TP ADS INPT

2015

TP Hyperfréquences

ENCADRE PAR : M. TRIBAK / M. NACHOUANE REALISE PAR : AYMAN ACHOUA / AYMAN ANIKED

[COMPANY NAME] | [Company address]

TP Hyperfréquences 2015

Remerciement Nous tenons à remercier Monsieur TRIBAK et Monsieur NACHOUANE, pour avoir préparés ce TP riche en informations, et adapté à notre niveau. Nous les remercions également pour leur encadrement, leur patience et leur gentillesse.

2

TP Hyperfréquences 2015

Préface ADS Advanced Design System est un outil de simulation électrique et électromagnétique de systèmes de circuits HF il est largement utilisé pour réaliser des travaux pratiques, ainsi qu’il permet de générer des masques de circuits passifs. Le présent rapport traite diffèrent sections, la première section présente les différents dispositifs d’adaptation à savoir l’adaptation par ligne quart d’onde qui permet d’avoir une adaptation a bande étroite, pour l’élargir on utilise une succession de ligne quart d’onde, ensuite l’adaptation par stub, et enfin l’adaptation par des éléments localisés et distribués. La seconde section présente deux types de diviseur de puissance, le coupleur hybride 3dB/90 et le diviseur de Wilkinson qui permet de réaliser une bonne adaptation et isolation des ports de sortie. Et la dernière section consiste à faire la conception d’une antenne patch ainsi que l’adapter en se basant sur la technique des encoches qui consiste à introduire des encoches dans le patch en modifiant sa structure.

3

TP Hyperfréquences 2015

TP 1 : Les dispositifs d’adaptation

4

TP Hyperfréquences 2015 1. Adaptation à l’aide d’une ligne quart d’onde Cette première partie consiste à adapter une charge avec une ligne quart d’onde :

La résolution de ce problème est fournie par la relation : Dans notre cas :

Zc=�(𝐙𝐙𝐙𝐙 ∗ 𝐙𝐙𝐙𝐙)

AN :

Ze=Zc2/Zs Zc=63,24 ohm

L’étape suivante consiste à déterminer les dimensions de la ligne micro ruban pour implémenter cette impédance. Ceci se fait grâce à Lincalc :  Pour Zc=63,24 ohm on aura :

W= 1.952490 mm

et

L=20.939300 mm

 Pour Ze=50 ohm on aura :

W=2.988200 mm

et L=20.538500 mm

On peut maintenant dessiner le schéma :

Après cela, on fixe les caractéristiques du substrat, et ceux de la simulation :

5

TP Hyperfréquences 2015 Apres simulation du paramètre 𝑆𝑆11 on trouve :

Ce qui signifie qu’on a une bonne adaptation à la fréquence 2 GHz

2. Adaptation large bande On utilise maintenant un montage qui permet d’avoir une adaptation sur une bande plus large, en fractionnant l’adaptation en 4 tronçons λ/4 :

Les dimensions des lignes quarts d’onde sont : 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇ç𝑜𝑜𝑜𝑜 1 : 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇ç𝑜𝑜𝑜𝑜 2 : 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇ç𝑜𝑜𝑜𝑜 3 : 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇ç𝑜𝑜𝑜𝑜 4 :

𝑊𝑊 = 3.48636𝑚𝑚𝑚𝑚 𝐿𝐿 = 20.3304 𝑚𝑚𝑚𝑚

𝑊𝑊 = 5.84388 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝐿𝐿 = 19.8245 𝑚𝑚𝑚𝑚

𝑊𝑊 = 11.5306 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝐿𝐿 = 19.1795 𝑚𝑚𝑚𝑚

𝑊𝑊 = 17.5031 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝐿𝐿 = 18.8307 𝑚𝑚𝑚𝑚

Sous ADS, on réalise le schéma suivant :

6

TP Hyperfréquences 2015

Apres modification par la fonction Tuning, on retrouve le meilleur compromis entre bande et niveau d’adaptation, ce qui donne le schéma suivant :

3. Adaptation avec un stub

On utilise maintenant un stub pour l’adaptation :

Cette fois ci en affiche aussi le design par l’interface Layout :

7

TP Hyperfréquences 2015

3. Adaptation avec éléments localisés 3.1. Adaptation par une capacité On a 𝑍𝑍𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 = (73.13 + 𝑗𝑗42.54)Ω Donc 𝐿𝐿 = 2.25 𝑛𝑛𝑛𝑛

La capacité doit annuler la partie imaginaire de 𝑍𝑍𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 , on a donc 𝐶𝐶 = 0.313 𝑝𝑝𝑝𝑝et 𝑍𝑍0 = 70.014Ω Sur ADS on a le schéma suivant

Affichage des résultats et calcul de la bande passante :

8

TP Hyperfréquences 2015 La bande passante

BP=3.38-2.52=0.86Ghz

3.2. Adaptation par simple stub en court-circuit :

Affichage des résultats après Tuning:

9

TP Hyperfréquences 2015

TP2 : Conception et simulation d’un coupleur 3dB/90° et d’un diviseur de Wilkinson

10

TP Hyperfréquences 2015 INTRODUCTION Dans ce deuxième TP nous allons étudier un coupleur hybride directif à 3 dB avec une différence de phase de 90°, qui possède des ports adaptés mais non isolés. Nous allons aussi étudier le fonctionnement du diviseur de Wilkinson, qui non seulement permet une division de puissance en sortie, mais également l’isolation et l’adaptation des deux ports de sortie.

I- Le coupleur hybride 90° Voici le schéma du coupleur 3dB / 90° :

Z0

Zb Za

Z0

Za Zb

Déterminer les dimensions du coupleur

11

Z0

Z0

TP Hyperfréquences 2015 Pour l’Impédance Zb=35.35 ohm, on obtient les valeurs : W=5.11 mm et L=40.09 mm De même pour Za= 50 ohm, on obtient : W=2.97 mm et L=41.15 mm

Simulation A l’aide du logiciel ADS on dessine la structure de notre circuit :

Vérifions maintenant les résultats correspondant à la matrice de réflexion de ce dispositif :

12

TP Hyperfréquences 2015 On remarque que l’entrée du port 1 est très bien adaptée pour une fréquence égale à 1.05GHz

La moitié de la puissance passe dans le port 2, avec un déphasage de 𝜋𝜋/2, et l’autre moitié dans le port 3 avec un déphasage de 𝜋𝜋 ce qui justifie la valeur -3dB aux alentours de la fréquence 1 GHz.

Le port 4 étant isolé il ne présente aucune puissance on a donc S41 =0 aux alentours de la fréquence de fonctionnement du coupleur 1GHz.

13

TP Hyperfréquences 2015 D’après ce schéma, on remarque que la différence de phase entre les deux ports de sortie est de 90° dans la fréquence de fonctionnement.

Simulation du coupleur en électromagnétique en utilisant le logiciel Momentum Le résultat de notre simulation :

Comparaison des résultats obtenus en analytiques avec celles en électromagnétique

14

TP Hyperfréquences 2015

En faisant une comparaison sur le même schéma on constate que les résultats sont presque identique sauf que les résultats en électromagnétique sont plus précise que celle obtenus en analytique.

15

TP Hyperfréquences 2015 II- Le diviseur de puissance de type Wilkinson Le diviseur de Wilkinson est un diviseur avec tous les ports adaptés et qui en plus et isolé. Cependant, la résistance qui le compose entraine des pertes d’énergie.

Définir les dimensions du diviseur de Wilkinson en utilisant le logiciel Linecalc

Prélèvement des Paramètres S

16

TP Hyperfréquences 2015

Analyse : - S11= 0

Il y a donc adaptation à l’entrée

- S12= -3,15 dB

la moitié de la puissance entrée passe par le port 2

- S13= -3,15 dB

l’autre moitié passe par le port 3

Le diviseur de Wilkinson agit comme un diviseur de puissance. On note également que le diviseur de Wilkinson permet en plus de la division de puissance, l’isolation des deux ports 2 et 3 et l’adaptation de ces dernier et ceci grâce à l’intégration d’une impédance 2*Zc. On exporte notre schéma sur Momentum et on refait la simulation électromagnétique : Afin d’éviter le couplage mutuel entre les deux lignes 2 et 3, on adopte une structure courbé, il s’ajoute donc un nouveau paramètre qui est le rayon de courbure identique pour les deux lignes. Le résultat de notre stimulation est présenté ci-dessous.

17

TP Hyperfréquences 2015 Les résultats électromagnétiques sont comme suit :

Les résultats sont presque similaires à ceux analytiques. On remarque également que l’étude électromagnétique est plus précise que celle analytique.

18

TP Hyperfréquences 2015

TP3 : Conception d’une antenne patch

19

TP Hyperfréquences 2015 INTRODUCTION Nous désirons à travers l’élaboration de ce troisième TP, avoir quelques connaissances concernant la modélisation et la simulation d’une antenne patch et ce en utilisant des moyens de simulations électromagnétiques et analytiques.

Conception et Simulation électromagnétique Nous commencerons dans ce TP la conception et la simulation d’une antenne patch qui a une fréquence de résonance égale à 2.45 GHz. Apres avoir entré les différents Paramètres caractérisant notre Antenne, le maillage réalisé par Momentum est comme suit :

Affichage du coefficient de réflexion S11 en dB :

20

TP Hyperfréquences 2015

Nous constatons que l’adaptation n’est pas bien réalisée à la fréquence 2.45 GHz, il faudra donc varier l’un des paramètres de MLOC afin d’avoir une bonne adaptation sur la fréquence désirée. Nous avons trouvé en utilisant la fonction TUNING :

21

TP Hyperfréquences 2015 Essayons maintenant d’améliorer l’adaptation en utilisant la méthode d’encoches. On modifie notre schéma de façon à obtenir la structure suivante du patch, on varie ensuite les paramètres W et L qu’on a retranchés de manière symétriques de part et d’autre de la ligne d’alimentation, afin d’avoir l’adaptation désiré.

Nous trouvons ainsi une adaptation plus importante que celle obtenu auparavant.

22

TP Hyperfréquences 2015

CONCLUSION GENERALE Ces séances de TPs nous ont permis d’appliquer les connaissances qui nous ont été inculquées au cours des antennes avancées et micro-ondes. Lors de ce travail, nous avons été confrontés à de nombreux problèmes et dans la plupart des cas nous avons pu trouver une solution alternative afin de les résoudre partiellement. Enfin le travail sur ces TPs a été l’occasion de découvrir et d’utiliser des outils par exemple : le fameux logiciel de simulation ADS Advanced Design System, qui nous a permis de simuler des circuits électroniques avec différents dispositifs d’adaptation, ainsi que les coupleurs et finalement la conception, simulation et adaptation des antennes patch.

23