EP1038333A1 - Antenne a plaque - Google Patents

Antenne a plaque

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EP1038333A1
EP1038333A1 EP99947543A EP99947543A EP1038333A1 EP 1038333 A1 EP1038333 A1 EP 1038333A1 EP 99947543 A EP99947543 A EP 99947543A EP 99947543 A EP99947543 A EP 99947543A EP 1038333 A1 EP1038333 A1 EP 1038333A1
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EP
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metallization
plate
recesses
metallizations
peripheral zone
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EP99947543A
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Frédéric DIXIMUS
Daniel Leclerc
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Amphenol Socapex SA
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Amphenol Socapex SA
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    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/40—Radiating elements coated with or embedded in protective material
    • 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
    • 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
    • H01Q9/0421—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with a shorting wall or a shorting pin at one end of the element

Definitions

  • the present invention relates to a plate type antenna for transmitting and receiving waves of wavelength ⁇ belonging to the band of
  • Plate antennas are well known. They are most often formed by a first metal plate forming a ground plane and by one or more other metal plates arranged opposite the ground plane and which constitute the radiating plates. Most often, these two metal plate systems are fixed to the opposite faces of a block of dielectric material thus also ensuring the mechanical connection between the ground plane and the radiating plate or plates.
  • a system can become expensive, in particular because of the cost of the high-quality dielectric material when the radiating plate or plates have a relatively large surface.
  • An object of the present invention is to provide a plate antenna using air as the dielectric material while avoiding the drawbacks mentioned above, in particular as regards the mechanical structure of the antenna.
  • the plate type antenna for transmitting or receiving waves of wavelength ⁇ is characterized in that it comprises:
  • bracing means integral with the two plates to maintain the two plates in a predetermined relative position so that the two metallizations are facing one another and the second metallization is opposite the first.
  • a plate antenna which may include one or more radiating plates which uses air as a dielectric and which has a suitable mechanical structure since the mechanical connection is made by means of the insulating plates which serve as supports.
  • the presence of the recesses in the plate surrounding at least part of the metallizations forming the radiating plate or plates makes it possible to effectively use air as a dielectric in the zone of maximum electronic field. produced by the periphery of the radiating metallization (s). This gives optimal operation of the antenna.
  • the second insulating plate of the antenna is provided with a plurality of second metallizations of substantially rectangular shape and the metallizations are electrically connected by connecting portions.
  • recesses are also provided in the peripheral zone arranged on the side and on the other, electrical connection elements between the different radiating metallizations.
  • FIG. 1 is a vertical sectional view of a first embodiment of the antenna in the case where it comprises a single radiating metallization;
  • FIG. 2 is a detail view of Figure 1 showing the lines of electromagnetic fields between the ground plane and the radiating metallization;
  • FIG. 3 is a bottom view of the upper plate in the case where it comprises several radiating metallizations
  • FIG. 4 is a vertical sectional view of a plate antenna according to the invention comprising several radiating metallizations;
  • Figure 5 is a partial view of Figure 3 showing an alternative embodiment of the recesses surrounding the radiating metallizations.
  • the antenna comprises a first plate of insulating material 10 of the type used for the manufacture of printed circuits and the thickness of which is preferably between 0.8 and 1.6 millimeters in order to have sufficient mechanical properties.
  • metallization is carried out, for example of copper 12, to constitute the ground plane of the antenna.
  • This metallization 12 has a generally rectangular shape.
  • the antenna also includes a second insulating plate 14 produced with the same insulating material as the plate 10 and whose thickness e is of the same order of magnitude as that of the plate 10.
  • metallization is carried out by any suitable technique 16 constituting the radiating plate of the antenna (English-speaking patch).
  • the metallization 16 also has a rectangular shape, the dimensions of which are adapted to the frequency band in which the antenna works. Spacers such as 18 and 20 fixed in the parts of the insulating plates 10 and 14 devoid of metallizations ensure rigorous positioning of the two insulating plates and therefore of the ground plane 12 and of the radiating plate 18.
  • the antenna is completed by a line supply 22 which is connected respectively to the radiating plate 16 and to the ground plane 12 as is well known.
  • the insulating plate 14 is provided with recesses such as 24 and 26 arranged in a peripheral zone surrounding the portion of the insulating plate 14 covered by the metallization 16 for reasons which will be explained in connection with FIG. 2 .
  • the insulating plate 10 we find the insulating plate 10, the metallization 12, the insulating plate 14 and the metallization 16 forming a radiating plate.
  • the electromagnetic field lines 30 which develop between the conductive plates 12 and 16 are shown in their facing portion, as well as the electromagnetic field lines 32 which are created by the electric current flowing at the periphery. 16a of metallization 16.
  • these field lines in the maximum electromagnetic field area created by this periphery 16a are first of all directed towards the insulating support 14.
  • This insulating support 14 for reasons of cost , being made with a material with poor dielectric properties, these would reduce the quality of the antenna.
  • recesses 24 and 26 are produced around the metallization 16, as will be explained in more detail.
  • the electromagnetic field lines emitted by the periphery of the metallization 16 pass through the recesses 24 and 26 in which the dielectric is also constituted by air as is the case between the conductive plates 12 and 16. This thus gives an antenna with very good qualities.
  • FIG. 3 we will describe a second embodiment of the antenna in which the radiating part of the antenna is constituted by two metallizations respectively referenced 34 and 36.
  • these two metallizations are substantially square in shape and their dimension corresponds to ⁇ / 2, ⁇ being the wavelength in which the antenna works.
  • These two metallizations 34 and 36 are electrically connected to each other by an electrical connection portion 38 ensuring electrical continuity between the metallizations 34 and 36.
  • a metallization 34 and 36 is defined around each of the connection portions 38. so-called peripheral zone 40 whose width h is substantially equal to ⁇ / 10. It is inside this peripheral zone 40 that the recesses such as 24 and 26 are formed.
  • the recesses must occupy the highest possible percentage of the peripheral zone 40 while nevertheless ensuring sufficient mechanical connection between the portions of the insulating plate 14 on which the metallizations are made and the rest of this plate on which the spacers 18 and 20 are fixed. priority, the material constituting the insulating plate must be removed where the amplitude of the electromagnetic field is maximum.
  • the density of recesses will be increased along the edges of the conductive plates 34 and 36 corresponding to the presence of a maximum magnetic field and this density will be reduced along the other edges and along the edges of the electrical connection 38.
  • slots 42, 44a, 44b, 46a are provided in this peripheral zone 40 , 46b and 48 which correspond to the entire width of the conductive plates.
  • FIG 5 there is shown an alternative embodiment of the recesses inside the peripheral zone 40.
  • the metallization 34 and the initiation of the electrical connection portion 38 In the parts of the peripheral zone 40 corresponding to the maximum electromagnetic field, there are recesses, for example circular 54 which are very close to each other whereas, along the other two edges of the plate, there are recesses 56 also circular, more spaced apart from one another others in such a way that, overall, we obtain the appropriate mechanical resistance.
  • the radiating part of the antenna consisted of more than two conductive plates electrically connected to each other. Neither would one depart from the invention if the conductive plates forming the radiating part of the antenna were not electrically connected, but each included an antenna conductor such as 22.
  • the radiating plates are rectangular or square. It goes without saying, however, that we would not depart from the invention if these metallizations were in the form of a circle, polygon, etc.

Landscapes

  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)
  • Burglar Alarm Systems (AREA)
  • Electrotherapy Devices (AREA)
  • Medicinal Preparation (AREA)

Description

ANTENNE A PLAQUE
La présente invention a pour objet une antenne du type à plaque pour émettre et recevoir des ondes de longueur d'onde λ appartenant à la bande de
5 fréquence allant de 100 Mhz à 6 Ghz et présentant en particulier d'excellentes caractéristiques d'émission et de réception dans les bandes 3,5 Ghz, la bande C et la bande S.
Les antennes à plaque sont bien connues. Elles sont le plus souvent constituées par une première plaque métallique formant un plan de masse et par l o une ou plusieurs autres plaques métalliques disposées en regard du plan de masse et qui constituent les plaques rayonnantes. Le plus souvent, ces deux systèmes de plaque métalliques sont fixés sur les faces opposées d'un bloc en matériau diélectrique assurant ainsi en outre la liaison mécanique entre le plan de masse et la ou les plaques rayonnantes. 15 Cependant, un tel système peut devenir onéreux notamment en raison du coût du matériau diélectrique de grande qualité lorsque la ou les plaques rayonnantes présentent une surface relativement importante.
Pour remédier à cet inconvénient, on a proposé d'utiliser comme diélectrique l'air interposé entre le plan de masse et la plaque rayonnante. Dans le 0 cas d'une unique plaque rayonnante, cette solution est déjà d'une mise en oeuvre très délicate dans la mesure où il est difficile d'assurer le maintien d'une position précise de la plaque rayonnante par rapport au plan de masse et d'assurer une liaison mécanique entre ces deux plaques pouvant résister à des sollicitations externes. Ce problème est rendu encore plus complexe dans le cas où la partie rayonnante de l'antenne doit comporter plusieurs plaques métalliques puisque celles-ci doivent être maintenues rigoureusement dans un même plan.
Un objet de la présente invention est de fournir une antenne à plaque utilisant comme matériau diélectrique l'air tout en évitant les inconvénients mentionnés ci-dessus, notamment en -e qui concerne la structure mécanique de 0 l'antenne.
Pour atteindre ce but, selon l'invention, l'antenne du type à plaque pour émettre ou recevoir des ondes de longueur d'onde λ se caractérise en ce qu'elle comprend :
- une première plaque isolante et une première métallisation réalisée sur 5 une face de ladite plaque recouvrant une partie de ladite première plaque pour former un plan de masse ; - une deuxième plaque isolante et au moins une deuxième métallisation réalisée sur une face de ladite deuxième plaque et présentant des dimensions inférieures à celles de la première métallisation, ladite deuxième plaque comportant une zone périphérique entourant ladite deuxième métallisation sur une largeur sensiblement égale à λ/10, correspondant à une région où l'amplitude du champs électromagnétique créé par la périphérie de ladite deuxième métallisation est maximale, ladite deuxième plaque étant munie d'évidements dans au moins une partie de ladite zone périphérique, des portions pleines séparant lesdits évidements pour assurer une liaison mécanique entre la portion de ladite deuxième plaque portant la deuxième métallisation et le reste de ladite deuxième plaque ;
- au moins un conducteur d'antenne relié auxdites première et deuxième métallisation ; et
- des moyens d'entretoisement solidaires des deux plaques pour maintenir les deux plaques dans une position relative prédéterminée de telle manière que les deux métallisations soient tournées l'une vers l'autre et que la deuxième métallisation soit en regard de la première.
On comprend que grâce au fait que le plan de masse et la ou les plaques rayonnantes sont disposées sur des supports isolants présentant une bonne résistance mécanique et que. de plus, les plaques conductrices se font directement face, on obtient une antenne à plaque qui peut comporter une ou plusieurs plaques rayonnantes qui utilise l'air comme diélectrique et qui présente une structure mécanique convenable puisque la liaison mécanique est réalisée par l'intermédiaire des plaques isolantes qui servent de supports.
En outre, comme on l'expliquera plus en détails ultérieurement, la présence des évidements dans la plaque entourant au moins une partie des métallisations formant la ou les plaques rayonnantes permet d'utiliser effectivement l'air comme diélectrique dans la zone de champ électronique maximaie produite par la périphérie de la ou des métallisations rayonnantes. On obtient ainsi un fonctionnement optimal de l'antenne. Selon un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, la deuxième plaque isolante de l'antenne est munie d'une pluralité de deuxièmes métallisations de forme sensiblement rectangulaire et les métallisations sont électriquement raccordées par des portions de liaison.
Dans ce mode de réalisation qui permet, grâce à la présence des différentes métallisations rayonnantes d'adapter de façon convenable le gain de l'antenne, on prévoit également des évidements dans la zone périphérique disposée de part et d'autre des éléments de liaison électrique entre les différentes métallisations rayonnantes.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles :
- la figure 1 est une vue en coupe verticale d'un premier mode de réalisation de l'antenne dans le cas où celle-ci comporte une seule métallisation rayonnante ; - la figure 2 est une vue de détail de la figure 1 montrant les lignes de champs électromagnétiques entre le plan de masse et la métallisation rayonnante ;
- la figure 3 est une vue de dessous de la plaque supérieure dans le cas où celle-ci comporte plusieurs métallisations rayonnantes ;
- la figure 4 est une vue en coupe verticale d'une antenne à plaque selon l'invention comportant plusieurs métallisations rayonnantes ; et
- la figure 5 est une vue partielle de la figure 3 montrant une variante de réalisation des évidements entourant les métallisations rayonnantes.
En se référant tout d'abord à la figure 1 , on va décrire un premier mode de réalisation de l'antenne à plaque dans le. cas où la partie rayonnante est constituée par une unique métallisation.
L'antenne comporte une première plaque en matériau isolant 10 du type utilisé pour la fabrication de circuits imprimés et dont l'épaisseur est de préférence comprise entre 0,8 et 1,6 millimètres afin de présenter des propriétés mécaniques suffisantes. Sur la face supérieure 10a de cette plaque 10, on réalise une métallisation par exemple en cuivre 12 pour constituer le plan de masse de l'antenne. Cette métallisation 12 a une forme générale rectangulaire. L'antenne comporte également une deuxième plaque isolante 14 réalisée avec le même matériau isolant que la plaque 10 et dont l'épaisseur e est du même ordre de grandeur que celle de la plaque 10. Sur la face inférieure 14a, on réalise une métallisation par toute technique convenable 16 constituant la plaque rayonnante de l'antenne (patch en anglo-saxon). Comme cela est connu, la métallisation 16 a également une forme rectangulaire dont les dimensions sont adaptées à la bande de fréquence dans laquelle travaille l'antenne. Des entretoises telles que 18 et 20 fixées dans les parties des plaques isolantes 10 et 14 dépourvues de métallisations assurent un positionnement rigoureux des deux plaques isolantes et donc du plan de masse 12 et de la plaque rayonnante 18. L'antenne est complétée par une ligne d'alimentation 22 qui est reliée respectivement à la plaque rayonnante 16 et au plan de masse 12 comme cela est bien connu. De plus, la plaque isolante 14 est munie d'évidements tels que 24 et 26 disposés dans une zone périphérique entourant la portion de la plaque isolante 14 recouverte par la métallisation 16 pour des raisons que l'on va expliquer en liaison avec la figure 2.
Sur cette figure 2, on retrouve la plaque isolante 10, la métallisation 12, la plaque isolante 14 et la métallisation 16 formant plaque rayonnante. Sur cette figure agrandie, on a fait apparaître les lignes de champ électromagnétique 30 qui se développent entre les plaques conductrices 12 et 16 dans leur portion en regard, ainsi que les lignes de champ électromagnétique 32 qui sont créées par le courant électrique circulant à la périphérie 16a de la métallisation 16. Comme le montre la figure, ces lignes de champ dans la zone de champs électromagnétiques maximale créée par cette périphérie 16a sont tout d'abord dirigées vers le support isolant 14. Ce support isolant 14, pour des raisons de coût, étant réalisé avec un matériau aux propriétés diélectriques médiocres, celles-ci viendraient amoindrir la qualité de l'antenne. Pour cette raison, on réalise des évidements 24 et 26 autour de la métallisation 16, comme on l'expliquera plus en détails. Ainsi, les lignes de champ électromagnétique émises par la périphérie de la métallisation 16 traversent les évidements 24 et 26 dans lesquels le diélectrique est également constitué par de l'air comme c'est le cas entre les plaques conductrices 12 et 16. On obtient ainsi une antenne présentant de très bonnes qualités.
En se référant maintenant aux figures 3 et 4, on va décrire un deuxième mode de réalisation de l'antenne dans lequel la partie rayonnante de l'antenne est constituée par deux métallisations respectivement référencées 34 et 36. Comme cela est connu, ces deux métallisations sont sensiblement de forme carrée et leur cote correspond à λ/2, λ étant la longueur d'onde dans laquelle travaille l'antenne. Ces deux métallisations 34 et 36 sont reliées électriquement entre elles par une portion de liaison électrique 38 assurant la continuité électrique entre les métallisations 34 et 36. On définit autour des métallisations 34 et 36, ainsi que de chaque côté de la portion de liaison 38 une zone dite périphérique 40 dont la largeur h est sensiblement égale à λ/10. C'est à l'intérieur de cette zone périphérique 40 que sont ménagés les évidements tels que 24 et 26. Bien entendu, les évidements doivent occuper le pourcentage le plus élevé possible de la zone périphérique 40 tout en assurant néanmoins une liaison mécanique suffisante entre les portions de la plaque isolante 14 sur lesquelles sont réalisées les métallisations et le reste de cette plaque sur laquelle sont fixées les entretoises 18 et 20. En priorité, la matière constituant la plaque isolante doit être enlevée là où l'amplitude du champ électromagnétique est maximale.
Afin de réaliser un compromis entre un pourcentage élevé d'évidement dans la zone périphérique 40 et la résistance mécanique qui doit demeurer dans cette zone, on augmentera la densité d'évidements selon les bords des plaques conductrices 34 et 36 correspondant à la présence d'un champ magnétique maximal et on diminuera cette densité selon les autres bords et selon les bords de la connexion électrique 38. Par exemple, dans le cas de la figure 3, on prévoit dans cette zone périphérique 40 des fentes 42, 44a, 44b, 46a, 46b et 48 qui correspondent à l'ensemble de la largeur des plaques conductrices. En revanche, sur les deux autres bords de chacune des deux métallisations, on prévoira simplement des évidements espacés tels que 50, par exemple de forme circulaire, séparés par des portions du matériau isolant 52 assurant la continuité mécanique de l'ensemble de la plaque. Comme on l'a représenté également sur les figures 3 et 4, il peut être intéressant de prévoir des fils de court circuit tels que 51 et 53 qui relient respectivement le plan de masse 12 à chacune des métallisations 34 et 36 sensiblement en son centre. On fixe ainsi un potentiel électrique sensiblement nul au centre de chacune des plaques rayonnantes 34 et 36, ce qui améliore la stabilité de l'antenne.
Sur la figure 5, on a représenté une variante de réalisation des évidements à l'intérieur de la zone périphérique 40. Sur cette figure, on a représenté simplement la métallisation 34 et l'amorce de la portion de liaison électrique 38. Dans les parties de la zone périphérique 40 correspondant au champ électromagnétique maximal, on trouve des évidements par exemple circulaires 54 qui sont très rapprochés les uns des autres alors que selon les deux autres bords de la plaque, on trouve des évidements 56 également circulaires plus espacés les uns des autres de telle manière que globalement, on obtienne la résistance mécanique ad hoc.
Il va de soi que l'on ne sortirait pas de l'invention si la partie rayonnante de l'antenne était constituée par plus de deux plaques conductrices reliées entre elles électriquement. On ne sortirait pas non plus de l'invention si les plaques conductrices formant la partie rayonnante de l'antenne n'étaient pas reliées électriquement, mais comportaient chacune un conducteur d'antenne tel que 22. Enfin, il faut noter que pour obtenir à la fois le taux de vide autour des éléments conducteurs rayonnants et la résistance mécanique suffisante, on peut également jouer sur les dimensions des évidements élémentaires 54 ou 56. De même, dans la description précédente, les plaques rayonnantes sont rectangulaires ou carrées. Il va cependant de soi que l'on ne sortirait pas de l'invention si ces métallisations étaient en forme de cercle, polygone, etc.

Claims

REVENDICATIONS
1. Antenne du type à plaque pour émettre ou recevoir des ondes de longueur d'onde λ, caractérisée en ce qu'elle comprend :
- une première plaque isolante et une première métallisation réalisée sur une face de ladite plaque recouvrant une partie de ladite première plaque pour former un plan de masse ;
*- une deuxième plaque isolante et au moins une deuxième métallisation réalisée sur une face de ladite deuxième plaque et présentant des dimensions inférieures à celles de la première métallisation, ladite deuxième plaque comportant une zone périphérique entourant ladite deuxième métallisation sur une largeur sensiblement égale à λ/10, correspondant à une région où l'amplitude du champs électromagnétique créé par la périphérie de ladite deuxième métallisation est maximale, ladite deuxième plaque étant munie d'évidements dans au moins une partie de ladite zone périphérique, des portions pleines séparant lesdits évidements pour assurer une liaison mécanique entre la portion de ladite deuxième plaque portant la deuxième métallisation et le reste de ladite deuxième plaque ;
- au moins une ligne d'alimentation reliée auxdites première et deuxième métallisation ; et
- des moyens d'entretoisement solidaires des deux plaques pour maintenir les deux plaques dans une position relative prédéterminée de telle manière que les deux métallisations soient tournées l'une vers l'autre et que la deuxième métallisation soit en regard de la première.
2. Antenne selon la revendication 1 , caractérisée en ce que ladite deuxième plaque est munie d'une pluralité de deuxièmes métallisations de forme sensiblement rectangulaire et en ce que lesdites métallisations sont électriquement raccordées par des lignes d'alimentation formant portions de liaison.
3. Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que chaque deuxième métallisation est sensiblement entourée par une zone périphérique et en ce que chaque portion de liaison est bordée par une zone périphérique, des évidements étant ménagés dans au moins une partie de chaque zone périphérique.
4. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que, pour chaque deuxième métallisation, les évidements comprennent une fente ménagée sur toute la longueur de deux côtes parallèles d'une même métallisation.
5. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdits évidements comprennent des perçages circulaires.
6. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des conducteurs de court-circuit, chaque conducteur de court-circuit reliant ladite première métallisation au centre d'une deuxième métallisation.
EP99947543A 1998-10-12 1999-10-12 Antenne a plaque Expired - Lifetime EP1038333B1 (fr)

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FR9812727 1998-10-12
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EP1038333A1 true EP1038333A1 (fr) 2000-09-27
EP1038333B1 EP1038333B1 (fr) 2005-07-06

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EP (1) EP1038333B1 (fr)
JP (1) JP2002527974A (fr)
KR (1) KR20010032890A (fr)
CN (1) CN1126191C (fr)
AT (1) ATE299299T1 (fr)
DE (1) DE69926050D1 (fr)
DK (1) DK1038333T3 (fr)
ES (1) ES2245516T3 (fr)
FR (1) FR2784506A1 (fr)
HK (1) HK1034811A1 (fr)
TW (1) TW445666B (fr)
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