EP1564842B1 - Antenne ultra large bande - Google Patents
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- EP1564842B1 EP1564842B1 EP04290421.9A EP04290421A EP1564842B1 EP 1564842 B1 EP1564842 B1 EP 1564842B1 EP 04290421 A EP04290421 A EP 04290421A EP 1564842 B1 EP1564842 B1 EP 1564842B1
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- H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
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Definitions
- the present invention relates to the field of antennas.
- the present invention relates to the field of antennas intended for broadcasting high-speed services, in particular in the UWB (Ultra Wide Band or Ultra Wide Band) domain, but also for wireless networks, such as WLAN (Wireless Lan). and WIFI (registered trademark) (Wireless Fidelity), as well as in the field of multiband cellular telecommunications.
- UWB Ultra Wide Band or Ultra Wide Band
- WLAN Wireless Lan
- WIFI registered trademark
- UWB A new system, called UWB, which allows the reuse of frequency bands already allocated for other applications is being developed for civil telecommunication applications.
- the UWB transmits at a very low level (of the order of noise) a coherent signal but spread over a very wide band of frequencies (hence the name "Ultra Wide Band”). Coherence is ensured by Gaussian pulse coding and it is essential that each element of the transmission chain, including the antenna, has the most neutral transfer function possible over the entire width of the band (typically 3 at 10 GHz) so that the receiving system is able to recover the useful signal in the middle of the noise.
- the antenna behaves like a band pass filter which conditions the performance of the complete system.
- the document DE 197 29 664 A describes antennas where the edge of the ground plane is convex towards the monopoly.
- the inventors have not identified, to date, known solutions that reconcile compact uniplanar structure and Ultra Wide Band performance (Fmax / Fmin> 5).
- the main object of the present invention is to remedy this situation by proposing a new antenna that makes it possible to meet these specifications, that is to say an antenna capable of transforming the incident energy into radiated energy over a very wide range.
- frequency band (Fmax / Fmin> 5).
- Another auxiliary object of the present invention is to provide an antenna whose geometry remains small vis-à-vis the wavelength.
- Yet another auxiliary object of the present invention is to provide an antenna that can easily be integrated on a PCMCIA or PCB type circuit board (ie Printed Circuit Board), for example in the form of a structure. coplanar etched on one side of an electronic substrate, facilitating the subsequent integration of active elements.
- PCMCIA or PCB type circuit board ie Printed Circuit Board
- an antenna comprising a support 10 of dielectric material which carries a monopole 100 and a ground plane 200.
- the support 10 may be made of any suitable material and may have any suitable geometry and dimensions.
- It is preferably of rectangular or square contour.
- the monopoly 100 and the ground plane 200 are coplanar. They are made in printed technology and by engraving on the same face of the support 10.
- the support 10 has dimensions of the order of 57.5 mm ⁇ 47 mm and a thickness of about 1.5 mm.
- the monopole 100 and the ground plane 200 have a symmetry with respect to a plane OO.
- This plane OO passes through the central axis of an excitation line 110.
- the excitation line 110 is formed of a rectilinear ribbon 112 of constant width delimited by two lateral edges 114, 115 parallel to each other and parallel to the plane O-O.
- the excitation line 110 thus extends, from the middle of one of the edges of the wafer, perpendicularly to this edge, toward the center of the support 10.
- the monopole 100 is connected to the inner end of the excitation line 110. It has a general shape flared away from the ground plane 200.
- the contour of the monopole 100 directed towards the ground plane 200 may have a continuous curvature. However, preferably this contour is delimited by a series of successive rectilinear sections whose inclination with respect to the plane OO increases away from the ground plane 200.
- the monopoly 100 can thus be delimited by three sections successive 120, 122 and 124 having respective inclinations of the order of 10 °, 30 ° and 45 ° and respective lengths of the order of 17 mm, 7 mm and 20 mm.
- the monopoly 100 is also limited, opposite the excitation line 110, by a straight edge 130, transverse to the plane OO, for example a length of the order of 37 mm.
- Monopoly 100 thus formed has the general shape of a planar cone with multiple slopes.
- the ground plane 200 comprises two blocks 210, 220 located respectively on either side of the feed line 110, being separated therefrom.
- the ground plane 200 has a border 230 directed towards the monopole 100 which is not completely rectilinear.
- the curvature of this border 230 may be continuous. However according to the embodiment illustrated on the figure 3 , this border 230 is delimited by a series of successive rectilinear sections.
- each block 210, 220 is delimited, starting from the edge of the support 10 on which the feed line 110 opens, by a rectilinear internal section 240, parallel to the plane OO, of the same length as the feed line 110, and by a rectilinear outer portion 242, also parallel to the plane OO, of a length greater than the section 240, typically of the order of twice the latter, for example of the order of 23.5mm.
- the two sections 240, 242 are connected by a plurality of sections 244, 246, 247, 248, which in combination define a convex shape, for each block, in the direction of the monopole 100. More precisely according to the particular and nonlimiting embodiment illustrated on the figure 3 the section 244 extends the section 242 and converges towards the plane OO in the direction of the monopole 100.
- the three sections 246, 247 and 248 follow each other from the internal section 240. They diverge, with progressively increasing angles, with respect to the plane. OO, close to the monopoly 100.
- the sections 244 and 248 meet at a point 249 which is the point of the ground plane 200 farthest from the edge of the support 10 on which the feed line 110 opens.
- the overall width of the ground plane 200, considered perpendicular to the plane OO, is substantially identical to the largest width of the monopole 100, at the edge 130.
- tip 249 of the ground plane 200 is located substantially opposite the outer quarter of the width of the expansion of the monopoly 100.
- the geometry of the ground plane 200 and that of the monopole 100 are preferably adapted such that the monopole defines an impedance at least substantially constant along its profile.
- the monopole 100, the feed line 110 and the ground plane 200 are advantageously made in printed circuit technology.
- the geometry of the ground plane 200 and that of the monopole 100 are adapted to reduce as much as possible the sizes and to optimize the shapes of the ground plane 200 as well as that of the coplanar monopole 100, so as to guarantee excitation by a line 110 coplanar characteristic impedance typical of telecommunications applications (ie in the range 50 Q - 70 ⁇ ) over the largest possible bandwidth.
- the monopoly 100 of polygonal shape, is asymmetrical with respect to the plane OO, while the ground plane 200 remains symmetrical with respect to this plane OO.
- the monopoly 100 is delimited, starting from the feed line 110, by two rectilinear sections 140, 142 diverging with respect to the plane OO away from the ground plane 200, at different angles, two parallel sections 144, 146 between they and parallel to the plane OO which respectively extend the two sections 140, 142, and the aforementioned end edge 130.
- Each block 210, 220 of the ground plane 200 is itself delimited by an internal generator 240, an external generator 242 , parallel to each other and parallel to the plane OO (the internal generator 240 having a length substantially identical to the feed line 110), an end section 250 rectilinear and perpendicular to the plane OO, connected to the internal generator 240 and two straight sections successive 252 and 254, which connect the end portion 250 and the external generator 242, which sections 252 and 254 diverge relative to the monopole 100 away from the plane OO
- the outer sections 242 are shorter than the inner sections 240.
- the sections 250, 252 and 254 define in combination a convex shape in the direction of the monopole 100.
- the overall width of the ground plane 200, considered perpendicular to the plane OO is greater than the width of the monopoly 100.
- the figure 5 represents an antenna variant that differs from that shown on the figure 4 by the fact that according to the figure 5 each inclined section 140, 142 of the monopole 100 is itself divided into two sections 1400, 1402 and 1420, 1422.
- the directed edge of the ground plane directed towards the monopole defines a concave, and not convex, edge in the direction of the monopole 100.
- This concave edge is defined by a section 250 perpendicular to the plane OO, connected to the internal section 240 and extended by two auxiliary sections 256, 258 to the outer section 242.
- the first section 256 diverges with respect to the plane OO in the direction of the monopole 100.
- the second section 258 is perpendicular to the plane OO and joins the outer section 242.
- each block 210, 220 of the ground plane 200 is provided with three rectilinear grooves 262, 263 and 264, parallel to each other and perpendicular to the plane O0, which open on the outer section 242.
- the grooves 260 are equidistant two by two. Their length decreases in approximation of the monopoly 100.
- Such grooves 260 make it possible to lower the minimum operating frequency of the structure, which increases the compactness for a given frequency band. They also stop the electric currents that would tend to "leak" behind the ground plane 200 causing parasitic radiation or parasitic coupling with the power supply.
- monopoly 100 comprises grooves 160. More precisely according to the particular and nonlimiting embodiment illustrated in FIG. figure 9 , the monopole 100 is provided with three straight grooves 162, 163 and 164, parallel to each other and perpendicular to the plane OO, which open on the outer sections 144, 146. According to the figure 9 the grooves 160 are equidistant two by two. Their length increases in approximation of the ground plane 200.
- Such grooves 160 also make it possible to lower the minimum operating frequency of the structure.
- a short-circuit 170 connects the monopole 100 and the ground plane 200.
- the short-circuit 170 is here formed of a rectilinear ribbon parallel to the plane OO, which connects the section 142 and the section 250 .
- FIG 11 another variant embodiment, according to the present invention, which differs from the figure 6 by the presence of slot lines 174, 178 in the monopole 100 and slot lines 274, 278 in the ground plane 200.
- the slotted lines 174, 178 open onto the sections 144.
- the slot line 174 comprises a rectilinear section 175 perpendicular to the plane OO, which opens on a section 144, a rectilinear section 176 parallel to the plane OO and a rectilinear section 177 perpendicular to the plane OO, of length less than section 175.
- the three sections 175, 176 and 177 generally define a U-shaped configuration.
- the slotted line 178 comprises a rectilinear section 179 perpendicular to the plane OO, which opens on the second section 144, and a rectilinear section 180 parallel to the plane OO, directed towards the section 130.
- the two sections 179 and 180 generally define an L-shaped configuration.
- the slot lines 274, 278 provided in the ground plane 200 have a geometry similar to that of the slot lines 174, 178 provided in the monopoly 100.
- the slit line 274 comprises a rectilinear section 275 perpendicular to the plane OO, which opens onto a section 242, a rectilinear section 276 parallel to the plane OO and a rectilinear section 277 perpendicular to the plane OO, of length less than section 275.
- the three sections 275, 276 and 277 generally define a U-shaped configuration.
- the slit line 278 comprises a rectilinear section 279 perpendicular to the plane OO, which opens on the second section 242, and a rectilinear section 280 parallel to the plane OO, directed towards the monopole 100.
- the two sections 279 and 280 generally define a configuration in FIG. L.
- the second sections 176, 276 are directed towards the opposite of the section 130 away from the section 175, 275 which opens respectively to the outside of the monopole 100 at the section 144 and at the outside of the ground plane 200 at the level of section 242.
- Slotted lines 174, 178, 274 and 278 enable auxiliary modes of operation to be introduced into the structure.
- FIG 12 annexed, another variant embodiment, in accordance with the present invention, which differs from figure 3 in that slots, rings or holes are inserted in the monopole 100 or in the ground plane 200.
- slots, rings or holes make it possible to advantageously introduce secondary modes of resonance into the structure.
- the antenna adaptation curve represented on the figure 3 more precisely the standing wave ratio (ROS) as a function of frequency.
- ROS standing wave ratio
- Such an antenna of compact dimensions since they are of the order of 47mm ⁇ 37 mm ⁇ 1.5 mm, makes it possible to ensure ultra-wide band operation of 1.5 to more than 11 GHz, ie a ratio between the maximum frequency and the minimum frequency greater than 7.
- the associated radiation patterns are represented on the figure 14 . They are characterized by a minimum of radiation on the OZ axis of the monopole coinciding with the plane OO, (characteristic sign a monopolar radius) as well as omnidirectional diagrams (at least up to 6GHz) on the cones having monopoly axis and directions which are generally between 60 ° and 120 ° around this axis with a maximum directivity which varies from 2 to 5dB.
- This antenna is therefore an excellent candidate to be integrated into the transmission chain of future UWB systems.
- auxiliary ground plane 300 is connected to each of the two blocks 210, 220 forming the coplanar ground plane 200 of the monopole 100 via a plurality of electrically conductive pins 310 passing through the substrate 10.
- the power supply of the antenna is made between the lower auxiliary ground plane 300 and the power supply line 110.
- FIG. figure 16 a first embodiment comprising two coplanar antennas of the type described above, orthogonal to each other, while it has been shown on FIG. figure 17 annexed, another variant comprising four coplanar antennas of the type previously described orthogonal two by two, distributed in the form of a pair at two diagonally opposite corners of the substrate.
- the diet of antennas according to the variants represented on the Figures 16 and 17 is provided between a ground plane provided on the lower surface 14 of the substrate 10 and the feed line 110.
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Description
- La présente invention concerne le domaine des antennes.
- Plus précisément la présente invention se rapporte au domaine des antennes destinées à la diffusion de services hauts débits, en particulier dans le domaine UWB (Ultra Wide Band ou Ultra Large Bande), mais aussi pour réseaux sans fil, tels que WLAN (Wireless Lan) et WIFI (marque déposée) (Wireless Fidelity), ainsi que dans le domaine des télécommunications cellulaires multibandes.
- L'essor des systèmes de télécommunications pour répondre aux besoins de communications mobiles et de diffusion de services haut débit, tend inexorablement à une saturation des ressources spectrales ou fréquences disponibles.
- Un nouveau système, appelé UWB, qui permet de réutiliser des bandes de fréquences déjà affectées pour d'autres applications fait l'objet de développements pour les applications de télécommunications civiles. Pour éviter les brouillages avec les autres systèmes, l'UWB émet à très faible niveau (de l'ordre du bruit) un signal cohérent mais étalé sur une très large bande de fréquences (d'où le nom « Ultra Wide Band »). La cohérence est assurée par un codage d'impulsions gaussiennes et il est essentiel que chaque élément de la chaîne de transmission, y compris l'antenne, ait une fonction de transfert la plus neutre possible sur toute la largeur de la bande (typiquement de 3 à 10 GHz) afin que le système de réception soit capable de récupérer le signal utile au milieu du bruit.
- On trouve dans la littérature, par exemple le document [1], des documents mettant en avant la nécessité d'évaluer les performances systèmes et de maîtriser les performances et la conception de ce type d'antennes afin d'assurer la compétitivité sur ce nouveau canal de transmission.
- L'antenne se comporte comme un filtre passe bande qui conditionne les performances du système complet.
- L'existence sur le marché, d'antennes compactes utilisables en UWB et en technologie planaire (pour pouvoir être intégrées sur les circuits imprimés des terminaux PCB) est encore marginale.
- Si l'on fait abstraction des structures sur céramiques ou diélectriques à très forte permittivité, délicates à maîtriser techniquement, l'état de l'art reste basé sur des structures 3D de type monopoles sur plan de sol (voir par exemple documents [2] et [3]). Les structures décrites dans ces documents semblent effectivement performantes en terme de bande passante (2-12 GHz théoriques) et de compacité du monopole. Cependant la nécessité d'un plan de masse de dimension importante et orthogonal au monopole exclut un niveau d'intégration important en particulier sur un PCB de terminal.
- Par ailleurs des publications montrent des antennes en technologie imprimée microruban avec plan de masse intégré, mais avec des performances limitées en largeur de bande ou bien multibandes, par exemple document [4].
- On a schématisé sur la
figure 1 annexée, une telle structure d'antenne imprimée comprenant sur un premier plan un plan de masse PM et sur un second plan une ligne d'excitation microruban LE associée à un monopole MO. - Les tentatives d'utilisation de cette technologie imprimée pour la réalisation d'antennes coplanaires peut conduire comme illustré sur la
figure 2 à une structure de type guide coplanaire dans laquelle une ligne microruban d'excitation LE est encadrée par deux éléments de plan de masse PM et séparée de ceux-ci par deux lignes à fentes étroites LF (typiquement d'une largeur de 0,1mm pour une impédance de 50 Ohms) qui débouchent sur le bord rectiligne BR du plan de masse PM. Cependant, les inventeurs ont constaté que cette extrapolation, pour une antenne coplanaire, de la technologie imprimée microruban connue, conduit à un échec puisqu'une telle antenne conduit à l'impossibilité d'un fonctionnement large bande à cause d'un régime naturel non propagatif et donc d'un fort taux d'ondes stationnaires. Le documentDE 197 29 664 A décrit des antennes où la bordure du plan de masse est convexe en direction du monopole. Dans ce contexte, les inventeurs n'ont pas identifié à ce jour, de solutions connues qui permettent de concilier structure uniplanaire compacte et performances Ultra Large Bande (Fmax/Fmin>5). - La présente invention a pour objectif principal de remédier à cette situation en proposant une nouvelle antenne qui permette de répondre à ce cahier des charges, c'est-à-dire une antenne apte à transformer l'énergie incidente en énergie rayonnée sur une très large bande de fréquence (Fmax/Fmin>5).
- Un autre but auxiliaire de la présente invention consiste à proposer une antenne dont la géométrie reste de petite taille vis-à-vis de la longueur d'onde.
- Encore un autre but auxiliaire de la présente invention consiste à proposer une antenne qui puisse aisément être intégrée sur une carte électronique de type PCMCIA ou PCB (ie Circuit Imprimé ou « Printed Circuit Board » en anglais), par exemple sous forme d'une structure coplanaire gravée sur une seule face d'un substrat électronique, facilitant ainsi l'intégration ultérieure d'éléments actifs.
- Ces buts sont atteints dans le cadre de la présente invention grâce à une antenne telle que définie par la revendication 1. Les inventeurs ont en effet déterminé qu'il est essentiel dans le cadre de la présente invention que la bordure du plan de masse dirigée vers le monopole ne soit pas rectiligne pour atteindre une large bande passante.
- D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels :
- la
figure 1 précédemment décrite représente schématiquement une antenne connue du document [4] de l'état de la technique, - la
figure 2 représente schématiquement une possibilité d'extrapolation de la technologie imprimée connue pour la réalisation d'une antenne coplanaire, conduisant à un régime stationnaire, - la
figure 3 représente schématiquement une première variante d'antenne pouvant être appliquée à la présente invention, - les
figures 4 à 12 représentent 9 autres variantes d'antenne pouvant être appliquées à la présente invention ou conformes à la présente invention, - la
figure 13 représente le rapport d'ondes stationnaire en fonction de la fréquence de l'antenne illustrée sur lafigure 3 , - la
figure 14 représente différents diagrammes de rayonnement de cette même antenne, - la
figure 15 représente une vue d'une autre variante d'antenne pouvant être appliquée à la présente invention, plus précisément, lafigure 15a représente une vue en plan d'un monopole, de sa ligne d'alimentation associée et d'un plan de masse coplanaire et représente par une ligne interrompue le contour d'un plan de masse auxiliaire disposé sur la seconde face du substrat diélectrique et par des points une série de pions assurant une liaison électrique entre les plans de masse prévus sur les deux faces du substrat, tandis que lafigure 15b représente avec la même convention, cette second face du substrat et lafigure 15c représente une vue en coupe de ce dernier substrat passant par un plan contenant de tels pions, , - la
figure 16 représente une variante comprenant deux antennes coplanaires orthogonales pour un fonctionnement bipolarisation (même fréquence, deux pôlarisations), et - la
figure 17 représente une autre variante comprenant quatre antennes coplanaires orthogonales permettant d'assurer de la diversité d'espace et de polarisation. - On aperçoit sur la
figure 3 , une antenne comprenant un support 10 en matériau diélectrique qui porte un monopole 100 et un plan de masse 200. - Le support 10 peut être réalisé en tout matériau approprié et peut posséder toute géométrie et toutes dimensions appropriées.
- Il est de préférence de contour rectangulaire ou carrée.
- Le monopole 100 et le plan de masse 200 sont coplanaires. Ils sont réalisés en technologie imprimée et par gravure sur une même face du support 10.
- A titre d'exemple non limitatif, le support 10 possède des dimensions de l'ordre de 57,5 mm x 47 mm et une épaisseur de l'ordre de 1,5mm.
- Selon le mode de réalisation représenté sur la
figure 3 , le monopole 100 et le plan de masse 200 présentent une symétrie par rapport à un plan O-O. Ce plan O-O passe par l'axe central d'une ligne d'excitation 110. - La ligne d'excitation 110 est formée d'un ruban rectiligne 112 de largeur constante, délimitée par deux bords latéraux 114, 115 parallèles entre eux et parallèles au plan O-O. La ligne d'excitation 110 s'étend ainsi, à partir du milieu de l'un des bords de la plaquette, perpendiculairement à ce bord, en direction du centre du support 10.
- Le monopole 100 est relié à l'extrémité interne de la ligne d'excitation 110. Il a une forme générale évasée en éloignement du plan de masse 200. Le contour du monopole 100 dirigé vers le plan de masse 200 peut posséder une courbure continue. Cependant de préférence ce contour est délimité par une suite de tronçons rectilignes successifs dont l'inclinaison par rapport au plan O-O croît en éloignement du plan de masse 200. A titre d'exemple non limitatif, le monopole 100 peut ainsi être délimité par trois tronçons successifs 120, 122 et 124 ayant des inclinaisons respectives de l'ordre de 10°, 30° et 45° et des longueurs respectives de l'ordre de 17 mm, 7 mm et 20 mm. Le monopole 100 est par ailleurs limité, à l'opposé de la ligne d'excitation 110, par un bord rectiligne 130, transversal au plan O-O, par exemple d'une longueur de l'ordre de 37 mm. Le monopole 100 ainsi formé a la forme générale d'un cône plan à pentes multiples.
- Comme indiqué précédemment le plan de masse 200 comprend deux pavés 210, 220 situés respectivement de part et d'autre de la ligne d'alimentation 110, en étant séparés de celle-ci.
- Par ailleurs le plan de masse 200 possède une bordure 230 dirigée vers le monopole 100 qui n'est pas totalement rectiligne. La courbure de cette bordure 230 peut être continue. Cependant selon le mode de réalisation illustré sur la
figure 3 , cette bordure 230 est délimitée par une suite de tronçons rectilignes successifs. Plus précisément selon le mode de réalisation représenté sur lafigure 3 , chaque pavé 210, 220 est délimité, à partir du bord du support 10 sur lequel débouche la ligne d'alimentation 110, par un tronçon interne rectiligne 240, parallèle au plan O-O, de même longueur que la ligne d'alimentation 110, et par un tronçon externe rectiligne 242, également parallèle au plan O-O, d'une longueur supérieure au tronçon 240, typiquement de l'ordre du double de ce dernier, par exemple de l'ordre de 23,5mm. - Les deux tronçons 240, 242 sont reliés par une pluralité de tronçons 244, 246, 247, 248, qui définissent en combinaison une forme convexe, pour chaque pavé, en direction du monopole 100. Plus précisément selon le mode de réalisation particulier et non limitatif illustré sur la
figure 3 , le tronçon 244 prolonge le tronçon 242 et converge vers le plan O-O en direction du monopole 100. Les trois tronçons 246, 247 et 248 se succèdent à partir du tronçon interne 240. Ils divergent, avec des angles progressivement croissants, par rapport au plan O-O, en rapprochement du monopole 100. Les tronçons 244 et 248 se rejoignent au niveau d'un point 249 qui constitue le point du plan de masse 200 le plus éloigné du bord du support 10 sur lequel débouche la ligne d'alimentation 110. - L'encombrement en largeur du plan de masse 200, considéré perpendiculairement au plan O-O, est sensiblement identique à la plus grande largeur du monopole 100, au niveau du bord 130.
- Ainsi la pointe 249 du plan de masse 200 est située sensiblement en regard du quart extérieur de la largeur de l'épanouissement du monopole 100.
- Entre le monopole 100 et le plan de masse 200, s'étend le support diélectrique 10.
- La géométrie du plan de masse 200 et celle du monopole 100 sont adaptées de préférence de sorte que le monopole définisse une impédance au moins sensiblement constante le long de son profil.
- Le monopole 100, la ligne d'alimentation 110 et le plan de masse 200 sont avantageusement réalisés en technologie de circuit imprimé.
- Plus précisément encore, La géométrie du plan de masse 200 et celle du monopole 100 sont adaptées pour réduire au maximum les tailles et pour optimiser les formes du plan de masse 200 ainsi que celle du monopole 100 coplanaire, de manière à garantir une excitation par une ligne 110 coplanaire d'impédance caractéristique typique des applications de télécommunications (soit dans la gamme 50 Q - 70 Ω) sur une bande passante la plus large possible.
- On a représenté sur la
figure 4 une variante de réalisation selon laquelle le monopole 100, de forme polygonale, est dissymétrique par rapport au plan O-O, tandis que le plan de masse 200 reste symétrique par rapport à ce plan O-O. Le monopole 100 est délimité, à partir de la ligne d'alimentation 110, par deux tronçons rectilignes 140, 142 qui divergent par rapport au plan O-O en éloignement du plan de masse 200, selon des angles différents, deux tronçons 144, 146 parallèles entre eux et parallèles au plan O-O qui prolongent respectivement les deux tronçons 140, 142, et le bord d'extrémité précité 130. Chaque pavé 210, 220 du plan de masse 200 est quant à lui délimité par une génératrice interne 240, une génératrice externe 242, parallèles entre elles et parallèles au plan O-O, (la génératrice interne 240 ayant une longueur sensiblement identique à la ligne d'alimentation 110), un tronçon extrême 250 rectiligne et perpendiculaire au plan O-O, relié à la génératrice interne 240 et deux tronçons rectilignes successifs 252 et 254, qui relient le tronçon extrême 250 et la génératrice externe 242, lesquels tronçons 252 et 254 divergent par rapport au monopole 100 en éloignement du plan O-O - Les tronçons externes 242 sont plus courts que les tronçons internes 240. Les tronçons 250, 252 et 254 définissent en combinaison une forme convexe en direction du monopole 100.
- Selon la
figure 4 , l'encombrement en largeur du plan de masse 200, considéré perpendiculairement au plan O-O est supérieur à l'encombrement en largeur du monopole 100. - La
figure 5 représente une variante d'antenne qui se distingue de celle illustrée sur lafigure 4 par le fait que selon lafigure 5 , chaque tronçon incliné 140, 142 du monopole 100, est lui-même scindé en deux tronçons 1400, 1402 et 1420, 1422. - On a représenté sur la
figure 6 une autre variante d'antenne qui se distingue de celle illustrée sur lafigure 5 par le fait que selon lafigure 6 , le bord dirigé du plan de masse dirigé vers le monopole définit une bordure concave, et non pas convexe, en direction du monopole 100. Cette bordure concave est défini par un tronçon 250 perpendiculaire au plan O-O, relié au tronçon interne 240 et prolongé par deux tronçons auxiliaires 256, 258 vers le tronçon externe 242. Le premier tronçon 256 diverge par rapport au plan O-O en direction du monopole 100. Le second tronçon 258 est perpendiculaire au plan O-O et rejoint le tronçon externe 242. - On a représenté sur les
figures 7 et 8 deux variantes desfigures 3 et6 , qui se distinguent de ces dernières par le fait que le plan de masse 200 comporte des rainures ou « corrugations » 260. Plus précisément selon le mode de réalisation particulier et non limitatif illustré sur lesfigures 7 et 8 , chaque pavé 210, 220 du plan de masse 200 est muni de trois rainures rectilignes 262, 263 et 264, parallèles entre elles et perpendiculaires au plan O-O, qui débouchent sur le tronçon externe 242. Selon lesfigures 7 et 8 les rainures 260 sont équidistantes deux à deux. Leur longueur décroît en rapprochement du monopole 100. - De telles rainures 260 permettent d'abaisser la fréquence minimale de fonctionnement de la structure, ce qui accroît la compacité pour une bande de fréquence donnée. Elles permettent également d'arrêter les courants électriques qui auraient tendance à « fuir » à l'arrière du plan de masse 200 en provoquant des rayonnements parasites ou des couplages parasites avec l'alimentation.
- On a représenté sur la
figure 9 une variante de réalisation, conforme à la présente invention, qui se distingue de lafigure 5 par le fait que le monopole 100 comporte des rainures 160. Plus précisément selon le mode de réalisation particulier et non limitatif illustré sur lafigure 9 , le monopole 100 est muni de trois rainures rectilignes 162, 163 et 164, parallèles entre elles et perpendiculaires au plan O-O, qui débouchent sur les tronçons externes 144, 146. Selon lafigure 9 les rainures 160 sont équidistantes deux à deux. Leur longueur croît en rapprochement du plan de masse 200. - De telles rainures 160 permettent également d'abaisser la fréquence minimale de fonctionnement de la structure.
- On a représenté sur la
figure 10 une autre variante de réalisation qui se distingue de lafigure 4 par le fait qu'un court-circuit 170 relie le monopole 100 et le plan de masse 200. Plus précisément le court-circuit 170 est ici formé d'un ruban rectiligne parallèle au plan O-O, qui relie le tronçon 142 et le tronçon 250. - On a illustré sur la
figure 11 une autre variante de réalisation, conforme à la présente invention, qui se distingue de lafigure 6 par la présence de lignes à fentes 174, 178 dans le monopole 100 et de lignes à fentes 274, 278 dans le plan de masse 200. - Selon la
figure 11 les lignes à fentes 174, 178 débouchent sur les tronçons 144. La ligne à fente 174 comprend un tronçon rectiligne 175 perpendiculaire au plan O-O, qui débouche sur un tronçon 144, un tronçon rectiligne 176 parallèle au plan O-O et un tronçon rectiligne 177 perpendiculaire au plan O-O, de longueur inférieure au tronçon 175. Les trois tronçons 175, 176 et 177 définissent globalement une configuration en U. - La ligne à fente 178 comprend un tronçon rectiligne 179 perpendiculaire au plan O-O, qui débouche sur le second tronçon 144, et un tronçon rectiligne 180 parallèle au plan O-O, dirigé vers le tronçon 130. Les deux tronçons 179 et 180 définissent globalement une configuration en L.
- Selon la
figure 11 , les lignes à fentes 274, 278 prévues dans le plan de masse 200, présentent une géométrie similaire à celle des lignes à fentes 174, 178 prévues dan le monopole 100. - Ainsi, la ligne à fente 274 comprend un tronçon rectiligne 275 perpendiculaire au plan O-O, qui débouche sur un tronçon 242, un tronçon rectiligne 276 parallèle au plan O-O et un tronçon rectiligne 277 perpendiculaire au plan O-O, de longueur inférieure au tronçon 275. Les trois tronçons 275, 276 et 277 définissent globalement une configuration en U.
- La ligne à fente 278 comprend un tronçon rectiligne 279 perpendiculaire au plan O-O, qui débouche sur le second tronçon 242, et un tronçon rectiligne 280 parallèle au plan O-O, dirigé vers le monopole 100. Les deux tronçons 279 et 280 définissent globalement une configuration en L.
- On notera que selon la
figure 11 , les seconds tronçons 176, 276 sont dirigés vers l'opposé du tronçon 130 en éloignement du tronçon 175, 275 qui débouche respectivement sur l'extérieur du monopole 100 au niveau du tronçon 144 et sur l'extérieur du plan de masse 200 au niveau du tronçon 242. - Les lignes à fentes 174, 178, 274 et 278 permettent d'introduire des modes de fonctionnement auxiliaires dans la structure.
- On a illustré par ailleurs sur la
figure 12 annexée, une autre variante de réalisation, conforme à la présente invention, qui se distingue de lafigure 3 par le fait que des fentes, anneaux ou trous sont insérés dans le monopole 100 ou dans le plan de masse 200. De telles fentes, anneaux ou trous permettent d'introduire avantageusement des modes de résonance secondaires dans la structure. - De telles fentes, anneaux ou trous peuvent faire l'objet de nombreuses variantes de réalisation et de nombreuses combinaisons entre eux. Pour cette raison, leur géométrie ne sera pas décrite dans le détail par la suite.
- On notera cependant, que la variante de réalisation, non limitatif, illustrée sur la
figure 12 comprend : - une fente rectiligne 182 perpendiculaire au plan O-O, symétrique par rapport à celui-ci et qui couvre sensiblement 60% de la largeur du monopole 100,
- dans le monopole 100 une seconde fente en U 184, disposée entre la fente 182 et le tronçon extrême 130, la fente 184 comprenant un tronçon principal 185 perpendiculaire au plan O-O, symétrique par rapport à celui-ci et qui couvre sensiblement 50% de la largeur du monopole 100 pourvue à chacune de ces extrémités de tronçons auxiliaires 186,187, parallèles au plan O-O, dirigées vers le plan de masse 200 et dont la longueur est de l'ordre du tiers de la longueur du tronçon principal 185,
- dans le pavé 210 du plan de masse 200, un trou 282 de contour circulaire ayant un diamètre de l'ordre du tiers de la hauteur du pavé 210 considéré parallèlement au plan O-O, sensiblement centré sur ce pavé,
- dans le pavé 220 du plan de masse 200, un anneau 284 ayant une largeur de l'ordre de 1mm et un diamètre de l'ordre de la moitié de la hauteur du pavé 220 considéré parallèlement au plan O-O.
- On a représenté sur la
figure 13 , la courbe d'adaptation de l'antenne représentée sur lafigure 3 , plus précisément le rapport d'ondes stationnaires (ROS) en fonction de la fréquence. On note à l'examen de cettefigure 13 que le rapport d'ondes stationnaires reste inférieur à 2 entre 1,8GHz et 6,1GHz et reste inférieur à 2,6 entre 1,5GHz et 11GHz. - Une telle antenne, de dimensions compactes puisqu'elles sont de l'ordre de 47mmx37mmx1,5mm permet d'assurer un fonctionnement ultra larges bandes de 1,5 à plus de 11GHz, soit un rapport entre la fréquence maximale et la fréquence minimale supérieure à 7.
- Les diagrammes de rayonnement associés sont représentés sur la
figure 14 . Ils sont caractérisés par un minimum de rayonnement sur l'axe OZ du monopole coïncidant avec le plan O-O, (signe caractéristique d'un rayon monopolaire) ainsi que par des diagrammes omnidirectionnels (au moins jusqu'à 6GHz) sur les cônes ayant pour axe le monopole et des directions qui sont globalement comprises entre 60° et 120° autour de cet axe avec une directivité maximale qui varie de 2 à 5dB. - Cette antenne constitue donc un excellent candidat pour être intégré dans la chaîne de transmission des futurs systèmes UWB.
- Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers qui viennent d'être décrits mais s'étend à toute variante conforme à son esprit.
- On a schématisé sur la
figure 15 annexée, une autre variante de réalisation pouvant être appliquée à la présente invention selon laquelle, le monopole 100 et sa ligne d'alimentation 110 associée ainsi que le plan de masse 200 sont prévus sur une première face 12 du support diélectrique 10 tandis que la seconde face 14 de ce substrat diélectrique 10 porte un plan de masse auxiliaire 300 en matériau électriquement conducteur. Le plan de masse auxiliaire 300 est relié à chacun des deux pavés 210, 220 constituant le plan de masse 200 coplanaire du monopole 100 par l'intermédiaire d'une pluralité de pions électriquement conducteurs 310 traversant le substrat 10. - Dans ce contexte, l'alimentation de l'antenne est réalisée entre le plan de masse auxiliaire inférieur 300 et la ligne d'alimentation 110.
- Enfin, on a représenté sur les
figures 16 et 17 annexées, d'autres variantes de réalisation pouvant être appliquées à la présente invention associant sur une même plaquette de circuit imprimé, plusieurs antennes coplanaires orthogonales entre elles. - Plus précisément, on a représenté sur la
figure 16 annexée, une première variante de réalisation comprenant deux antennes coplanaires du type décrit précédemment, orthogonales entre elles, tandis que l'on a représenté sur lafigure 17 annexée, une autre variante comprenant quatre antennes coplanaires du type décrit précédemment orthogonales deux à deux, réparties sous forme d'une paire au niveau de deux coins diagonalement opposés du substrat. De préférence, l'alimentation des antennes conformes aux variantes représentées sur lesfigures 16 et 17 est assurée entre un plan de masse prévu sur la surface inférieure 14 du substrat 10 et la ligne d'alimentation 110. -
- Document [1] : SIBILLE A. et al. « Conception et caractérisation d'antennes ULB pour communication multimédia haut débit » Journées SEE - ULB, 58, 19-20 juin 2003.
- Document [2] : AMMANN M. J., Zhi Ning CHEN « Wideband Shorted Planar Monopole with Bevel » IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol 51, n° 4, April 2003, pp 901 - 903.
- Document [3] : AMMAN M. J. Zhi Ning CHEN, « Wideband Monopole Antennas for Multiband Wireless Systems » IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol 45, n°2, April 2003, pp 146-150.
- Document [4] : SONG C. T. P., HALLS P. S., GHAFOURI-SHIRAZ H. « Perturbed Sierpinsky Multiband Fractal Antenna with Improved Feeding Technique » IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol 51, n°5, May 2003, pp1011-1017.
Claims (16)
- Antenne notamment pour la diffusion de services haut débit comprenant :- un support (10) en matériau diélectrique, qui porte les éléments suivants, réalisés en technologie imprimée :- un monopole (100) relié à une ligne d'alimentation de type guide coplanaire (110), et- un plan de masse (200) coplanaire constitué de deux pavés (210, 220) situés respectivement de part et d'autre de la ligne d'alimentation (110), en étant séparés de celle-ci,dans laquelle le monopole (100) est évasé en éloignement du plan de masse (200) et ce dernier possède une bordure (244-249 ; 250-254 ; 250-258) dirigée vers le monopole (100) qui n'est pas totalement rectiligne,
caractérisée en ce que ladite bordure du plan de masse est concave ou convexe en direction du monopole, et
caractérisée en ce qu'au moins le monopole (100) comprend des lignes à fentes (174, 178 ; 274, 278) et/ou trous et/ou anneaux introduisant des modes de résonance secondaires. - Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le plan de masse (200) comprend des lignes à fentes (274, 278) et/ou trous (282) et/ou anneaux (284) introduisant des modes de résonance secondaires.
- Antenne selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que ladite bordure du plan de masse (200) forme une pointe en direction du monopole (100).
- Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que ladite bordure du plan de masse (200) possède une courbure continue.
- Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que ladite bordure du plan de masse (200) est délimitée par une succession de tronçons rectilignes.
- Antenne selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que le plan de masse (200) a une forme générale polygonale.
- Antenne selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que le monopole (100) présente une symétrie par rapport à un plan passant par la ligne d'alimentation (110).
- Antenne selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que le monopole (100) est dissymétrique.
- Antenne selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée par le fait que la ligne d'alimentation (110) est formée d'un ruban rectiligne.
- Antenne selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée par le fait que le support en matériau diélectrique (10) possède un plan de masse auxiliaire (300) sur sa face opposée au monopole (100), lequel plan de masse auxiliaire (300) est relié au plan de masse (200) coplanaire du monopole par des pions conducteurs (310) traversant le support.
- Antenne selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée par le fait que la bordure du monopole (100) dirigée vers le plan de masse (200) présente une courbure continue.
- Antenne selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée par le fait que la bordure du monopole (100) dirigée vers le plan de masse (200) est définie par une série de tronçons rectilignes successifs.
- Antenne selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisée par le fait que le monopole (100) et/ou le plan de masse (200) comprennent des rainures (262, 263, 264 ; 162, 163, 164) qui débouchent sur les flancs de ceux-ci.
- Antenne selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisée par le fait qu'un court-circuit (170) relie le monopole (100) et le plan de masse (200).
- Antenne selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisée par le fait qu'elle comprend deux monopoles orthogonaux coplanaires.
- Antenne selon l'une des revendications 1 â 15, caractérisée par le fait qu'elle comprend quatre monopoles coplanaires, sous forme de deux paires de monopoles orthogonaux disposés sur les angles opposés du support (10).
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