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Micro-antenne agile en bande UHF
C. Delaveaud
CEA-LETI, Minatec Campus, Grenoble
3, 4 & 5 avril 2012Paris Expo - Porte de Versailles
Nouvelles Technologies et techniques de conception pour les antennes RF et Hyperfréquences
© CEA. All rights reserved
Micro-antenne agile en bande UHF – C. Delaveaud – Microwave & RF - 4/04/2012 | 2
Sommaire
Contexte
Problématique de la miniaturisation des antennes
Concept d’antenne miniature
Illustration des effets liés à la miniaturisation
Micro antenne pour aide auditive
Micro antenne agile en fréquence
Conclusions et perspectives
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Contexte (1/3)
Internet des objets Plusieurs acronymes autour d’une même idée
IdO
WdO : Web des Objets
M2M : Machine To Machine
Milliards de capteurs connectés à internet avec quelques octets
d’information à transférer chaque jour
Agrégation de tous les objets sur un protocole standard
Connexion du monde virtuel au monde réel
Capteurs, actionneurs
Horizon 2030 : "10 000 milliards d’objets "s’exprimeront" par
l’intermédiaire des ondes" [Traversat 03]
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Equiper les objets de micro transmetteurs radiofréquences
Bande UHF
Propriété de propagation,
Consommation, rendement énergétique,
Faible cout.
Problématique de la miniaturisation des antennes
Performances liées à la taille électrique
Intégration
Objets compacts
Réseaux de capteurs
Applications médicales : outils de santé
30 % des dispositifs en 2014
Contexte (2/3)
Fréquence (GHz) 0.1 1 10 30 60 90
Long. d’onde (mm) 3000 300 30 10 5 3.3
Antenna On ChipAntenna In package
???
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Contexte (3/3)
Dispositifs en bande ISM 2,4 GHz Zigbee, RF4CE
Multiples solutions d’antennes commerciales
Antenne "puce"
Positionnement / objectifs
F = 2,4 GHz
λ0 = 125 mm
Dimensions max objet 5 x 5 x 3 mm3
Guide d’utilisation de l’antenne
Plan de masse
Position sur le circuit imprimé
Zone d’exclusion (D = 2 mm)
Circuit d’adaptation d’impédance
Empreinte
Rufa 2.4 GHz SMD (Antenova)
?
Antenne sur circuit imprimé
Circuit de tests
λ0/25
λ0/10
λ0/2,5
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Miniaturisation des antennes (1/2)
Limites physiques Antenne électriquement petite [Wheeler, 47]
Paramètres caractéristiques : facteur de qualité (Q) / bande passante (Δf/f)
Efficacité de rayonnement (η)
Directivité (D) / gain (G)
Compromis: taille, bande passante (facteur de qualité), efficacité
πλ≤
2r
>>
πλ<< 1,
2Qr( )3.. rk
f
f ≈∆ η
0.1
1
10
100
1000
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
1000
100
10
1
0.10 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
η = 100%η = 50%η = 20%
η = 10%η = 5%
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
η = 100%
η = 50%
η = 20%η = 10%
η = 5%
r/λ
Q(r
ayon
nem
ent)
0 0.1 0.2 0.3r/λ
10
0
-10
-20
-30
λ : longueur d’onde
radiansphère
antenne
dr
( )311
minminrkrk
QQ TMTE +==
r : rayon de la sphère minimalek : nombre d’onde
λπ2=k
[ ]rkrkG norm .2).()( 2 +η=∞
η : efficacité de rayonnement
Gai
n no
rmal
max
imum
(dB
i)
[Chu 48, Collin & Rothschild 64, Fante 69, Hansen 81, Mc Lean 96] [Harrington 60]
( )ant
me
P
WWQ
,max2 0ω=
Qf
f 1=∆
Pant : puissance acceptée We : énergie électrique moyenne stockéeWe : énergie magnétique moyenne stockée
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Miniaturisation des antennes (2/2)
Elément rayonnant
Antennes chargées localement Composants discrets
Court-circuit
Géométrie (ligne, fente, entaille, toit)
Antennes à charges réparties Substrats diélectriques haute permittivité
Substrats magnéto-diélectriques (méta-matériaux)
Géométrie Repliement
Formes fractales
Formes arbitraires
antenne monopole sphérique chargée repliée [Best, 2004]
Antenne monopole sur plan de masse replié incorporant une fente [Cabredo-Fabres, 2006]
Contexte
Circuit d’adaptation d’impédance Inductance, capacité
Plan de masse Image électrique
Finitude
Structuration
Environnement proche
Antenne imprimée sur substrat céramique structuré[Mosallaei, 2004]
Monopole replié court-circuité chargé par une
capacité [King, 60]
Techniques de miniaturisation
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Etat de l’art des micro-antennes UHF (1/2)
Avec plan de masse Large offre commerciale, notamment à 2,4 GHz
Antenne "puce"
Monopole replié chargé par un substrat*
Plan de masse 100x44mm²
*Hsien-Wen Liu; Ting-Ying Chen; Chang-Fa Yang; Shun-Tian Lin; Sheng-Shiue Tasi; Chen-Wei Chiu; Chuan-Ling Hu; , "A miniature chip antenna without empty space on PCB for 2.4GHz ISM band applications," Antennas and Propagation Society International Symposium, 2008. AP-S 2008. IEEE , vol., no., pp.1-4, 5-11 July 2008
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Sans plan de masse Peu d’exemple disponible dans la littérature
Antenne cavité avec fente, en bande ISM
Gain maximal estimé dans le plan (xOy) et (yOz):
-31,8dBi et -27,8dBi
Synthèse
Etat de l’art des micro-antennes UHF (2/2)
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Concept d’antenne miniature (1/2)
Approche de conception Résonances électromagnétiques
Conditions aux limites
Distribution des champs E,H selon des modes de résonance
Variation spatiale
Résonances électriques, magnétiques
Uniformité de la répartition spatiale des champs E, H
Approximation quasi-statique
Modélisation circuit
patchsubstrat diélectrique
plan de masse
murs électriques
murs magnétiques
W
h
L
εr
Z
y
x
Antenne imprimée sur substrat diélectrique sur son mode fondamental TM 1000 [Bahl, 1980]
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Concept d’antenne miniature (2/2/)
Combinaison de techniques Surfaces métalliques //
Capacité
Fil de court-circuit
Inductance
Chargement répartie : substrat diélectrique
Modification capacité / inductance équivalente
Fente non débouchante dans le toit de l’antenne
Modification de la capacité équivalente
Modélisation Circuit électrique simulant impédance
Formules analytiques
Plan de Masse
h
Lm
Wm
W
Sonde d’alimentation
ToitFente
Court circuit
Substrat
L
Monopole miniature
S. Sufyar; C. Delaveaud; "A miniaturization technique of a compact omnidirectional antenna",
Radioengineering, December 2009, Volume 18, Number 4, part I, pp 373-380 Circuit équivalent
W,L, H <<λ0
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Effets liés à la miniaturisation (1/4)
Effet longueur de fente Chargement capacitif
Réduction fréquence de résonance
Diminution amplitude de la résonance
0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.80
100
200
300
400
500
600- Mesure -- Simulation
Fréquence (GHz)
Re(
Z)
( Ω)
Sans fenteL=20mm
L=90mm
L=70mm
L=50mm
L=40mm
l=28mm
w=28mm
SondeSubstrat FR4
Fente
h = 4 mm
Fil de masse
Plan de masse
Air
Toit
0 20 40 60 80 1000.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
Longueur de la fente (mm)
Fré
quen
ce d
e ré
sona
nce
(GH
z)
MesureSimulation
Fente
droite
Fente
pliée
1 fois
Fente pliée
2 fois
Comparaison des parties réelles d’impédance Evolution de la fréquence de résonance avec la longueur de la fente
Monopole miniature sur plan de masse en λ0sf/2
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Effet longueur de fente Diagrammes de gain intrinsèque
Rayonnement dipolaire
Diminution du gain avec miniaturisation
Stabilité du niveau de polarisation croisée
-30 -20 -100+90°
+60°
+30°0°
-30°
-60°
-90°
-120°
-150°+180°
+150°
+120°
dBi -30 -20 -100+90°
+60°
+30°0°
-30°
-60°
-90°
-120°
-150°+180°
+150°
+120°
dBi
-25 -15 -5 5+90°
+60°
+30°0°
-30°
-60°
-90°
-120°
-150°+180°
+150°
+120°
dBi -25 -15 -5 5+90°
+60°
+30°0°
-30°
-60°
-90°
-120°
-150°+180°
+150°
+120°
dBi
Simulation Mesure
(xOy)(xOz)
fr=1,61GHz pour le cas sans fente
fr=1,54Ghz pour Lf=20mm
fr=1,2GHz pour Lf=50mm
fr=1,1GHz pour Lf=70mm
fr=1GHz pour Lf=90mm
Polarisation Principale
Polarisation Croisée
(xOy)(xOz)
Effets liés à la miniaturisation (2/4)
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Performances de l’antenne Efficacité de rayonnement, mesurée
selon Huynh*
Efficacité diminue avec miniaturisation
)SSS2-1)(S-S(η2
FS11
2
WC11
2
FS11
2
FS11
2
WC11ray +=
0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.820
30
40
50
60
70
80
90
Fréquence de résonance fr (GHz)
Eff
icac
ité r
ayon
née
η(%
)
SimulationMesure
Facteur de Qualité
Selon Yaghjian et Best*:
Augmentation de Q Réduction de la bande passante
0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.840
60
80
100
120
140
160
180
200
Fréquence de résonance fr (GHz)
Qz
SimulationMesure
)()(2 0
'0
00
0 ωω
ωZ
RQz =
*A. D. Yaghjian, R. Best, "Impedance, Bandwidth, and Q of Antennas", IEEE Trans. Antennas and Propagation, vol. 53, n°4, April 2005, pp.1298-1324.
Effets liés à la miniaturisation (3/4)
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Positionnement / limites fondamentales Facteur de qualité
Comparaison avec limites fondamentales de Chu
Volume équivalent à considérer ? Taille électrique de l’antenne ?
Plan de masse
Considérations géométriques
Caractéristiques de fonctionnement
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.810
-1
100
101
102
103
Taille électrique (ka)
Fac
teur
de
Qua
lité
QHFSS
(sp1)
Qz(sp1)
QHFSS
(sp2)
Qz(sp2)
Qmin
(η=20%)
Qmin
(η=100%)
Sphère sp1
Plan de masse
Toit
Fil de masseSonde coaxiale
hrmax1
L
Sphère sp2
Plan de masse
Toit Fil de masse
Sonde coaxiale
hrmax2
))ka(
1
ka
1(ηQ 3min +=
Miniaturisation Bande passante étroite
Efficacité réduite
Effets liés à la miniaturisation (4/4)
Erayonné
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Micro-antenne agile en bande UHF – C. Delaveaud – Microwave & RF - 4/04/2012 | 16
Antenne pour aide auditive intra-oreille Miniaturisation de l’implant
Prototype @ 2,4 GHz
Micro-antenne (1/3)
5mm
5mm
2mm
Structure simulée
Structure réalisée
Court circuit
Capacité CMS
Sonde
d’alimentation
FP7 European project
Capacité discrète sur fente C=0.64 pF
λ0/25 x λ0/25 x λ0/62,5 @ 2,4 GHz : r= λ0/34
SiP
Fente
Aide auditive (version antérieure)
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Micro-antenne agile en bande UHF – C. Delaveaud – Microwave & RF - 4/04/2012 | 17
Antenne pour aide auditive intra-oreille Prototype @ 2,4 GHz
Adaptation d’impédance à 50 Ω
Technique de mesure spécifique
Très bon accord mesure/simulation
Bande passante étroite : 2 canaux couverts
Micro-antenne (2/3)
2.35 2.4 2.45 2.5 2.55 2.6-20
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
Frequency (GHz)
S11
(dB
)
Measured S11
Simulated S11
2.35 2.4 2.45 2.5 2.55 2.60
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Frequency (GHz)
Zin
(ΩΩ ΩΩ
)
Measured Re(Z
in)
Simulated Re(Zin
)
Measured Im(Zin
)
Simulated Im(Zin
)
Coefficient de réflexion Impédance
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Micro-antenne agile en bande UHF – C. Delaveaud – Microwave & RF - 4/04/2012 | 18
-30 -20 -10 0
30
-150
60
-120
90-90
120
-60
150
-30
180
0
co-polarizationcross-polarization
-30 -20 -10 0
30
-150
60
-120
90-90
120
-60
150
-30
180
0
co-polarizationcross-polarization
rayonnement omnidirectionnel
Gain maximum = -18.5 dBi
Inclinaison du zéro de rayonnement (fente)
Polarisation linéaire
Micro-antenne (3/3) Antenne pour aide auditive intra-oreille
Propriétés de rayonnement (simulation) – antenne seule
3D
Plans de coupe
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Micro-antenne agile en bande UHF – C. Delaveaud – Microwave & RF - 4/04/2012 | 19
Micro-antenne Bande étroite (1 canal du standard de communication)
Sensibilité au contexte (décalage en fréquence)
Antenne reconfigurable en fréquence Charge active
Diode Varicap capacité variable.
Toit de l’antenne capacitif
placement optimisé sur la fente
Miniaturisation + agilité grâce au changement de valeur
de la capacité
Micro-antenne agile (1/2)
Schéma équivalent de la diode Varicap
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Micro-antenne agile en bande UHF – C. Delaveaud – Microwave & RF - 4/04/2012 | 20
2.35 2.4 2.45 2.5
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Frequency (GHz)
|S11
| (dB
)
2.35 2.4 2.45 2.50
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
Tot
al e
ffici
ency
(x1
00)
(%)
C=0.63pFC=0.64pFC=0.65pFC=0.66pFC=0.67pFC=0.68pFC=0.69pFC=0.7pFC=0.71pFC=0.72pFC=0.73pFC=0.74pF
5mm
5mm
2mm
Diode varactor
| 20
Micro-antenne agile (2/2)Capacité de découplage
Implémentation diode Varicap Commande en tension sur ligne RF
Complexité structurelle limitée
Bande ISM 2,4 entièrement couverte (8 états)
Conservation de l’adaptation d’impédance
Efficacité totale > 1% (conforme aux limites fondamentales)
Illustration de la commande en tension
© CEA. All rights reserved
Micro-antenne agile en bande UHF – C. Delaveaud – Microwave & RF - 4/04/2012 | 21
Conclusions et Perspectives Micro-antenne en bande UHF
Combinaison de solutions (chargement localisé, répartie, fente, court-circuit)
Antenne ultra-compacte, sans plan de masse
Performances limitées, en accord avec les limites fondamentales
Micro-antenne agile en fréquence
Elargissement "artificiel" de bande passante (systèmes de communication compatibles)
Réglage "fin" d’antenne
Micro-système
Asservissement avec système de communication / commande
Systèmes de communication adaptés (débits, forme d’onde, sensibilité récepteurs)
Micro-antenne en bande UHF
Combinaison de solutions (chargement localisé, répartie, fente, court-circuit)
Antenne ultra-compacte, sans plan de masse
Performances limitées, en accord avec les limites fondamentales
Micro-antenne agile en fréquence
Elargissement "artificiel" de bande passante (systèmes de communication compatibles)
Réglage "fin" d’antenne
Micro-système
Asservissement avec système de communication / commande
Systèmes de communication adaptés (débits, forme d’onde, sensibilité récepteurs)
Améliorer les performances
Structures optimales
Nouveaux matériaux / Nouveaux composants commandables
Vers une co-intégration micro technologique
Antenne et circuits actifs intégrés dans un même process (Antenne in Package)
Techniques de caractérisation expérimentale des micro-antennes
Améliorer les performances
Structures optimales
Nouveaux matériaux / Nouveaux composants commandables
Vers une co-intégration micro technologique
Antenne et circuits actifs intégrés dans un même process (Antenne in Package)
Techniques de caractérisation expérimentale des micro-antennes
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Micro-antenne agile en bande UHF – C. Delaveaud – Microwave & RF - 4/04/2012 | 22
Remerciements
Sarah Sufyar, Laure Huitema, Béranger Ouattara, Raffaele D’Errico,Robert Staraj (LEAT, Nice)
Merci de votre
attention