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Simulation électromagnétique
d'antennes : manipulations
avec le logiciel FEKO (EMSS)
Formation continue – 19-20 mai 2014
[email protected]
Institut Mines-Télécom
Simulation EM
Objectifs
•
•
•
•
Prédire les grandeurs d’intérêt (EM & dérivées) selon les
hypothèses de milieux, frontières et sources
Réduire le prototypage (pré-dimensionnement des dispositifs /
intégration processus CAO)
Améliorer les performances nominales, les rendements, la
sensibilité aux conditions de mise en œuvre, etc…
Contribuer à l’analyse de l’origine de difficultés
Méthode
•
•
•
•
Modélisation informatique (3D paramétrique, native ou import)
Résolution automatique des équations fondamentales
Post-traitement adapté au problème étudié
Export / co-simulation
A noter
•
•
Différences modèle / réalité (toujours !)
Résolution dont la précision dépend des techniques utilisées et
des réglages adoptés
•
Adéquation des ressources ? (temps de calcul, mémoire…)
─ Notamment : maillage
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Telecom/TB/Dpt.
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Formation continue - Antennes
Logiciel de simulation EM FEKO
Il existe de nombreux autres logiciels commerciaux
pour la simulation EM (http://emclab.mst.edu/csoft/ )
http://www.feko.info/
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Les modules de FEKO
CADFEKO
Maillage (Mesh)
PREFEKO
FEKO SOLVER
POSTFEKO
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Formation continue - Antennes
Déroulement de la séance
Présentation de séance
• Simulation EM & FEKO
Antennes filaires
• Dipôle, monopôle, GPA
• Dipôle avec réflecteur polarisé,
• Antenne panneau (uniforme, binomial, déphasé)
Patch ISM 2,4 GHz
•
•
•
•
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Sur air, polarisation linéaire, circulaire
Substrat infini, fini
PiFa
Réseau de patchs : périodicité, couplages
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Formation continue - Antennes
Du dipôle à l’antenne panneau
pour réseaux cellulaires
Prise en main du logiciel FEKO et
étude graduelle d’ antennes filaires
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dipole.cfx
Dipôle filaire
Paramètres principaux
ld= lam/2
d= lam/1000 (dipôle fin)
f0 = 2 GHz
On souhaite connaître
• L’impédance ramenée
• Le coefficient de réflexion
• La distribution des
courants et charges
• Le rayonnement
• Les champs proches
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Formation continue - Antennes
Construction du modèle dipole
Construct
•
Définition des paramètres
─ f0=2e9, lam=c0/f0, ld=lam/2, d=lam/1000
•
Définition de la position d’excitation
─ Wire-port /middle
Configuration
•
•
•
Frequency : 1,8 à 2,2 GHz, Continuous interpolated
Source : Voltage 1V/50 Ohm
Request : currents, all currents
Maillage
•
Mesh : custom : lam/40, segment radius : d
Simulation
Post-Feko
•
•
•
•
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Coefficient de réflexion : cartésien (min, BP)
Impédances : parties réelles / imaginaires, résonance, abaque de smith
Ré-accord à 2 GHz
Adaptation
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Dipôle ajusté et adapté
ld=lam/2*f1/f0
Excitation
VoltageSource1
0
Reflection coefficient [dB]
-10
0.208807 GHz
-20
-30
-40
Minimum: (2.00448 GHz, -58.7512 dB)
-50
-60
1.80
1.85
1.90
1.95
2.00
2.05
2.10
2.15
2.20
Frequency [GHz]
Reflection coefficient Magnitude [dB] - dipole
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Courants et charges sur le dipôle
Frequency = 1.8 GHz
Frequency = 2 GHz
Frequency = 2.2 GHz
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14
12
10
8
6
4
2
0
0
5
10
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Segment index
Current Magnitude - dipole
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Rayonnement du dipôle
Dans cad feko
• frequency : 2 GHz (seulement)
• Request
─ Far field 3D (5°)
─ Near fields : grilles horizontales (xy) et verticales (xz) de
22X22 points sur une surface de lamXlam
Post-Feko
• Rayonnement qualitatif (3D)
• Rayonnement quantitatif (polaire), gain, ouverture
• Champ proches dans chaque plan : E, animation, H
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Dipôle : champs proches et lointains à la
résonance
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Champs proches
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dipole.cfx
Monopôle
monopole.cfx
l= lam/4*1,91/2
d= lam/1000
(monopôle fin)
f0 = 2 GHz
Corriger le modèle
+ Plan de masse
Modifier les request
- Champs lointains
- Champs proches
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Formation continue - Antennes
0
-10
Monopôle
0.207545 GHz
-20
-30
-40
-50
Minimum: (1.9934 GHz, -75.5222 dB)
-60
-70
1.80
1.85
1.90
1.95
2.00
2.05
2.10
2.15
2.20
Frequency [GHz]
Courant X2
/ dipôle
Impédance / 2 par rapport au dipôle
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Formation continue - Antennes
Monopôle : champs lointains
Gain + 3dB
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Formation continue - Antennes
Monopôle : champs proches
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Formation continue - Antennes
Monopôle avec PM filaire
36 Ohms /
200 MHz pour
le plan de
masse infini
Remplacer le plan de masse par 6 fils
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Formation continue - Antennes
Monopôle avec PM filaire
2,15 dBi / 76°
pour le dipôle
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Formation continue - Antennes
GPA.cfx
GPA
L’angle des brins contrôle le niveau
d’impédance ramenée
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Formation continue - Antennes
GPA à 2 GHz
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Formation continue - Antennes
Dipôle devant un réseau réflecteur
PanneauFilsHorizontaux.cfx
Plans de symétrie
Distance inter fils : lam/10
Distance dipôle/PR : lam/4
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Formation continue - Antennes
Fils horizontaux
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Formation continue - Antennes
Dipôle devant un PR (fils verticaux)
PanneauFilsVerticaux.cfx
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Formation continue - Antennes
Antenne panneau UMTS
Symétries EM ?
Panneau plein
(mailles triangles)
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Formation continue - Antennes
Rayonnement de l’antenne panneau
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Effet des différentes lois d’alimentation
Uniforme 1V-0°
Binomial 1V/2V/1V-0°
10,92 dBi
Théorie des réseaux
(logiciel Antenna Magus)
Déphasé 0,57V-0°
/0,59V-37,5°/0,57V-75°
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Formation continue - Antennes
Antennes imprimées
Patch isolé sur substrat air,
diélectrique, PIFA, patchs en
réseaux
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Formation continue - Antennes
z
Patch
patch2p4.cfx
Config 1
f0=2,4 GHz
h=lam/50
Er=1 (fr=2,23GHz)
l=lam/?
w=l
e= 0,25*l/2
w
x
Config 2
Polarisation circulaire
Config 3
Er=2 (fr=2,32GHz)
=> w, l, h
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e
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l
h
Er
y
Adaptation
Impédances
Diagramme de rayonnement
Champs proches (V, H, sphère (lam))
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Patch substrat air avec plan de masse infini
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Patch substrat air avec plan de masse infini
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Patch sur substrat infini Er=2
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patch2p4Er.cfx
f0=2,4 GHz
h=lam/50
Er=2
l=lam/2/sqrt(Er)
w=l
e= 0,25*l/2
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Formation continue - Antennes
Patch sur substrat infini Er=2
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Patch à polarisation circulaire
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Formation continue - Antennes
patch2p4bimode.cfx
Formation continue - Antennes
Patch bimode : résultats
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PIFA sur plan de masse infini
PIFA2-MasseInfinie.cfx
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Formation continue - Antennes
PIFA sur plan de masse infini
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PIFA sur plan de masse infini
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Réseau de 10X10 patchs couplés
A partir de l’utilisation
des conditions
périodiques
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Réseau de 10X10 patchs couplés
Beam angle = 0°
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Réseau de 10X10 patchs couplés dépointage
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Fin des manipulations
Questions ?
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