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MATRICE DE BUTLER À POLARISATION CIRCULAIR
Composants intrinsèques de la matrice de Butler conventionnelle
La matrice de Butler est constituée de trois dispositifs hyperfréquences : les coupleurs hybrides 3dB, les déphaseurs et les croisements.
Coupleur hybride (3dB, 90°)
Les coupleurs sont des circuits passifs à quatre ports symétriques, qm permettent d’envoyer la moitié de la puissance d’entrée sur chacun des deux ports de sortie en quadrature de phase. Ce déphasage est dû au tronçon de ligne de longueur quart d’onde (A/4) entre les ports de sortie.
Il existe deux types de coupleurs hybrides à savoir : Le coupleur hybride 180° qui dispose d’un port couplé et d’un autre de transmission en opposition de phase (180°).
Par contre, le coupleur hybride 90° possède un déphasage de 90° entre le port couplé et le port direct [4]. Le coupleur 90° est le plus utilisé dans la conception des matrices de Butler [20].
Sur la Figure 2.2, on constate qu’il y a deux différents tronçons de ligne quart d’onde qui forment la structure du coupleur entre les ports 1 et 4, et entre les ports 2 et 3. Nous avons une ligne quart d’onde d’impédance caractéristique Zo équivalente à celle des ports d’entrées et de sorties du coupleur. Par contre, entre les ports 1 et 2 et entre les ports 3 et 4, nous avons une ligne quart d’onde d’impédance caractéristique Zo 1…;2 pour obtenir un couplage de 3 dB.
Les coupleurs hybrides sont un cas particulier des coupleurs, ou le facteur de couplage est de -3dB, ce qui veut dire que a= p = 1 /..fi et un d’déphasage de 90° entre les ports 2 et 3 (8 = <p = n/2).
Croisement
Le croisement entre les lignes est considéré comme le plus grand inconvénient lors de l’implémentation de la matrice de Butler. Ceci est dû au nombre de ces derniers qui augmente rapidement avec l’augmentation de l’ordre de la matrice de Butler (eq. 2.4), dégradant ainsi les performances globales de la matrice.
La méthode la plus fondamentale pour réaliser les croisements consiste à utiliser deux jonctions (coupleurs) hybrides (3-dB, 90°) mises en cascade. Ce type de jonction est appelé, aussi, coupleur OdB (voir Figure 2.3). Idéalement, le signal entrant dans un port traverse seulement le port diagonal sans pertes d’insertion et sans erreurs de phase
Les déphaseurs
Dans la théorie des lignes de transmission, tout déplacement d’une onde dans une ligne de transmission génère une phase qui est en relation avec la distance parcourue.
Nous présentons, dans cette section, les déphaseurs passifs utilisés dans la conception des matrices de Butler. Ces déphaseurs utilisent des sections de ligne de transmission selon la technologie des lignes des transmissions tels que ; microruban, coplanaire ou autre type de ligne de transmission.
Dans le cadre de cette thèse, la technologie microruban a été adoptée. La ligne microruban possède une certaine longueur d’onde guidée à une fréquence particulière.
Cette longueur représente la distance entre deux crêtes de l’onde guidée, qui est équivalente à uncycle de phase (360 °). Pour créer un retard de phase e avec une ligne de transmission par rapport à une autre, on ajoute une section supplémentaire X de telle manière que (voir Figure 2.4)
Antenne à Polarisation circulaires :
Pour étudier la polarisation de l’antenne, on s’intéresse au rapport axial (Axial Ratio ; (AR)) qui est le rappmi (dans différent axes) des champs électriques. Il est important de connaitre la polarisation d’une onde électromagnétique, qui est une caractéristique fondamentale, puisqu’elle a une influence importante sur le transfert d’énergie entre deux antennes.
La polarisation del’ onde, rayonnée par l’antenne dans une direction, est caractérisée par la projection dans le plan orthogonal à la direction de propagation, de la courbe décrite dans le temps par l’extrémité du vecteur champ électrique de l’onde rayonnée en champ lointain. Par convention, si le sens de propagation de l’onde se fait dans la direction OX d’un repère orthonormé, alors le champ électrique E se situe dans le plan OZ et le champ magnétique H se situe dans le repère OY de ce repère .
Une onde électromagnétique est circulairement polarisée en un point donné dans l’espace si le vecteur du champ électrique (ou magnétique) en ce point décrit un cercle en fonction du temps. La polarisation circulaire peut être obtenue aux conditions suivantes : les amplitudes des deux composantes soient les mêmes et que la différence de phase est multiple de 90°.
En général, on considère que l’antenne fonctionne en polarisation circulaire tant qu’elle présente un rapport axial RA inférieur à 3 dB. Si le RA est égal à 1, ce qui signifie que x= y, alors l’antenne présente une polarisation circulaire pure (Figure 2.5). axe majeur x x= =-<3dB axe mineur y
Pour avoir une polarisation circulaire à partir d’une antenne patch, on peut utiliser une seule source d’alimentation (Troncature de deux, des quatre coins de l’antenne), ou de deux sources d’alimentation (utilisation d’un coupleur hybride 3dB) .
Dans les systèmes de télécommunications spatiales, la polarisation circulaire est préférée car elle est moins sensible à la dépolarisation lors du passage dans l’atmosphère .
Conception de la matrice de Butler à polat·isation circulaire
Etat de l’art
Dans cette section, Nous présentons les travaux les plus récents, effectués sur la matrice de Butler à polarisation circulaire.Un exemple d’une matrice de Butler modifiée, à base d’un coupleur à large bande, est présenté dans la figure 2.6 [16]. Il s’agit de quatre antennes identiques à fente carrée. Cette structure d’antenne offre la polarisation circulaire gauche et droite.L’auteur a utilisé une nouvelle topologie permettant d’éliminer les croisements indésirables (Figure 2.6). Cette matrice de dimensions 4×4 a été conçue dans la bande 4.8 GHz-7 GHz avec 9 dB de gain.La structure proposée dans la figure. 2.7, est une matrice de Butler large bande avec une bande passante de 2 GHz [25]. Elle offre le même nombre de composants sans les croisements. Cette matrice est utilisée pour alimenter un réseau d’antennes à polarisation circulaire. Cette topologie présente le problème majeur de ne pas être extensible à des matrices plus grandes (8×8, 16×16, … ) .
La structure conventionnelle, proposée dans [26] (Figure. 2. 8), est une matrice de Butler à bande étroite imprimée sur un seul substrat. L’utilisation des coupleurs 0 dB (croisement) permet la réalisation d’une matrice totalement planaire. La nouveauté de cette structure c’est qu’elle donne des lobes latéraux avec une polarisation circulaire.
Méthodologie de conception
Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons utilisé le logiciel CST Microwave Studio [7], proposé par la compagnie CST (Computer Simulation Technology), pour l’analyse et la conception électromagnétique. Il est basé sur la technique d’intégration finie (FIT) qui est une généralisation de la méthode FDTD (Finite Diference Time Domaine) dans le domaine temporel .
Conception du coupleur
La configuration du coupleur hybride proposée est présentée dans la Figure 2.9. Cette structure est une version améliorée de celle proposée dans [28], offre de bonnes performances en terme de largeur de bande et d’isolation. Le coupleur a été optimisé en lui modifiant la zone de couplage, ainsi la transition entre la ligne d’alimentation et la zone du couplage (patch). Cette technique a pemus une augmentation de la bande passante. La largeur de la ligne est de 4.6 mm qui donne une impédance de 50 ohms.Le coupleur proposé a été fabriqué et mesuré par un analyseur de réseau HP8772. La photographie du prototype fabriqué est illustrée dans la figure 2.9.b. La taille globale du coupleur est de 60×50 mm2 et le substrat utilisé est de type FR4 (verre époxy) de permittivité 4.9 et d’épaisseur 1.6 mm. Le coupleur a été conçu pour fonctionner en mode« large bande» [5-8 GHz] comme le montre les deux courbes du paramètre de réflexion Su et de la différence de phase entre les deux ports de sortie.La figure 2.10.a, montre les pertes de retour Sll, pertes d’insertion S21 et l’isolation S 41 du coupleur proposé. Les pertes de retour atteignent un minimum de 18 dB à travers toute la bande de fréquence. L’isolation est de l’ordre 16 dB pour la même bande. Les pertes d’insertion« S21 »(direct) et« S31 »(couplé) sont illustrées dans la même figure 2.10.a. Les résultats montrent que le couplage est de 3±1 dB dans toute la bande de fréquence.
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Table des matières
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
RÉSUMÉ
ABSTRACT
CHAPITRE 1. INTRODUCTION
1.1 Motivation
1.2 Problématique
1.3 Objectifs
1.4 Contributions
1.5 Plan de la thèse
CHAPITRE 2. MATRICE DE BUTLER À POLARISATION CIRCULAIR
2 .1 Introduction
2.2 Description
2. 3 Composants intrinsèques de la matrice de Butler conventionnelle
2.3.1 Coupleur hybride (3dB, 90°)
2.3.2 Croisement
2.3.3 Les déphaseurs
2.4 Antenne à Polarisation circulaires :
2.5 Conception de la matrice de Butler à polarisation circulaire
2.5.1 Etat de l’art
2.5.2 Méthodologie de conception
2.5.3 Conception du coupleur
2.5.4 Antenne à polarisation circulaire
2.5.5 Matrice de Butler à polarisation circulaire
2.6 Conclusion
CHAPITRE 3. ANTENNES YAGI-YUDA RECONFIGURABLES
3.1 Introduction.
3.2 Définition
3.3 Antenne reconfigurable
3.3.1 Avantages et inconvénients des antennes reconfigurables
3.4 Etat de l’art.
3.5 Antennes Reconfigurables En Fréquence (Large Bande 1 Bande Etroite)
3.5.1 Introduction
3.5.2 Conception
3.6 Première approche : ULB vers trois sous bandes
3.7 Deuxième approche: Bande ULB vers cinq sous-bandes
3.8 Troisième approche ULB vers 3 sous bande avec différentes largeurs de bande
3.9 Conclusions
CHAPITRE 4. CONCEPTION DES CROISEMENTS ET DIVISEURS DE PŒSSANCE ULB EN TECHNOLOGIE MULTICOUCHE
4.1 Introduction.
4. 2 Diviseur de puissance.
4.2.1 Les différents types de diviseurs de puissance
4. 3 Etat de l’art
4.4 Topologie du nouveau diviseur de puissance
4. 5 Circuit du Croissement.
4.6 Etat de l’art
4.7 Structure proposée
4.8 Etude théorique
4. 9 Conclusion
CHAPITRE 5. CONCLUSION GENERALE
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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