EP2095465A1 - Antenne mono ou multi-frequences - Google Patents

Antenne mono ou multi-frequences

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Publication number
EP2095465A1
EP2095465A1 EP07821909A EP07821909A EP2095465A1 EP 2095465 A1 EP2095465 A1 EP 2095465A1 EP 07821909 A EP07821909 A EP 07821909A EP 07821909 A EP07821909 A EP 07821909A EP 2095465 A1 EP2095465 A1 EP 2095465A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
antenna
metal
inductive
frequency
antenna according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07821909A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Philippe Coupez
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Groupe des Ecoles de Telecommunications (ENST Bretagne)
Original Assignee
Groupe des Ecoles de Telecommunications (ENST Bretagne)
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Filing date
Publication date
Application filed by Groupe des Ecoles de Telecommunications (ENST Bretagne) filed Critical Groupe des Ecoles de Telecommunications (ENST Bretagne)
Publication of EP2095465A1 publication Critical patent/EP2095465A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
    • H01Q9/42—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole with folded element, the folded parts being spaced apart a small fraction of the operating wavelength
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/30—Combinations of separate antenna units operating in different wavebands and connected to a common feeder system
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/30—Arrangements for providing operation on different wavebands
    • H01Q5/307—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way
    • H01Q5/342—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way for different propagation modes
    • H01Q5/357—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way for different propagation modes using a single feed point
    • H01Q5/364—Creating multiple current paths
    • H01Q5/371—Branching current paths
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0442—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular tuning means
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49016—Antenna or wave energy "plumbing" making

Definitions

  • the present invention relates to single or multi-frequency antennas and more particularly to those that can be embedded in portable telecommunications devices.
  • the antenna is an essential element of a portable telecommunication device.
  • the metallic patterns in these structures typically have fractional dimensions of the operating wavelength (eg, half-wave structure, quarter-wave structure, etc.) so that they still remain clutter-free. particularly important.
  • the present invention provides an antenna solution that can have a multi-frequency architecture, miniature and can be realized in a simple and low cost. It proposes a transmitting / receiving antenna at one or more given operating frequencies comprising at least one metal element arranged or intended to be arranged opposite a ground plane, to ensure a capacitive function, an inductive element, characterized in the metal element and the inductive element are of general dimensions less than ⁇ / 10 where ⁇ is an operating wavelength, the metal element and the inductive element defining together a resonator circuit at the frequency corresponding to this operating wavelength, the metal element having discontinuities which, in operation, are the seat of radiation losses.
  • the present invention also relates to telecommunication devices comprising at least one such transmitting / receiving antenna. It also proposes a method of manufacturing a transmitting / receiving antenna comprising at least one metal element, arranged or intended to be arranged facing a ground plane to provide a capacitive function, an inductive element, characterized in that the at least one metallic element and the inductive element are of general dimensions less than ⁇ / 10 where ⁇ is an operating wavelength and in that the at least one metal element and the inductive element are cut in the same metal foil.
  • FIG. 1 illustrates a circuit diagram of an antenna with three resonant circuits
  • FIG. 2 illustrates the adaptation response of a three-frequency antenna with transparent excitation probe
  • FIG. 3 illustrates the response in adaptation of a three-frequency antenna with excitation probe having an electrical effect
  • FIG. 4 illustrates a single-frequency antenna according to the invention
  • FIG. 5 illustrates some examples of a single frequency antenna solution
  • FIG. 6 illustrates an example of a three-resonator / three-frequency antenna
  • FIG. 7 illustrates an electrical diagram of a three-frequency antenna exhibiting a frequency agility
  • FIG. 8 illustrates the response in adaptation of a single frequency antenna with frequency agility for a first set of parameters
  • FIG. 9 illustrates the response in adaptation of a single frequency antenna with frequency agility for a second set of parameters
  • FIG. 10 illustrates a single-frequency antenna exhibiting a frequency agility
  • FIG. 11 illustrates a three-frequency antenna according to the first embodiment
  • FIG. 12 illustrates a three-frequency antenna according to the second embodiment
  • FIG. 13 illustrates the adaptation and transmission responses at 2.36 GHz of a three-frequency antenna according to the invention
  • FIG. 14 illustrates the responses in adaptation and transmission at 5.04 GHz of a three-frequency antenna according to the invention
  • FIG. 15 illustrates the 8.31 GHz adaptation and transmission responses of a three-frequency antenna according to the invention.
  • Figure 1 shows the wiring diagram of a possible antenna solution.
  • the ground plane is the reference armature of the capacitive element.
  • This localized metal element has the particularity of not being radiating on the surface, but of having discontinuities (at the edges for example) which are the seat of radiation losses.
  • each resonator also comprises one or more localized elements defining the inductive function.
  • the different resonators comprise a common inductive portion (inductive function L), the latter being in series with different inductive portions specific to each resonator. (inductive functions L 1 -L where L 1 corresponds to the inductance value of the resonator i).
  • the resonator or resonators are powered by an excitation probe.
  • connection point P is in particular chosen so that the antenna is adapted to an actual reference impedance value Z 0 , for all the operating frequencies of this antenna. Note that Z 0 is necessarily less than the value Min ⁇ R, ⁇ .
  • the excitation probe may introduce an additional inductive effect, in this case modeled in Figure 1 by an inductive element L value of its de- When the antenna 1 is adapted, the three circuits R 1 L 1 C 1
  • the three resonant circuits are not totally decoupled, so their operating frequency is not exactly the resonance frequency specific to each resonator.
  • FIG. 2 illustrates the response in adaptation of the antenna according to FIG. 1 operating at the frequencies 2.45 GHz (ml), 5.15 GHz (m2) and 8.00 GHz (m3).
  • the reference impedance Z 0 is set at 50 ⁇ .
  • the excitation probe can introduce a non-zero inductive effect.
  • FIG. 3 gives the response in adaptation of a three-frequency antenna when the excitation probe introduces a non-zero inductive effect (here
  • L probe 1.00 nH).
  • the capacitive function C 1 is obtained by the arrangement of two metal armatures facing each other, separated by a dielectric medium (air or any other dielectric material).
  • One of these armatures constitutes the metallic element having discontinuities (in this case edges) which are source of radiation loss.
  • the phenomenon of radiation is caused by the discontinuities, in this case localized around the perimeter of the capacitive element, this source being modeled by the resistance R 1 seen in parallel with the capacitance C 1 .
  • the sizing parameters of the capacitive function are the form factors of the reinforcements (2D surfaces, 3D shapes), their dimensions, their spacing as well as the characteristics of the dielectric medium contained between them (air or other dielectric material, homogeneous medium or not) .
  • this capacitance and in particular of the armature 2, are chosen so that they remain very small in front of the wavelength ⁇ corresponding to the resonance frequency of the resonator (typically of dimension less than ⁇ / 10), which induces a semi-localized or even localized character for this element.
  • the size of the frame 2 determines the size of the antenna.
  • the localized or even semi-localized character of this element advantageously leads to a small antenna.
  • the inductive element is formed by a conductive element 5 having dimensional characteristics such that the inductive nature of this element is preferred. It may be for example a conductive ribbon formed in a conducting structure of very small width, the physical length of which also remains very small in front of ⁇ , which allows this element, just like the capacitive element, to have a characteristic semi-localized, even localized. Generally, the dimensioning parameters of this element are its form factor and its dimensions (surfaces of two dimensions or even of three dimensions).
  • This conductive element 5 having an inductive character is connected at its ends at two points respectively positioned on each of the two armatures of the capacitive element formed by the radiating element 2 and the ground plane 3. This leads to an electrical diagram for a resonator of the type R 1 L 1 C 1 parallel.
  • an excitation circuit 1 is connected at a point marked P of the inductive element 5 so as to share this element in two sections, so that the size of the two sections leads to inductive elements of values respectively L Henry and L 1 -L Henry. It then appears clearly as previously introduced that it is geometry that initiates the inductive effect.
  • the position of the point P is chosen so that the impedance seen at the input of the resonator is equal to Z 0 .
  • the antenna is then adapted, and the element radiates at the target frequency (from the electrical point of view the resonator circuit is in resonance).
  • the excitation circuit 1 may, for example, be a coaxial probe, whose central core 6 is connected (welded) at P to the inductive element 5 and the external cylindrical conductor 1 is connected (welded) to the plane of mass 3.
  • FIG. 5 are given by way of illustration but without limitation a few examples of single-frequency antenna solutions with a single resonator according to several geometries of the armature 2.
  • the resonator can in fact take several forms, which advantageously makes it possible to to increase the possibilities of integration of the antenna according to the invention.
  • Case of a multi-frequency antenna Telecommunications systems can operate, for example, according to the standards: WiMAX, WIFI, GSM, UMTS, etc., each of these standards being capable of operating at several frequencies (multi-band systems).
  • a multi-frequency antenna is obtained by combining in parallel several resonators such as those described above, each of them corresponding to a given operating frequency.
  • Figure 6 is an example of an antenna with three resonators (corresponding to three different frequency bands). This antenna has a ground plane 3 common to all the resonant elements.
  • the armatures 2 with radiating edges are facing the ground plane 3, thus forming the capacitive elements Ci, C2 and C3.
  • Each armature 2 is connected to the excitation circuit via the inductive element 5.
  • the different portions of the element 5 between the point P and the armatures 2 form inductive elements of values LrL, L 2 -L and L 3 -L respectively.
  • the inductive portion L of the element 5 common to the three resonators is connected to the ground plane 3.
  • the plates 2 and the inductive element 5 are formed in a single structure, which makes it possible to simplify the production of such antennas.
  • the resonators are not completely decoupled since they share the same inductive portion L.
  • the operating frequencies of the antenna do not correspond exactly to the natural resonance frequencies of the different resonators.
  • the common point P to all the inductors is then chosen so as to have an adaptation of the antenna on Z 0 that for all operating frequencies.
  • the position of the point P also makes it possible to define the sizes of the portions of the element 5 dedicated to the inductive elements associated with each resonator.
  • the frequency agility of an antenna makes it possible to adjust the operating frequency (or frequencies) of the antenna according to several values, which makes it possible to increase the possibilities of use of the systems integrating such antennas.
  • the frequency agility is obtained by "playing" on one of the reactive components of the resonator L 1 or C 1 .
  • These variable capacities make it possible, for example, to adjust a capacitance value in the range [0.00 pF; 0.50 pF].
  • the variability of the capacitive element of each circuit R 1 L 1 C 1 allows for each circuit to have a variable resonant frequency that without degrading the adaptation of the antenna (that is, without modifying the input impedance).
  • the components are chosen beforehand in an ad hoc manner.
  • FIG. 8 is represented the response in adaptation of an antenna
  • Ci 0.50 pF
  • I_i-L 4.85 nH
  • L 1, 95 nH
  • Ri 750 ⁇ .
  • the operating frequency is then 2.84 GHz.
  • the frequency agility can be obtained by playing on parameters other than the capacitance (variable inductance, etc.).
  • an electronic component which, under the effect of a variable supply voltage, will have a capacitive effect of its own and which is also variable, thus making it possible to reach the capacitive element. desired effect.
  • Many electronic components have such characteristics, for example varactor diodes or Schottky diodes.
  • FIG. 10 shows an example of implementation of a single frequency antenna having such a frequency agility.
  • the capacitive effect diode 10 is connected in parallel with the capacitive element formed by the metal element 2 and the plane. mass 3.
  • a simple and economical technological solution consists of using a metallic foil pre-cut according to the geometry of the antenna and more particularly that of the resonators.
  • metallic foil a thin metal sheet (a few tenths of a millimeter).
  • the metal foil is first cut according to the geometry of the reinforcements 2 and of the inductive element 5. The foil is then folded and welded on the ground plane 3 at the lower end of the inductive portion L of the element 5. According to this first mode, the ground plane 3 is decorrelated from all the other elements constituting the antenna.
  • the resulting antenna is in this example a three-frequency antenna.
  • the ground plane In this first embodiment it is understood that the ground plane
  • the structure formed by the radiating elements 2 and the inductive element 5 is, after its cutting in the foil 70, for example folded according to the dotted line 71 in order to facilitate its connection, via a welding point, to its support the ground plane schematized in Figure 7 by the numbered element 72.
  • the excitation probe will be connected at the point P.
  • the ground plane is then in a material of the same nature as that of the other elements of the antenna.
  • the metal foil 70 in thick lines in which the elements 2 and 5 are cut.
  • the hatched part is the part of the foil that will serve as the ground plane.
  • the structure obtained will be folded according to the dotted lines 71 and 73 so that on the one hand the ground plane comes opposite the radiating elements 2 and on the other hand to "adjust" the distance between the radiating elements 2 and the ground plane .
  • An opening 74 is pierced in the part of the foil forming the ground plane in order to be able to pass the central core of the excitation probe whose end will be connected to the point P and the outer cylindrical conductor on the ground plane 3 .
  • FIGS. 13, 14 and 15 are illustrated the adaptation and transmission responses of a prototype antenna with three frequencies. This works at
  • the antenna was also tested in transmission, that is to say by restoring a radio link between said antenna and optimized wired dipoles on each of the frequencies.
  • the antenna has been tested in transmission by establishing a radio link between the antenna and a dipole at each frequency of operation of the antenna that at a distance of 20 cm.
  • the point m2 of the transmission response S21 clearly indicates that the antenna radiates at its operating frequencies.
  • the antenna according to the present invention can advantageously be integrated into all multi-band radio frequency systems for which the size and cost criteria are essential.
  • the antenna according to the invention is particularly suitable for embedded systems such as mobile terminals or wireless telecommunications systems.
  • the size of the antenna because of the size of the antenna, it can perfectly be used in the case of multi-antenna systems where the networking of multiple antennas is necessary (MIMO systems (English, “Multiple Input Multiple Output”). ), Smart Antenna systems, etc.).
  • MIMO systems English, “Multiple Input Multiple Output”
  • Smart Antenna systems etc.

Landscapes

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

Abstract

L'invention propose une antenne d'émission/réception à une ou plusieurs fréquences de fonctionnement données comportant : - au moins un élément métallique (2) disposé ou destiné à être disposé en regard d'un plan de masse (3) pour assurer une fonction capacitive, - un élément inductif (5), caractérisée en ce que l'élément métallique (2) et l'élément inductif (5) sont de dimensions générales inférieures à λ/10 où λ est une longueur d'onde de fonctionnement, l'élément métallique (2) et l'élément inductif (5) définissant ensemble un circuit résonateur à la fréquence correspondant à cette longueur d'onde de fonctionnement, l'élément métallique (2) présentant des discontinuités qui, en fonctionnement, sont le siège de pertes par rayonnement.

Description

ANTENNE MONO OU MULTI-FREQUENCES
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention est relative aux antennes mono ou multi-fréquences et plus particulièrement à celles pouvant être embarquées dans des dispositifs de télécommunication portable.
ETAT DE LA TECHNIQUE
L'antenne est un élément incontournable d'un dispositif de télécommunication portable.
Le développement des applications radio mobiles ainsi que le développement de nouvelles normes de télécommunications impliquent de disposer d'antennes susceptibles d'être embarquées sur différents types de matériels.
On cherche donc des solutions d'antennes particulièrement performantes en taille, volume et poids.
La miniaturisation des antennes a, ces dernières années, suscité un vif engouement de la part de la communauté scientifique et industrielle.
On connaît classiquement des solutions d'antennes dites antennes « patch », à structures rayonnantes métalliques planes. On connaît notamment des antennes « patch » repliées ou encore des antennes « patch » à fentes.
Toutefois, les motifs métalliques dans ces structures ont typiquement des dimensions fractions de la longueur d'onde de fonctionnement (par exemple, structure demi-onde, structure quart d'onde, etc.) de sorte qu'elles restent encore d'un encombrement particulièrement important.
PRESENTATION DE L'INVENTION
La présente invention propose une solution d'antenne pouvant avoir une architecture multi-fréquences, miniature et pouvant se réaliser de manière simple et à faible coût. Elle propose une antenne d'émission/réception à une ou plusieurs fréquences de fonctionnement données comportant au moins un élément métallique disposé ou destiné à être disposé en regard d'un plan de masse, pour assurer une fonction capacitive, un élément inductif, caractérisée en ce que l'élément métallique et l'élément inductif sont de dimensions générales inférieures à λ/10 où λ est une longueur d'onde de fonctionnement, l'élément métallique et l'élément inductif définissant ensemble un circuit résonateur à la fréquence correspondant à cette longueur d'onde de fonctionnement, l'élément métallique présentant des discontinuités qui, en fonctionnement, sont le siège de pertes par rayonnement.
La présente invention concerne également des dispositifs de télécommunication comportant au moins une telle antenne d'émission/réception. Elle propose en outre un procédé de fabrication d'une antenne d'émission/réception comportant au moins un élément métallique, disposé ou destiné à être disposé en regard d'un plan de masse pour assurer une fonction capacitive, un élément inductif, caractérisé en ce que le au moins un élément métallique et l'élément inductif sont de dimensions générales inférieures à λ/10 où λ est une longueur d'onde de fonctionnement et en ce que le au moins un élément métallique et l'élément inductif sont découpés dans un même clinquant métallique.
PRESENTATION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles :
• la figure 1 illustre un schéma électrique d'une antenne à trois circuits résonants,
• la figure 2 illustre la réponse en adaptation d'une antenne à trois fréquences avec sonde d'excitation transparente,
• la figure 3 illustre la réponse en adaptation d'une antenne à trois fréquences avec sonde d'excitation présentant un effet électrique,
• la figure 4 illustre une antenne mono-fréquence selon l'invention, • la figure 5 illustre quelques exemples de solution d'antenne mono- fréquence,
• la figure 6 illustre un exemple d'antenne à trois résonateurs/trois fréquences, - la figure 7 illustre un schéma électrique d'une antenne à trois fréquences présentant une agilité en fréquence,
• la figure 8 illustre la réponse en adaptation d'une antenne mono fréquence avec agilité en fréquence pour un premier jeu de paramètres,
• la figure 9 illustre la réponse en adaptation d'une antenne mono fréquence avec agilité en fréquence pour un second jeu de paramètres,
• la figure 10 illustre une antenne mono-fréquence présentant une agilité en fréquence,
• la figure 11 illustre une antenne à trois fréquences selon le premier mode de réalisation, - la figure 12 illustre une antenne à trois fréquences selon le second mode de réalisation,
• la figure 13 illustre les réponses en adaptation et en transmission à 2,36 GHz d'une antenne à trois fréquences selon l'invention,
• la figure 14 illustre les réponses en adaptation et en transmission à 5,04 GHz d'une antenne à trois fréquences selon l'invention,
• la figure 15 illustre les réponses en adaptation et en transmission à 8,31 GHz d'une antenne à trois fréquences selon l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Structure générale/modélisation
La figure 1 représente le schéma électrique d'une solution d'antenne possible.
Cette antenne comporte n résonateur(s) rayonnant(s) (avec n entier, supérieur ou égal à 1 ), chaque résonateur étant constitué par des éléments localisés définissant ensemble une structure qui peut se modéliser comme un résonateur RLC. Dans le cas où n est supérieur à 1 , ces résonateurs sont en parallèle. En l'occurrence, sur la figure 1 , il s'agit d'une antenne à trois fréquences, comportant en parallèle trois résonateurs R1L1C1 (i=1 ,2,3).
Plus précisément, chaque résonateur comprend un élément métallique localisé qui permet, avec un plan de masse, de constituer la fonction capacitive 0, (1=1 ,2,3).
Le plan de masse constitue l'armature de référence de l'élément capacitif.
Cet élément métallique localisé a la particularité de ne pas être rayonnant en surface, mais de présenter des discontinuités (aux bords par exemple) qui sont le siège de pertes par rayonnement.
Cette fonction de « pertes par rayonnement » au niveau des discontinuités que présentent cet élément métallique est modélisée sur la figure 1 par les résistances R, (i=1 ,2,3).
Par ailleurs, chaque résonateur comprend également un ou plusieurs éléments localisés définissant la fonction inductive.
Notamment, dans le cas d'une structure à plusieurs résonateurs comme celle qui est modélisée sur la figure 1 , les différents résonateurs comportent une portion inductive commune (fonction inductive L), celle-ci étant en série avec différentes portions inductives propres à chaque résonateur (fonctions inductives L1-L où L1 correspond à la valeur d'inductance du résonateur i).
Le ou les résonateurs sont alimentés par une sonde d'excitation.
Dans le cas de plusieurs résonateurs en parallèle, celle-ci est connectée aux portions inductives L1-L propres à chaque résonateur par la portion inductive commune L. Le point de raccordement P est en particulier choisi de manière à ce que l'antenne soit adaptée par rapport à une valeur d'impédance réelle Z0 de référence, et ce pour toutes les fréquences de fonctionnement de cette antenne. On notera que Z0 est de ce fait nécessairement inférieure à la valeur Min{R,}.
La sonde d'excitation peut introduire un effet inductif supplémentaire, en l'occurrence modélisé sur la figure 1 par un élément inductif de valeur Lsonde- Lorsque l'antenne de la figure 1 est adaptée, les trois circuits R1L1C1
(i=1 ,2,3) fonctionnent à des fréquences proches de leur fréquence de résonance.
Il est connu de l'homme du métier que la fréquence de résonance d'un circuit R1L1C1 parallèle est donnée par 1/(2π(L,C,)1/2) où L, et C, sont respectivement les valeurs de l'inductance exprimée en Henry (H) et de la capacité (condensateur) exprimée en Farad (F).
Ici, du fait de la portion inductive commune L, les trois circuits résonants ne sont pas totalement découplés, ainsi leur fréquence de fonctionnement n'est pas exactement la fréquence de résonance propre à chaque résonateur.
La figure 2 illustre la réponse en adaptation de l'antenne selon la figure 1 fonctionnant aux fréquences 2,45 GHz (ml ), 5,15 GHz (m2) et 8,00 GHz (m3). L'impédance de référence Z0 est fixée à 50 Ω. Les valeurs des condensateurs sont Ci=0,55 pF, C2=0,20 pF et C3=0,15 pF, les valeurs des éléments inductifs sont LrL=5,85 nH, L2-L=3,65 nH, L3-L=2,10 nH et L=1 ,95 nH, les valeurs des éléments résistifs sont Ri=750 Ω, R2=850 Ω et R3=950 Ω.
Sur cet exemple la sonde d'excitation a un effet électrique nul modélisé par Lsonde=0,00 nH elle est donc électriquement transparente et n'ajoute donc pas d'élément électrique en entrée de l'antenne. En pratique toutefois, la sonde d'excitation peut introduire un effet inductif non nul.
Sur la figure 3 est donnée la réponse en adaptation d'une antenne à trois fréquences lorsque la sonde d'excitation introduit un effet inductif non nul (ici
Lsonde=1 ,00 nH). Via un ajustement de la valeur des composants les fréquences de fonctionnement sont identiques à celle de la figure 2. Les composants de l'antenne donnant le résultat de la figure 3 ont pour valeur Ci=0,55 pF, C2=O, 22 pF, C3=0,28 pF, LrL=5,55 nH, L2-L=3,00 nH, L3-L=0,90 nH, L=2,25 nH, Ri=750 Ω R2=850 Ω et R3=800 Ω. II est à remarquer que l'adaptation n'est pas tout à fait la même que celle obtenue par l'antenne de la figure 2, les valeurs du paramètre Sn (module du coefficient de réflexion) étant légèrement différentes.
Cas d'une antenne mono-fréquence La figure 4 présente un exemple d'antenne mono-fréquence conforme aux principes exposés plus haut. Fonction capacitive et rayonnement
La fonction capacitive C1 est obtenue par la disposition de deux armatures métalliques en regard, séparées par un milieu diélectrique (air ou tout autre matériau diélectrique). L'une de ces armatures (plan 2) constitue l'élément métallique présentant des discontinuités (en l'occurrence des bords) qui sont source de perte par rayonnement.
Ainsi, le phénomène de rayonnement est provoqué par les discontinuités, en l'occurrence localisées sur le pourtour de l'élément capacitif, cette source étant modélisée par la résistance R1 vue en parallèle de la capacité C1.
Le rayonnement est associé à la présence de discontinuités sur une structure de propagation ouverte ; ces discontinuités seront alors le lieu de pertes sur cette structure, dues au champ électro magnétique couplé vers le milieu environnant (typiquement l'espace libre). L'autre de ces armatures (plan 3) constitue un plan de masse, considérée comme l'armature de référence de l'élément capacitif.
Les paramètres de dimensionnement de la fonction capacitive sont les facteurs de forme des armatures (surfaces 2D, formes 3D), leurs dimensions, leur espacement ainsi que les caractéristiques du milieu diélectrique contenu entre elles (air ou autre matériau diélectrique, milieu homogène ou non).
Les dimensions physiques de cette capacité, et en particulier de l'armature 2, sont choisies de manière à ce qu'elles demeurent très petites devant la longueur d'onde λ correspondant à la fréquence de résonance du résonateur (typiquement de dimension inférieure à λ/10), ce qui induit un caractère semi-localisé voire localisé, pour cet élément.
Classiquement c'est la taille de l'armature 2 qui conditionne la taille de l'antenne. Comme on l'aura compris, par conséquent le caractère localisé voire semi-localisé de cet élément conduit avantageusement à une antenne de petite taille. Elément inductif
L'élément inductif est réalisé par un élément conducteur 5 présentant des caractéristiques dimensionnelles telles que la nature inductive de cet élément soit privilégiée. II peut s'agir par exemple d'un ruban conducteur formé dans une structure conductrice de très faible largeur, dont la longueur physique reste également très petite devant λ ce qui permet à cet élément, tout comme l'élément capacitif, de présenter un caractère semi-localisé, voire localisé. Généralement, les paramètres de dimensionnement de cet élément sont son facteur de forme et ses dimensions (surfaces de deux dimensions voire de trois dimensions).
Cet élément conducteur 5 présentant un caractère inductif est connecté à ses extrémités en deux points positionnés respectivement sur chacune des deux armatures de l'élément capacitif formé par l'élément rayonnant 2 et le plan de masse 3. Ceci conduit à un schéma électrique pour un résonateur de type R1L1C1 parallèle.
Circuit d'excitation
Pour alimenter l'antenne, un circuit d'excitation 1 est connecté en un point noté P de l'élément inductif 5 de manière à partager cet élément en deux tronçons, de sorte que la taille des deux tronçons conduisent à des éléments inductifs de valeurs respectives L Henry et L1-L Henry. Il apparaît alors clairement comme introduit précédemment que c'est la géométrie qui initie l'effet inductif.
La position du point P est choisie afin que l'impédance vue en entrée du résonateur soit égale à Z0. L'antenne est alors adaptée, et l'élément rayonne à la fréquence visée (du point de vue électrique le circuit résonateur est en résonance).
Le circuit d'excitation 1 peut, par exemple, être une sonde coaxiale, dont l'âme centrale 6 est connectée (soudée) en P à l'élément inductif 5 et le conducteur cylindrique 1 externe est connecté (soudé) sur le plan de masse 3.
Il est à noter que plusieurs configurations de montage en parallèle entre l'élément capacitif et l'élément inductif sont possibles. Exemples de configuration possibles
A la figure 5 sont données à titre illustratif mais non limitatif quelques exemples de solutions d'antenne mono-fréquence à un seul résonateur selon plusieurs géométries de l'armature 2. Le résonateur peut en effet prendre plusieurs formes, ce qui permet avantageusement d'accroître les possibilités d'intégration de l'antenne selon l'invention.
Cas d'une antenne multi-fréαuences Les systèmes de télécommunications peuvent fonctionner, par exemple, selon les normes : WiMAX, WIFI, GSM, UMTS, etc., chacune de ces normes étant susceptible de fonctionner à plusieurs fréquences (systèmes multi bandes).
Structure Une antenne multi-fréquences est obtenue en combinant en parallèle plusieurs résonateurs tels que ceux décrits précédemment, chacun d'entre eux correspondant à une fréquence de fonctionnement donnée.
A la figure 6 est donné un exemple d'antenne à trois résonateurs (correspondant à trois bandes de fréquences différentes). Cette antenne comporte un plan de masse 3 commun à tous les éléments résonants.
Les armatures 2 à bords rayonnants sont en regard du plan de masse 3, formant ainsi les éléments capacitifs Ci, C2 et C3.
Chaque armature 2 est reliée au circuit d'excitation par l'intermédiaire de l'élément inductif 5.
Les différentes portions de l'élément 5 entre le point P et les armatures 2 forment des éléments inductifs de valeurs LrL, L2-L et L3-L respectivement. La portion inductive L de l'élément 5 commune aux trois résonateurs est reliée au plan de masse 3. De manière avantageuse les armatures 2 et l'élément inductif 5 sont formés dans une seule et unique structure, ce qui permet de simplifier la réalisation de telles antennes. Dans variante les armatures 2, l'élément inductif 5 composé de portions inductives L et L1-L (i=1 ,2,3) et le plan de masse 3 sont formés dans une seule et même structure.
Comme on l'aura compris, dans un tel montage, les résonateurs ne sont pas complètement découplés puisqu'ils partagent une même portion inductive L.
Il apparaît alors que les fréquences de fonctionnement de l'antenne ne correspondent pas exactement aux fréquences de résonance propres des différents résonateurs. Le point commun P à toutes les inductances est alors choisi de manière à avoir une adaptation de l'antenne sur Z0 cela pour toutes les fréquences de fonctionnement.
La position du point P permet aussi de définir les tailles des portions de l'élément 5 dédiées aux éléments inductifs associés à chaque résonateur.
Agilité en fréquence Les solutions d'antennes qui viennent d'être décrites peuvent présenter une agilité en fréquence qui peut être simplement mise en œuvre.
L'agilité en fréquence d'une antenne permet de pouvoir régler la (ou les) fréquences de fonctionnement de l'antenne selon plusieurs valeurs, ce qui permet d'accroître les possibilités d'utilisation des systèmes intégrant de telles antennes.
L'agilité en fréquence est obtenue en « jouant » sur un des composants réactifs du résonateur L1 ou C1.
Par exemple à la figure 7 est illustré le schéma de principe de l'antenne avec agilité en fréquence présentant trois capacités variables Cvar, (i=1 ,2,3) montées respectivement en parallèle de chaque capacité C1 (i=1 ,2,3). Ces capacités variables permettent, par exemple, d'ajuster une valeur de capacité dans la plage [0,00 pF ; 0,50 pF]. Ainsi la variabilité de l'élément capacitif de chaque circuit R1L1C1 permet pour chaque circuit d'avoir une fréquence de résonance variable cela sans dégrader l'adaptation de l'antenne (c.-à-d. sans modifier l'impédance d'entrée). Les composants étant choisis au préalable de manière ad hoc.
Le même principe s'applique bien entendu au cas d'une antenne « monorésonateur ». A la figure 8 est représentée la réponse en adaptation d'une antenne
« mono résonateur » à fréquence variable telle que présentée ci-dessus. La fréquence de fonctionnement est de 1 ,97 GHz la capacité variable est réglée à
Cvari=0,50 pF les autres composants ont pour valeurs Ci=0,50 pF, I_i-L=4,85 nH, L=1 ,95 nH et Ri=750 Ω.
A la figure 9 est représentée la réponse en adaptation de la même antenne que celle de la figure 8 avec Cvari=0,00 pF. La fréquence de fonctionnement est alors de 2,84 GHz.
Bien entendu, l'agilité en fréquence peut être obtenue en jouant sur d'autres paramètres que la capacité (inductance variable ; etc.).
De manière préférée on ajoutera en parallèle de l'élément capacitif un composant électronique qui sous l'effet d'une tension d'alimentation variable présentera un effet capacitif qui lui est propre et qui lui aussi est variable, permettant ainsi d'atteindre l'effet désiré. De nombreux composants électroniques présentent de telles caractéristiques, par exemple les diodes varactor ou diodes Schottky.
A la figure 10 est représenté un exemple de mise en œuvre d'une antenne mono-fréquence présentant une telle agilité en fréquence La diode à effet capacitif 10 est connectée en parallèle de l'élément capacitif formé par l'élément métallique 2 et le plan de masse 3.
Procédés de réalisation
Plusieurs procédés de fabrication peuvent être envisagés.
Ces procédés se doivent d'être simples pour contribuer à la réduction des coûts de l'antenne.
Une solution technologique simple et économique consiste à utiliser un clinquant métallique, pré-découpé suivant la géométrie de l'antenne et plus particulièrement celle des résonateurs.
Il est entendu par clinquant métallique une feuille métallique de faible épaisseur (quelques dixièmes de millimètre).
Selon un premier mode de réalisation le clinquant métallique est d'abord découpé suivant la géométrie des armatures 2 et de l'élément inductif 5. Le clinquant est alors plié et soudé sur le plan de masse 3 à l'extrémité inférieure de la portion inductive L de l'élément 5. Selon ce premier mode le plan de masse 3 est décorrélé de tous les autres éléments constituant l'antenne.
A la figure 11 est représenté un exemple de structure telle qu'elle serait découpée dans le clinquant métallique 70, délimité par le contour en trait épais dans lequel les éléments rayonnants 2 et l'élément inductif 5 composé des portions inductives de valeurs respectives L1-L (i=1 ,2,3) associées à chaque résonateur et L sont découpés dans une seule et même structure.
L'antenne résultante est dans cet exemple une antenne à trois fréquences. Dans ce premier mode de réalisation il est entendu que le plan de masse
(constituant l'armature de référence de l'élément capacitif) est réalisé séparément ; il s'agit par exemple du boîtier d'un dispositif portable, relié à la masse du dispositif.
La structure formée par les éléments rayonnants 2 et l'élément inductif 5 est, après sa découpe dans le clinquant 70, par exemple pliée selon le trait pointillé 71 afin de faciliter sa connexion, par l'intermédiaire d'un point de soudure, à son support le plan de masse schématisé sur la figure 7 par l'élément numéroté 72. La sonde d'excitation sera connectée au niveau du point P.
Selon un second mode de réalisation l'armature de référence formant plan de masse 3 ainsi que les armatures 2 et l'élément inductif 5 composé des portions inductives de valeurs respectives L1-L (i=1 ,2,3) associées à chaque résonateur et L, sont formés dans un même clinquant métallique. Le plan de masse est alors dans un matériau de même nature que celui des autres éléments de l'antenne. A la figure 12 est représenté le clinquant métallique 70 en trait épais dans lequel les éléments 2 et 5 sont découpés. La partie hachurée est la partie du clinquant qui servira de plan de masse. La structure obtenue sera pliée selon les traits pointillés 71 et 73 afin que d'une part le plan de masse vienne en regard des éléments rayonnants 2 et d'autre part pour « régler » la distance entre les éléments rayonnants 2 et le plan de masse. Une ouverture 74 est percée dans la partie du clinquant formant le plan de masse afin de pouvoir laisser passer l'âme centrale de la sonde d'excitation dont l'extrémité sera connectée au point P et le conducteur cylindrique externe sur le plan de masse 3. Prototypes
Afin de valider le principe des antennes qui viennent d'être décrites, des prototypes ont été réalisés et testés en adaptation et en transmission.
Aux figures 13, 14 et 15 sont illustrées les réponses en adaptation et en transmission d'un prototype d'antenne à trois fréquences. Celle-ci fonctionne à
2,36 GHz, 5,04 GHz et 8,31 GHz avec une très bonne adaptation (module du coefficient de réflexion Sn de l'ordre de -20 dB, voire moins) pour ces trois fréquences. L'antenne a également était testée en transmission, c'est-à-dire via rétablissement d'une liaison radio entre ladite antenne et des dipôles filaires optimisés sur chacune des fréquences.
L'antenne a été testée en transmission par l'établissement d'une liaison radio entre l'antenne et un dipôle à chacune des fréquences de fonctionnement de l'antenne cela à une distance de 20 cm.
Sur les figures 13, 14 et 15 le point m2 de la réponse en transmission S21 indique bien que l'antenne rayonne à ses fréquences de fonctionnement.
L'antenne selon la présente invention peut avantageusement s'intégrer dans tous systèmes radio fréquence multi bandes pour lesquels les critères de dimension et de coût s'avèrent primordiaux.
En particulier l'antenne selon l'invention est particulièrement adaptée aux systèmes embarqués tels que les terminaux mobiles ou encore les systèmes de télécommunications sans fil.
Par ailleurs du fait de la taille de l'antenne, celle-ci peut parfaitement être utilisée dans le cas de systèmes multi-antennes où la mise en réseau de plusieurs antennes est nécessaire (systèmes MIMO (en anglais, « Multiple Input Multiple Output »), systèmes « Smart Antennas », etc.).

Claims

REVENDICATIONS
1. Antenne d'émission/réception à une ou plusieurs fréquences de fonctionnement données comportant : - au moins un élément métallique (2) disposé ou destiné à être disposé en regard d'un plan de masse (3) pour assurer une fonction capacitive,
• un élément inductif (5), caractérisée en ce que l'élément métallique (2) et l'élément inductif (5) sont de dimensions générales inférieures à λ/10 où λ est une longueur d'onde de fonctionnement, l'élément métallique (2) et l'élément inductif (5) définissant ensemble un circuit résonateur à la fréquence correspondant à cette longueur d'onde de fonctionnement, l'élément métallique (2) présentant des discontinuités qui, en fonctionnement, sont le siège de pertes par rayonnement.
2. Antenne selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'au moins une portion (L1-L) de l'élément inductif (5) se présente sous la forme d'une bande métallique qui est d'une pièce avec l'élément métallique (2) et prolonge celui-ci.
3. Antenne selon l'une des quelconques revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle est mono-fréquence et comprend un seul circuit résonateur.
4. Antenne selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle est multi-fréquences et comprend plusieurs circuits résonateurs montés en parallèle.
5. Antenne selon les revendications 2 et 4 prises en combinaison, caractérisée en ce que les différents éléments métalliques (2) et les bandes métalliques qui les prolongent sont d'une pièce avec une bande métallique qui constitue une portion inductive (L) commune à l'ensemble des résonateurs.
6. Antenne selon l'une des quelconques revendications précédentes caractérisée en ce que le au moins un élément métallique (2), les bandes métalliques qui les prolongent et le plan de masse (3) sont formés d'une pièce.
7. Antenne selon l'une des quelconques revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens aptes à commander une agilité en fréquence d'au moins un résonateur.
8. Antenne selon la revendication 7 caractérisé en ce que les moyens aptes à commander l'agilité en fréquence sont disposés en parallèle de l'élément capacitif d'au moins un résonateur.
9. Antenne selon les revendications 7 et 8 caractérisé en ce que les moyens aptes à commander l'agilité en fréquence comportent au moins un composant électronique de sorte que sous l'effet d'une alimentation variable ledit composant électronique présente un effet capacitif variable.
10. Antenne selon l'une des revendications 7 à 9 caractérisée en ce que les moyens aptes à commander l'agilité en fréquence sont du type diode varactor ou diode schottky.
11. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la dite antenne est alimentée au moyen d'une sonde d'excitation connectée en un point commun (P) à tous les résonateurs.
12. Dispositif de télécommunication, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une antenne d'émission/réception telle que définie par l'une des quelconques revendications précédentes.
13. Procédé de fabrication d'une antenne d'émission/réception comportant :
• au moins un élément métallique (2), disposé ou destiné à être disposé en regard d'un plan de masse (3) pour assurer une fonction capacitive, - un élément inductif (5), caractérisé en ce que, l'élément métallique (2) et l'élément inductif (5) étant de dimensions générales inférieures à λ/10 où λ est une longueur d'onde de fonctionnement, ledit élément métallique (2) et l'élément inductif (5) sont découpés d'une pièce dans un même clinquant métallique.
14. Procédé selon la revendication 13 caractérisé en ce que le plan de masse (3) est également découpé dans le même clinquant métallique, la structure ainsi formée étant pliée de sorte que le plan de masse (3) soit en regard des éléments métalliques (2).
15. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le plan de masse est réalisé de façon indépendante de l'élément métallique et de l'élément inductif.
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