Antenne à formation de faisceau adaptative à base d'un matériau BIE contrôlable pour une station de base GSM, DCS et UMTS

11/10/2017
Publication REE REE 2005-6-7
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2005-6:20236
DOI :

Résumé

Antenne à formation de faisceau adaptative à base d'un matériau BIE contrôlable pour une station de base GSM, DCS et UMTS

Auteurs

Métriques

6
4
1.32 Mo
 application/pdf
bitcache://dd818ef627ece3d0aa10bdf432343f54ea9431ea

Licence

Creative Commons Aucune (Tous droits réservés)
<resource  xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
                xmlns="http://datacite.org/schema/kernel-4"
                xsi:schemaLocation="http://datacite.org/schema/kernel-4 http://schema.datacite.org/meta/kernel-4/metadata.xsd">
        <identifier identifierType="DOI">10.23723/1301:2005-6/20236</identifier><creators><creator><creatorName>André de Lustrac</creatorName></creator><creator><creatorName>Anne-Claude Tarot</creatorName></creator><creator><creatorName>Kouroch Mahdjoubi</creatorName></creator><creator><creatorName>P. Ratajczak</creatorName></creator><creator><creatorName>PY. Garel</creatorName></creator><creator><creatorName>Eric Akmansoy</creatorName></creator><creator><creatorName>Frédéric Gadot</creatorName></creator><creator><creatorName>H. Boutayeb</creatorName></creator><creator><creatorName>J.P. Da</creatorName></creator></creators><titles>
            <title>Antenne à formation de faisceau adaptative à base d'un matériau BIE contrôlable pour une station de base GSM, DCS et UMTS</title></titles>
        <publisher>SEE</publisher>
        <publicationYear>2017</publicationYear>
        <resourceType resourceTypeGeneral="Text">Text</resourceType><dates>
	    <date dateType="Created">Wed 11 Oct 2017</date>
	    <date dateType="Updated">Wed 11 Oct 2017</date>
            <date dateType="Submitted">Fri 20 Jul 2018</date>
	</dates>
        <alternateIdentifiers>
	    <alternateIdentifier alternateIdentifierType="bitstream">dd818ef627ece3d0aa10bdf432343f54ea9431ea</alternateIdentifier>
	</alternateIdentifiers>
        <formats>
	    <format>application/pdf</format>
	</formats>
	<version>34383</version>
        <descriptions>
            <description descriptionType="Abstract"></description>
        </descriptions>
    </resource>
.

Dossier LES ANTENNES Antenne à formation de faisceau Irm adaptative à base d'un matériau BIE contrôlable pour une station de base GStVL DCS et UMTS Mots clés BIE/Bande interdite électromagnetique), Métamatériaux, Antenne multifaisceaux Par P RATAJCZAK 1, PY. GAREL Il E.AKMANSOY 1, F GADOT Il A. de LUSTRAC 1, H. BOUTAYEB',K. MAHDJOUBI', A.C. TAROT 31 J.P. DANIEL 4, K. SAYEGRIH 4 'France Telecom Division R&D, 1 IEF Université Paris XI, UMR 22 du CNRS, 1 IETR, Université de Rennes 1 1 ADVANTEN 1. Introduction Le développement des systèmes de communication destinés à satisfaire les besoins de mobilité conduit à l'utilisation de stations de base de plus en plus com- plexes. Pour illuminer les cellules voulues de la couver- ture, les antennes des stations de base pourraient être une association d'antennes mono et multibande, d'antennes multifaisceau à réflecteur avec ou sans réseau focal ou à réseau conforme imprimé. Le besoin d'une forte capacité multi-bande et multi- faisceau adaptative accroît très fortement la complexité du réseau d'alimentation (composants RF...). Nous avons choisi d'utiliser une source classique omnidirectionnelle et multi/large bande avec un système cylindrique de réflecteurs contrôlables afin de gérer la couverture en azi- mut (la forme du faisceau en élévation est définie par la conception de la source omnidirectionnelle) en utilisant une structure métallique re-configurable à Bande Interdite Electromagnétique (BIE). Cet article tente de montrer que l'utilisation de cette structure simplifie le système de formation de faisceau et a de bonnes performances EM. 2. Principes et conception de la formation de faisceau 2.1. Le matériau BIE contrôlable La structure BIE reconfigurable se compose d'une grille de fils métalliques discontinus le long desquels sont insérées des diodes PIN [2]. Les diodes contrôlent la lon- gueur des fils composites (figure 1 pour un treillis plan) : . fils métalliques longs quand les diodes sont ON, le matériau BIE se comporte comme un réflecteur jusqu'à 20 GHz. . fils métalliques discontinus quand les diodes sont OFF, le matériau BIE est transparent jusqu'à 6 GHz. ESSENTIEL SYNOPSIS Dans cet article,nous présentonsun nouveautype d'une antenne multi-bandeà formation de faisceaupour station de basepour les communications avec les mobiles. Elle permet de gérer la cou- verture dans le plan azimutal(mono ou multifaisceau, avec des largeurs de faisceaux et des directions indépendantes) sans utilisation de composantsradiofréquence (déphaseurs, amplifica- teurs...) ou de matrice de Butler. Cette antenne pour station de base associe une antenne omnidirectionnelle à un matériau métallique à Bande Interdite Electromagnétique(B ! E) de forme cylindrique et contrôlable. La principalecaractéristiquede ce treillis est l'inclusion de diodes PIN le longdes fils métalliquespour le contrôle de la conductivité de chaque fil et ainsi des secteurs angulaires dans lesquels la structure cylindriqueBIE est transparente.Après la présentation du matériau BIE contrôlableet lavalidationdu principe de forma- tion des faisceaux, nous présentons l'antenne complète de la station de base ainsi que les performances électromagnétiques de ce type de structure. Le travailprésenté dans cet article a été fait dans le cadredu projet RNRT« BIP)» Il]. In this paper,we present à new kind of beamsteering multi-band base station antennafor mobile communications that allows to manageits coverage(single beam or multi-beam in the azimuth planewith independent beamwiths and azimuth angles)without RF components (phase shifters, amplifiers...) or Butler matrix. Thisbasestation associatesa omni-directionalantennato a cylin- drical controllable metallic Electromagnetic BandGap(EBG)mate- rial. Themaincharacteristicof this lattice is to include PINdiodes along the metallic wires in order to control the conductivity of eachwire and so the angular sectors where the cylindricalEBG structure is transparent.After a presentation of the controllable EBGmaterialandthe validationof the beamsteeringprinciple,we will introduce the complete base station antenna and we will show the EM performance of this kind of structure. The works presentedhere havebeen made underthe RNRT« BIP >· project Il]. REE W6/7 Jiiin/juillet 2005 . Dossier) LES ANTENNES Ce matériau a le principal avantage d'être contrôlable uniquement par le biais des diodes et sur une large bande de fréquence de commutation incluant les bandes GSM, DCS et UMTS dans la même bande interdite, et dépen- dant des paramètres géométriques de la structure BIE. t P [ " ", r-1 i- r 1 t T V f y y T . , ! r, r t, L, l L F . = ti- - y y r- r_ 3 lavcrs 1 . E U IdHr) -0 Figiii-e.J. Simulations d'un matériels EBG contrôlable. métallisée par Advanten [5] avec une seule couche de 24 fils discontinus et 6 diodes par fil sur la face externe du cylindre en mousse (F,. = 1,2) de 100 mm de rayon. A l'intérieur du cylindre, la source est un monopôle placé sur un plan de masse ; une plaque métallique placée au sommet du cylindre porte l'alimentation des diodes et les commutateurs (voir fig.3). La conception de ce prototype a été effectuée avec un code FDTD et Ansoft-HFSS. Les diagrammes de rayonnement mesurés à 1,7 GHz sont présentés figure 3 en représentation polaire 2D dont l'axe comespond à e = 0° et le cercle extérieur à e = 180°, dans lesquelles 6 fils sont OFF ce qui correspond à une ouverture de 90° dans la structure BIE. On peut voir la commutation du lobe principal dans la direction - 90° ou + 90° avec de faibles dissymétries dues à la fabrication, ce qui valide le principe de formation de faisceau. 2.2. Principes de la formation de faisceau Pour le contrôle du rayonnement en azimut sur 360', la grille plane classique est transformée en grille cylin- drique avec une source omnidirectionnelle en son centre. La figure 2 présente les cartes de champ électrique dans le matériau BIE cylindrique pour différentes configurations (mono faisceau de largeur variable, deux faisceaux) mon- trant le comportement du matériau contrôlé : transparent quand les diodes sont OFF, réfléchissant quand elles sont ON. Cette figure démontre la possibilité de choisir la direction de faisceau en azimut, la largeur de faisceau et une couverture à un ou plusieurs faisceaux. 1.. - 11... - . - . 11 - 11>44, Figccre2. Cartes de champ électriqiie. Plusieurs structures du matériau BIE cylindrique ont été simulées [3]. La meilleure correspond à l'espacement régulier des fils sur chaque couche cylindrique [4]. Cette distribution contribue au comportement réfléchissant de la structure BIE et permet d'obtenir une meilleure impédance d'entrée de la structure entière. Le nombre de couches cylindriques facilite l'adaptation de l'antenne et définit aussi le niveau du rayonnement arrière et la forme de faisceau. 2.3. Validation de la formation de faisceau Dans le but de valider ce concept de formation de faisceau, un prototype a été réalisé en technologie mousse 'CL Ille ''-- 1 1 - _--, f " A. 7'ü7h ,ÿ. !. ' " 4'r'f..r 3.. 3 1 dO - ê dH -: i dH , ilil 9 dD -12 ZIE -l'O iR :4 JA 25 : ; B - 38 - 2 LI 29 -4 -) H 5 sB -4v 1H -'.'.JO - 2 : Io 0H - "'&J i H 5 :eB , e a ri -i jii ttR -i :i :513 - - - - ..- -- ttf-tn < tf8 g, g a , - -- Figure 4. Antenne de la station de base. 3.2. Performances EM La figure 5 présente le diagramme de rayonnement simulé à 1,8 GHz dans 3 configurations de couverture : monofaisceau (ouverture dans le cylindre BIE de ± 30°) ou multifaisceau (ouvertures dans le cylindre BIE de 0-90'et 200-290° pour 2 faisceaux et de 0-60°, 120-1800 et 240-300° pour 3 faisceaux). On peut voir que le (s) lobe (s) principal (aux) est/sont dans la direction e = 90° en élévation et que le niveau de polarisation croisée est inférieur à - 15 dB dans les bandes de fréquence supérieures (-10 dB dans la bande GSM). Les simulations [3] et les résultats avec SR3D montrent que la gestion de la formation de faisceau est effectuée par les ouvertures dans la structure cylindrique BIE et l'adaptation de l'antenne grâce à l'optimisation de la distribution des fils ON/OFF sur les premières couches --f " FigLre 5. Diagramrnes de i-ci'oiiiieiiieiit siiiii (lés à 1,8 GHI-,' du matériau BIE. Pour une couverture multifaisceau, l'optimisation des fils ON/OFF est également nécessaire dans certains cas pour minimiser les lobes latéraux. Le prototype de l'antenne de la station de base a été réalisé uniquement avec des fils métalliques longs, si bien que de nouvelles simulations d'une couverture monofaisceau sans fils discontinus ont été nécessaires pour pouvoir comparer expérimentations et simulations. Dans ces expérimentations, les fils sont mis ou enlevés suivant le besoin de configurer le cylindre BIE. L'impédance d'entrée est présentée figure 6 pour les 3 configurations de couverture. On peut y constater le bon accord entre les expérimentations (ligne bleue) et les simulations (sym- boles rouges). On peut aussi observer un décalage de 20 MHz de la position de la résonance à 2 GHz. Dans tous les cas, on peut voir qu'une optimisation de l'impé- dance d'entrée est possible par redistribution des fils ON/OFF. Toutes les configurations n'ayant pas été testées, de meilleurs résultats sont peut-être possibles. SIl1e beam - sm e bm-- ; Il 1 1 1 SR3D 1 : ! i i 7 i ,II I lit' 1 1 1 1 1.. I l " ,..'. 2beams 3beams %,ithc apti.ith. Figiti-e 6. Iiipédaiice d'eiiti-ée diiis les coii.figti ; -atioiis J, 2 et 3 fàist-ealix. c'- " " lr)' ;,nb '- " y.,'=' :.- -, " _R' ,- ;,. " " iat\DIlS, .,,,,,,-,,'--.-'- - -,- --- <'. ;.,-./ >' " -- "'-,,j,' ; - " ->--/ " >.,..,-., ".'.''\0,L'....'''.'.'.'.. 'Î " " -H " "' " ..,...,,.... " :'\ ;