EP2047558B1

EP2047558B1 - Antenne isotrope et capteur de mesure associe

Info

Publication number: EP2047558B1
Application number: EP07787617.5A
Authority: EP
Inventors: Mathieu Huchard; Christophe Delaveaud
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2006-07-21
Filing date: 2007-07-17
Publication date: 2018-08-15
Anticipated expiration: 2027-07-17
Also published as: WO2008009667A1; FR2904148A1; EP2047558A1; US8044864B2; US20090322631A1; FR2904148B1

Description

Domaine technique et art antérieur

L'invention concerne une antenne isotrope apte à émettre ou recevoir un champ électromagnétique sur un large spectre de fréquences. L'invention concerne également un capteur de mesure de grandeur physique qui comprend une antenne selon l'invention.
L'invention s'applique à des objets communicants dont la taille est petite comparée aux longueurs d'onde utilisée pour la communication. Typiquement, les objets concernés par l'invention sont des terminaux ayant des dimensions de l'ordre de quelques centimètres fonctionnant dans les bandes ISM (ISM pour « Industrial Scientific Medical»), UHF (UHF pour « Ultra High Frequency »), VHF (VHF pour « Very High Frequency »), SHF (SHF pour « Super High Frequency »), EHF (EHF pour « Extremly High Frequency »).
Les antennes qui équipent de tels terminaux ont des dimensions réduites par rapport aux longueurs d'onde λ de fonctionnement (dimensions typiquement inférieures à 0.5 λ). Cette spécificité des antennes définit une catégorie d'antennes communément appelée «antennes miniatures».
L'antenne proposée est une antenne qui s'applique, entre autres, à des applications de faible portée, bas débit et basse consommation telles que, par exemple :

les réseaux sans fil de capteurs disséminés : surveillance de bâtiments, surveillance de l'environnement, capteurs utilisés en milieu industriel ;
la domotique : interrupteurs, télécommandes, etc. ;
les accessoires pour réseaux personnels tels que kits mains libres, souris d'ordinateur, stylos intelligents, etc. ;
les capteurs de capture de mouvements (objets, êtres vivants) ;
les sondes de mesures de champ électromagnétique.

Les applications principalement concernées par l'invention sont des applications pour lesquelles l'orientation d'un ou de plusieurs appareils destinés à communiquer ensemble est aléatoire et changeante. La qualité de la liaison radio doit cependant rester constante quelle que soit l'orientation. On cherche donc idéalement une antenne dont les caractéristiques de rayonnement soient sensiblement isotropes. L'invention proposée a pour but de répondre à ce problème.
Classiquement, les antennes utilisées jusqu'à ce jour dans les applications mentionnées ci-dessus sont de type omnidirectionnel mais on relève, cependant, qu'elles présentent toujours des directions dans lesquelles le rayonnement est nul. Une transmission est alors impossible dans ces directions.
Un second aspect nuisant à la qualité de la transmission est la désadaptation de polarisation des ondes émises ou reçues par l'antenne. Lorsque la polarisation des ondes est linéaire, une inclinaison des antennes l'une par rapport à l'autre peut conduire à des directions de polarisation orthogonales. Dans un tel cas, la puissance transmise devient nulle.
La recherche de structures d'antennes présentant des rayonnements isotropes a commencé dans les années 1960-1970 pour des applications spatiales. Elle s'est prolongée jusque dans les années 1990. Le problème qui se posait alors était le suivant : comment garder un lien radio constant avec un satellite ou une sonde spatiale dont l'orientation peut varier de façon quelconque pendant une transmission ? Toutes les solutions proposées ont été des antennes de grandes dimensions, c'est-à-dire dont les dimensions sont égales à plusieurs fois la longueur d'onde de fonctionnement. Leur principe de fonctionnement ne permet pas de miniaturiser de telles antennes. Pour cette raison et du fait de leur facteur de forme inadapté, elles ne sont pas transposables dans les champs d'application des objets communicants de l'invention.
En ce qui concerne les antennes miniatures, deux exemples de structure d'antenne de l'art connu et leur principe de fonctionnement sont présentés ci-dessous.
La figure 1 représente un premier exemple de structure d'antenne miniature de l'art connu. Deux dipôles D1, D2 de longueur demi-onde sont disposés orthogonalement. Les signaux d'alimentation V1 et V2 des dipôles respectifs D1 et D2 sont appliqués au croisement des deux dipôles. Les alimentations sont en quadrature de phase : $V 2 = V 1 e^{jπ / 2}$
Le rayonnement d'un dipôle est engendré par une distribution de courant qui s'établit, le long du dipôle, selon un mode de résonance demi-onde. Le rayonnement produit est alors maximum dans la direction orthogonale au dipôle et il est nul dans la direction du dipôle. Du fait de la disposition en croix des deux dipôles et de leur alimentation en quadrature de phase, la direction du rayonnement maximal de l'un correspond à la direction de rayonnement nul de l'autre. L'ensemble des deux dipôles rayonne donc dans toutes les directions. Le rayonnement est ainsi quasi isotrope en puissance. De fait, les caractéristiques du rayonnement émis sont les suivantes :

l'écart entre le minimum et le maximum de puissance émise est typiquement de 4.7dB (ce qui est considéré comme une « bonne » isotropie en puissance ;
la polarisation des ondes émises est circulaire dans la direction perpendiculaire au plan des dipôles et rectiligne dans le plan des dipôles ;
la bande passante typique des ondes émises est sensiblement égale à 10% de la fréquence centrale.

Les figures 2A et 2B représentent un deuxième exemple de structure d'antenne miniature de l'art connu. L'antenne représentée aux figures 2A et 2B est une antenne en F inversé communément appelée antenne IFA (IFA pour « Inverted F - Antenna »).
Une antenne IFA est constituée d'un plan électriquement conducteur 1 (plan de masse), d'une pièce métallique filaire ou planaire 2, communément appelée «toit» de l'antenne, disposée le plus souvent parallèlement au plan de masse (mais pouvant également ne pas être parallèle au plan de masse), d'une connexion électriquement conductrice 3 placée à une première extrémité du toit, dans un premier plan perpendiculaire au plan de masse et qui court-circuite le toit et le plan de masse, et d'un moyen d'excitation 4, par exemple une sonde filaire, placé dans un deuxième plan perpendiculaire au plan de masse et qui est relié à une source radiofréquence RF qui crée une différence de potentiel entre le toit et le plan de masse. La deuxième extrémité du toit 2 est en circuit ouvert. Le plan de masse 1 a, de préférence, des dimensions plus grandes que le toit de sorte que, d'un point de vue géométrique, la projection du toit sur le plan de masse se situe entièrement à l'intérieur du plan de masse.
Le toit 2, le court-circuit 3 et le moyen d'excitation 4 dessinent, vus de profil, un F inversé qui est à l'origine du nom de l'antenne (cf. figure 2A). La longueur l2 du toit 2 est sensiblement égale à λg/4, où λg est la longueur d'onde guidée de l'antenne. La distance h qui sépare le toit 2 du plan de masse 1 est en moyenne égale à une petite fraction de la longueur d'onde λg, par exemple λg/20, et la distance d qui sépare le plan dans lequel est placé le court-circuit du plan dans lequel est placé le moyen d'excitation est choisie pour adapter l'impédance de l'antenne à la source RF. Un mode de résonance quart d'onde s'établit entre le toit 2 et le plan de masse.
Une telle antenne n'est pas isotrope. Elle possède une direction qui présente une forte atténuation et cette atténuation est d'autant plus importante que le plan de masse est grand. L'écart entre le minimum et le maximum de puissance émise par l'antenne varie de 9,5 dB à 28 dB. La valeur de 9,5 dB est obtenue pour un plan de masse de petites dimensions (i.e. l1=0,22λg) et la valeur de 28 dB pour un plan de masse de grandes dimensions (i.e. l1=0,4 λg).
En ce qui concerne la polarisation, celle-ci est proche d'un état linéaire sur l'ensemble du diagramme de rayonnement, mis à part pour deux lobes d'ouverture réduits pour lesquels la polarisation est quasi circulaire. L'uniformité en polarisation circulaire est donc assez mauvaise. La bande passante est typiquement égale à 1,25 % de la fréquence centrale.
Les documents US2006/0145926 , US6618016 FR2751471 et WO 2005/004283 décrivent des antennes.
Les antennes miniatures de l'art connu présentent de nombreux inconvénients. L'antenne miniature de l'invention ne présente pas ces inconvénients.

Exposé de l'invention

En effet l'invention concerne une antenne destinée à des applications de faible portée, et apte à guider une longueur d'onde λ, qui comprend quatre antennes IFA élémentaires, chaque antenne IFA élémentaire comprenant un plan de masse, un toit définissant un motif, un court-circuit entre le plan de masse et le toit et un moyen d'excitation, les quatre antennes IFA élémentaires étant réparties autour d'un axe de référence en un premier ensemble de deux antennes IFA ayant des rayonnements élémentaires en champ lointain sensiblement équivalents et un deuxième ensemble de deux antennes IFA ayant des rayonnements élémentaires en champ lointain sensiblement équivalents, les deux moyens d'excitation des deux antennes IFA du premier ensemble définissant un premier axe d'alignement perpendiculaire audit axe de référence, les deux moyens d'excitation des deux antennes IFA du second ensemble définissant un second axe d'alignement, perpendiculaire audit axe de référence, le premier axe d'alignement et le second axe d'alignement se coupant à angle droit en un point de l'axe de référence, les moyens d'excitation des quatre antennes IFA élémentaires étant alimentés par des signaux radiofréquences de même amplitude dont les phases suivent une loi progressive sensiblement en quadrature par rotation autour de l'axe de référence(0°, 90°, 180°, 270°),
L'antenne étant remarquable en ce que le premier ensemble et le deuxième ensemble présentant chacun une longueur (L) des toits (2) inférieure à λ/4 de sorte que les antennes IFA du premier ensemble soient couplées entre elles, et les antennes IFA du second ensemble soient également couplées entre elles.
Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, les toits des quatre antennes IFA élémentaires sont répartis sur une surface plane sensiblement perpendiculaire à l'axe de référence.
Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, la forme des toits de deux antennes IFA élémentaires d'un même ensemble de deux antennes se déduit par symétrie par rapport au point d'intersection entre l'axe de référence et la surface plane.
Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, les toits des quatre antennes IFA élémentaires sont sensiblement inscrits dans un cercle.
Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, les toits des quatre antennes IFA élémentaires ont une forme identique.
Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, les toits des quatre antennes IFA élémentaires sont sensiblement inscrits dans une ellipse.
Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, les toits des quatre antennes IFA élémentaires sont répartis sur une surface fermée sensiblement conique.
Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, les toits des quatre antennes IFA élémentaires sont répartis sur une surface cylindrique dont la génératrice est parallèle à l'axe de référence.
Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, la surface cylindrique est une surface cylindrique dont la courbe directrice dessine un cercle, ou un carré, ou un rectangle.
Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, les toits des quatre antennes IFA élémentaires sont formés par des métallisations réalisées sur un même substrat.
Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, les plans de masse des quatre antennes IFA élémentaires sont formés par une même couche conductrice.
Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, l'antenne comprend des moyens pour commuter la loi progressive en quadrature entre un premier sens de rotation autour de l'axe de référence et un deuxième sens de rotation autour de l'axe, opposé au premier sens.
L'invention concerne également un capteur de mesure de grandeur physique comprenant des moyens de mesure de la grandeur physique et un émetteur muni d'une antenne apte à émettre la mesure de la grandeur physique sous la forme d'une modulation d'une onde électromagnétique émise par l'émetteur, caractérisée en ce que l'antenne est une antenne selon l'invention.
Une antenne selon l'invention est constituée d'une association de quatre antennes IFA élémentaires. Préférentiellement, une antenne selon l'invention comprend un seul plan de masse, quatre motifs électriquement conducteurs placés au dessus du plan de masse et formant, chacun, un toit d'antenne IFA, quatre connexions de court-circuit et quatre moyens d'excitation.
Les quatre antennes IFA élémentaires sont regroupées selon deux ensembles de deux antennes, les deux antennes IFA d'un même ensemble étant conçues de façon que leurs rayonnements élémentaires en champ lointain soient équivalents.
Deux antennes IFA ont des rayonnements élémentaires en champ lointain équivalents lorsque, étant placées indépendamment dans le même repère avec la même orientation, elles rayonnent, dans la bande de fréquences utiles, une onde de même amplitude et de même phase dans chaque direction de l'espace.
Un moyen simple pour obtenir deux antennes IFA à rayonnements élémentaires équivalents consiste à réaliser des antennes identiques, c'est-à-dire ayant la même géométrie (même forme et mêmes dimensions). C'est ce mode de réalisation qui sera principalement décrit dans la suite de la demande de brevet, à titre de mode de réalisation préférentiel de l'invention.
Il est cependant possible de réaliser deux antennes IFA ayant des formes ou des dimensions différentes et présentant malgré tout des rayonnements élémentaires équivalents. Des exemples de telles antennes seront décrits ultérieurement, en référence aux figures 10A et 10B.
Le plan de masse d'une antenne de l'invention est constitué d'un élément conducteur dont la surface peut admettre, si cela s'avère nécessaire, des épargnes de métallisation et des composants électroniques. La surface du plan de masse peut être une surface plane de forme circulaire, elliptique, carrée, rectangulaire, une surface conique, une surface qui se referme sur elle-même de type cylindrique, cubique ou parallélépipédique, etc. De façon générale, la surface qui définit le plan de masse présente une symétrie par rapport à un axe. La surface du plan de masse est de dimension supérieure ou égale à la surface dans laquelle s'intègrent les motifs électriquement conducteurs formant toits de sorte que, d'un point de vue géométrique, la projection, sur le plan de masse, de la surface dans laquelle s'intègrent les motifs électriquement conducteurs formant toits se situe entièrement à l'intérieur du plan de masse. Le rayonnement de l'antenne est d'autant plus isotrope en puissance que le plan de masse est petit. C'est pourquoi le plan de masse sera choisi préférentiellement de dimensions égales aux dimensions de la surface dans laquelle s'intègrent les motifs électriquement conducteurs formant toits. Le plan de masse sera le plus souvent de dimensions plus grandes lorsqu'il aura, pour des raisons d'intégration, une fonction de support de circuits comme, par exemple, le circuit RF qui alimente les antennes IFA élémentaires.
Le circuit RF qui alimente les quatre connexions d'alimentation peut en effet être réalisé sur la face supérieure ou inférieure du plan de masse. L'influence de sa présence sur le rayonnement de l'antenne est négligeable lorsqu'il est correctement conçu. Différentes possibilités de réalisation du circuit d'alimentation sont possibles sous la forme d'un réseau parallèle ou série de ligne microrubans incluant ou non des éléments localisés (coupleurs, déphaseurs, etc.).
Les motifs formant toits peuvent être des fils ou des éléments plats dont les contours peuvent avoir des formes très variées : rectangulaire, trapézoïdale, elliptique, repliée en arc ou non, arrondie aux extrémités ou non, la forme générale d'un motif et ses dimensions déterminant fortement les caractéristiques de rayonnement de l'antenne, en particulier sa fréquence de fonctionnement. Les motifs sont disposés soit parallèlement au plan de masse, soit inclinés d'un angle par rapport à celui-ci (l'angle d'inclinaison des motifs peut être égal, par exemple, à 30° et peut atteindre 45°, voire plus). Les motifs peuvent être réalisés sur substrat par des techniques de circuits imprimés ou par usinage de pièces conductrices, par exemple métalliques.
Selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention, les motifs sont regroupés en une première paire de motifs identiques et une deuxième paire de motifs identiques. Les motifs d'une paire de motifs identiques sont alignés selon un axe d'alignement perpendiculaire à l'axe Oz de l'antenne, les deux axes d'alignement des deux paires de motifs se coupant à angle droit sur l'axe de l'antenne. Egalement, les deux connexions conductrices formant court-circuit entre le plan de masse et les extrémités des motifs conducteurs d'une paire de motifs conducteurs sont disposées symétriquement par rapport à l'axe Oz. Il en est de même des deux moyens d'excitation associés aux deux motifs conducteurs d'une même paire de motifs conducteurs.
Les quatre moyens d'excitation alimentent les quatre antennes IFA avec des signaux d'amplitudes sensiblement égales, déphasés selon une loi progressive en quadrature de phase de sorte que, pour des antennes a1-a4 qui se succèdent autour de l'axe Oz (dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse au sens des aiguilles d'une montre), il vient :

N° a1 a2 a3 a4

Déphasage 0° 90° 180° 270°
Deux antennes IFA alignées selon un axe perpendiculaire à l'axe de l'antenne sont fortement couplées (typiquement -3 à -4 dB). Leurs alimentations sont en opposition de phase (180°) mais, en raison de leurs orientations opposées, leurs résonances sont en phase. Le phénomène de couplage est ici bénéfique car il permet avantageusement une réduction de la longueur L des toits des deux antennes IFA qui sont en regard l'une de l'autre comparativement au cas d'une seule IFA isolée présentant la même fréquence de fonctionnement. La dimension L peut être ainsi inférieure à λ/4. L'ensemble est donc plus petit que la simple combinaison de dipôles en croix, ce qui est un avantage lié à l'invention.
De même, contrairement à la combinaison de dipôles en croix pour lesquels le couplage entre dipôles est faible (<-40dB), le couplage entre deux antennes IFA élémentaires de l'invention dont les toits sont perpendiculaires l'un à l'autre est important (-2 à -3dB). Le champ électrique concentré entre le plan de masse et le toit de l'antenne est orienté dans la direction normale au plan de masse. Lorsque deux antennes IFA sont disposées sur le même plan de masse, leurs lignes de champs sont orientées dans la même direction perpendiculaire au plan de masse. Il se produit alors un couplage fort entre elles. Ce couplage est fonction de la distance entre les antennes et dépend peu de leurs orientations. Pour cette raison, il est impossible de disposer deux antennes IFA en croix selon le principe de fonctionnement des dipôles en croix. Le fort couplage ne permettrait pas d'alimenter les antennes IFA indépendamment en quadrature de phase.
Dans le cadre de l'invention, le couplage entre les paires d'antennes IFA orthogonales est diminué du fait de l'espacement central laissé entre celles-ci. Le couplage est ainsi typiquement ramené entre -7dB et - 10dB, ce qui permet une alimentation avec un déphasage de 90° entre antennes IFA adjacentes. L'espacement des antennes IFA entre elles tend à accroître la dimension totale de l'ensemble des antennes et constitue donc une limite à la miniaturisation de l'antenne. Cependant ceci est partiellement compensé par le phénomène de couplage évoqué précédemment, permettant ainsi de diminuer la longueur de chaque antenne IFA élémentaire.
Du point de vue des performances électromagnétiques, une antenne isotrope selon l'invention présente avantageusement les caractéristiques suivantes :

Typiquement 3 à 6 dB d'écart entre le maximum et le minimum de puissance rayonnée sur l'ensemble du diagramme de rayonnement ;
Polarisation circulaire dans la direction normale au plan de l'antenne ;
Polarisation rectiligne dans le plan de l'antenne ;
Les coordonnées polaires E_θ et E_ϕ du champ électrique émis ont des amplitudes égales ;
La bande passante relative à -10dB est comprise entre 1 et 20% en fonction, notamment, du circuit RF d'alimentation utilisé et des caractéristiques des antennes IFA élémentaires.

Brève description des figures

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel fait en référence aux figures jointes, parmi lesquelles :

La figure 1 déjà décrite représente un premier exemple de structure d'antenne miniature de l'art connu ;
Les figures 2A et 2B déjà décrites représentent un deuxième exemple de structure d'antenne miniature de l'art connu ;
La figure 3 représente une vue de dessus d'un premier exemple d'antenne selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention ;
La figure 4 représente une vue d'un deuxième exemple d'antenne selon le mode de réalisation préférentiel de de l'invention ;
La figure 5 représente une vue en perspective d'un troisième exemple d'antenne selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention ;
La figure 6 représente une vue en perspective d'un quatrième exemple d'antenne selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention ;
La figure 7 représente une vue en perspective d'un cinquième exemple d'antenne selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention ;
Les figure 8A et 8B représentent, respectivement, une vue en perspective et une vue de dessus d'un sixième exemple d'antenne selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention ;
Les figures 9A et 9B représentent, respectivement, une vue en perspective et une vue de dessus d'un septième exemple d'antenne selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention ;
Les figures 10A et 10B représentent, respectivement, une vue en perspective et une vue de dessus d'exemples d'antennes miniatures selon une mode de réalisation différent du mode de réalisation préférentiel de l'invention ;
Les figures 11A et 11B représentent des courbes comparatives de couvertures d'antennes de l'art antérieur et d'une antenne selon l'invention ;
La figure 12 représente un histogramme comparatif du gain de couverture à 90% en polarisation rectiligne d'antennes de l'art antérieur et d'une antenne de l'invention ;
La figure 13 représente une vue de profil d'un exemple de réalisation de capteur selon l'invention ;
La figure 14 représente une application du capteur de l'invention à la capture de mouvement.

Description détaillée de modes de réalisation préférentiels de l'invention.

Les figures 3-9B illustrent différents exemples d'antennes selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention. Selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention, les motifs formant toit des antennes IFA sont identiques deux à deux, deux motifs identiques étant alignés selon un axe d'alignement perpendiculaire à l'axe de l'antenne.
La figure 3 représente un premier exemple d'antenne selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention. Les quatre motifs conducteurs 2 formant toits des antennes IFA sont tous identiques (par exemple, en forme de rectangle) et inscrits dans un cercle C. Les connexions conductrices qui relient les motifs conducteurs formant toits au plan de masse sont placées aux extrémités extérieures des motifs (i.e. sensiblement sur la périphérie du cercle C), dans des plans perpendiculaires au plan de la figure. Les motifs formant toits peuvent être des éléments métalliques discrets ou des éléments conducteurs réalisés sur un même substrat.
La figure 4 représente une vue de dessus d'un deuxième exemple d'antenne selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention. Les quatre motifs conducteurs 2 en forme de rectangles sont distribués sur une ellipse E. Les motifs conducteurs 2 peuvent être des éléments discrets ou des éléments réalisés sur un même substrat.
La figure 5 représente une vue en perspective d'un troisième exemple d'antenne selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention. Les motifs conducteurs formant toits 2 sont en forme de parallélépipèdes. Les motifs 2 sont ici formés sur un même substrat S. Ils pourraient également être des éléments discrets.
La figure 6 représente une vue en perspective d'un quatrième exemple d'antenne selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention. Le plan de masse 1 présente une surface conique et les motifs conducteurs 2 sont disposés sur un substrat qui présente également une forme conique. L'axe de symétrie Oz est ici l'axe des cônes.
La figure 7 représente une vue en perspective d'un cinquième exemple d'antenne selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention. Les motifs formant toits des antennes IFA sont répartis sur une surface cylindrique dont la génératrice est parallèle à l'axe de symétrie de l'antenne et dont la courbe directrice dessine un carré.
Les figures 8A et 8B représentent deux vues d'un sixième exemple d'antenne selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention. Les motifs formant toits des antennes IFA sont situés dans un même plan perpendiculaire à l'axe de l'antenne et sont coudés afin d'être inscrits dans une surface carrée.
Les figures 9A et 9B représentent deux vues d'un septième exemple d'antenne selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention. Les motifs formant toits des antennes IFA sont situés dans un même plan perpendiculaire à l'axe de l'antenne et sont repliés afin d'être inscrits dans une surface circulaire. Les motifs 2 sont repliés, par exemple, en forme de spirales. Les motifs 2 sont répartis sur un substrat circulaire S placé en regard d'un plan de masse également circulaire. Les cercles que définissent le plan de masse et le substrat S sont parallèles et leurs centres sont alignés selon l'axe Oz.
Les figures 10A et 10B représentent, respectivement, une vue en perspective et une vue de dessus d'exemples d'antennes miniatures selon un mode de réalisation différent du mode de réalisation préférentiel de l'invention. Les deux antennes IFA d'un ensemble de deux antennes alignées ont des rayonnements en champ lointain sensiblement équivalents mais leurs géométries ne sont pas identiques.
La figure 10A représente un exemple où deux antennes IFA élémentaires alignées ont des toits de longueurs différentes la, lb et des hauteurs différentes ha, hb par rapport au plan de masse. La figure 10B représente un autre exemple où chaque couple de deux antennes IFA élémentaires alignées comprend une antenne dont le toit est de forme rectangulaire (2a, 2c) et une autre antenne dont le toit est de forme elliptique (2b, 2d).
A titre d'exemple non limitatif, une description détaillée d'une antenne correspondant au septième exemple du mode de réalisation préférentiel de l'invention est faite ci-dessous.
Les motifs formant toits des antennes IFA sont réalisés sur un substrat en verre époxy (ε_r=4,4 ; tgδ=0,018= tangente de perte) de 0,38mm d'épaisseur recouvert d'une métallisation de cuivre de 17µm d'épaisseur. Les motifs formant toits sont réalisés par photolithogravure. Les connexions de masse 3 sont situées aux extrémités extérieures des motifs 2. Les connexions 3 sont des fils de cuivre de 0,6mm de diamètre dont une première extrémité est soudée au motif 2 et l'autre extrémité au plan de masse. Les fils d'alimentation 4 sont également des fils de cuivre de 0,6mm de diamètre. Les extrémités des fils de masse 3 et des fils d'alimentation 4 qui sont situées du côté du substrat S sont distribuées sur un cercle X.
La distance qui sépare, sur un même motif 2, l'extrémité du fil de masse 3 de l'extrémité du fil d'alimentation 4 est sensiblement égale à 3,6mm. La distance qui sépare le plan de masse 1 du substrat S est sensiblement égale à 4mm. Le diamètre du substrat S est sensiblement égal à 25 mm et le diamètre du plan de masse est supérieur au diamètre du substrat S, par exemple égal à 30mm. Comme cela a déjà été mentionné ci-dessus, d'autres valeurs du diamètre du plan de masse sont envisageables dès lors que la condition est respectée d'un diamètre supérieur ou égal au diamètre du substrat S.
L'antenne décrite ci-dessus a une fréquence de fonctionnement sensiblement égale à 2,5GHz. De façon connue en soi, la bande passante et la fréquence exacte d'adaptation d'impédance dépendent également du réseau d'alimentation utilisé.
L'écart entre le minimum et le maximum de la puissance émise par l'antenne est typiquement de 5,6dB, ce qui correspond à une bonne isotropie en puissance. La polarisation de ondes émises est circulaire selon l'axe Oz et rectiligne dans le plan des motifs 2. La moyenne du diagramme de rapport axial est sensiblement de 49%.
A titre de comparaison, le tableau ci-dessous présente les performances typiques d'écart entre maximum et minimum du diagramme de directivité et de moyenne sur le diagramme de rapport axial pour l'antenne de l'invention et deux antennes de l'art antérieur, à savoir la combinaison de dipôles en croix et l'antenne IFA seule.

L'écart entre le maximum et le minimum du diagramme de directivité permet de quantifier l'isotropie en puissance. Plus celui-ci est faible, idéalement nul, meilleure est l'isotropie en puissance. La moyenne du diagramme de rapport axial permet de quantifier l'uniformité de la polarisation par rapport à l'état circulaire. Une moyenne de 100% signifie que l'antenne rayonne avec une polarisation parfaitement circulaire dans toutes les directions.

	Écart entre maximum et minimum du diagramme de directivité (dB)	Moyenne sur le diagramme de rapport axial
Combinaison de dipôles en croix	4.7 dB	46%
Antenne IFA seule	> 9.5 dB	21%
Antenne selon l'invention	5.6 dB	49%

Un autre critère significatif permet de comparer des antennes entre elles. Ce critère est la couverture des antennes. La couverture d'une antenne est la proportion d'orientation/inclinaison couverte par l'antenne en fonction de la puissance minimum qu'elle reçoit lorsqu'elle est illuminée par une onde plane incidente de densité de puissance unitaire. Les courbes de couverture des trois antennes mentionnées ci-dessus (combinaison de dipôles en croix, antenne IFA seule et antenne selon l'invention) sont représentées aux figures 11A et 11B. Les ordonnées des courbes 11A et 11B sont exprimées en pourcentages et les abscisses en décibels. La figure 11B est une vue de détail de la figure 11A dans la zone correspondant aux couvertures supérieures à 60%. Par ailleurs, la figure 12 représente un histogramme comparatif du gain de couverture à 90%, en polarisation rectiligne, pour les trois antennes considérées : le gain G1 correspond aux dipôles demi-onde, le gain G2 correspond à une antenne IFA unique et le gain G3 correspond à une antenne selon l'invention.
Les courbes C1, C2, C3 des figures 11A et 11B sont les courbes de couverture typiques respectives d'une antenne selon l'invention (taille typique λ/5), d'une antenne IFA seule et d'une combinaison de dipôles en croix (taille typique λ/2).
Il ressort de ces figures que l'antenne selon l'invention permet de retrouver tous les avantages de la combinaison de dipôles en croix dans le domaine des couvertures larges malgré sa taille réduite.
La figure 13 représente une vue de profil d'un exemple de réalisation de capteur muni d'une antenne selon l'invention. L'antenne est, par exemple, une antenne telle que décrite aux figures 9A-9B.
Le capteur comprend un circuit imprimé multicouches CI constitué d'une couche isolante 5 sur laquelle sont déposées, d'un côté, une couche conductrice 6 qui constitue le plan de masse et, de l'autre côté, un substrat 7 sur lequel sont intégrés différents circuits x1, x2, x3 tels que circuits intégrés, batterie, capteur, réseau d'alimentation RF, etc. Les dimensions du capteur sont petites, de telle sorte que l'antenne en est le composant le plus volumineux. Le diamètre D du capteur est ainsi typiquement égal à λ/5 ou λ/4. Cette dimension est à rapprocher du diamètre λ/2 des dipôles demi-onde en croix. La réalisation du capteur en technologie de circuit imprimé en permet avantageusement une production de masse à bas coûts.
L'association des circuits électroniques et de l'antenne permet avantageusement la réalisation d'un capteur autonome. Les composants et dispositifs placés sous le plan de masse perturbent très peu le rayonnement.
Un exemple d'utilisation de l'antenne isotrope de l'invention va maintenant être décrit, dans le cadre d'un réseau à accès multiple par répartition dans le temps ou réseau TDMA (TDMA pour «Time Division Multiple Access »), en référence à la figure 14.
Le réseau TDMA est un réseau en étoile pour la capture de mouvement qui comprend un noeud maître NM et un ensemble de noeuds esclaves N1-N14 qui sont en mouvement par rapport au noeud maître. A chaque noeud esclave du réseau est placé un capteur qui comprend une antenne selon l'invention. Les noeuds esclaves sont distribués comme suit :

le noeud N1 est un point d'une raquette de tennis ;
le noeud N2 est un point d'une balle de tennis ;
les noeuds N3-N14 sont des points du corps d'un joueur de tennis.

Ce réseau en étoile, orchestré par le noeud maître, permet de récupérer, à des intervalles de temps déterminés, les données délivrées par les différents capteurs dont les positions varient au cours du temps.
Chaque capteur situé au niveau d'un noeud esclave est optimisé en termes de taille, d'intégration et de consommation électrique. Il est constitué d'un capteur de mesure physique et de son conditionnement, d'une unité de traitement et d'un émetteur/récepteur radio relié à une antenne isotrope selon l'invention. Autonome, il dispose d'une source d'énergie embarquée.
Le capteur situé au niveau du noeud maître est moins soumis aux contraintes de taille et de consommation mais dispose également d'un émetteur/récepteur radio et d'une unité de traitement. L'antenne qui équipe le capteur situé au niveau du noeud maître peut être une antenne isotrope selon l'invention ou une antenne dipolaire.
Tout l'intérêt de l'antenne selon l'invention dans ce contexte réside dans son diagramme de rayonnement qui couvre tout l'espace, dans son état de polarisation circulaire qui optimise la transmission radio quelle que soit l'inclinaison des capteurs et dans son faible encombrement volumique.
L'antenne selon l'invention qui équipe chaque capteur situé au niveau d'un noeud esclave présente un rayonnement isotrope en puissance dans toutes les directions et une polarisation circulaire optimisée de sorte qu'il n'existe pas de direction pour laquelle la transmission entre un noeud esclave et le noeud maître serait interrompue. L'antenne selon l'invention équipant les noeuds esclaves est polarisée circulairement, et l'antenne équipant le noeud maître est polarisé rectilignement. Ainsi, la transmission ne peut-elle pas être interrompue pour cause de désadaptation de polarisation.
L'antenne selon l'invention augmente très peu les dimensions globales des capteurs car son facteur de forme planaire doté d'un plan de masse sur l'une de ces faces permet une intégration aisée sur le capteur. L'antenne peut être réalisée avec la même technologie imprimée que le reste du circuit du capteur. Les fonctions du capteur et la batterie s'intègrent en multicouche sous le plan de masse de l'antenne comme cela a été mentionné précédemment.
Une description du fonctionnement du protocole TDMA reliant le noeud maître aux noeuds esclaves va maintenant être donnée.
Durant un cycle nominal du réseau TDMA, le noeud maître émet un mot de synchronisation temporelle et d'informations adressés aux noeuds esclaves, ainsi qu'un code cyclique de redondance également connu sous l'appellation de code CRC (CRC pour « Cyclic Redundancy Code »). Après quoi les noeuds esclaves transmettent, l'un après l'autre, leurs données au noeud maître ainsi qu'un code CRC pour détecter des erreurs de communication. Quand tous les noeuds esclaves ont transmis leurs données, ils peuvent entrer en léthargie jusqu'au prochain cycle afin d'augmenter leur autonomie. Durant cette période de temps, la gestion du réseau peut alors être assurée: détection de nouveau noeud esclave, gestion des canaux de communication, paramétrage des noeuds esclaves.
Du fait de l'isotropie de l'antenne qui les équipe, les capteurs de l'invention permettent avantageusement d'assurer un lien de communication radio fréquence robuste aux variations de positions. Moins d'erreurs sont détectées et l'utilisation de la procédure de reémission des informations s'avère beaucoup moins nécessaire, ce qui contribue à optimiser le débit en temps réel et à limiter la consommation des capteurs.
Différentes variantes d'antennes peuvent être réalisées dans le cadre de l'invention, à savoir, par exemple, des antennes reconfigurables, des antennes à diversité ou encore des antennes à limitation de couverture à des demi-espaces.
Les antennes reconfigurables comprennent des moyens qui permettent de commuter les états de phase. Un premier état de phase peut alors correspondre à une progression de phase 0° → 90° → 180° → 270° entre les différentes antennes élémentaires, alors qu'un deuxième état de phase correspond à une progression de phase 0° → -90° → -180° → -270° entre ces mêmes antennes élémentaires. La commutation de phase permet avantageusement de passer d'ondes en polarisation circulaire droite à des ondes en polarisation circulaire gauche et réciproquement.
Dans le cadre de l'invention, les antennes à diversité sont réalisées, lorsque le niveau de couplage entre antennes IFA élémentaires le permet, en alimentant celles-ci par deux voies ou par quatre voies indépendantes.

Claims

Antenne destinée à des applications de faible portée, et apte à guider une longueur d'onde λ, qui comprend quatre antennes IFA élémentaires, chaque antenne IFA élémentaire comprenant un plan de masse (1), un toit (2) définissant un motif, un court-circuit (3) entre le plan de masse et le toit et un moyen d'excitation (4), les quatre antennes IFA élémentaires étant réparties autour d'un axe de référence (z) en un premier ensemble de deux antennes IFA ayant des rayonnements élémentaires en champ lointain sensiblement équivalents et un deuxième ensemble de deux antennes IFA ayant des rayonnements élémentaires en champ lointain sensiblement équivalents, les deux moyens d'excitation des deux antennes IFA du premier ensemble définissant un premier axe d'alignement perpendiculaire audit axe de référence, les deux moyens d'excitation des deux antennes IFA du second ensemble définissant un second axe d'alignement, perpendiculaire audit axe de référence, le premier axe d'alignement et le second axe d'alignement se coupant à angle droit en un point de l'axe de référence (z), les moyens d'excitation (4) des quatre antennes IFA élémentaires étant alimentés par des signaux radiofréquences de même amplitude dont les phases suivent une loi progressive sensiblement en quadrature par rotation autour de l'axe de référence (z) (0°, 90°, 180°, 270°)
l'antenne étant caractérisée en ce que le premier ensemble et le deuxième ensemble présentant chacun une longueur (L) des toits (2) inférieure à λ/4 de sorte que les antennes IFA du premier ensemble soient couplées entre elles, et les antennes IFA du second ensemble soient également couplées entre elles.
Antenne selon la revendication 1, dans laquelle les toits des quatre antennes IFA élémentaires sont répartis sur une surface plane sensiblement perpendiculaire à l'axe de référence.
Antenne selon la revendication 2, dans laquelle la forme des toits de deux antennes IFA élémentaires d'un même ensemble de deux antennes se déduit par symétrie par rapport au point d'intersection entre l'axe de référence et la surface plane.
Antenne selon l'une des revendications 2 ou 3, dans laquelle les toits des quatre antennes IFA élémentaires sont sensiblement inscrits dans un cercle.
Antenne selon la revendication 4, dans laquelle les toits des quatre antennes IFA élémentaires ont une forme identique.
Antenne selon l'une des revendications 2 ou 3, dans laquelle les toits des quatre antennes IFA élémentaires sont sensiblement inscrits dans une ellipse.
Antenne selon la revendication 1, dans laquelle les toits des quatre antennes IFA élémentaires sont répartis sur une surface fermée sensiblement conique.
Antenne selon la revendication 1, dans laquelle les toits des quatre antennes IFA élémentaires sont répartis sur une surface cylindrique dont la génératrice est parallèle à l'axe de référence (z).
Antenne selon la revendication 8, dans laquelle la surface cylindrique est une surface cylindrique dont la courbe directrice dessine un cercle, ou un carré, ou un rectangle.
Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les toits des quatre antennes IFA élémentaires sont formés par des métallisations réalisées sur un même substrat (S).
Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les plans de masse des quatre antennes IFA élémentaires sont formés par une même couche conductrice.
Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes qui comprend des moyens pour commuter la loi progressive en quadrature entre un premier sens de rotation autour de l'axe et un deuxième sens de rotation autour de l'axe, opposé au premier sens.
Capteur de mesure de grandeur physique comprenant des moyens de mesure de la grandeur physique et un émetteur muni d'une antenne apte à émettre la mesure de la grandeur physique sous la forme d'une modulation d'une onde électromagnétique émise par l'émetteur, caractérisée en ce que l'antenne est une antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.