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Conception d`antennes au CEA-LETI avec CST Microwave Studio
2010 Conception d'antennes au CEA-LETI avec CST Microwave Studio CEA-LETI Minatec, Groupe Systèmes Antennaires & Propagation Lionel Rudant [email protected] CST Workshop series 2010 - Grenoble 1/19 CEA-LETI : activités Systèmes Antennaires & Propagation LETI/DSIS/LCS Groupe Systèmes Antennaires & Propagation 8 permanents (4 PhD / 4 Ingénieurs chercheurs), 6 CDD / post-docs, 7 doctorants / DRT Thématiques Antennes Structures rayonnantes (100 MHz à 75 GHz) Systèmes multi-antennes et réseaux d’antennes Traitements d’antennes Fonctions systèmes à base d’antennes Electronique/µélectronique RF discrète associée • • Dispositif multi-antennes Antenne miniature UWB C = 12.1 pF R = 154 Ω L = 20.1 nH C = 0.13 pF C = 0.2 pF L = 1.42 nH L = 3.96 nH 1:n C = 0.2 pF L = 4.4 nH Ls = 6 mm Z0 = 165 Ω Lf = 11 mm W = 1.5 mm • • • • • C = 0.4 pF 2010 Dipôle sur substrat SOI Fréquences millimétriques Modélisation circuit Récepteur RF multivoies Intégration d’antennes miniatures Thématiques Propagation Caractérisation / Modélisation du canal de propagation Simulateur de canal Réseau de capteurs pour l’automobile Mesures dans les contextes réels Effets Doppler Simulateur de canal en chambre anéchoïde CST Workshop series 2010 - Grenoble 2/19 Moyens de caractérisation expérimentale d’antennes 2010 Caractérisation de systèmes antennaires de 100 MHz à 75 GHz • Trois bases de mesure selon la bande de fréquence – – – • Chambre anéchoïde faradisée 900 MHz - 40 GHz Grande chambre anéchoïde faradisée 100 MHZ - 18 GHz Caractérisation sous pointes, application aux fréquences millimétriques 50 - 75 GHz Instrumentation radiofréquence dans les domaines fréquentiel et temporel Chambre anéchoïde f>900MHz Configuration fréquentielle & temporelle Grande chambre anéchoïde dans le Bâtiment des Industries Intégratives B2I Premières mesures en juin… Mars 2010 0,1 - 18 GHz (12x12x20 m3) 50 - 75 GHz 0,9 - 40 GHz (3x3x6 m3) Janvier 2010 Caractérisation en rayonnement sous pointes CST Workshop series 2010 - Grenoble 3/19 Moyens de sondage du canal de propagation 2010 Caractérisation d’environnement électromagnétique • Canal de propagation – – – • Sondeur fréquentiel de canal de propagation Sondeur temporel de canal de propagation Point à point, point-multipoint Caractérisation de matériaux / méta-matériaux Propagation bande ISM autour et à l’intérieur du véhicule Propagation dans la cabine d’un avion Propagation ULB en environnement neigeux Propagation ULB à l’intérieur des bâtiments Réseaux de capteurs sur le corps humain Caractérisation en réflexion de méta-matériaux CST Workshop series 2010 - Grenoble 4/19 Moyens de simulation EM : CST Microwave Studio 2010 • CST Studio Suite 2010 / Microwave Studio – – – – • Nos usages… – – – – – – – • Solver domaine temporel Solver domaine fréquentiel Modèle corps humain HUGO 11 licences Simulation / conception antenne, solver temporel Simulation / conception circuit passif RF Simulation antenne + circuit discret Parameter sweep / optimization Développement macro VB Exportation / importation de fichiers CAO, DXF & SAT Simulation / conception antenne, solver fréquentiel… Plateformes informatiques – n PC classiques [Dell Optiplex GX620] • • • – Dual-Core Intel® Pentium4® 3.2 GHz 2 Go mémoire vive Windows® XP Professional 4 PC dédiés simulation EM [Dell Precision T7400] • • • Dual Quad-Core Intel® Xeon® Processor 3 GHz 64 Go mémoire vive Windows® XP Professional 64bits CST Workshop series 2010 - Grenoble 5/19 2010 Quelques exemples de projet de conception d’antennes au CEA-LETI… … en utilisant CST Microwave Studio • Antenne miniature reconfigurable en fréquence • Conception d’antenne directive UWB • Intégration de systèmes multi antennes multi bandes • Antennes In Vivo CST Workshop series 2010 - Grenoble 6/19 Antenne miniature reconfigurable en fréquence 1/3 2010 Contexte de l’étude • Couverture de la bande UHF : agilité fréquentielle nécessaire – • • Antenne miniature à polarisation rectiligne Antenne fil-plaque ou wire-patch antenna – • Applications télécom et réseaux de capteurs Antenne monopolaire à hauteur réduite Innovations : – – Miniaturisation par ajout d’une fente dans le toit supérieur Ajout d’une diode varicap chargeant la fente pour l’agilité fréquentielle Capacité variable Toit supérieur W=41mm L=41mm H=5mm Plan de masse Feed probe Fil court-circuit Fente Modèle discret équivalent CST Workshop series 2010 - Grenoble 7/19 Antenne miniature reconfigurable en fréquence 2/3 2010 Simulation • Modélisation sous CST Microwave Studio – Modélisation de la géométrie sur un plan de masse infini – Maillage fin au niveau de la fente – Modélisation de la diode varicap et de la capacité de filtrage DC avec des charges localisées Capacité DC block Diode varicap Maillage fin dans la fente Modèle de la structure complète Maillage optimisé Capacité charge localisée, modèle réaliste RC Lumped Element CST Workshop series 2010 - Grenoble 8/19 Antenne miniature reconfigurable en fréquence 3/3 2010 Résultats Impédance d’entrée pour différentes valeurs de capacité 0° -30° +30° -60° 150 Simulation Measure +60° -30 -90° -20 -120° -10 0 dBi +90° +120° -150° +150° 1.8pF (8.8V) 2.4pF (6.6V) 50 3.2pF (5.5V) 0 +180° CST Microwave Studio Impedance (Ohms) 100 Gain dBi XY plane xOy 0° -30° -60° 0.6 0.7 Frequency (GHz) 0.8 0.9 +60° -30 -90° -20 -120° Mesure -50 0.5 +30° -10 0 dBi +90° +120° -150° +150° +180° S. Sufyar, C. Delaveaud, R. Staraj, “A Frequency Agility Technique on a Miniature Omnidirectional Antenna”, 4th European Conference on Antennas and Propagation EUCAP, April 2010, Barcelona Prototype fonctionnel CST Workshop series 2010 - Grenoble 9/19 Conception d’antenne directive UWB 1/3 2010 Contexte de l’étude Comment distribuer le trè très haut dé débit dans toute la maison? • Tunnel optique à l’aide de la radio sur fibre – – – • Extension de la couverture des systèmes Ultra Wide Band UWB au-delà de 100 m Extension transparente pour le système (radio sur fibre) Solution simple et bas coût (fibre type plastique) Besoin d’antennes directives UWB – – Améliore le bilan de liaison pour la partie rayonnée Directivité supplémentaire • • • réduction des interférences réduction de l’étalement de la réponse de canal (en mode communication impulsionnelle) Spécifications du démonstrateur BILBAO – – – – Bande 3.1 GHz - 5.1 GHz Gain max supérieur à 10 dBi et diagramme indépendant de la fréquence Epaisseur inférieure à 1 cm Etude du comportement temporel de l’antenne (en mode communication impulsionnelle) Démonstrateur tunnel optique Transmission vidé vidéo Projet BILBAO CST Workshop series 2010 - Grenoble 10/19 Conception d’antenne directive UWB 2/3 2010 Simulation – • mesure simulation Réseau de 2x2 patch en E UWB Spécificités de la simulation – – Méthode temporelle avantageuse pour les applications UWB Optimisation local du maillage : • • – – -5 Réseau d’excitation de type corporate circuit micro ruban excitation capacitive des patchs rayonnants Sonde de champs (impulsions rayonnées) Développement de macros d’exportation des données du champs rayonné S11 dB • Adaptation d’ d’impé impédance 0 -10 -15 -20 -25 2 3 4 5 6 Fréquence GHZ Gain dans l’l’axe 90 x 90 x 9 mm3 12 10 Gain dBi 8 6 4 2 0 Prototype / Démonstrateur measurement simulation -2 -4 Maillage de la zone d’excitation 2 3 Fréquence GHZ 4 5 Frequency (GHz) 6 CST Workshop series 2010 - Grenoble 7 11/19 Conception d’antenne directive UWB 3/3 2010 Résultats Étude de la distorsion de l’l’impulsion rayonné rayonnée dans l’l’axe CST Microwave Studio Impulsion d’excitation Impulsion rayonnée • Etude du comportement temporel de l’antenne – • ondulations liées à l’antenne étalement limité de la réponse en rayonnement Démonstration tunnel optique : validation de l’antenne – Débit atteint :3 flux de 80 Mo/s avec 3 sous-bandes OFDM de 500MHz S. Bories, C. Delaveaud, H. Jacquinot, “Low Profile and Directive UWB Antenna”, the 3rd European Conference on Antennas and Propagation EUCAP, Mars 2009, Berlin CST Workshop series 2010 - Grenoble 12/19 Intégration de systèmes multi antennes multi bandes 1/3 2010 Contexte de l’étude Outils de diagnostique automobile WiFi Internet, accè accès ré réseau local Depuis 1986, ACTIA est un constructeur de systè systèmes électroniques pour vé véhicule : - Réparation et contrôle technique / Systè Systèmes embarqué embarqués - Marché Marché fortement concurrentiel, fort besoin d’ d’innovation - 12% du CA investis dans des projets R&D • 5 antennes à intégrer dans la tablette – – – – • USB sans fil Périphé riphériques, lien tablette/base 3 antennes WiFi 2.4GHz en diversité 1 antenne 2.4GHz pour le bluetooth 1 antenne ultra large bande pour le Wireless USB (groupe 3, 6.6-7.656GHz) Objectif : toutes les antennes dans un volume unique Bluetooth Périphé riphériques, connexion vé véhicule Projet DODIESE 1 antenne à intégrer dans la base – 1 antenne ultra large bande pour le Wireless USB (groupe 3, 6.6-7.656GHz) CST Workshop series 2010 - Grenoble 13/19 Intégration de systèmes multi antennes multi bandes 2/3 2010 Simulation 80mm Pièces métalliques découpées pliées (cuivre épaisseur 0.5mm) Contexte d’ d’inté intégration 2.5cm×12cm×1cm 0.2λ λ0×0.96λ λ0×0.08λ λ[email protected] Antenne PIFA WiFi/BT Circuit imprimé sur substrat FR4 0.8mm Ecran Métal, plastique Carte multi antennes multi bandes WiFi/WUSB • Modèle réaliste – – Connectique Métal Façade ABS-PC εr=3 tanδ=5E-3 Antenne fente WiFi/BT Capot ABS-PC εr=3 tanδ=5E-3 Carte électronique FR4 εr=4.4 tanδ=2E-2 • Protection Rubber εr=3 Géométrie complète de la plateforme Définition radioélectrique des matériaux Modèle optimisé pour réduire les temps de simulation : – – – – – Châssis Magnésium σ=7E6S/m Antenne fente WUSB Pas de câble coaxiaux Prise en compte partielle du contexte Critère de convergence optimisé Calculs séparés pour le WiFi et le WUSB Circuits d’excitation optimisés avec un simulateur 2D CST Workshop series 2010 - Grenoble 14/19 Intégration de systèmes multi antennes multi bandes 3/3 2010 Résultats PIFA Antenne fente WiFi/BT WiFi/BT Port 4 Port 5 Antenne fente WUSB Port 3 PIFA Antenne fente WiFi/BT WiFi/BT Port 2 Port 1 Mesure en chambre ané anéchoï choïde CST Microwave Studio 0 0 Ploss,1 Ploss,1 Ploss,2 -0.5 Ploss,2 -0.5 Ploss,4 Ploss,4 Ploss,5 Ploss,5 -1 1-Ploss,i dB 1-Ploss,i dB -1 -1.5 -1.5 -2 -2 -2.5 -2.5 -3 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 Frequency GHz 2.7 2.8 2.9 3 -3 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 Frequency GHz 2.7 2.8 2.9 3 CST Workshop series 2010 - Grenoble 15/19 Antennes In Vivo 1/3 2010 Contexte de l’étude • EPADIMD Projet européen – – – – Communication sans fils pour implants médicaux Conception d’antenne miniature en bande Medical Implant Communication System MICS Étude de faisabilité d’un lien radio en bande ISM 2,45 GHz Objectifs : analyse de l’effet du corps humains (bilan de liaison) concevoir une antenne miniature bi-bande CST Microwave Studio Modèle corps humain HUGO • 22,5 mm Boucle magnétique bi-bande intégrée dans un défibrillateur – – – – Modèle simplifié puis modèle complet industriel Prise en compte du rôle du boîtier, de l’implant et des sondes Matériaux spécifiques biocompatibles Co-conception avec l’électronique RF du front-end intégré (conception CEA-Leti) • • 50 Ω @ 403 MHz 100 Ω différentiel @ 2,45 GHz CST Workshop series 2010 - Grenoble 16/19 Antennes In Vivo 2/3 2010 Simulation • • Stratégie de simulation EM adaptée Synthèse de modèles @ 2.45 GHz – – – • Modèle HUGO 1 mm sous CST MWS Modèle multicouche (impédance) Modèle homogène (rayonnement) Comparaison Simulation / Mesure e Modèle HUGO 1mm Mesure Simulation Coefficient de réflexion dB Modèle équivalent multicouche Modèle équivalent homogène Diagramme de gain total (dBi) / Champ absolu Comparaison simulation / mesure avec modèle homogène CST Workshop series 2010 - Grenoble 17/19 Antennes In Vivo 3/3 2010 Résultats • • Modélisation du bilan de liaison dans/hors du corps Contribution ETSI TR 102 655 V1.1.1 (2008-11) PRx = PTx + GRx + Gair + LG + m(e − 1) + 20 log10 ( n = 2 LOS m = −3.92 LG = −19.2 dB • • Enfouissement dans le corps λ ) − n10 log10 ( d ) 4π Espace libre EPADIMD Etude des effets sanitaires : cartographie de Débit d’Absorption Spécifique DAS Modèle HUGO indispensable (discrétisation spatiale 1 mm) Puissance émission max 2mW Compatible avec les recommandations sanitaires ! Plan de coupe vertical @2.45GHz CST Workshop series 2010 - Grenoble 18/19 2010 MERCI CEA-LETI Minatec, Groupe Systèmes Antennaires & Propagation responsable de groupe : [email protected] CST Workshop series 2010 - Grenoble 19/19
