EP1433223B1

EP1433223B1 - Antenne fil-plaque multifrequences

Info

Publication number: EP1433223B1
Application number: EP02751260.7A
Authority: EP
Inventors: Bernard Jean Yves Jecko; Mohamed Hammoudi
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 2001-06-18
Filing date: 2002-06-18
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2022-06-18
Also published as: CA2451097A1; WO2002103843A1; EP1433223A1; US20040164916A1; FR2826185A1; FR2826185B1; US7038631B2; JP2004531152A; CA2451097C; JP4044895B2

Description

L'invention concerne le domaine des antennes, et plus précisément le domaine des antennes fil-plaque.
Les documents DELAVEAUD CH et AI « New kind of minostrip antenna : the monoplar wire-patch antenna « Electronics letters IEE Stevenage GB vol 30, N°1 6 janvier 1994 qui correspond à EP 0667984 et US6195048 , décrivent différentes antennes.
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 métaliisation 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 15 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 20 inductance L et la capacitance C d'un résonateur formé par le fil de retour à la masse (effet Selfique _X) et le toit capacitif.
On obtient alors une fréquence de résonance, donnant ainsi une plage d'adaptation de l'antenne, du type : $\frac{1}{2 π \sqrt{L C}}$
Les paramètres physiques influant sur cette fréquence sont la permittivité du substrat diélectrique s_r> 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 30 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 5 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 15 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 20 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. 25
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-plaque 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 5 antennes « microruban » ou « mieroslot » (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 10 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 défini en revendication 1 annexée.
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 5 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 (préférentiellement 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 ;
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 λ_f/2, où λ_f 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 λ_f/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 λ_f/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 λ_f/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 λ_f/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

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), la première surface (120) présentant 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, 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 interne (126), et préférentiellement au milieu de l'antenne, entourée dans sa majorité par la ou les découpe(s) (122), et 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).
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.
Antenne selon la revendication 1, 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).
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.
Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que les deux tronçons (122) sont symétriques l'un de l'autre par rapport à un premier plangéométrique 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.
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.
Antenne selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 4 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.
Antenne selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 4, 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.
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.
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).
Antenne selon la revendication 10, caractérisée en ce que les 20 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).
Antenne selon la revendication 10, caractérisée en ce que la seconde surface (140) est nettement plus grande que la première surface (120).
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).
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.