EP0805512A1 - Antenne imprimée compacte pour rayonnement à faible élévation - Google Patents

Antenne imprimée compacte pour rayonnement à faible élévation Download PDF

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EP0805512A1
EP0805512A1 EP97460016A EP97460016A EP0805512A1 EP 0805512 A1 EP0805512 A1 EP 0805512A1 EP 97460016 A EP97460016 A EP 97460016A EP 97460016 A EP97460016 A EP 97460016A EP 0805512 A1 EP0805512 A1 EP 0805512A1
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EP
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antenna
mode
radiating element
notches
antenna according
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EP97460016A
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Inventor
Patrice Brachat
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Orange SA
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France Telecom SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna

Definitions

  • the field of the invention is that of planar printed antennas for transmitting and / or receiving microwave signals.
  • the invention relates to a planar antenna producing maximum radiation for low elevations.
  • the antenna of the invention has many applications. It can for example be used in a network placed on the roof of a private vehicle, in order to provide telecommunications by satellite. Indeed, some mobiles, and in particular those in connection with geostationary satellites in countries with medium or high latitude (Northern Europe for example), require flat antennas producing maximum radiation for low elevations.
  • a printed antenna comprises a dielectric substrate plate, a ground plane (constituted by a first conductive deposit deposited on a first face of the dielectric substrate plate), a radiating element (constituted by a second conductive deposit deposited on a second face of the dielectric substrate plate) and means for feeding the antenna.
  • these printed antennas In their current operation, that is to say when they operate in their fundamental mode, these printed antennas generate a radiation diagram having a maximum in the direction perpendicular to the plane containing the antenna.
  • the length of the radiating element is very close to the half-wavelength taking into account the permittivity of the dielectric substrate used.
  • the printed antennas To be able to generate a radiation having a maximum for low elevations, that is to say in directions distant from the axis perpendicular to the plane containing the antenna, the printed antennas must operate in a higher mode whose current distribution allows to create this type of radiation.
  • the major problem lies in the fact that the higher modes of interest appear for relatively high frequencies compared to those of fundamental mode. This means that in order to be able to use this type of mode (higher) for the desired frequency band (close to that corresponding to the fundamental mode), the antenna must be very oversized.
  • the invention particularly aims to overcome this major drawback of the state of the art.
  • one of the objectives of the present invention is to provide a printed antenna making it possible to obtain radiation for low elevations while having a reduced bulk.
  • the invention also aims to provide such an antenna which retains all the advantages of printed antennas, and in particular a low manufacturing cost.
  • the higher mode chosen is the one in which the antenna is to be operated, so that the maximum radiation is generated for low elevations.
  • the general principle of the invention consists, for a given higher mode, in reducing the resonant frequency only by making notches on the radiating element, that is to say without modifying the overall size of the antenna.
  • the printed antenna of the invention has a smaller footprint than a conventional printed antenna.
  • the notch (s) are arranged substantially perpendicular to the streamlines of said selected upper mode.
  • the dimensions (length, width) of the notch (s) are determined from a calculation technique based on a finite element method.
  • said radiating element is in the form of a disc.
  • said upper mode chosen is mode TM21, the streamlines of which form a pattern which is repeated in each quarter of said disc, said radiating element having four radial notches, spaced two by two angularly by approximately 90 °, each of said notches being substantially perpendicular to the current lines in one of said quarters of the disc.
  • said mode higher selected is the mode TM01, whose currents are arranged radially, said radiating element having at least one circular notch, the one or more notches extending over at least part of the circumference of a circle contained in said disc and having the same center as the latter.
  • each notch cooperates with means for annihilating its effect, said antenna comprising means for activating / deactivating said annihilation means.
  • said means for annihilating the effect of a notch comprise a diode connecting the two edges of said notch.
  • This multimode operation makes it possible to cover a wide solid angle with a maximum of radiation.
  • the fundamental mode there is a maximum of radiation in the direction perpendicular to the plane containing the antenna, and in the chosen upper mode, there is a maximum of radiation for a low elevation.
  • said radiating element has a plurality of notches, said activation / deactivation means acting on a time-varying number of annihilation means associated with said plurality of notches, so as to allow multifrequency operation such that each distinct number of annihilation means activated at a given time corresponds to a particular resonant frequency of said selected upper mode.
  • the invention also relates to a dual-band antenna, characterized in that it comprises two superimposed antennas, called lower and upper antennas, of the type presented above, the radiating element of said lower antenna constituting the ground plane of said upper antenna.
  • the invention therefore relates to a flat printed antenna for transmitting and / or receiving microwave signals.
  • the antenna has a fundamental mode, in which it generates a radiation diagram having a maximum in the direction perpendicular to the plane containing the radiating element, and at least one higher mode, in which it generates a radiation diagram at low elevation.
  • FIG. 2 shows a curve of variation, as a function of frequency, of the standing wave ratio (ROS) of the conventional antenna of FIG. 1. This curve clearly shows the resonance frequencies F1 and F2.
  • ROS standing wave ratio
  • Figure 3 shows a top view of the first antenna according to the invention.
  • the radiating element 30 has four radial notches 31 to 34, spaced two by two angularly by about 90 °.
  • the current lines of the TM21 mode form a pattern which is repeated according to the quarter of the disc (the currents being represented in dotted lines).
  • the notches 31 to 34 are placed in order to obtain maximum interception of the currents on the radiating element 30. In other words, each notch is substantially perpendicular to the current lines in one of the quarters of the disc 30.
  • these values are preferably obtained using a calculation technique (implemented by software) based on a finite element method.
  • the purpose of the first antenna is to decrease the resonant frequency of the upper mode TM21.
  • the invention therefore makes it possible to considerably reduce the size of the structure compared to a conventional antenna.
  • a solid disk would have to be had approximately a diameter of 119 mm instead of the diameter of 73.5 mm of the first antenna of the invention.
  • the invention allows a reduction in the size of the antenna of approximately 40%.
  • FIGS. 6 and 9 each present the complete radiation diagram, for the components Etheta and Ephi respectively, of the first antenna of the invention.
  • the radiation patterns were measured at the TM21 mode resonant frequency.
  • the directivity is 5.56 dB.
  • FIG. 12 shows a top view of the second antenna according to the invention.
  • the radiating element 40 has four circular notches 41 to 44, placed parallel to the circumference of the disc 40.
  • the current lines of the TM01 mode are circular (the currents, shown in dotted lines, being arranged radially).
  • the notches 41 to 44 are placed in order to obtain maximum interception of the currents on the radiating element 40. In other words, each notch is substantially perpendicular to the current lines in one of the quarters of the disc 40.
  • these values are preferably obtained using the abovementioned calculation technique based on a finite element method.
  • the invention therefore makes it possible to considerably reduce the size of the structure compared to a conventional antenna.
  • a solid disk would have to be obtained with an approximate diameter of 117 mm instead of the diameter of 73.5 mm of the second antenna of the invention.
  • the invention again allows a reduction in the size of the antenna of approximately 40%.
  • Figures 15 and 18 each show the complete radiation pattern, for the Etheta and Ephi components respectively, of the second antenna of the invention.
  • the radiation patterns were measured at the resonance frequency of the TM01 mode.
  • the radiation patterns are presented in the same way as those in Figures 6 and 9.
  • the directivity obtained for this antenna is 6.31 dB.
  • FIG. 23 presents a top view of a particular embodiment of an antenna according to the invention, in which each notch cooperates with means 61 for annihilating its effect.
  • the antenna also includes means for activating / deactivating these means 61 of annihilation.
  • These activation / deactivation means are for example an electronic control device.
  • the means for annihilating the effect of a notch comprise a varactor diode 61 connecting the two edges of this notch.
  • the activation / deactivation means act on a time-varying number of diodes, so that each distinct number of diodes activated at a given instant corresponds to a particular resonant frequency of the higher mode selected.
  • Figures 24 and 25 each show a view, respectively from the side and from above, of a particular embodiment of a dual-band antenna according to the invention.
  • This dual band antenna comprises two antennas (lower 70 and upper 71) superimposed.
  • the radiating element (for example a disk) 72 of the lower antenna 71 constitutes the ground plane of the upper antenna 71.
  • the lower antenna 70 comprises a ground plane 73, a substrate plate (not shown), a radiating element 72 and a first coaxial supply 74.
  • the upper antenna 71 comprises a ground plane (constituted by the radiating element 72 of the lower antenna 70), a substrate plate (not shown) , a radiating element 75 and a second coaxial supply 76.
  • Each antenna 70, 71 operates independently.
  • the two discs 72, 75 are offset so that the attack of the upper disc 75 passes through the lower disc 72 in the middle, so as to minimize the disturbance thus provided.

Abstract

L'invention concerne une antenne imprimée plane d'émission et/ou de réception de signaux hyperfréquences, du type comprenant notamment : une plaque de substrat diélectrique, un plan de masse constitué par un premier dépôt conducteur déposé sur une première face de ladite plaque de substrat diélectrique, un élément rayonnant (30) constitué par un second dépôt conducteur déposé sur une seconde face de ladite plaque de substrat diélectrique, et des moyens d'alimentation de ladite antenne, Cette antenne présente un mode fondamental, dans lequel elle génère un diagramme de rayonnement ayant un maximum dans la direction perpendiculaire au plan contenant l'élément rayonnant, et au moins un mode supérieur, dans lequel elle génère un diagramme de rayonnement à faible élévation. Selon l'invention, ledit élément rayonnant présente au moins une encoche (31 à 34) permettant de contrôler la fréquence de résonance d'un mode supérieur choisi. <IMAGE>

Description

  • Le domaine de l'invention est celui des antennes imprimées planes d'émission et/ou de réception de signaux hyperfréquences.
  • Plus précisément, l'invention concerne une antenne plane produisant un rayonnement maximum pour de faibles élévations.
  • L'antenne de l'invention a de nombreuses applications. Elle peut par exemple être utilisée dans un réseau placé sur le toit d'un véhicule particulier, afin d'assurer des télécommunications par satellite. En effet, certains mobiles, et notamment ceux en liaison avec des satellites géostationnaires dans les pays à latitude moyenne ou élevée (Europe du Nord par exemple), nécessitent des antennes planes produisant un rayonnement maximal pour de faibles élévations.
  • Actuellement, pour des raisons d'encombrement et de coût, on utilise dans les mobiles des antennes imprimées de type "patch". En effet, celles-ci ont notamment l'avantage d'être planes et peu coûteuses.
  • D'une façon générale, une antenne imprimée comprend une plaque de substrat diélectrique, un plan de masse (constitué par un premier dépôt conducteur déposé sur une première face de la plaque de substrat diélectrique), un élément rayonnant (constitué par un second dépôt conducteur déposé sur une seconde face de la plaque de substrat diélectrique) et des moyens d'alimentation de l'antenne.
  • Dans leur fonctionnement courant, c'est-à-dire lorsqu'elles fonctionnent dans leur mode fondamental, ces antennes imprimées génèrent un diagramme de rayonnement ayant un maximum dans la direction perpendiculaire au plan contenant l'antenne. Pour ce type de fonctionnement courant, la longueur de l'élément rayonnant est très proche de la demi-longueur d'onde prenant en compte la permittivité du substrat diélectrique utilisé.
  • Pour pouvoir engendrer un rayonnement possédant un maximum pour de faibles élévations, c'est-à-dire dans des directions éloignées de l'axe perpendiculaire au plan contenant l'antenne, les antennes imprimées doivent fonctionner dans un mode supérieur dont la distribution de courant permet de créer ce type de rayonnement.
  • Le problème majeur réside dans le fait que les modes supérieurs présentant de l'intérêt apparaissent pour des fréquences relativement élevées par rapport à celles du mode fondamental. Ceci signifie que pour pouvoir utiliser ce type de mode (supérieur) pour la bande de fréquence désirée (proche de celle correspondant au mode fondamental), l'antenne doit être surdimensionnée de manière très importante.
  • Ce surdimensionnement rend quasiment impossible l'intégration en réseau de tels éléments rayonnants afin d'obtenir des antennes à gain élevé. Ce problème d'encombrement est d'autant plus crucial que, pour un réseau devant générer un rayonnement à faible élévation, les éléments rayonnants doivent être placés très proches les uns des autres afin d'éviter d'importants lobes de réseau qui détériorent fortement le gain de l'antenne.
  • L'invention a notamment pour objectif de pallier cet inconvénient majeur de l'état de la technique.
  • Plus précisément, l'un des objectifs de la présente invention est de fournir une antenne imprimée permettant d'obtenir un rayonnement pour de faibles élévations tout en présentant un encombrement réduit.
  • L'invention a également pour objectif de fournir une telle antenne qui conserve tous les avantages des antennes imprimées, et notamment un faible coût de fabrication.
  • Ces différents objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints selon l'invention à l'aide d'une antenne imprimée plane d'émission et/ou de réception de signaux hyperfréquences, du type comprenant notamment :
    • une plaque de substrat diélectrique,
    • un plan de masse constitué par un premier dépôt conducteur déposé sur une première face de ladite plaque de substrat diélectrique,
    • un élément rayonnant constitué par un second dépôt conducteur déposé sur une seconde face de ladite plaque de substrat diélectrique,
    • des moyens d'alimentation de ladite antenne,
    • ladite antenne présentant un mode fondamental, dans lequel elle génère un diagramme de rayonnement ayant un maximum dans la direction perpendiculaire au plan contenant l'élément rayonnant, et au moins un mode supérieur, dans lequel elle génère un diagramme de rayonnement à faible élévation,
    • ladite antenne étant caractérisée en ce que ledit élément rayonnant présente au moins une encoche permettant de contrôler la fréquence de résonance d'un mode supérieur choisi.
  • Le mode supérieur choisi est celui dans lequel on désire voir fonctionner l'antenne, de façon que le rayonnement maximal soit généré pour de faibles élévations.
  • Ainsi, le principe général de l'invention consiste, pour un mode supérieur donné, à réduire la fréquence de résonance uniquement en réalisant des encoches sur l'élément rayonnant, c'est-à-dire sans modifier l'encombrement global de l'antenne. En d'autres termes, pour un fonctionnement dans un même mode supérieur, l'antenne imprimée de l'invention présente un encombrement plus réduit qu'une antenne imprimée classique.
  • Avantageusement, la ou les encoches sont disposées sensiblement perpendiculairement aux lignes de courant dudit mode supérieur choisi.
  • De cette façon, on augmente la longueur électrique de ces lignes de courant, et on diminue donc la fréquence de résonance du mode supérieur choisi.
  • De façon avantageuse, les dimensions (longueur, largeur) de la ou des encoches sont déterminées à partir d'une technique de calcul basée sur une méthode d'éléments finis.
  • Préférentiellement, lesdits moyens d'alimentation mettent en oeuvre une technique d'alimentation appartenant au groupe comprenant :
    • l'alimentation par sonde coaxiale ;
    • l'alimentation par couplage par fente ;
    • l'alimentation par couplage de proximité ;
    • l'alimentation par ligne d'alimentation dans le plan de l'élément rayonnant.
  • Préférentiellement, ledit élément rayonnant est en forme de disque.
  • Dans un premier mode de réalisation préférentiel de l'invention, ledit mode supérieur choisi est le mode TM21, dont les lignes de courant forment un motif qui se répète dans chaque quart dudit disque,
       ledit élément rayonnant présentan quatre encoches radiales, espacées deux à deux angulairement d'environ 90°, chacune desdites encoches étant sensiblement perpendiculaires aux lignes de courant dans un desdits quarts du disque.
  • Dans un second mode de réalisation préférentiel de l'invention, ledit mode supérieur choisi est le mode TM01, dont les courants sont disposés radialement,
       ledit élément rayonnant présentant au moins une encoche circulaire, la ou les encoches s'étendant sur au moins une partie de la circonférence d'un cercle contenu dans ledit disque et de même centre que celui-ci.
  • De façon avantageuse, chaque encoche coopère avec des moyens d'annihilation de son effet, ladite antenne comprenant des moyens d'activation / désactivation desdits moyens d'annihilation.
  • Préférentiellement, lesdits moyens d'annihilation de l'effet d'une encoche comprennent une diode reliant les deux bords de ladite encoche.
  • Dans un premier mode de réalisation particulier de l'invention, ledit élément rayonnant présente une pluralité d'encoches,
       lesdits moyens d'activation / désactivation agissant simultanément sur tous les moyens d'annihilation associés à ladite pluralité d'encoches, de façon à permettre un fonctionnement multimode tel que :
    • lorsque tous les moyens d'annihilation sont activés, l'antenne fonctionne dans ledit mode fondamental,
    • lorsque tous les moyens d'annihilation sont désactivés, l'antenne fonctionne dans ledit mode supérieur choisi.
  • Ce fonctionnement multimode permet de couvrir un grand angle solide avec un maximum de rayonnement. En effet, dans le mode fondamental, on a un maximum de rayonnement dans la direction perpendiculaire au plan contenant l'antenne, et dans le mode supérieur choisi, on a un maximum de rayonnement pour une faible élévation.
  • Dans un second mode de réalisation particulier de l'invention, ledit élément rayonnant présente une pluralité d'encoches,
       lesdits moyens d'activation / désactivation agissant sur un nombre variable dans le temps de moyens d'annihilation associés à ladite pluralité d'encoches, de façon à permettre un fonctionnement multifréquence tel que chaque nombre distinct de moyens d'annihilation activés à un instant donné correspond à une fréquence de résonance particulière dudit mode supérieur choisi.
  • Ceci permet un fonctionnement multifréquence pour un même type de mode supérieur.
  • L'invention concerne également une antenne bibande, caractérisée en ce qu'elle comprend deux antennes superposées, dites antennes inférieure et supérieure, du type de celles présentées ci-dessus, l'élément rayonnant de ladite antenne inférieure constituant le plan de masse de ladite antenne supérieure.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de plusieurs modes de réalisation préférentiel de l'invention, donnés à titre d'exemples indicatifs et non limitatifs, et des dessins annexés, dans lesquels :
    • la figure 1 présente une vue de côté d'une antenne classique alimentée par sonde coaxiale ;
    • la figure 2 présente une courbe de variation, en fonction de la fréquence, du rapport d'onde stationnaire (ROS) de l'antenne classique de la figure 1;
    • la figure 3 présente une vue de dessus d'un mode de réalisation d'une première antenne selon l'invention ;
    • la figure 4 présente de façon schématique les lignes de courant du mode TM21 pour la première antenne de la figure 3 ;
    • la figure 5 présente une courbe de variation, en fonction de la fréquence, du ROS de la première antenne de la figure 3 ;
    • la figure 6 présente le diagramme de rayonnement complet, pour la composante Etheta, de la première antenne de la figure 3 ;
    • les figures 7 et 8 présentent chacune une vue en coupe, pour phi = 0° et 90° respectivement, du diagramme de rayonnement de la figure 6 ;
    • la figure 9 présente le diagramme de rayonnement complet, pour la composante Ephi, de la première antenne de la figure 3 ;
    • les figures 10 et 11 présentent chacune une vue en coupe, pour phi = 45° et 135° respectivement, du diagramme de rayonnement de la figure 9 ;
    • la figure 12 présente une vue de dessus d'un mode de réalisation d'une seconde antenne selon l'invention ;
    • la figure 13 présente de façon schématique les lignes de courant du mode TM01 pour la seconde antenne de la figure 12 ;
    • la figure 14 présente une courbe de variation, en fonction de la fréquence, du ROS de la seconde antenne de la figure 12 ;
    • la figure 15 présente le diagramme de rayonnement complet, pour la composante Etheta, de la seconde antenne de la figure 12 ;
    • les figures 16 et 17 présentent chacune une vue en coupe, pour phi = 0° et 90° respectivement, du diagramme de rayonnement de la figure 15 ;
    • la figure 18 présente le diagramme de rayonnement complet, pour la composante Ephi, de la seconde antenne de la figure 12 ;
    • les figures 19 et 20 présentent chacune une vue en coupe, pour phi = 0° et 90° respectivement, du diagramme de rayonnement de la figure 18 ;
    • les figures 21 et 22 présentent chacune une vue, respectivement de côté et de dessus, d'une antenne selon l'invention alimentée par fente ;
    • la figure 23 présente une vue de dessus d'un mode de réalisation particulier d'une antenne selon l'invention comprenant des moyens d'annihilation de l'effet de chaque encoche ; et
    • les figures 24 et 25 présentent chacune une vue, respectivement de côté et de dessus, d'un mode de réalisation particulier d'une antenne bibande selon l'invention.
  • L'invention concerne donc une antenne imprimée plane d'émission et/ou de réception de signaux hyperfréquences.
  • La figure 1 présente une vue de côté d'une antenne classique alimentée par sonde coaxiale. L'antenne comprend :
    • une plaque de substrat diélectrique 1, d'épaisseur H = 2,28 mm et de permittivité relative εr = 2,2 par exemple ;
    • un plan de masse 2 constitué par un premier dépôt conducteur, par exemple de cuivre, déposé sur une première face de la plaque de substrat diélectrique 1;
    • un élément rayonnant 3 constitué par un second dépôt conducteur, par exemple un disque de cuivre de 73,5 mm de diamètre, déposé sur une seconde face de la plaque de substrat diélectrique 1 ; et
    • une sonde coaxiale 4 permettant d'alimenter l'antenne et comprenant un conducteur externe 5 soudé au plan de masse 2 et un conducteur interne 6 soudé à l'élément rayonnant 3. Le positionnement de cette sonde coaxiale 4 permet d'obtenir l'adaptation de l'antenne.
  • L'antenne présente un mode fondamental, dans lequel elle génère un diagramme de rayonnement ayant un maximum dans la direction perpendiculaire au plan contenant l'élément rayonnant, et au moins un mode supérieur, dans lequel elle génère un diagramme de rayonnement à faible élévation.
  • Avec les dimensions indiquées précédemment pour les différents éléments 1, 2, 3 de l'antenne, on obtient :
    • une fréquence de résonance F1 = 1,57 GHz pour le mode fondamental TM11;
    • une fréquence de résonance F2 = 2,63 GHz pour le mode supérieur TM21;
    • une fréquence de résonance F3 = 3,26 GHz pour le mode supérieur TM01.
  • La figure 2 présente une courbe de variation, en fonction de la fréquence, du rapport d'onde stationnaire (ROS) de l'antenne classique de la figure 1. Cette courbe montre clairement les fréquences de résonance F1 et F2.
  • Selon l'invention, l'élément rayonnant 3 (c'est-à-dire le disque de cuivre dans cet exemple) n'est pas plein mais présente une ou plusieurs encoches permettant de contrôler la fréquence de résonance d'un mode supérieur choisi. Dans la suite de la description, on présente notamment :
    • en relation avec les figures 3 à 11, une première antenne selon l'invention, pour laquelle le mode supérieur choisi est le mode TM21 ;
    • en relation avec les figures 12 à 20, une seconde antenne selon l'invention, pour laquelle le mode supérieur choisi est le mode TM01.
  • La figure 3 présente une vue de dessus de la première antenne selon l'invention. L'élément rayonnant 30 présente quatre encoches radiales 31 à 34, espacées deux à deux angulairement d'environ 90°. Comme cela apparaît sur la figure 4, pour la première antenne de l'invention, les lignes de courant du mode TM21 forment un motif qui se répète selon le quart du disque (les courants étant représentés en pointillés). Les encoches 31 à 34 sont placées afin d'obtenir une interception maximale des courants sur l'élément rayonnant 30. En d'autres termes, chaque encoche est sensiblement perpendiculaire aux lignes de courant dans un des quarts du disque 30.
  • Dans cet exemple, la longueur des encoches est Lo = 18,375 mm et la largeur La = 7,35 mm. Dans un but d'optimisation, ces valeurs sont de préférence obtenues à l'aide d'une technique de calcul (mise en oeuvre par logiciel) basée sur une méthode d'éléments finis.
  • La première antenne a pour but de diminuer la fréquence de résonance du mode supérieur TM21. La figure 5 présente une courbe de variation, en fonction de la fréquence, du ROS de la première antenne de l'invention. Cette figure 5 montre clairement qu'à l'aide des encoches 31 à 34, la fréquence de résonance du mode supérieur TM21 est ramenée de F2 = 2,63 GHz à F2' = 1,662 GHz. On remarque par ailleurs que la fréquence du mode fondamental se situe maintenant à F1' = 1,325 GHz (au lieu de 1,57 GHz sans les encoches).
  • L'invention permet donc de réduire considérablement la taille de la structure par rapport à une antenne classique. En effet, pour obtenir un mode TM21 travaillant à la fréquence de 1,662 GHz, il faudrait un disque plein ayant approximativement un diamètre de 119 mm au lieu du diamètre de 73,5 mm de la première antenne de l'invention. Ainsi, dans cet exemple précis, l'invention permet une réduction de la taille de l'antenne d'environ 40 %.
  • Les figures 6 et 9 présentent chacune le diagramme de rayonnement complet, pour les composantes Etheta et Ephi respectivement, de la première antenne de l'invention. Les figures 7 et 8 présentent chacune une vue en coupe, pour phi = 0° et 90° respectivement, du diagramme de rayonnement de la composante Etheta (figure 6). Les figures 10 et 11 présentent chacune une vue en coupe, pour phi = 45° et 135° respectivement, du diagramme de rayonnement de la composante Ephi (figure 9).
  • Les diagrammes de rayonnement ont été mesurés à la fréquence de résonance du mode TM21. Afin d'être très parlants, les résultats sont présentés pour les deux composantes Etheta et Ephi (avec phi = 0 correspondant à l'axe X de l'antenne (cf fig.3), l'axe Z correspondant à la normale au plan de l'antenne.
  • Les diagrammes de rayonnement se présentent sous forme de "pétales" ayant un maximum situé aux alentours de theta = 45°, avec une rotation spatiale phi = 45° entre les deux diagrammes de rayonnement associés aux deux composantes. La directivité est de 5,56 dB. Ces diagrammes de rayonnement correspondent parfaitement à ceux d'un mode TM21.
  • La figure 12 présente une vue de dessus de la seconde antenne selon l'invention. L'élément rayonnant 40 présente quatre encoches circulaires 41 à 44, placés parallèlement à la circonférence du disque 40. Comme cela apparaît sur la figure 13, pour la seconde antenne de l'invention, les lignes de courant du mode TM01 sont circulaires (les courants, représentés en pointillés, étant disposés radialement). Les encoches 41 à 44 sont placées afin d'obtenir une interception maximale des courants sur l'élément rayonnant 40. En d'autres termes, chaque encoche est sensiblement perpendiculaire aux lignes de courant dans un des quarts du disque 40.
  • Dans cet exemple, le rayon interne des encoches est Ri = 23,52 mm, le rayon externe Re = 25,72 mm et le débattement angulaire Da = 70°. Dans un but d'optimisation, ces valeurs sont de préférence obtenues à l'aide de la technique de calcul précitée basée sur une méthode d'éléments finis.
  • La seconde antenne a pour but de diminuer la fréquence de résonance du mode supérieur TM01. La figure 14 présente une courbe de variation, en fonction de la fréquence, du ROS de la seconde antenne de l'invention. Cette figure 14 montre clairement qu'à l'aide des encoches 41 à 44, la fréquence de résonance du mode supérieur TM01 est ramenée de F3 = 3,26 GHz à F3' = 2,104 GHz.
  • L'invention permet donc de réduire considérablement la taille de la structure par rapport à une antenne classique. En effet, pour obtenir un mode TM01 travaillant à la fréquence de 2,104 GHz, il faudrait un disque plein ayant approximativement un diamètre de 117 mm au lieu du diamètre de 73,5 mm de la seconde antenne de l'invention. Ainsi, dans cet exemple précis, l'invention permet de nouveau une réduction de la taille de l'antenne d'environ 40 %.
  • Les figures 15 et 18 présentent chacune le diagramme de rayonnement complet, pour les composantes Etheta et Ephi respectivement, de la seconde antenne de l'invention. Les figures 16 et 17 présentent chacune une vue en coupe, pour phi = 0° et 90° respectivement, du diagramme de rayonnement de la composante Etheta (figure 15). Les figures 19 et 20 présentent chacune une vue en coupe, pour phi = 0° et 90° respectivement, du diagramme de rayonnement de la composante Ephi (figure 18). Les diagrammes de rayonnement ont été mesurés à la fréquence de résonance du mode TM01. Les diagrammes de rayonnement sont présentés de la même façon que ceux des figures 6 et 9.
  • On constate que la composante Etheta se présente sous la forme d'un tore ayant un maximum situé aux environs de théta = 45°. La directivité obtenue pour cette antenne est de 6,31 dB. Ces diagrammes de rayonnement correspondent parfaitement à ceux d'un mode TM01.
  • Les figures 21 et 22 présentent chacune une vue, respectivement de côté et de dessus, d'une antenne selon l'invention alimentée par fente. Cette antenne comprend les éléments suivants superposés :
    • un élément rayonnant 50 du type de celui présenté sur la figure 3 (avec quatre encoches radiales) et de diamètre W ;
    • une première couche de substrat 51, de hauteur H1 et de permittivité relative εr1 ;
    • un premier plan de masse 52 comportant une fente de couplage 53 ;
    • une seconde couche de substrat 54, de hauteur H2 et de permittivité relative εr2 ;
    • une ligne d'alimentation 55, dont l'extrémité qui s'étend au-delà de la fente 53 constitue un stub d'adaptation de longueur Lstub ;
    • une troisième couche de substrat 56, de hauteur H3 et de permittivité relative εr3 ;
    • un second plan de masse 57.
  • On a présenté ci-dessus deux types d'alimentation, à savoir par sonde coaxiale et par couplage par fente. Il est clair cependant que l'invention n'est pas limitée à ces deux types d'alimentation mais peut être utilisée par tout type d'alimentation classique (couplage de proximité, ligne d'alimentation dans le plan de l'élément rayonnant, etc).
  • La figure 23 présente une vue de dessus d'un mode de réalisation particulier d'une antenne selon l'invention, dans lequel chaque encoche coopère avec des moyens 61 d'annihilation de son effet. L'antenne comprend également des moyens d'activation / désactivation de ces moyens 61 d'annihilation. Ces moyens (non représentés) d'activation / désactivation sont par exemple un dispositif de commande électronique. Dans l'exemple présenté, les moyens d'annihilation de l'effet d'une encoche comprennent une diode varactor 61 reliant les deux bords de cette encoche.
  • Ainsi, avec ces moyens supplémentaires, on peut envisager d'autres types de fonctionnement de l'antenne de l'invention, et notamment un fonctionnement multimode et un fonctionnement multifréquence.
  • En fonctionnement multimode, les moyens d'activation / désactivation agissent simultanément sur toutes les diodes, de façon que :
    • lorsque toutes les diodes sont activées, l'antenne fonctionne dans le mode fondamental (ayant un maximum de rayonnement perpendiculaire à l'antenne),
    • lorsque toutes les diodes sont désactivées, l'antenne fonctionne dans un mode supérieur choisi (ayant un maximum de rayonnement pour une faible élévation).
  • En fonctionnement multifréquence pour un mode supérieur choisi, les moyens d'activation / désactivation agissent sur un nombre variable dans le temps de diodes, de façon que chaque nombre distinct de diodes activées à un instant donné corresponde à une fréquence de résonance particulière du mode supérieur choisi.
  • Les figures 24 et 25 présentent chacune une vue, respectivement de côté et de dessus, d'un mode de réalisation particulier d'une antenne bibande selon l'invention.
  • Cette antenne bibande comprend deux antennes (inférieure 70 et supérieure 71) superposées. L'élément rayonnant (par exemple un disque) 72 de l'antenne inférieure 71 constitue le plan de masse de l'antenne supérieure 71.
  • L'antenne inférieure 70 comprend un plan de masse 73, une plaque de substrat (non représentée), un élément rayonnant 72 et une première alimentation coaxiale 74. L'antenne supérieure 71 comprend un plan de masse (constitué par l'élément rayonnant 72 de l'antenne inférieure 70), une plaque de substrat (non représentée), un élément rayonnant 75 et une seconde alimentation coaxiale 76.
  • Chaque antenne 70, 71 fonctionne de façon indépendante. Les deux disques 72, 75 sont décalés de sorte que l'attaque du disque supérieur 75 traverse le disque inférieur 72 en son milieu, de manière à minimiser la perturbation ainsi apportée.

Claims (12)

  1. Antenne imprimée plane d'émission et/ou de réception de signaux hyperfréquences, du type comprenant notamment :
    - une plaque de substrat diélectrique (1),
    - un plan de masse (2) constitué par un premier dépôt conducteur déposé sur une première face de ladite plaque de substrat diélectrique,
    - un élément rayonnant (30 ; 40 ; 50) constitué par un second dépôt conducteur déposé sur une seconde face de ladite plaque de substrat diélectrique,
    - des moyens (4) d'alimentation de ladite antenne,
       ladite antenne présentant un mode fondamental (TM11), dans lequel elle génère un diagramme de rayonnement ayant un maximum dans la direction perpendiculaire au plan contenant l'élément rayonnant, et au moins un mode supérieur (TM21, TM01), dans lequel elle génère un diagramme de rayonnement à faible élévation,
       caractérisée en ce que ledit élément rayonnant présente au moins une encoche (31 à 34 ; 41 à 44) permettant de contrôler la fréquence de résonance d'un mode supérieur choisi.
  2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la ou les encoches (31 à 34 ; 41 à 44) sont disposées sensiblement perpendiculairement aux lignes de courant dudit mode supérieur choisi.
  3. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les dimensions de la ou des encoches (31 à 34 ; 41 à 44) sont déterminées à partir d'une technique de calcul basée sur une méthode d'éléments finis.
  4. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que lesdits moyens d'alimentation mettent en oeuvre une technique d'alimentation appartenant au groupe comprenant :
    - l'alimentation par sonde coaxiale (4) ;
    - l'alimentation par couplage par fente (53) ;
    - l'alimentation par couplage de proximité ;
    - l'alimentation par ligne d'alimentation dans le plan de l'élément rayonnant.
  5. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ledit élément rayonnant (30 ; 40 ; 50) est en forme de disque.
  6. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit mode supérieur choisi est le mode TM21, dont les lignes de courant forment un motif qui se répète dans chaque quart dudit disque,
       et en ce que ledit élément rayonnant (30) présente quatre encoches radiales (31 à 34), espacées deux à deux angulairement d'environ 90°, chacune desdites encoches étant sensiblement perpendiculaires aux lignes de courant dans un desdits quarts du disque.
  7. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit mode supérieur choisi est le mode TM01, dont les courants sont disposés radialement,
       et en ce que ledit élément rayonnant (40) présente au moins une encoche circulaire (41 à 44), la ou les encoches s'étendant sur au moins une partie de la circonférence d'un cercle contenu dans ledit disque et de même centre que celui-ci.
  8. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que chaque encoche coopère avec des moyens (61) d'annihilation de son effet,
       et en ce qu'elle comprend des moyens d'activation / désactivation desdits moyens d'annihilation.
  9. Antenne selon la revendication 8, caractérisée en ce que lesdits moyens d'annihilation de l'effet d'une encoche comprennent une diode (61) reliant les deux bords de ladite encoche.
  10. Antenne selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisée en ce que ledit élément rayonnant présente une pluralité d'encoches,
       et en ce que lesdits moyens d'activation / désactivation agissent simultanément sur tous les moyens (61) d'annihilation associés à ladite pluralité d'encoches, de façon à permettre un fonctionnement multimode tel que :
    - lorsque tous les moyens d'annihilation sont activés, l'antenne fonctionne dans ledit mode fondamental,
    - lorsque tous les moyens d'annihilation sont désactivés, l'antenne fonctionne dans ledit mode supérieur choisi.
  11. Antenne selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisée en ce que ledit élément rayonnant présente une pluralité d'encoches,
       et en ce que lesdits moyens d'activation / désactivation agissent sur un nombre variable dans le temps de moyens (61) d'annihilation associés à ladite pluralité d'encoches, de façon à permettre un fonctionnement multifréquence tel que chaque nombre distinct de moyens d'annihilation activés à un instant donné correspond à une fréquence de résonance particulière dudit mode supérieur choisi.
  12. Antenne bibande, caractérisée en ce qu'elle comprend deux antennes superposées, dites antennes inférieure (70) et supérieure (71), selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, l'élément rayonnant (72) de ladite antenne inférieure constituant le plan de masse de ladite antenne supérieure.
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