FORMATION DE FAISCEAU Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques

FORMATION DE FAISCEAU Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 1

PLAN DU COURS Introduction Historique, généralités Caractéristiques des antennes Partie I : Antennes compactes Partie II : Antennes larges bandes Partie III : Antennes à polarisation circulaire Partie IV : Antennes grand gain Partie V : Formation de faisceau Partie VI : Antennes intelligentes Partie VII : MIMO Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 2

PRINCIPE L’association de plusieurs éléments rayonnants en réseau permet de combiner leur capacité de rayonnement pour augmenter le gain dans une direction particulière. On sait que de faire varier la phase relative appliquée en entrée de chacun des éléments autorise le décalage de l’axe du lobe principal de l’antenne globale. A partir d’un réseau donné, on peut donc faire varier, dynamiquement ou non, l’orientation privilégiée du gain en jouant sur les alimentations des divers éléments. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 3

PERSPECTIVES Suivi de cible Augmentation de capacité Antennes adaptatives MIMO Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 4

STRUCTURE GENERALE Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 5

COUVERTURE MULTI-FAISCEAU Le but est alors de pouvoir couvrir un angle donné par le balayage d’un faisceau de gain élevé (au lieu d’un large faisceau faible gain) Pour obtenir une couverture optimale, il faut alors que les faisceaux se recoupent au plus à –3 dB La fonction caractéristique à amplitude constante donne une loi en sin u/u sin(u)/u -4 - 0 -0,3 u On peut se contenter de valeurs de phases discrètes et non continues Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 6

LIMITATION Une relation coexiste entre l’ouverture et le niveau des lobes secondaires : si l’ouverture diminue, le niveau des lobes secondaires augmentent et vice-versa. Pour un réseau d’antennes linéaire de pas d avec un faisceau pointant dans une direction donnée ( ) au voisinage de la normale au réseau, et pour un nombre important N d’éléments rayonnants, l’ouverture est donnée par 0,8858 B Nd cos α Bα (a) (b) Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 7

STRUCTURE GENERALE Pour diminuer le niveau de lobes secondaires, on peut faire varier l’amplitude des alimentations pondération d’amplitude Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 8

INTERET DE LA PONDERATION D’AMPLITUDE Illustration : l’antenne cosécante-carrée But : supprimer les zones non couvertes proches des antennes (dues aux lobes secondaires) Emetteur cos ec 2 G cos ec 2 0 0 H Zone de réception sol d d max d Pr Pe.Gr. H .sin( 0) 2 ne dépend plus de la distance Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 9

ANTENNE COSECANTE CARREE 0 théta0 1 théta0 3 Gain (dB) -10 25 dB 35 dB Diagramme théorique -20 -30 -40 70 80 90 50 60 20 30 40 -10 0 10 -40 -30 -20 -60 -50 -90 -80 -70 -50 théta ( ) 15 Gain in dB 10 5 Diagramme réalisé avec 8 éléments 0 -5 -10 -15 -20 -90-80-70-60-50-40-30-20-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Angle in degrees Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 10

ANTENNE COSECANTE CARREE Lois de pondération 40 mm Structure réalisée 3.5 mm Résultats sur la couverture Zones de non réception p u is s a n c e re ç u e e n d B sonde coaxiale -70 Avec une antenne directive -80 Seuil de réception Avec une antenne en cosécante carrée -90 -100 -110 -120 0 250 500 dmax 750 1000 distance en mètre Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 11 1250 1500

RESEAU DE DISTRIBUTION En technologie imprimée, les alimentations sont réalisées par les lignes microrubans Le design de ces lignes doit prendre en compte : -la stabilité des phases; -le niveau des amplitudes; -le minimum de pertes; -la réduction des couplages parasites. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 12

REPARTITEURS DE FAISCEAUX Si on veut commuter entre divers pointages de faisceaux, on peut soit utiliser des systèmes d’alimentations actifs (amplis variables pour les amplitudes et déphaseurs) ou des circuits passifs. Dans ce dernier cas, pour chaque direction de lobe désirée, il faudrait en théorie un circuit de distribution différent. En réalité, on utilise des circuits permettant, suivant l’entrée choisie, d’appliquer les phases voulues aux antennes. C’est ce que l’on appelle les répartiteurs de faisceaux passifs. les types quasi-optiques, entraînant un arrangement hybride, soit d’un réflecteur, soit d’un objectif de lentille avec un réseau d’antennes, les types circuits en technologie microruban (microstrip), ligne suspendue (stripline) ou encore en guides d’onde. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 13

LA LENTILLE DE ROTMAN Type quasi-optique source linéique contour extérieur linéique, ouverture rayonnante sondes RF câbles coaxiaux RF contour intérieur de la lentille C1 lentille à plaques parallèles pour recevoir ou transmettre cornets d’entrée Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 14

LA LENTILLE DE ROTMAN Y F1 d Arc focal circulaire de rayon R P(x,y) F R Entrées de la lentille x Périphérie intérieure C1 de la lentille y α G X α Centre de l’arc focal G F2 Lignes de transmission de différentes longueurs électriques sorties de la lentille sur le contour C1 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes Sources en réseau 15 Front d’ondes

LA LENTILLE DE ROTMAN Exemple de système radar à 94 GHz 10 antennes, couverture 30/-30 par pas de 3,3 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 16

LA LENTILLE DE ROTMAN Exemple de système de communications indoor 27 à 30 GHz Transposition du principe en technologie imprimée : 11 antennes, couverture 60/-60 par pas de 15 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 17

LA LENTILLE DE ROTMAN Exemple en technologie stripline Répartition en lignes et colonnes : 9 entrées, 25 sorties dépointage en 2D Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 18

LA MATRICE DE BLASS Type circuit 1 2 3 N M ports d’entrée Réseau de N sources Conception très complexe 1 2 3 Ligne transverse M Ligne de ramification coupleur charges Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 19

LA MATRICE DE BLASS Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 20

LA MATRICE DE BUTTLER Type circuit (parallèle) A Phases fixes 45 B - 45 C 45 3 dB 90 hybrides Coupleur 4.77 dB gradients ( m) : matrice binaire : - 1R : 90 - 1L : - 90 croisement matrice non-binaire : - 1R : 60 - 2R-L :-180 - 1L : - 60 1R 2RL (a) (b) Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 21 1L

LA MATRICE DE BUTTLER Gradients de phase des matrices 4x4 Standard 1R : 45 / 1L : - 45 2R : 135 / 2L : -135 180 90 Non standard 180 90 1R : 90 / 1L : - 90 2R-L : 180 / 0 : 0 90 déphaseurs 180 1R 1L 180 1L 1R 2R-L -45 90 coupleurs 3-dB 0 -45 90 entrées RF 1R 2L 2R (a) Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes (b) 22 1L

LA MATRICE DE BUTTLER Matrices 4x4 sans croisements Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 23

COMPARATIF Type de répartiteur de faisceaux Gamme de couverture typique Taille d’ouverture typique Niveau des lobes secondaires typique Capacité de la bande passante Efficacité typique Lentille de Rotman 45 10 -20 dB 4:1 63% Matrice de Blass 60 15 -13 dB 1% 75% Matrice de Butler 60 16 -13 dB 2:1 40% pour une matrice 32x32 Large bande : Rotman Peu de faisceaux (2 ou 3) : Blass Tout autre cas : Buttler Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 24

SYSTEME OPTIQUE Tout le système de distribution est réalisé par des fibres optiques réalisant les retards, reliés à des photodiodes fournissant la puissance voulue. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 25

SYSTEME OPTIQUE parfaitement linéaire en fréquence Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 26