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TELECOM2013 & 8me JFMMA Mars 13-15, 2013 Marrakech MAROC
CONCEPTION DUNE ANTENNE PIFA TRIBANDE AVEC FENTE
POUR INTEGRATION SUR LES STATIONS MOBILES DE
RESEAUX DE TELECOMMUNICATIONS 1
A. El Ouadih*, 1
A. Oulad-Said*, 2
M. M. Hassani
1 Ecole Royale de lAir, Laboratoire des hyperfrquences, Marrakech, Maroc
2 Facult des Sciences Semlalia, Laboratoire dElectronique et Instrumentation, Marrakech, Maroc
Email : [email protected] ; [email protected] ; [email protected]
Abstract : This article describes the design of a tri-band probe-fed square patch antenna and presents the results of simulation by using the HFSS simulator. The designed antenna should work in GSM 900 band, DCS 1800
band and the WLAN band with the respect of IEEE and GSM specifications. The simulation gave the mean
antenna characteristics such as S11 parameter, gain, VSWR, Impedance and VSWR bandwidth, field and
polarization purity. The designed antenna should by carried on GSM terminals.
Key words: tri-band, square patch probe fed antenna, HFSS, GSM, WLAN.
I. INTRODUCTION Lavnement des rseaux locaux et mtropolitains sans fil (notamment la norme IEEE 802.11 des
WLAN) a ouvert de grandes opportunits pour les
utilisateurs du rseau GSM pour pouvoir se
connecter au rseau Internet. Ce qui ntait pas offert sans passer par un rseau 3G ou au moins
GPRS ou EDGE. Les stations mobiles GSM
peuvent donc soffrir gracieusement une connexion internet via un rseau Wifi.
Lobjet de cet article est de dcrire la conception dune nouvelle antenne de type PIFA qui puisse travailler dans les deux bandes du GSM qui sont
(880-960 Mhz) pour GSM 900 et (1710-1880Mhz)
pour le GSM 1800 appel aussi DCS, ainsi que la
premire sous bande ISM utilise en Wifi (2400-
2483,5 Mhz).
Lantenne PIFA (Planar Inverted-F Antenna) est une antenne quart donde intgre et miniature en la comparant avec des antennes monopoles. Aussi,
elle prsente de bons avantages par rapport une
antenne patch traditionnelle (cot et facilit de
fabrication, petite taille, profil plus mince, bande
passante, SAR).
Elle se caractrise principalement par la prsence
dune plaque ou longuette qui joue le rle dun court-circuit entre le patch rayonnant et le plan de
masse comme le montre la figure 2 o h est la
hauteur du court circuit, W sa largeur et D la
distance sparant le court- circuit du point
dalimentation de lantenne patch
Figure 1 : Lantenne PIFA (vue latrale)
Figure 2 : Lantenne PIFA (vue den dessus)
La frquence de rsonnance dune antenne PIFA est approche par lquation (1) :
(1)
Avec L1 et L2 les dimensions du patch rayonnant et
la longueur donde calcule pour le milieu sparant le patch et le plan de masse.
TELECOM 2013 & 8me JFMMA
II. Description de lantenne
Lantenne propose est une antenne constitue dun patch carr dune largeur W= 64 mm et dune longueur L=29.3 mm plac sur un substrat de
mmes dimensions utilisant comme matriau le
FR4_epoxy caractris par une permittivit relative
de 4.4, une permabilit relative de 1, la tg des pertes dilectriques=0.02 et une paisseur e =0.8
mm. Le patch a une hauteur h de 11 mm. Il est li
au plan de masse travers une longuette de mme
hauteur et de largeur 3 mm. Le plan de masse a
comme dimensions 90 mm et 64 mm. Le patch est
aliment via une ligne coaxiale dimpdance caractristique 50.
Figure 3 : Lantenne conue par HFSS
Une rainure de type triangulaire de cts 31.2 mm
et de base 34.6 mm et une paisseur fine de 0.5 mm
est imprime sur le patch. Au milieu du triangle est
imprim un rectangle de dimensions 14.5 mm et
14.2 mm avec une discontinuit de 0.1 avec le reste
de la surface triangulaire (figure 3).
Les dimensions de la forme rectangulaire du patch
devraient dterminer la frquence rsonnante de la
bande GSM 900. Puis, les dimensions de la forme
triangulaire au sein du patch devraient dterminer la
frquence rsonnante de la bande DCS 1800 et
enfin, les dimensions de la forme carre la plus
proche de lalimentation devraient dterminer la frquence rsonnante de la bande WLAN autour de
2.45GHz.
III. Simulation par HFSS
Le simulateur HFSS: HFSS (High Frequency Simulator Structure) est un
simulateur en hyperfrquences de trs hautes
performances qui modlise et simule en 3D les
champs globaux rayonns par les structures
hyperfrquences (antennes, filtres, guides,
connecteurs, cartes PCB.) et fournit des caractristiques pour les antennes comme (gain,
SAR, VSWR, Sij..).Il se base sur le modle des lments finis qui consiste rsoudre les quations
du champ en des points discrets dfinis dune faon ordonne dans le domaine complet de la structure.
Il rsout directement les quations de Maxwell sous
leur forme diffrentielle en remplaant les
oprateurs diffrentiels par des oprateurs de
diffrence ralisant ainsi une approximation par
discrtisation.
Rsultats de la simulation :
Pour la bande GSM 900
Coefficients de rflexion ou perte de retour
Le paramtre S11 est donn par la courbe de la
figure 4. On remarque un pic de S11 = -38 dB autour
de 925 MHz. Pour ceci, un balayage plus fin est
refait dans la bande GSM900 entre 890 MHz et 960
MHz, o aura comme rsultats, selon la figure 5,
S11 = -38,57 dB pour une frquence centrale de
925.6 Mhz fournie en exactitude par les tables de la
simulation.
Figure 4 : S11 en fonction de f pour un
balayage de la bande 600 MHz-1200 MHz
Figure5 :S11 en fonction de f pour un
balayage de la bande GSM 900 [890 MHz-960
MHz]
TELECOM 2013 & 8me JFMMA
La largeur de la bande :
Toute la bande GSM 900 a un S11 compris entre
-15 et -38 dB. Encore, plus de 180 MHz de largeur
a un S11 meilleur que 8 dB. La simulation nous
donne pour VSWR la courbe de la figure 6 :
Figure 6 : Courbe de VSWR pour la bande
GSM 900 [890 MHz-960 MHz]
Avec les tables fournies par la simulation pour la
bande [890MHz- 960MHz], ou aura un
VSWR=1.02 pour la frquence de rsonnance de
925 MHz et un VSWR infrieur 1.41 :1 pour
toutes les frquences allant de 890 MHz au 960
MHz , une largeur de bande gale donc 70Mhz en
qui constitue 7.56% relativement la frquence
centrale.
Impdance au point dalimentation
Limpdance au point dalimentation est fournie par
les abaques et les tables de simulation. Elle varie
entre 35 et 41 suivant la frquence du travail ce
qui constitue un raccordement assez bon et qui
pourrait tre amlior pour une parfaite adaptation.
Diagramme de rayonnement
Pour le diagramme de rayonnement, les plans E et
H correspondent pour notre cas aux plans (xz) et
(yz). Les rsultats concernant les champs pour Phi
gal 0 et 90 sont donns par la figure 9a, 9b
et9c.
Figure 7:Diagramme de rayonnement plan E
Pour la bande DCS 1800
Coefficients de rflexion ou perte de retour
Le paramtre S11 est donn par la courbe de la
figure 8. On remarque un pic de S11 = -22 dB autour
de 1782 MHz.
Figure 8 : S11 en fonction de f pour un
balayage de la bande DCS 1800 [1710 MHz-
1880 MHz]
La largeur de la bande :
Lantenne offre une bande de 84 MHz pour laquelle
on nous avons un coefficient S11 meilleur que -7
dB. La simulation nous donne pour VSWR la
courbe de la figure 9 :
Figure 9 : Courbe de VSWR pour la bande DCS
1800 [1710 MHz-1880 MHz]
les tables fournies par la simulation pour la bande
[1710 MHz 1880 MHz], ou aura un VSWR=1.17
pour la frquence de rsonnance de 1782 MHz et
une un bande 1 :2 VSWR gale 110 MHz.
Impdance au point dalimentation
Limpdance au point dalimentation est fournie par
les abaques et les tables de simulation. Elle varie
entre 35 et 90 suivant la frquence du travail ce
qui constitue un raccordement assez bon et qui
pourrait tre amlior pour une parfaite adaptation.
Pour la bande ISM 2.45 MHz
Figure 10: S11 en fonction de f pour un
balayage de la bande [2200MHz-2600MHz]
Coefficients de rflexion ou perte de retour
Le paramtre S11 est donn par la courbe de la
figure 10. On remarque un pic de S11 = -18 dB
TELECOM 2013 & 8me JFMMA
autour de 2450 MHz.
La largeur de la bande :
Lantenne offre une bande de 62 MHz pour
laquelle on nous avons un coefficient S11 meilleur
que -7 dB. La simulation nous donne pour VSWR
la courbe de la figure 11 :
Figure 11 : Courbe de VSWR pour la bande
[2200MHz-2600MHz]
Avec les tables fournies par la simulation pour la
bande [2200MHz-2600MHz], nous aurons un
VSWR=1.21 pour la frquence 2.4 Ghz et un
VSWR infrieur 2:1 pour une bande de 62 MHz.
Impdance au point dalimentation
Limpdance au point dalimentation est
relativement grande et une solution pour amliorer
ladaptation est possible en excutant un
raccordement plus fin au niveau du point de
lalimentation.
IV. Conclusion Les rsultats de la simulation de lantenne par HFSS en matire de largeur de bande sont groups
dans le tableau 1.
Valeur obtenue
par HFSS
Spcifications
par les normes Ecart relatif
GSM et IEEE
GSM 900 DCS 1800 ISM 2.45
> 70 MHz 110 MHz 62 MHz
70 MHz 0% 170 MHz 35% 83.5 MHz 25%
Tableau 1 : comparaison des rsultats aux spcifications en matire de bande passante
Discussion Les rsultats sont trs bons pour la bande GSM
900 et en parfaite harmonie avec les spcifications
de la norme GSM soit en matire de frquence
centrale ou bande passante. De mme on a obtenu
des maximas importants pour les paramtres S11,
Gain, VSWR, impdances, diagramme de
rayonnement... Pour la bande DCS, les spcifications ont t
partiellement respectes et une amlioration de la
bande passante est exige.
Pour lantenne Wifi, nous avons obtenu une bonne largeur de bande mme si elle relativement
dcale de la frquence centrale 2.442 GHz. Ce
pendant, vu que le point dalimentation est plus proche pour le patch de cette antenne, ceci a rendu
limpdance au point dalimentation relativement grande .Une finesse dans le raccordement de
lalimentation ou le changement de la position du court-circuit pourrait amliorer cette impdance.
Les antennes tudies sparment donnent des
rsultats qui respectent les spcifications. Ce
pendant, lamlioration de lisolation entre ces trois antennes pourra faire lobjet dune tude ultrieure.
V. References [1] K.L.Wong Planar Antennas for Wireless
Communications Willy-interscience, New Jersey, 2003.
[2] Ansoft corporation, HFSS 10.0 users guide Ansoft, 2005, rev Pittsburg 1.06.
[3] www.antenna-theory.com/pifa-antennas, MAJ. Dc 2012.
Key words: tri-band, square patch probe fed antenna, HFSS, GSM, WLAN.I. INTRODUCTIONII. Description de lantenneIII. Simulation par HFSSLe simulateur HFSS:
IV. ConclusionDiscussion
V. References