Fresnel, l'indice de correction correspond aussi à la précision.

Description de l'application visée

• Contexte général
• Cahier des charges

La distance de détection maximale, fixée par les pilotes, est de 800 m et conditionne le choix de la fréquence 94 GHz. Cet inconvénient provient du développement séparé de la partie antenne et du reste du système.

Méthode de conception des réflecteurs

• Choix des cellules élémentaires du réflecteur
• Courbes de phase réfléchies – méthode de simulation
• Cellules circulaires, annulaires et combinées
• Cellules en C
• Mesures

A titre de comparaison, nous donnons sur la figure 1.9 la courbe de la phase réfléchie par une tache carrée dans les mêmes conditions. La mesure de la phase réfléchie par les cellules nous permet de valider partiellement notre méthode de conception.

Sources primaires

• Critères de choix
• Solutions envisagées
• Antenne Vivaldi
• Comparaison des sources primaires – solution retenue

La figure 1.23 présente une comparaison des mesures du coefficient de réflexion de l'antenne 1.22 avec une section de guide d'onde standard et celle effectuée au LEAT. Nous observons un bon accord entre la simulation et les mesures, à l'exception de la polarisation croisée dans le plan H.

Réalisations

• Cas d'école : le réflecteur de Fresnel demi-onde
• Réflecteur de Fresnel hybride: huitième et quart d'ondes
• Simulations
• Mesures
• Réflecteur replié
• Principe de fonctionnement
• Simulations
• Mesures
• Comparaison des performances

Une solution alternative pour réduire le couplage du FSS consiste à utiliser un patch diélectrique coincé dans la zone du réflecteur faisant face à la source primaire. En effet, contrairement au simple réflecteur, il n'est que la partie rayonnante de la source primaire.

Mesures en vol

• Système complet
• Le radar
• Mesures en vol
• Protocole de mesure
• Comparaison des différentes antennes

La figure 1.54.a est l'image vue par le pilote avant incorporation du signal diffracté des cibles tandis que sur la figure 1.54.b, les lignes haute tension détectées par le radar ont été ajoutées et colorées. a) - avant la détection de la cible (b) - après la détection de la cible. L'impact de la bande passante RF, ici 2,5 fois supérieure au radar précédent, est bien visible sur la sensibilité du radar.

Rebeiz, "Double-Slot Antennas on Elongated Hemispherical and Elliptical Silicon Dielectric Lens", IEEE-MTT, Vol. Parini, “A monolithic active conical horn antenna array for millimeter and submillimeter wave applications”, IEEE Trans. Himdi, "Design and Characterization of Half Maxwell Fish-Eye Lens Antennas in Millimeter Waves", IEEE-MTT, vol.

Spatial demultiplexing in the submillimeter waveband using a multilayer freestanding frequency selective surface”, IEEE Trans.

Réseaux réflecteurs et lentilles diélectriques

Introduction – Historique des travaux menés

Le besoin d'un outil de modélisation rigoureux s'est accru avec le développement accéléré des réseaux réflexifs au cours de la dernière décennie [3] et l'ajout de fonctions de plus en plus complexes [4] telles que les circuits actifs ou la synthèse de diagrammes [5]. Cependant, nous sommes confiants dans l'avenir, d'autant plus que des travaux récents ont montré que les réseaux réflecteurs et les antennes à ouverture rayonnante peuvent être rigoureusement simulés [12-13]. Les premières études démontrent les améliorations et les limites d'une telle source appliquée aux réseaux réflectifs.

D'autre part, des études préliminaires réalisées sur de petits réseaux de réflecteurs montrent que l'efficacité d'ouverture augmente à mesure que la taille de la cellule diminue.

Efficacité d'ouverture

A ces pertes s'ajoutent celles de la source primaire ainsi que l'éventuelle désadaptation de l'antenne (réflecteur ou lentille + source primaire). La forme en cloche s'explique par la variation inverse de l'efficacité du cône à celle du débordement (figure 2.2.b). Cette dernière est très élevée lorsque θ0 est grand, c'est-à-dire pour un diamètre de réflecteur donné, lorsque le foyer est grand, ce qui oblige à disposer d'une source primaire directionnelle (n élevé).

Lorsque la loi de relief ne varie pas en cosnθ, les formules ci-dessus sont dépassées et leur calcul plus complexe.

Développement d'un programme d'aide à la conception par la théorie des rayons

• Théorie
• Diagramme de rayonnement
• Prise ne compte du masquage
• Couplage entre source primaire et réflecteur
• Programmation
• Validation du programme
• Théorème de Parseval

L'ombre de la source primaire crée une tache de diamètre d0 à la surface du réflecteur, ce qui modifie la contribution de cette zone au rayonnement global. L'ouverture équivalente du réflecteur ainsi assemblé est modélisée et assimilable au disque de la figure 2.6. La loi lumineuse de la source primaire est déterminée à partir du fichier de mesure du plan E de cette source.

En pratique, on calcule ce que l'on appelle "Power Parseval" en sommant les coefficients d'amplitude de la source primaire sur le réflecteur.

Influence de la taille des cellules des réseaux réflecteurs

• Application à un réseau carré de 5λ
• Réseau carré de 15λ de côté
• Etude de petit réseaux -phase totale réfléchie

La compensation de phase dans les zones réduit la valeur de densité de puissance sur l'axe car la phase n'est pas entièrement compensée pour toutes les cellules. En effet, les simulations à incidence oblique ont montré que la valeur de phase corrigée par la couronne non remplie est différente de celle calculée à incidence normale. Les résultats répertoriés dans le tableau 2.2 montrent que la connexion au réseau n'affecte pas la valeur de phase réfléchie par une cellule individuelle.

De la même manière, une zone insuffisamment corrigée peut produire une erreur de phase plus importante que calculée en théorie.

Influence de la source primaire – Utilisation de fonctions prolate sphéroïdal

• Contexte
• Validation théorique
• Validation expérimentale
• Réseaux réflecteurs
• Lentilles diélectriques

Cependant, une loi d'amplitude cos19θ, bien qu'éloignée de la loi d'amplitude prolate (Figure 2.16.a), est une bonne approximation de l'efficacité globale de la fonction prolate, comme le montre la Figure 2.17.b. La figure 2.18.b montre la géométrie et les performances de la source sur toute la bande W. Le cornet est optimisé autour de la fréquence 94 GHz. a) diagrammes dans le plan E à 94 GHz -Comparaison avec la fonction prolate. eff_cosinus^5 eff_prolate eff_cosinus^38. b) - caractéristiques de la source prolate - simulations entre 75 GHz et 111 GHz.

Cette dernière dégrade également les performances du réflecteur avec la source prolate, comme le confirment les simulations de la Figure 2.19.b.

Lentilles millimétriques large bande

• Contexte – Etat de l'art
• Lentille pour radar automobile et métrologie
• Lentille ULB améliorée
• Lentille de Fresnel hybride
• Conception
• Fabrication
• Performances

Ce dernier, dont les paramètres géométriques sont représentés sur la Figure 2.27.b, est très efficace sur toute la bande W (Figure 2.27.d). La lentille de Fresnel a été introduite en 1822 par Augustin Fresnel pour démontrer la diffraction de la lumière. L'utilisation de deux diélectriques au lieu d'un avec une constante plus élevée réduit les réflexions internes de la lentille.

La figure 2.31 présente une comparaison des gains obtenus dans la simulation à 94 GHz lorsque le diamètre de la lentille D varie.

Conclusion et perspectives

Matsui, “Radiation characteristics and performances of millimeter wave horn-fed Gaussian beam antennas” IEEE Trans. 43] Ronan Sauleau, Barbara Chantraine-Barès, “A Complete Procedure for the Design and Optimization of Arbitrarily Shaped Integrated Lens Antennas”, IEEE Trans. Wiltse, "Millimeter-wave characteristics of phase-corrected Fresnel zone plates", IEEE-MTT., vol. MTT- 35, p.

Fernandez, “Indoor Signal Focusing Using a Fresnel Zone Plate Lens Attached to a Building Wall,” IEEE Trans.

Métrologie des antennes. Mise en place de la mesure du diagramme de

Introduction - Historique des travaux menés

Mise en place du système de mesure – Validation

• Description succincte
• Dynamique et seuil de sensibilité de la chambre
• Directivité
• Validation
• Comparaison avec l'IETR
• Comparaison avec le MWT, Université d'Ulm
• Validation du calcul de la directivité
• Réflecteur de Fresnel hybride
• Lentille diélectrique prolate
• Antenne cornet
• Mise en défaut de la chambre pour la mesure de grandes antennes

Pour cette raison, le calcul de la direction se résume à l'intégration des diagrammes mesurés dans la chambre anéchoïque. De plus, la comparaison de polarisation croisée est toujours difficile en raison des faibles valeurs en jeu. Cette fréquence a été choisie en raison de la forme quelque peu complexe du diagramme du plan E.

En revanche, la déformation du diagramme de rayonnement en fonction de la distance de mesure est représentée sur la figure 3.9.b.

Etude et implantation d'une base - compacte à lentille diélectrique

• Cahier des charges
• Premières mesures
• Lentille en téflon
• Lentille en PVC
• Changement de la loi d'éclairement
• Modélisation
• Mesures
• Simulations de la base compacte
• Impact du filtrage des modes
• Simulations
• Loi d'amplitude fortement atténuée
• Loi d'éclairement prolate
• Insertion de serrations

La différence d'éclairement entre le centre de la lentille et les bords est de 1 dB. Dans cette mesure, nous cherchons à vérifier la structure d'onde plane résultant de la lentille. a) - lentille en téflon (b) - système de mesure en champ proche. Dans cette configuration, l'AUT est situé à environ 40 cm de la surface plane de la lentille.

Le terme loi -x dB définit l'amplitude relative x de la loi de luminance aux bords de la lentille.

Conclusions et perspectives

Tauber GHz radiation measurements for the plank satellite radio frequency qualification model”, 1st European Conference on Antennas & Propagation (EuCAP Nov 2006, Nice, France). 17] Tomi Koskinen et al., “Experimental study on a compact hologram-based antenna test range at 650 GHz”, IEEE-MTT., vol.53 No. Chen, “New plane spectrum formulations for the near fields of circular and strip apertures,” IEEE.

Oleson and Anthony Denning, “Millimeter Wave Vector Analysis Calibration and Measurement Problems Caused by Common Waveguide Irregularities,” available at Google Web address.

Antennes planaires -intégration de fonctions actives

Antennes alimentées par des guides d’ondes coplanaires

• Antenne planaire à polarisation circulaire
• Antennes uniplanaires
• Alimentation en parallèle
• Alimentation série / parallèle

L'antenne, illustrée à la figure 4.6, possède deux accès, l'un pour le mode pair, l'autre pour le mode impair. Le circuit équivalent complet est donné en figure 4.7.b et la comparaison entre simulations et mesures du coefficient de réflexion en figure 4.7.c. Le schéma équivalent est donné en figure 4.8.b, comparaison avec les mesures, en figures 4.8.c et 4.8.d.

Enfin, le même principe est appliqué au développement d'un réseau de quatre antennes Vivaldi représenté sur la figure 4.10.a.

Insertion de fonctions actives

• Dépointage discret de faisceau par commutation d’amplificateur sur un réseau série
• Répéteur à diversité de polarisation
• Doubleur de fréquences

L'avantage de cette structure est sa facilité de polarisation puisque l'amplificateur ne nécessite qu'une seule tension de polarisation VDS, qui peut être appliquée directement sur D, D et S étant naturellement isolés de la structure. Le doubleur présenté ici, basé sur l'effet push, consiste simplement à insérer deux transistors FET (T1 et T2) à l'intérieur de l'antenne. Le point de polarisation des transistors se trouve expérimentalement à VGS1 = VGS2 = -2 V et VDS = 1,95 V, afin d'obtenir le niveau maximum de second harmonique, soit -2 dBm à 8,8 GHz pour une puissance injectée de 0 dBm.

L'effet push-push est créé par l'opposition de phase dans l'axe de Vivaldi, la bande passante angulaire du système est donc très faible (10°).

Conclusion et perspectives

Braun et al., "Expériences de génération et de transmission de micro-ondes optiques dans la région 12-60 GHz pour les communications sans fil", IEEE MTT., Vol. Les travaux présentés dans cette thèse s'articulent principalement autour de la thématique des antennes millimétriques, que je développe au laboratoire depuis 2001. Sous ma direction, le laboratoire a dû procéder à des évolutions structurelles concernant :. systèmes de mesure, - savoir-faire mécanique.

Schoebel et al., “Design Considerations and technology Assessment of Phased-Array Antenna Systems With RF MEMS for Automotive Radar Applications”, IEEE-MTT, Vol.

Elément polarisant

Programmation du diagramme de rayonnement d'un réseau réflecteur

• Description du problème
• Modélisation du réseau réflecteur
• Champ rayonné
• Calcul détaillé
• Calcul du champ électrique rayonné par cellule
• Calcul du champ électrique total dans la direction θ, ϕ
• Puissance rayonnée
• Théorème de Parseval
• Diagramme de rayonnement
• Exemples
• Calcul de la puissance rayonnée par le théorème de Parseval
• Diagramme dans le plan ϕ=90°
• Diagramme dans le plan ϕ=0°
• Diagramme dans un plan ϕ0 quelconque
• Approche réseau
• Calcul du champ électrique rayonnée par cellule

Cependant, pour les petits réseaux l'hypothèse contenue en disant que l'ouverture rayonne principalement autour d'Oz, ce qui implique que le gain est important (de l'ordre de 30 dB), n'est pas vérifiée du fait de la petite taille de celui-ci. La puissance rayonnée est aussi l'intégrale de la densité de puissance rayonnée sur la sphère de rayon r. Calcul de la puissance rayonnée par le théorème de Parseval Si le champ est uniforme, chaque cellule est soumise à aij=E0, c'est-à-dire Si le champ est uniforme, chaque cellule est soumise à aij=E0, c'est-à-dire.

Cependant, cette formulation devient plus complexe lorsque le champ électrique tangent au réseau n'est pas uniforme.

Liste des publications depuis la thèse

Liste des stagiaires ou doctorants encadrés

Curriculum Vitae

Radar de détection d'obstacle intégré de l'Université d'Ulm

Depuis décembre 2004, nous collaborons avec le Département de technologie des micro-ondes (MWT) de l'Université d'Ulm sur un projet Procope. Lorsque le chercheur Winfried Mayer est venu au MWT en décembre 2005, un radar de détection de 77 GHz a été assemblé à partir d'un système existant développé en collaboration avec EADS. Bien qu'il s'agisse d'un système expérimental, les différents blocs qui composent le frontal sont réalisés avec les composants MMIC les plus modernes actuellement sur le marché ou développés spécifiquement pour cette application.

Filtre passe-haut IF pour compensation de fréquence : 10 dB/dec fIF=1 MHz Gain récepteur (réglable) : de -60 à 22 dB pour fIF=4 MHz.

Conclusions et perspectives

• Découpage du réseau