EP1433223A1 - Antenne fil-plaque multifrequences - Google Patents

Antenne fil-plaque multifrequences

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EP1433223A1
EP1433223A1 EP02751260A EP02751260A EP1433223A1 EP 1433223 A1 EP1433223 A1 EP 1433223A1 EP 02751260 A EP02751260 A EP 02751260A EP 02751260 A EP02751260 A EP 02751260A EP 1433223 A1 EP1433223 A1 EP 1433223A1
Authority
EP
European Patent Office
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wire
antenna according
antenna
cutout
cutouts
Prior art date
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EP02751260A
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German (de)
English (en)
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EP1433223B1 (fr
Inventor
Bernard Jean Yves Jecko
Mohamed Hammoudi
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Publication date
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Publication of EP1433223B1 publication Critical patent/EP1433223B1/fr
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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
    • H01Q9/0442—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular tuning means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/30—Arrangements for providing operation on different wavebands
    • H01Q5/307—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way
    • H01Q5/342—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way for different propagation modes
    • H01Q5/357—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way for different propagation modes using a single feed point
    • 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

  • Multi-frequency wire-plate antenna Multi-frequency wire-plate antenna
  • Wire-plate antennas are known which, as shown in FIG. 1, consist of a metal patch 120 (capacitive roof of the antenna) of a priori arbitrary shape, of a dielectric strip 130 carrying this patch on its upper face and a ground plane 140 produced by lower metallization of the dielectric strip.
  • the supply of such an antenna is typically carried out by a coaxial probe 150 which crosses the ground plane 140, of which an internal conductor 152 is connected to the metal roof 120 and of which an external connector 154 is connected to the ground plane 140.
  • the particularity of such an antenna is to have a wire 160 which connects the capacitive roof 120 and the ground plane 140, forming active metallic return to ground.
  • the return wire to ground 160 causes a so-called parallel resonance at a frequency lower than that of a so-called fundamental frequency of a patch.
  • This parallel resonance is due to an exchange of energy between the self inductance L and the capacitance C of a resonator formed by the wire returning to ground (Selfic effect ⁇ ) and the capacitive roof.
  • a resonance frequency is then obtained, thus giving an adaptation range of the antenna, of the type:
  • the physical parameters influencing this frequency are the permittivity of the dielectric substrate ⁇ r, its height (distance between roof and ground plane), the radius of the supply probe 150, the radius of the return wire to ground 140, the distance between supply probe 150 and ground return wire 160, as well as the dimensions of the roof 120 and the ground plane 140. This large number of parameters multiplies the number of possible configurations by as much, making it possible to optimally optimize the antennas so that they meet the specifications.
  • the radiation of the wire-plate antenna is mainly carried out by the return wires 160, and has the typical characteristics of the radiation of a monopole perpendicular to the ground plane, the characteristic radiation being an omnidirectional radiation in azimuth relative to the plane of mass and almost zero perpendicular to this plane.
  • a monopole perpendicular to the ground plane has a lobe radiation pattern with symmetry of revolution, a maximum radiation directed approximately parallel to the ground plane and a minimum radiation in the axis of the supply and return wires.
  • a monopole perpendicular to the ground plane In accordance with the typical radiation of a monopole perpendicular to the ground plane. It will be noted that in the case of finite ground planes, diffraction effects by the edges of the ground plane 140 introduce deformations of the radiation diagram as well as rear radiation.
  • a wire-plate antenna is therefore very different from the operation of another type of antenna known as a "resonant antenna".
  • the resonance of which one speaks for these “resonant antennas” is a resonance of the electromagnetic type (resonance modes) and not a resonance of the electrical type as for the wire-plates.
  • the resonant elements are localized, comparable to electrical components.
  • the operation by electrical resonance and the use of structures as electrical components give wire-plate antennas a dimension much less than the wavelength, and in any case dimensions less than the dimensions of the smallest of the “resonant antennas” .
  • the operation of the wire-antennae is therefore very different from the operation in electromagnetic resonance which governs the so-called “resonant antennas”.
  • wire-plates distinguishes them in particular from “microstrip” or “microslot” (microfente) antennas known to those skilled in the art.
  • an antenna of the type comprising:
  • At least one second electrically conductive wire or ribbon which connects the two aforementioned surfaces, characterized in that the first surface has a cut or a series of cutouts, each cutout possibly being formed of sections extending mutually, this or these cutouts extending in the vicinity and along an edge portion of this first surface, this edge portion being sufficiently large for the cutout (s) to delimit an internal zone of the first surface, substantially forming a majority of the periphery of this zone, enabling multifrequency wire-plate operation.
  • These cutouts generate different capacities leading to different resonance frequencies of the wire-plate antenna in accordance with the formula previously reported.
  • the wire-plate radiation ie omnidirectional in azimuth
  • the first surface has a cut, of very small width compared to its length and to the main wavelength received (preferably one tenth of this length).
  • the cuts can be multiple, for example in number greater than 2.
  • the cutout (s) of the first surface are of very small widths with respect to its length and to the operating wavelengths;
  • At least one second electrically conductive wire or ribbon which connects the first and second surfaces joins the first surface inside said zone, and preferably in the middle of the antenna, surrounded for the most part by the cutout (s) );
  • the first and second surfaces are arranged opposite and parallel to each other, in that the first and second electrically conductive wires or ribbons extend parallel to each other and perpendicular to the planes of the two surfaces, and in that the cutout or series of cutouts forms two perfectly symmetrical patterns by relation to a geometric plane passing through these two conductive wires or tapes;
  • the first surface has a cut formed by two sections, each having the shape of a C, open opposite one another; - the two sections are symmetrical to each other with respect to a first geometric plane passing between these two sections and in that each section is symmetrical in itself with respect to a second geometric plane which passes through the centers of these two cuts;
  • the first surface comprises at least two cutouts having respective shapes which are sufficiently similar for these two cutouts to generate two peaks of electromagnetic efficiency in the wire-plate mode, combined at the same frequency;
  • the first surface has at least two cuts and in that these two cuts have respective shapes sufficiently close so that these two cuts generate two electromagnetic efficiency peaks in wire-plate mode, which overlap in frequency, thus forming an extended frequency efficiency band;
  • the first surface has at least two cutouts having sufficiently different shapes for these cutouts to generate at least two zones of frequency of efficiency, in wire-plate mode, of the antenna which do not overlap one with the 'other;
  • the first surface is delimited by any contour, and in that the cutout or cuts remain parallel to the edge this contour;
  • one of the surfaces forming a ground plane comprises one or more cutouts of the same type as the first surface
  • the ground plane is significantly larger than the first surface, the frequencies generated being the same, but the radiation patterns being different, due to the presence of the ground plane; - It comprises one or more dielectric or magnetic plates between the surface forming the ground plane and the first surface and also above the two surfaces (radome);
  • the antenna includes superimposed roofs and intermediate planes, the cuts being made in any intermediate plane, and dielectric or magnetic materials being interposed for rigidity or tunability. or miniaturization
  • FIG. 1 is a perspective view of a known type of antenna
  • FIG. 2 is a perspective view of an antenna according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 3 is a top view of an antenna according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 5 shows the evolution as a function of the frequency of a reflection coefficient of the antenna of Figure 3 where one can count two adaptation zones;
  • FIG. 6 is a diagram of radiation in site at a first resonant frequency of the antenna of Figure 3;
  • FIG. 7 is a radiation pattern in azimuth at a first resonant frequency of the antenna of Figure 3;
  • FIG. 8 is a diagram of radiation in site at a second resonant frequency of the antenna of Figure 3;
  • FIG. 9 is a radiation diagram in azimuth at a second resonant frequency of the antenna of Figure 3;
  • - Figure 10 is a top view of a capacitive roof of an antenna according to a third embodiment of the invention.
  • the antenna of FIG. 2 takes up the main elements of the known antenna of FIG. 1.
  • the capacitive roof 120 has a roof 12 which is delimited by a series of rectilinear segments of any shape (polyhedron or circular ).
  • the capacitive roof 120 however has here a cutout 122 which extends along the edges of this capacitive roof, thus forming a boundary between an edge area 124 of the roof and a central area 126 of the roof 120.
  • This cut has a rounded shape on itself, but is interrupted on a short part of the edge of the roof, so that it describes the general shape of a C. More precisely, the C it describes is made up by a series of rectilinear portions, each parallel to a corresponding rectilinear edge of the capacitive roof, the cutout should not close to keep a metal strip exciting the external antenna.
  • the antenna has a ground wire 160 and a feed probe 150 which extend transversely to the antenna, and which join the roof 120 at its part 126 which is internal to the cut in C.
  • cutout or slot 122 generates two capacitive effects, one at the edge of the roof 124 (part external to the slot) the other at the internal part 126 of the roof.
  • the addition of such a cutout 122 typically creates an additional resonance of the antenna at a wavelength close to ⁇ f / 2, where ⁇ f corresponds to the total length of the slot.
  • the present antenna generates two resonances, one at the wavelength ⁇ corresponding to that of the wire-plate antenna having a capacitive roof for the area 126 internal to the cutout 122, the other resonance being at a length smaller wave ⁇ f / 2, generated by the presence of the cutout 122.
  • This antenna has wire-plate type radiation at these two resonant frequencies. More specifically, the presence of the cutout 122 introduces new physical parameters which influence the behavior electromagnetic, namely the width of the cutout 122, measured parallel to the plane of the capacitive roof and transversely to the cutout 122, the position of the cutout 122 on the roof, the position of the cutout 122 relative to the supply wire 150 and relative to the return wire 160, as well as the length of the cutout.
  • the slot resonates (allowing the adaptation of the antenna) but does not radiate significantly since the radiation remains that of a wire-plate.
  • the antenna has a ground plane 140 in the form of a disc, of diameter ⁇ / 3, where ⁇ corresponds to the wavelength which would be obtained with the same antenna but whose roof would be full.
  • a square top plate forms the capacitive roof 120. It has a total width of ⁇ / 6.
  • the cutout 122 runs entirely along three sides of this square, and is extended by its ends on the fourth side, each time by a short portion.
  • This second resonant cut antenna also has a C-shaped cut, this C being here perfectly symmetrical with respect to a transverse and median plane with a square roof.
  • This C cut has a total length of approximately ⁇ f / 2.
  • the cutout 122 runs along the edges of the capacitive roof 120 while maintaining, with respect to these edges, a constant distance. Thus, it internally delimits a square, and externally a strip 124 of constant width.
  • the ground wire 160 and the supply wire 150 are both placed substantially in the center of the internal square 126, in a plane of symmetry of the cutout 122, transverse to the antenna.
  • Such an antenna has a resonance at the wavelength ⁇ , and further has a resonance approximately at the wavelength ⁇ f / 2 which is specifically due to the cut 122.
  • the antenna therefore has two resonances.
  • the ground wire 160 and the supply wire 150 are here placed on a median plane forming the plane of symmetry of the cutout 122 to keep good symmetry in the diagram.
  • Such an antenna has, as illustrated in FIG. 4, an equivalent impedance which each has two peaks at two frequencies. More precisely, as shown in FIG. 4, both the real part and the imaginary part of the input impedance each have two peaks placed respectively at these two frequencies.
  • the antenna has a reflection coefficient which also describes two peaks at these two same frequencies.
  • the antenna has a good reflection coefficient, of the order of -16dB, at these two frequencies. It is therefore dual-band.
  • the cutout antenna of Figure 3 does have a monopolar radiation pattern at each of the two resonances.
  • the maximum gain value is approximately 1.7dB.
  • Such an asymmetry can be corrected, for example by adopting, in place of the cutout 122 previously proposed, a pair of cutouts or more.
  • an upper plate 120 forming a capacitive roof and which has two notches 122, each in the form of C, open towards one another. These two opposite C delimit there still an inner capacitive area 126 which they both surround almost completely. They also define an external strip 124 of constant width.
  • Each of these C cutouts is formed of three straight branches, each parallel to one side of the square formed by the plate 120.
  • the two cutouts 122 are perfectly symmetrical to each other, each being furthermore symmetrical with respect to to itself so that an upper plate 120 is obtained which is physically symmetrical with respect to two transverse and median squared planes.
  • a first working band corresponds substantially to the wavelength ⁇ of an antenna whose capacitive roof would be formed by the interior area 126 with the cutouts 122, the other working frequency corresponds to a resonance close to ⁇ f / 2 ( frequency half that previously cited) due to the cutouts 122 of the same dimensions.
  • two (or more) cutouts are adopted having similar but not equal dimensions and / or having similar but not equal positions.
  • two (or more) resonance peaks are obtained in addition to the wire-plate resonance. These two peaks are close but not equal, partially overlapping, which in practice generates an enlarged frequency band, additional to the efficiency frequency of the interior zone 126.
  • two or more cutouts are adopted which extend from one another and which have sufficiently different dimensions to obtain two or more very different resonances, additional compared to the wire-plate resonance. Radiation patterns similar to those of known antennas are obtained, but several different frequency bands.
  • the role of the cutouts is to create several nested wire-plate antennas, wire-plate antennas each formed substantially from the area limited by the cut and from the collective ground return or not from the antenna.
  • the cuts do not change the mode of radiation of each wire-plate antenna considered, which remains omnidirectional in azimuth, because the slits are not the seat of electromagnetic resonances at the frequencies considered.
  • the different antennas presented above have similar polarizations at their different resonant frequencies.
  • the different antennas proposed here provide, in addition to the advantages of the conventional wire-plate antenna, the advantage of having one or more new resonances, with a size similar to the known antennas.
  • These antennas make it possible to produce, for example, a suitable aerial, they advantageously constitute multi-band antennas (for example for transmission and reception), for example with peaks close in frequency or alternatively wideband antennas by adopting peaks sufficiently tightened with respect to each other.
  • These antennas allow the use of several frequency bands for mobile telephony, for example: GSM, DCS, DECT, or for uses inside buildings (indoor uses).
  • the different frequency bands obtained can be used for uplink and downlink, for example for transmitting and receiving in ARGOS beacons.
  • Such antennas can also be used for AMPS-PCS 1900 uses.

Landscapes

  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)

Abstract

L'invention concerne une antenne du type comprenant: une première surface (120) électriquement conductrice; une deuxième surface (140) électriquement conductrice, formant plan de masse, parallèle à la première; un premier fil ou ruban d'alimentation électriquement conducteur (150) qui relie une première borne d'un générateur/récepteur à la première surface (120); la deuxième surface (140) étant reliée à une seconde borne du générateur/récepteur; et au moins un second fil ou ruban électriquement conducteur (160) qui relie les deux surfaces précitées (120,140), caractérisée en ce que la première surface (120) présente une découpe (122), ou une série de découpes (122), chaque découpe étant éventuellement formée de tronçons se prolongeant mutuellement, cette ou ces découpe(s) (122) s'étendant au voisinage et le long d'une partie de bordure de cette première surface (120), cette partie de bordure étant suffisamment étendue pour que la ou les découpe(s) (122) délimitent une zone interne (126) de la première surface (120) en formant sensiblement une majorité du pourtour de cette zone (126), permettant d'obtenir un fonctionnement fil-plaque multifréquence.

Description

« Antenne fil-plaque multifréquences »
L'invention concerne le domaine des antennes, et plus précisément le domaine des antennes fil-plaque. On connaît les antennes fil-plaque constituées, comme représenté à la figure 1 , d'une pastille métallique 120 (toit capacitif de l'antenne) de forme à priori arbitraire, d'une lame diélectrique 130 portant cette pastille sur sa face supérieure et d'un plan de masse 140 réalisé par métallisation inférieure de la lame diélectrique. L'alimentation d'une telle antenne est typiquement réalisée par une sonde coaxiale 150 qui traverse le plan de masse 140, dont un conducteur interne 152 est connecté au toit métallique 120 et dont un connecteur externe 154 est relié au plan de masse 140. La particularité d'une telle antenne est de posséder un fil 160 qui relie le toit capacitif 120 et le plan de masse 140, formant retour métallique actif à la masse.
Le fil de retour à la masse 160 provoque une résonance dite parallèle à une fréquence inférieure à celle d'une fréquence dite fondamentale d'un patch.
Cette résonance parallèle est due à un échange d'énergie entre la self inductance L et la capacitance C d'un résonateur formé par le fil de retour à la masse (effet Selfique λ) et le toit capacitif.
On obtient alors une fréquence de résonance, donnant ainsi une plage d'adaptation de l'antenne, du type :
1
2 ZC
Les paramètres physiques influant sur cette fréquence sont la permittivité du substrat diélectrique εr, sa hauteur (distance entre toit et plan de masse), le rayon de la sonde d'alimentation 150, le rayon du fil de retour à la masse 140, la distance entre sonde d'alimentation 150 et fil de retour à la masse 160, ainsi que les dimensions du toit 120 et du plan de masse 140. Ce grand nombre de paramètres multiplie par autant le nombre de configurations possibles, permettant d'optimiser au mieux les antennes pour qu'elles répondent aux cahiers des charges.
Le rayonnement de l'antenne fil-plaque s'effectue principalement par les fils de retour 160, et présente les caractéristiques typiques du rayonnement d'un monopole perpendiculaire au plan de masse, le rayonnement caractéristique étant un rayonnement omnidirectionnel en azimuth par rapport au plan de masse et quasiment nul perpendiculairement à ce plan. Ainsi, une telle antenne présente un diagramme de rayonnement à lobe à symétrie de révolution, un rayonnement maximal dirigé approximativement parallèlement au plan de masse et un rayonnement minimal dans l'axe des fils d'alimentation et de retour. Conformément au rayonnement typique d'un monopôle perpendiculaire au plan de masse. On notera que dans le cas des plans de masse finis, des effets de diffraction par les arêtes du plan de masse 140 introduisent des déformations du diagramme du rayonnement ainsi qu'un rayonnement arrière.
Le fonctionnement d'une antenne fil-plaque est donc très différent du fonctionnement d'un autre type d'antenne connu sous le nom d'« antenne résonante ». En effet, la résonance dont on parle pour ces « antennes résonantes » est une résonance de type électromagnétique (modes de résonance) et non une résonance de type électrique comme pour les fil- plaques. En effet, dans les fil-plaques, les éléments résonants sont localisés, assimilables à des composants électriques. Le fonctionnement par résonance électrique et l'utilisation des structures comme composants électriques confèrent aux antennes fil-plaque une dimension très inférieure à la longueur d'onde, et en tous les cas des dimensions inférieures aux dimensions de la plus petite des « antennes résonantes ». Le fonctionnement des antennes fil-piaque est donc très différent du fonctionnement en résonance électromagnétique qui régit les antennes dites « antennes résonantes ».
Le fonctionnement des fils-plaques les distingue notamment des antennes « microruban » ou « microslot » (microfente) connues de l'homme de l'art.
Malgré l'existence de nombreuses possibilités de choix des paramètres physiques pour adapter au mieux l'antenne connue aux cahiers des charges, il s'avère souhaitable de disposer d'une antenne qui soit encore plus aisément configurable, au stade de sa construction, en conformité au comportement multibandes, multifonction souhaité.
Ce but est atteint selon l'invention grâce à une antenne du type comprenant :
- une première surface électriquement conductrice ; - une deuxième surface électriquement conductrice, formant plan de masse, parallèle à la première ;
- un premier fil ou ruban d'alimentation électriquement conducteur qui relie une première borne d'un générateur/récepteur à la première surface ;
- la deuxième surface étant reliée à une seconde borne du générateur/récepteur ; et
- au moins un second fil ou ruban électriquement conducteur qui relie les deux surfaces précitées, caractérisée en ce que la première surface présente une découpe ou une série de découpes, chaque découpe étant éventuellement formée de tronçons se prolongeant mutuellement, cette ou ces découpes s'étendant au voisinage et le long d'une partie de bordure de cette première surface, cette partie de bordure étant suffisamment étendue pour que la ou les découpe(s) délimitent une zone interne de la première surface en formant sensiblement une majorité du pourtour de cette zone, permettant d'obtenir un fonctionnement fil-plaque multifréquences. Ces découpes génèrent des capacités différentes conduisant à des fréquences de résonances de l'antenne fil-plaque différentes conformément à la formule précédemment rapportée.
Le fait de garder le rayonnement fil-plaque (c'est à dire omnidirectionnel en azimuth) distingue également cette antenne de celles rencontrées dans la littérature pour lesquelles c'est la découpe dans la surface qui rayonne avec un maximum dans l'axe perpendiculaire à cette surface et non un rayonnement très faible dans cette direction comme c'est le cas avec une antenne fil-plaque et notamment dans l'invention. Avantageusement, la première surface présente une découpe, de largeur très faible par rapport à sa longueur et à la longueur d'onde principale captée (preferentiellement un dixième de cette longueur). Les découpes peuvent être multiples, par exemple en nombre supérieur à 2.
Selon des dispositions avantageuses mais non limitatives : - la ou les découpe(s) de la première surface sont de largeurs très faibles par rapport à sa longueur et aux longueurs d'onde de fonctionnement ;
- ledit au moins un second fil ou ruban électriquement conducteur qui relie les première et deuxième surfaces rejoint la première surface à l'intérieur de ladite zone, et preferentiellement au milieu de l'antenne, entourée dans sa majorité par la ou les découpe(s) ;
- ledit premier fil ou ruban d'alimentation électriquement conducteur qui relie une première borne d'un générateur/récepteur à la première surface rejoint cette première surface à l'intérieur de ladite zone entourée dans sa majorité par la ou les découpe(s) ;
- les première et deuxième surfaces sont disposées en vis à vis et parallèles l'une à l'autre, en ce que les premier et second fils ou rubans électriquement conducteurs s'étendent parallèlement l'un à l'autre et perpendiculairement aux plans des deux surfaces, et en ce que la découpe ou les séries de découpes forme deux motifs parfaitement symétriques par rapport à un plan géométrique passant par ces deux fils ou rubans conducteurs ;
- la première surface présente une découpe formée de deux tronçons ayant chacune la forme d'un C, ouverts en vis à vis l'un de l'autre ; - les deux tronçons sont symétriques l'un de l'autre par rapport à un premier plan géométrique passant entre ces deux tronçons et en ce que chaque tronçon est symétrique de lui-même par rapport à un second plan géométrique qui passe par les centres de ces deux découpes ;
- la première surface comporte au moins deux découpes ayant des formes respectives qui sont suffisamment semblables pour que ces deux découpes génèrent deux pics d'efficacité électromagnétique sur le mode fil- plaque, confondus à une même fréquence ;
- la première surface présente au moins deux découpes et en ce que ces deux découpes présentent des formes respectives suffisamment proche de sorte que ces deux découpes génèrent deux pics d'efficacité électromagnétique sur le mode fil-plaque, qui se chevauchent en fréquence, formant ainsi une bande d'efficacité élargie en fréquence ;
- la première surface présente au moins deux découpes ayant des formes suffisamment différentes pour que ces découpes génèrent au moins deux zones de fréquences d'efficacité, sur le mode fil-plaque, de l'antenne qui ne se recouvrent pas l'une avec l'autre ;
- la première surface est délimitée par un contour quelconque, et en ce que la ou les découpes restent parallèles au bord ce contour ;
- une des surfaces formant plan de masse comprend une ou plusieurs découpes du même type que la première surface ;
- les surfaces sont sensiblement identiques et on obtient le même fonctionnement du fait que les découpes sont présentes dans le plan de masse ;
- le plan de masse est nettement plus grand que la première surface, les fréquences générées étant les mêmes, mais les diagrammes de rayonnement étant différents, dus à la présence du plan de masse ; - elle comporte une ou plusieurs lames diélectriques ou magnétiques entre la surface formant plan de masse et la première surface et également au-dessus des deux surfaces (radôme) ;
- l'antenne comprend des toits superposés et des plans intermédiaires, les découpes étant faites dans n'importe quel plan intermédiaire, et des matériaux diélectriques ou magnétiques étant interposés pour la rigidité ou l'accordabilité.ou la miniaturisation
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référence aux figures annexées sur lesquelles :
- la figure 1 est une vue en perspective d'une antenne de type connu ;
- la figure 2 est une vue en perspective d'une antenne selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 3 est une vue de dessus d'une antenne selon un second mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 4 représente l'évolution, en fonction de la fréquence, de la partie réelle et de la partie imaginaire d'une impédance équivalente de l'antenne de la figure 3 ;
- la figure 5 représente l'évolution en fonction de la fréquence d'un coefficient de réflexion de l'antenne de la figure 3 ou l'on peut compter deux zones d'adaptation ;
- la figure 6 est un diagramme de rayonnement en site à une première fréquence de résonance de l'antenne de la figure 3 ;
- la figure 7 est un diagramme de rayonnement en azimut à une première fréquence de résonance de l'antenne de la figure 3 ;
- la figure 8 est un diagramme de rayonnement en site à une seconde fréquence de résonance de l'antenne de la figure 3 ;
- la figure 9 est un diagramme de rayonnement en azimut à une seconde fréquence de résonance de l'antenne de la figure 3 ; - la figure 10 est une vue de dessus d'un toit capacitif d'une antenne selon un troisième mode de réalisation de l'invention. L'antenne de la figure 2 reprend les éléments principaux de l'antenne connue de la figure 1.
Elle présente un toit 12 qui est délimité par une série de segments rectilignes de forme quelconque (polyèdre ou circulaire...). Le toit capacitif 120 présente toutefois ici une découpe 122 qui s'étend le long des bordures de ce toit capacitif, formant ainsi une limite entre une zone de bordure 124 du toit et une zone centrale 126 du toit 120.
Cette découpe présente une forme arrondie sur elle-même, mais s'interrompt sur une courte partie de la bordure du toit, de sorte qu'elle décrit la forme générale d'un C. Plus précisément, le C qu'elle décrit est constitué par une série de portions rectilignes, chacune parallèle à un bord rectiligne correspondant du toit capacitif, la découpe ne devant pas se refermer pour garder une bande de métal excitant l'antenne externe.
L'antenne présente un fil de masse 160 et une sonde d'alimentation 150 qui s'étendent transversalement à l'antenne, et qui rejoignent le toit 120 au niveau de sa partie 126 qui est interne à la découpe en C.
Le fait d'adopter une telle découpe ou fente 122 génère deux effets capacitifs, l'un au niveau de la bordure du toit 124 (partie externe à la fente) l'autre au niveau de la partie interne 126 du toit. L'ajout d'une telle découpe 122 créé typiquement une résonance supplémentaire de l'antenne à une longueur d'onde voisine de λf/2, où λf correspond à la longueur totale de la fente.
Ainsi la présente antenne génère deux résonances, l'une à la longueur d'onde λ correspondant à celle de l'antenne fil-plaque ayant pour toit capacitif la zone 126 interne à la découpe 122, l'autre résonance se trouvant à une longueur d'onde plus petite λf/2, générée par la présence de la découpe 122.
Cette antenne présente un rayonnement de type fil-plaque à ces deux fréquences de résonance. Plus précisément, la présence de la découpe 122 introduit de nouveaux paramètres physiques qui influent sur le comportement électromagnétique, à savoir la largeur de la découpe 122, mesurée parallèlement au plan du toit capacitif et transversalement à la découpe 122, la position de la découpe 122 sur le toit, la position de la découpe 122 par rapport au fil d'alimentation 150 et par rapport au fil de retour 160, ainsi que la longueur de la découpe.
Ces paramètres physiques viennent s'ajouter aux paramètres physiques influant habituellement sur le comportement des antennes, et multiplie le nombre de configurations possibles de l'antenne, permettant de mieux adapter l'antenne à l'utilisation visée, en particulier par la double résonance.
Comme on le verra par la suite, la fente résonne (permettant l'adaptation de l'antenne) mais ne rayonne pas de façon significative puisque le rayonnement reste celui d'une fil-plaque.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, l'antenne présente un plan de masse 140 en forme de disque, de diamètre λ/3, ou λ correspond à la longueur d'onde qui serait obtenue avec une même antenne mais dont le toit serait plein . Une plaque supérieure de forme carré forme le toit capacitif 120. Elle présente, elle, une largeur totale de λ/6. La découpe 122 longe entièrement trois des côtés de ce carré, et se prolonge par ses extrémités sur le quatrième côté, à chaque fois par une courte portion.
Cette deuxième antenne à découpe résonante présente elle aussi une découpe en forme de C, ce C étant ici parfaitement symétrique par rapport à un plan transversal et médian au toit carré. Cette découpe en C présente une longueur totale approximativement de λf/2. La découpe 122 longe les bords du toit capacitif 120 en conservant, par rapport à ces bords, une distance constante. Ainsi, elle délimite intérieurement un carré, et extérieurement une bande 124 de largeur constante.
Le fil de masse 160 et le fil d'alimentation 150 sont tous deux placés sensiblement au centre du carré interne 126, dans un plan de symétrie de la découpe 122, transversal à l'antenne. Une telle antenne présente une résonance à la longueur d'onde λ, et présente en outre une résonance approximativement à la longueur d'onde λf/2 qui est spécifiquement due à la découpe 122. L'antenne a donc deux résonances. Le fil de masse 160 et le fil d'alimentation 150 sont ici placés sur un plan médian formant plan de symétrie de la découpe 122 pour garder une bonne symétrie au diagramme.
Une telle antenne présente, comme illustré à la figure 4, une impédance équivalente qui présente chacune deux pics à deux fréquences. Plus précisément, comme représenté à la figure 4, à la fois la partie réelle et la partie imaginaire de l'impédance d'entrée présentent chacune deux pics placés respectivement à ces deux fréquences.
Comme illustré à la figure 5, l'antenne présente un coefficient de réflexion qui décrit lui aussi deux pics à ces deux mêmes fréquences. L'antenne présente un bon coefficient de réflexion, de l'ordre de -16dB, à ces deux fréquences. Elle est donc bi-bande.
Comme illustré aux figures 6 à 9, l'antenne à découpe de la figure 3 présente bien un diagramme de rayonnement monopolaire à chacune des deux résonances. La valeur maximale du gain est d'environ 1 ,7dB. On remarque une légère dissymétrie au niveau du diagramme de rayonnement en site de la deuxième résonance, qui est due à la dissymétrie de la fente par rapport à un axe orthogonal aux fils 150 et 160 (plus précisément par rapport à un plan perpendiculaire au plan des fils, perpendiculaire à l'antenne, et médian au carré formé par la plaque supérieure 120).
Une telle dissymétrie peut être corrigée, par exemple en adoptant, à la place de la découpe 122 précédemment proposée, une paire de découpes ou plus.
Ainsi, sur la figure 10, on a représenté une plaque supérieure 120 formant un toit capacitif et qui comporte deux encoches 122, chacune en forme de C, ouvertes l'une vers l'autre. Ces deux C en vis à vis délimitent là encore une zone capacitive intérieure 126 qu'elles entourent à elles deux quasi totalement. Elles délimitent en outre un ruban externe 124 de largeur constante.
Chacune de ces découpes en C est formée de trois branches rectilignes, chacune parallèle à un côté du carré formé par la plaque 120. Ainsi, les deux découpes 122 sont parfaitement symétriques l'une à l'autre, chacune étant en outre symétrique par rapport à elle-même de sorte qu'on obtient une plaque supérieure 120 physiquement symétrique par rapport à deux plans transversaux et médians au carré. On peut placer le fil d'alimentation 150 et le fil de retour 160 dans l'un de ces plans médian et obtenir un comportement électrique symétrique par rapport au plan de ces deux fils.
En d'autres termes, découper sur le toit 120 deux découpes 122 de mêmes dimensions permet de symétriser le diagramme de rayonnement, tout en gardant deux bandes de fréquences de travail.
Une première bande de travail correspond sensiblement à la longueur d'onde λ d'une antenne dont le toit capacitif serait formé par la zone intérieure 126 aux découpes 122, l'autre fréquence de travail correspond à une résonance proche de λf/2 (fréquence moitié de celle précédemment citée) due aux découpes 122 de mêmes dimensions.
Selon une variante, on adopte deux (ou plus) découpes ayant des dimensions voisines mais non égales et/ou ayant des positionnements voisins mais non égaux. Dans cette variante, on obtient deux (ou plus) pics de résonance en plus de la résonance fil-plaque. Ces deux pics sont rapprochés mais non égaux se chevauchant partiellement, ce qui génère en pratique une bande de fréquence élargie, supplémentaire à la fréquence d'efficacité de la zone intérieure 126.
Selon une autre variante encore, on adopte deux ou plus découpes qui se prolongent les unes des autres et qui ont des dimensions suffisamment différentes pour obtenir deux ou plus résonances bien différentes, supplémentaires par rapport à la résonance fil-plaque. On obtient des diagrammes de rayonnement similaires à ceux des antennes connues, mais plusieurs bandes de fréquences différentes.
Le rôle des découpes est de créer plusieurs antennes fil-plaque imbriquées, antennes fil-plaque formées chacune sensiblement de la zone limitée par la découpe et du retour de masse collectif ou non de l'antenne.
Les découpes ne changent pas le mode de rayonnement de chaque antenne fil-plaque considérée, qui reste omnidirectionnel en azimut, car les fentes ne sont pas le siège de résonances électromagnétiques aux fréquences considérées. Les différentes antennes présentées précédemment ont des polarisations similaires à leurs différentes fréquences de résonance.
Les différentes antennes proposées ici fournissent, en plus des avantages de l'antenne fil-plaque classique, l'avantage de présenter une ou plusieurs nouvelles résonances, avec un encombrement similaire aux antennes connues.
Ces antennes permettent de réaliser par exemple un aérien adapté, elles constituent avantageusement des antennes multi-bandes (par exemple pour l'émission et la réception), par exemple avec des pics rapprochés en fréquence ou encore des antennes à bandes élargies en adoptant des pics suffisamment resserrés les uns par rapport aux autres.
Ces antennes permettent l'utilisation de plusieurs bandes de fréquences pour la téléphonie mobile, par exemple : GSM, DCS, DECT, ou pour des utilisations intérieures aux bâtiments (utilisations indoor).
Les différentes bandes de fréquences obtenues peuvent être utilisées pour des voies montantes et descendantes, par exemple pour faire l'émission et la réception dans des balises ARGOS. De telles antennes peuvent également servir pour des utilisations AMPS-PCS 1900.

Claims

REVENDICATIONS
1. Antenne fil-plaque du type comprenant :
- une première surface (120) électriquement conductrice ; - une deuxième surface (140) électriquement conductrice, formant plan de masse, parallèle à la première ;
- un premier fil ou ruban d'alimentation électriquement conducteur (150) qui relie une première borne d'un générateur/récepteur à la première surface (120) ; - la deuxième surface (140) étant reliée à une seconde borne du générateur/récepteur ; et
- au moins un second fil ou ruban électriquement conducteur (160) qui relie les deux surfaces précitées (120, 140), caractérisée en ce que la première surface (120) présente une découpe (122), ou une série de découpes (122), chaque découpe étant éventuellement formée de tronçons se prolongeant mutuellement, cette ou ces découpe(s) (122) s'étendant au voisinage et le long d'une partie de bordure de cette première surface (120), cette partie de bordure étant suffisamment étendue pour que la ou les découpe(s) (122) délimitent une zone interne (126) de la première surface (120) en formant sensiblement une majorité du pourtour de cette zone (126), permettant d'obtenir un fonctionnement multifréquence.
2. Antenne selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la ou les découpe(s) de la première surface sont de largeurs très faibles par rapport à sa longueur et aux longueurs d'onde de fonctionnement.
3. Antenne selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que ledit au moins un second fil ou ruban électriquement conducteur (160) qui relie les première (120) et deuxième (140) surfaces rejoint la première surface (120) à l'intérieur de ladite zone (126), et preferentiellement au milieu de l'antenne, entourée dans sa majorité par la ou les découpe(s)
4. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ledit premier fil ou ruban d'alimentation électriquement conducteur (150) qui relie une première borne d'un générateur/récepteur à la première surface (120) rejoint cette première surface à l'intérieur de ladite zone (126) entourée dans sa majorité par la ou les découpe(s) (122).
5. Antenne selon les revendications 1 , 3 et 4 en combinaison, caractérisée en ce que les première (120) et deuxième (140) surfaces sont disposées en vis à vis et parallèles l'une à l'autre, en ce que les premier (150) et second (160) fils ou rubans électriquement conducteurs s'étendent parallèlement l'un à l'autre et perpendiculairement aux plans des deux surfaces, et en ce que la découpe (122) ou les séries de découpes (122) forme deux motifs parfaitement symétriques par rapport à un plan géométrique passant par ces deux fils ou rubans conducteurs (150, 160).
6. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la première surface (120) présente une découpe formée de deux tronçons (122) ayant chacune la forme d'un C, ouverts en vis à vis l'un de l'autre.
7. Antenne selon la revendication 6, caractérisée en ce que les deux tronçons (122) sont symétriques l'un de l'autre par rapport à un premier plan géométrique passant entre ces deux tronçons (122) et en ce que chaque tronçon (122) est symétrique de lui-même par rapport à un second plan géométrique qui passe par les centres de ces deux découpes.
8. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce la première surface (120) comporte au moins deux découpes (122) ayant des formes respectives qui sont suffisamment semblables pour que ces deux découpes (122) génèrent deux pics d'efficacité électromagnétique sur le mode fil-plaque, confondus à une même fréquence.
9. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 et 6, caractérisée en ce que la première surface (120) présente au moins deux découpes (122) et en ce que ces deux découpes (122) présentent des formes respectives suffisamment proche de sorte que ces deux découpes (122) génèrent deux pics d'efficacité électromagnétique sur le mode fil- plaque, qui se chevauchent en fréquence, formant ainsi une bande d'efficacité élargie en fréquence.
10. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 et 6, caractérisée en ce que la première surface (120) présente au moins deux découpes (122) ayant des formes suffisamment différentes pour que ces découpes (122) génèrent au moins deux zones de fréquences d'efficacité, sur le mode fil-plaque, de l'antenne qui ne se recouvrent pas l'une avec l'autre.
11. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la première surface (120) est délimitée par un contour quelconque, et en ce que la ou les découpes (122) restent parallèles au bord ce contour.
12. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une des surfaces formant plan de masse comprend une ou plusieurs découpes du même type que la première surface (120).
13. Antenne selon la revendication 12, caractérisée en ce que les première et deuxième surfaces (120) et (140) sont sensiblement identiques et que les découpes sont ainsi présentes dans la seconde surface formant le plan de masse (140).
14. Antenne selon la revendication 12, caractérisée en ce que la seconde surface (140) est nettement plus grande que la première surface (120).
15. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une ou plusieurs lames diélectriques ou magnétiques (130) entre la surface formant plan de masse (140) et la première surface (120) et également au-dessus des deux surfaces (radôme).
16. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des toits superposés et des plans intermédiaires, les découpes (122) étant faites dans n'importe quel plan intermédiaire, et des matériaux diélectriques ou magnétiques étant interposés pour la rigidité ou l'accordabilité.
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