Simulation et réalisation de l’antenne patch dans la bande 2.4 GHZ 

Mode d’alimentation

Pour acheminer vers l’antenne l’énergie à haute fréquence fournie par l’émetteur ou en sens inverse amener le signal capté par l’antenne jusqu’à l’entrée du récepteur, on utilise une ligne de transmission ou un guide d’onde. Pour obtenir un fonctionnement optimal, l’impédance au point d’alimentation doit être égale à l’impédance caractéristique de la ligne d’alimentation. L’ordrede grandeur des impédances rencontrées est de quelques dizaines (50 ou 75 ohms pour le câble coaxial) et quelques centaines d’Ohms (300 Ohms pour une ligne bifilaire). Outre l’adaptation des impédances, une antenne symétrique (comme le doublet demi-onde) doit être alimentée par une ligne symétrique (comme la ligne bifilaire) ou par un système rendant l’alimentation symétrique et une antenne asymétrique comme l’antenne verticale par une ligne asymétrique : un câble coaxial, par exemple.
Une antenne peut également être alimentée par une ligne de transmission à haute impédance, d’impédance caractéristique 600 Ohms. L’adaptation à une ligne de transmission classique se fait alors à son extrémité. Ce montage est fréquent pour alimenter les éléments individuels d’une antenne rideau.
En hyperfréquences on utilise aussi des guides d’ondes, sortes de tubes de section rectangulaire ou elliptique dans lesquels circulent les ondes. Les guides d’ondes permettent d’acheminer les ondes avec des pertes minimales et supportent des puissances élevées (plusieurs Mégawatts pour un radar de contrôle aérien par exemple).

Le coefficient de réflexion

Durant la propagation de l’onde, lorsqu’une onde incidente change de milieu ; une partie de cette onde incidente est réfléchie et l’autre partie est transmise dans le nouveau milieu. Le coefficient de réflexion Γ et le coefficient de transmission T quantifient ces deux parties, respectivement. La conservation de l’énergie est traduite par :

La fréquence de résonnance et la largeur de bande

La fréquence de résonnance 𝑓 0 est la fréquence pour laquelle l’antenne est la mieux adaptée, c’est-à-dire pour laquelle le coefficient de réflexion est le plus faible.
La bande passante d’une antenne correspond à la bande de fréquence où le transfert d’énergie de l’alimentation vers l’antenne (ou de l’antenne vers le récepteur) est maximal. Mais on peut définir aussi d’autres caractéristiques exigées pour le fonctionnement d’une antenne telle que la polarisation. Il se peut par exemple qu’une polarisation circulaire soit recherchée et obtenue seulement dans une bande de fréquence. Généralement la bande passante correspond à la plage de fréquence pour laquelle le coefficient de réflexion est inférieur de -10dB. [4][6] Mais dans certaines applications, ce niveau peut être relevé à -6 dB ce qui permet relâcher certaines contraintes lors de la conception d’une antenne, c’est le cas, par exemple, pour certaines antennes de téléphone mobile.
La limite sur les critères de fonctionnement de l’antenne se situe donc entre une fréquence minimale 𝑓 1 et une fréquence maximale 𝑓 2 .

L’angle d’ouverture

L’angle d’ouverture ou beamwidth est l’angle existant entre les points dont la densité de puissance de rayonnement est égale à la moitié de la puissance de rayonnement maximum. Il s’agit d’un paramètre crucial de la performance des antennes très directives utilisées dans des liaisons point à point ou alors dans la mise en œuvre d’antennes sectorielles au niveau des stations de base des réseaux de téléphonie sans fil. Il caractérise la largeur du lobe principal. C’est donc une séparation angulaire correspondant à une atténuation de 3dB sur le diagramme de rayonnement comme l’illustre la Figure 1.08.

Gain, directivité et rendement d’une antenne

Ces 3 grandeurs permettent de caractériser la façon dont une antenne convertit la puissance électrique incidente en puissance électromagnétique rayonnée dans une direction particulière. Le gain et la directivité permettent de comparer les performances d’une antenne par rapport à l’antenne de référence qui est l’antenne isotrope.

Le gain

Une antenne, en tant que composante passive, ne peut émettre une puissance plus grande que la puissance qu’elle reçoit mais elle est capable de concentrer cette puissance de façon à ce que la puissance, dans certaines directions de l’espace, semble accrue par comparaison à une répartition isotrope d’énergie rayonnée. Le gain d’une antenne traduit le rapport de la densité de puissance rayonnée par l’antenne sur la densité de puissance rayonnée par l’antenne isotrope de référence, dans la même direction, les deux antennes étant alimentées par la même puissance d’excitation.

La polarisation

La polarisation est un paramètre très important dans la caractérisation d’une antenne du fait que si la polarisation de l’antenne de réception n’est pas accordée sur la polarisation de l’antenne d’émission, la puissance reçue ne sera pas maximale.
La polarisation d’une antenne est déterminée par celle de l’onde radiée dans une direction donnée, elle est identique à la direction du champ électrique. On distingue trois types de polarisations : linéaire, elliptique et circulaire.

Polarisation linéaire

La polarisation est considérée comme linéaire si à chaque instant, le champ électrique est orienté selon une même direction. Elle peut être une polarisation verticale si le plan E est perpendiculaire au sol, et une polarisation horizontale si le plan E est parallèle au sol.

Le bilan de liaison en espace libre : formule de Friis

Lors de l’étude de système de communication sans fil, il est important de connaître la valeur de la puissance reçue par une antenne en fonction de la puissance d’émission, en tenant compte de la distance des antennes et de leur gain. Pour cela, on peut utiliser la formule de Friis. [9] Soit une antenne d’émission de gain maximum 𝐺 𝑒 , et une antenne de réception de gain maximum 𝐺 𝑟 . Elles ont même polarisation et sont séparées d’une distance d. Alors pour une puissance à l’émission 𝑃𝑒, la puissance disponible à la réception 𝑃𝑟, s’exprime par.

Antenne cornet

C’est une antenne utilisée en haute fréquence. Associée avec le guide d’onde rectangulaire, elle est très utilisée comme moyen de transformation de l’onde guidée en onde rayonnée. Son diagramme de rayonnement est directif avec un gain pouvant atteindre 25 dB. On les retrouve, dans toutes les bandes de fréquences, dans de nombreux systèmes tels que les radars, les antennes satellites. Elle présente une qualité de transmission excellente.

Antenne log-périodique

Une antenne log-périodique est une antenne dont l’impédance et le diagramme de rayonnement sont répétitifs selon une loi logarithmique en fonction de la fréquence. Les dimensions des éléments doivent être donc homothétiques le long de la direction de rayonnement principal, c’est à dire dont les proportions respectives sont rigoureusement identiques. Le gain peut atteindre jusqu’à 10 dB et le lobe arrière est minime à -35 dB. Son avantage est qu’elle est indépendante de la fréquence.

Antenne PIFA

Les antennes PIFA ou Planar Inverted F Antenna sont les antennes les plus utilisées dans la téléphonie mobile actuellement. Elles sont constituées d’un plateau métallique rayonnant parallèle au plan de masse. Un des bords du plateau est relié à la masse par un plan de courtcircuit qui constitue la particularité de cette antenne. Le plan de court-circuit peut être plus ou moins large en fonction des propriétés recherchées. Le plateau rayonnant est excité par une alimentation verticale en un point adapté. Le diélectrique entre le plan de masse et le plateau rayonnant est très souvent de l’air même s’il est possible d’utiliser un autre matériau pour assurer un meilleur maintien mécanique de la structure.
Le rayonnement et la polarisation de ce type d’antenne dépendra beaucoup de la forme du plateau rayonnant mais généralement le rayonnement s’effectue dans toute les directions de l’espace, il est parfois possible de se rapprocher du rayonnement isotrope.

Table des matières

REMERCIEMENTS 
TABLE DES MATIERES
NOTATIONS
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 
GENERALITES SUR LES ANTENNES
1.1. Introduction
1.2. L’onde électromagnétique
1.3. Propriétés optiques d’une onde électromagnétique
1.3.1. La réflexion
1.3.2. La réfraction
1.3.3. La diffraction
1.4. Equations de Maxwell
1.4.1. Equations de Maxwell dans le vide
1.4.2. Equation de Maxwell-Gauss
1.4.3. Equation de Maxwell-Thomson
1.4.4. Equation de Maxwell-Faraday
1.4.5. Equation de Maxwell-Ampère
1.4.6. Equations de Maxwell dans la matière
1.5. Equations de propagation en électromagnétisme
1.5.1. Equation de propagation du potentiel vecteur 𝑨
1.5.2. Equation de propagation du potentiel scalaire V
1.5.3. Equation de propagation de 𝑬
1.5.4. Equation de propagation de 𝑩
1.6. Vecteur de Poynting
1.6.1. Vecteur de Poynting dans le domaine temporel
1.6.2. Vecteur de Poynting dans le domaine fréquentiel
1.7. Les antennes et leurs paramètres fondamentaux
1.7.1. Définition
1.7.2. Les caractéristiques électriques de l’antenne
1.7.2.1. Impédance d’entrée
1.7.2.2. Mode d’alimentation
1.7.2.3. Le coefficient de réflexion
1.7.2.4. Rapport d’onde stationnaire
1.7.2.5. La fréquence de résonnance et la largeur de bande
1.7.3. Les caractéristiques de rayonnement de l’antenne
1.7.3.1. Le diagramme de rayonnement
1.7.3.2. L’angle d’ouverture
1.7.3.3. Gain, directivité et rendement d’une antenne
1.7.3.4. La polarisation
1.8. Théorème de réciprocité de Lorentz
1.9. Le bilan de liaison en espace libre : formule de Friis
1.10. Différents types d’antennes
1.10.1. Antenne dipôle
1.10.2. Antenne monopôle
1.10.3. La boucle magnétique
1.10.4. Antenne cornet
1.10.5. Réseau de fentes
1.10.6. Antenne log-périodique
1.10.7. Antenne Yagi-Uda
1.10.8. Antenne parabolique
1.10.9. Antenne PIFA
1.11. Conclusion
CHAPITRE 2 ETUDE DES ANTENNES PATCHS 
2.1. Introduction
2.2. Historique
2.3. Description des antennes patchs
2.3.1. Le patch
2.3.2. Le substrat
2.3.3. Le plan de masse
2.4. Mécanisme de radiation
2.5. Technique d’excitation
2.5.1. L’alimentation par sonde coaxiale
2.5.2. Alimentation par une ligne micro ruban
2.5.3. Alimentation par fente
2.5.4. Alimentation par couplage de proximité
2.6. Méthode d’analyse des antennes patchs
2.6.1. Méthodes approximatives
2.6.2. Méthodes rigoureuses
2.7. Avantages et inconvénients de l’antenne patch
2.8. Applications
2.9. Conclusion
CHAPITRE 3 . SIMULATION ET REALISATION DE L’ANTENNE PATCH DANS LA BANDE 2.4 GHZ 
3.1. Introduction
3.2. La bande 2.4 GHz
3.3. Description des modules à simuler
3.4. Conception de l’antenne patch
3.4.1. Dimensionnement de l’antenne patch
3.4.1.1. Dimensions du patch
3.4.1.2. Dimensions du substrat
3.4.1.3. Dimensions du plan de masse
3.4.1.4. Point d’alimentation
3.4.2. Calcul des dimensions de l’antenne patch par le logiciel Ansoft Antenna design kit
3.5. Simulation de l’antenne patch
3.5.1. Présentation du logiciel HFSS
3.5.2. Influence du type de substrat sur les caractéristiques de l’antenne
3.5.2.1. Simulation de l’antenne patch en utilisant le Duroid 5880
3.5.2.2. Simulation de l’antenne patch en utilisant le FR4_Epoxy
3.5.2.3. Simulation de l’antenne patch en utilisant le Rogers RO3006
3.5.2.4. Interprétations des résultats
3.5.3. Influence de l’épaisseur du substrat sur les caractéristiques de l’antenne patch
3.5.3.1. Simulation de l’antenne patch en utilisant le Duroid d’épaisseur 2.5mm
3.5.3.2. Simulation de l’antenne patch en utilisant le Duroid d’épaisseur 3mm
3.5.3.3. Interprétations
3.5.4. Effet du mode d’alimentation sur le comportement de l’antenne patch
3.5.4.1. Simulation de l’antenne patch alimentée par une sonde coaxiale
3.5.4.2. Simulation de l’antenne patch alimentée par une ligne micro ruban
3.5.4.3. Interprétation des résultats
3.6. Réalisation de l’antenne patch
3.6.1. Dimensions de l’antenne patch réalisée
3.6.2. Caractéristiques de l’antenne patch réalisée
3.6.3. Matériels utilisés
3.7. Conclusion
CONCLUSION GENERALE 
BIBLIOGRAPHIE
PAGE DE RENSEIGNEMENTS
RESUME
ABSTRACT