II-3-Les différentes formes d'une antenne patch
L?antenne patch peut prendre plusieurs formes qui peuvent
être rectangulaire, carré, circulaire ou simplement un
dipôle. Ces formes sont les plus courantes car elles présentent
une grande facilité d'analyse et de fabrication, mais également
un diagramme de rayonnement très intéressant.
La figure suivante montre ces différentes formes [3] :
Carrée Rectangulaire Dipole Circulaire Secteur
d'anneau
Elliptique Triangulaire Anneau Secteur de
Disque
Figure 1:Différentes formes d?antennes
patch
Remarque :
Parmi toutes ces formes, l?élément
rectangulaire est sans contexte le plus facile à appréhender pour
la compréhension des mécanismes de rayonnements des antennes
planaires,
II-4-Les techniques d'alimentations [2]
L?alimentation de l?antenne dépend de la manière
dont l?antenne est intégrée dans le dispositif.
> Alimentation par sonde
coaxiale
Figure 2: Alimentation du patch rectangulaire avec un
câble coaxiale
L'alimentation coaxiale où le conducteur
intérieur est attaché au patch et le
Conducteur externe au
plan de masse est également largement utilisée. Ce type
d'alimentation est facile à mettre en oeuvre et à
adapter. Mais il offre une bande passante étroite.
Parmi ces caractéristiques :
· Pas de pertes par rayonnement de ligne
· Obtention de l?impédance d?entrée par
positionnement de la sonde
· Technique de perçage simple
> Alimentation par ligne microruban
Dans ce cas d?alimentation, on relie une ligne microstrip au
patch. Cette ligne lui amène de l?énergie. Il existe cependant un
inconvénient dans ce type d?alimentation vu qu?elle génère
un rayonnement parasite.
Figure 3: Alimentation du patch rectangulaire par une ligne
microruban > Alimentation par le
couplage par proximité
Ce type d?alimentation Offre la meilleure bande passante, il
est facile à modéliser et présente un rayonnement parasite
faible. La distance entre la ligne d'alimentation et le patch peut être
utilisée pour adapter l'impédance de l'antenne. Le principal
inconvénient de ce type d'alimentation est qu'il est difficile à
mettre en oeuvre.
Figure 4: Alimentation du patch rectangulaire par couplage
II-5-Méthodes d'analyse d'une antenne patch
MICROSTRIP [3]
Elles sont basées sur des équations physiques
de l?électromagnétisme où l?on a fait des
hypothèses simplificatrices permettant d?obtenir des modèles
simples. Néanmoins, les résultats sont approchés. Les
modèles fréquemment utilisés pour analyser les antennes
imprimées sont :
> le modèle de la ligne de transmission
> le modèle de la cavité
électromagnétique
1)Modèle de la ligne de transmission :
Le modèle de la ligne de transmission est plus simple
et il fournit des bonnes
interprétations physiques. Cette
méthode est plus adaptée aux patchs rectangulaires.
Elle permet de les modéliser par des tronçons de
lignes micro-rubans dont les caractéristiques sont bien connues.
Ce modèle permettra d?établir une procédure
de conception d?un patch rectangulaire. a) Calcul des param itres de
l'élément rayonnant [3]
Figure 5: Géométrie du patch microstrip
rectangulaire
La démarche adoptée pour déterminer les
paramètres géométriques du motif imprimé s?articule
autour des deux étapes suivantes :
· Calcul de la permittivité effective en fonction de
la largeur du patch W.
· Calcul de la longueur L du patch en fonction de la
permittivité effective. Nous savons que la propagation des ondes dans
une ligne microruban s?effectue à la fois dans le milieu
diélectrique et dans l?air. Du point de vue modélisation, les
deux milieux sont remplacés par un unique milieu effectif
caractérisé par une constante diélectrique exprimée
par :
)
(
) ( _
)
v
Dans le cas d?un motif rectangulaire, la largeur de la ligne:
~
f v2
La longueur effective :
Figure 6 : La longueur du patch avec fentes
~
Le patch rectangulaire représente une longueur effective
car le rayonnement se base sur la longueur réelle ainsi sur les deux
fentes d?oü ff
a ff ~
f v
u u ~
)( ~ 6 )
_ )( ~ ) ~
On conclut que la longueur réelle du patch est
ff - )
Le calcul des paramètres L et W du patch se fait par des
outils numériques comme Microstrip Patch Antenna
Calculator?
b) Calcul des paramètres de la ligne :[4]
Une ligne microstrip est constituée d'un ruban conducteur
placé sur une face d'un matériau diélectrique dont l'autre
face constitue un plan de masse.
L
Figure 7: Constitution d'une ligne microstrip
On trouve dans la littérature plusieurs
équations empiriques complexes permettant de calculer l'impédance
caractéristique à partir des données
géométriques ou inversement de déterminer les dimensions
permettant d'obtenir une ligne d'impédance donnée. Pour plus de
détails, on pourra se référer à un excellent
article de à E. O. Hammerstad et ont été publiées
en 1975.
Un premier jeu d'équation permet de calculer le rapport
W/h correspondant à une impédance Zo donnée. Pour une
meilleure précision on utilise deux équations différentes
selon la valeur de W/h
p )
)
p ) -
(
a /
- ) )
* B - ) 9 -
h > ,B - - B - ) +- 9)
a B )
v
Les relations précédentes ont été
établies en supposant que l'épaisseur t du conducteur est
très faible devant l'épaisseur h de l'isolant (t/h <0,005).
Dans les autres cas, il faut apporter une correction, la plupart du temps
négligeable. Pour les puristes, voici la relation à utiliser:
Pour W/h > 0,16 (ce qui est toujours le cas dans notre
domaine)
~~ ~ n (
)) )
Pour les impédances caractéristiques faibles
(< 60 ?), la correction peut être ignorée. Dans la pratique, il
existe d'un fournisseur à l'autre une certaine dispersion de la
permittivité relative qui n'a, dans le domaine amateur, que des
conséquences mineures.
Par exemple, pour un microstrip voisin de 50?, une variation
de #177; 10% de la permittivité entraîne une variation de
l'impédance caractéristique inférieure à 5% en sens
inverse. De même une variation de #177; 10% de la largeur de la piste
entraîne une variation de 5 à 6 % de l'impédance
caractéristique (autour de 50?). On voit donc que les microstrips sont
somme toute assez tolérants.
c) COEFFICIENT DE VELOCITE D'UN MICROSTRIP[7]
Dans une ligne microstrip, comme dans un câble coaxial, la
vitesse de propagation de l'onde dépend du matériau isolant et
est inférieure à sa vitesse dans l'air :
)
v
La longueur d'onde ëg dans la ligne microstrip est donc plus
petite que la longueur d'onde dans l'air ë0:
Alors la longueur de la ligne est: )
A titre indicatif, le coefficient de vélocité d'un
microstrip de 50 ? sur verre époxy de 1,6 mm avec 35 microns de cuivre
est de 0,577.
Le calcul numérique ce fait par Microstrip line
Calculator?
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