Soutenance mémoire
Les conditions pour le design du système à faisceaux commutés en utilisant la matrice de Butler
L’utilisation de la matrice de Butler, pour l’implémentation du système à faisceaux commutés, doit suivre certaines conditions pour atteindre une direction des faisceaux optimale. Les conditions suivantes doivent être prises en considération lors de la conception :
La couverture à balayage spatial : la couverture à balayage spatial doit être au moins ±60°.
La largeur du faisceau : Le système doit avoir une largeur de faisceau étroite pour une meilleure résolution spatiale. Cette dernière offre une possibilité de réduire l’interférence et augmente la précision des DOA (direction of arrivais) des usagers.
La moyenne des niveaux des lobes de côtés (average side lobe levels) : Elle permet de minimiser le rayonnement dans les directions indésirables.
La forme du faisceau : les faisceaux doivent être orthogonaux et doivent avoir un grand niveau de chevauchement pour un maximum de couverture.
La taille physique et le poids : la structure physique du système ne doit pas être volumineuse et lourde.
L’espacement des éléments : Un espacement approprié doit être choisi pour éviter la formation des lobes discordants.
Techniques de conception des matrices de Butler
Une matrice de Butler conventionnelle à base des composants intrinsèques possède plusieurs limitations qui sont :
Largeur de bande étroite due à celles des composants intrinsèques, en particulier des coupleurs hybrides -3dB standard.
Grandes dimensions et beaucoup de pertes causées par l’utilisation des croisements conventionnels.
Afin de pallier ce problème, plusieurs travaux de recherche ont été menés et des nouvelles configurations de matrice de Butler ont été proposées.
Plusieurs architectures de matrices de Butler à base de croissements large bande ont été conçues, d’ autres configurations ont été investies permettant de réduire les dimensions du circuit sans offrir une grande largeur de bande .
Quelques auteurs ont proposé des architectures de matrice de Butler sans croissements. Dans , une matrice 4×4 en technologie coplanaire CPW et à base du coupleur à couplage par fente a été proposée. Ce circuit offre seulement une bande passante de 1.5 GHz à cause de l’utilisation des coupleurs hybrides conventionnels. Une autre matrice de Butler 4×4 en technologie micro-ruban sans croissement à été conçue , mais ce circuit est invalide pour une configuration 8×8 ou plus. Enfin, une de matrice de Butler multicouche à base de la technologie en guide d’ondes à substrat intégré SIW a été investie dans . La structure est ultra large bande mais elle exige un haut degré de précision concernant le processus de sa fabrication.
Coupleur directionnel en technologie CB-CPW et à couplage par fente
Procédure de conception
Les coupleurs directionnels sont des composants indispensables dans le processus de conception des circuits intégrés micro-ondes (MMICs). En particulier, les coupleurs directionnels à couplage par fente et en technologie CB-CPW ont été récemment appliqués dans la conception des circuits micro-ondes et millimétriques grâce à leurs caractéristiques large bande et de couplage .
Dans le but d’éviter l’utilisation des croisements dans la matrice de Butler proposée, un coupleur directionnel à couplage par fente a été proposé .
La géométrie de la zone de couplage par fente choisie (hexagonale) offre une bonne transition et un bon couplage entre les lignes de transmission CB-CPW.
Pour ce type de coupleur, l’ analyse numérique est basée sur les modes de propagation pair et impair. Le mode pair se propage lorsque, des courants égaux, en amplitudes et en phases, traversent les deux lignes couplées. Tandis que le mode impair est obtenu lorsque les amplitudes des courants sont égales mais leurs phases sont opposées .
Coupleur large bande elliptique en technologie CB-CPW
Procédure de conception
Les coupleurs hybrides à -3dB sont généralement utilisés comme diviseurs de puissance ou dans les mélangeurs des systèmes micro-ondes . L’inconvénient majeur de ce type de coupleur est sa largeur de bande étroite. Pour pallier à ce problème, différentes configurations des coupleurs hybrides ont été proposées , une intéressante architecture utilisant des stubs en série en circuit ouvert ajoutés à chaque port du coupleur permet d’avoir une bande passante un peu plus large accompagnée d’une grande complexité de conception . D’autres configurations ont été explorées afin d’élargir la bande passante des coupleurs hybrides, mais ces dernières souffrent d ‘un grande complexité de conception et de fabrication.
Dans le cadre de nos travaux de recherche , un nouveau coupleur hybride 3dB en géométrie elliptique et en technologie CB-CPW a été conçu, fabriqué et testé en se basant sur l ‘approche décrite dans . La configuration elliptique choisie permet d’élargir la bande passante en contrôlant différents paramètres comme l’excentricité.
Définition et avantages de la technologie conforme
Une structure conforme est une structure qui se conforme à une forme géométrique définie (une partie d’un avion, ou d’un train à grande vitesse). La forme géométrique est souvent déterminée par des considérations autres que électromagnétique (par exemple : aérodynamique ou hydrodynamique) . Le but est d’avoir une structure qui s’intègre au milieu sans causer d’installations supplémentaires.
Les avantages de la technologie conforme :
Réduire les couts d’installation et d’ énergie surtout dans les structures complexes (ex: les avions).
Avoir une couverture de 360° dépendamment de la forme des structures conformes (cylindriques, circulaire .. ), un exemple pratique: les stations de base des systèmes cellulaires. Aujourd’hui, la solution commune est d’utiliser trois antennes séparées couvrant chacune un secteur de 120° On peut les remplacer par un réseau d’antennes cylindriques résultant en une installation plus compacte avec des coûts minimes .
Toutefois, cette technologie possède quelques inconvénients qui ont retardé son développement et qui sont :
Dans le cas des réseaux d’antennes conformes : La non linéarité des éléments rayonnants cause des difficultés au niveau de l’analyse pour ces antennes et surtout, sur une surface courbée, les éléments qui se trouvent dans la région de l’ombre peuvent causer des rayonnements indésirables. Donc, ils doivent être éteints par l ‘utilisation du mécanisme de commutation de la région active.
Complexité de conception et de fabrication due à la difficulté d’adapter les composants électroniques aux surfaces courbées.
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Table des matières
CHAPITRE 1 :Introduction générale
1.1 Généralités
1.2 Contexte
1.3 Définition du problème
1.4 Objectifs
1.5 Contributions
1.6 Publications
CHAPITRE 2 :Les antennes intelligentes
2.1 Introduction
2.2 Principe de fonctionnement
2.3 Types d’antennes intelligentes
2.3.1 Systèmes d’antennes à faisceaux commutés
2.3.2 Systèmes d’antennes adaptatifs
2.4 Conformateurs de faisceaux quasi-optiques
2.4.1 Lentille de Bootlace
2.4.2 Lentille de Rotman
2.5 Exemples de type circuit
2.5.1 Matrice de Blass
2.5.2 Matrice de Nolen
2.5.3 Matrice de Butler
2.6 Conclusion
CHAPITRE 3 :Etat de l’art de la matrice de Butle
3.1 Introduction
3.2 Domaine d’application
3.3 Principe de fonctionnement
3.4 Les conditions pour le design du système à faisceaux commutés en utilisant la matrice
de Butler
3.5 Composants intrinsèques de la matrice de Butler
3. 5.1 Coupleur hybride -3dB
3.5.2 Croisement (crossover)
3.5.3 Déphaseur
3.6 Techniques de conception des matrices de Butler
3.7 Conclusion
CHAPITRE 4 :Conception d’une matrice de Butler 4X4large bande en technologie CB-CPW multicouche
4.1 Introduction
4.2 Architecture de la matrice de Butler proposée
4.3 Coupleur directionnel en technologie CB-CPW et à couplage par fente
4.3.1 Procédure de conception
4.3.2 Résultats et discussion
4.4 Coupleur large bande elliptique en technologie CB-CPW
4.4.1 Procédure de conception
4.4.2 Résultats et discussion
4.4 Matrice de Butler 4×4
4.5 Conclusion
CHAPITRE 5 :Conception d ‘une matrice de Butler 4×4 conforme à 2.4 GHz en technologie micro-ruban
5.1 Introduction
5.2 Définition et avantages de la technologie conforme
5.3 Conception de la matrice de Butler 4×4 conforme
5. 3.1 Technique d ‘analyse « conformal mapping »
5.3.2 Coupleur hybride 3-dB conforme
5.3.3 Croisement conforme
5.3.4 Matrice de Butler 4×4
5.4 Conclusion
CONCLUSION GÉNÉRALE
RÉFÉRENCES
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