EP2526589A1 - Antenne imprimee optiquement transparente a plan de masse maille - Google Patents

Antenne imprimee optiquement transparente a plan de masse maille

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EP2526589A1
EP2526589A1 EP11700458A EP11700458A EP2526589A1 EP 2526589 A1 EP2526589 A1 EP 2526589A1 EP 11700458 A EP11700458 A EP 11700458A EP 11700458 A EP11700458 A EP 11700458A EP 2526589 A1 EP2526589 A1 EP 2526589A1
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EP
European Patent Office
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mesh
ground plane
region
antenna
line
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EP11700458A
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German (de)
English (en)
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EP2526589B1 (fr
Inventor
Eduardo Motta Cruz
Julien Hautcoeur
Mohamed Himdi
Franck Colombel
Xavier Castel
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Bouygues Telecom SA
Original Assignee
Bouygues Telecom SA
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Publication date
Application filed by Bouygues Telecom SA filed Critical Bouygues Telecom SA
Publication of EP2526589A1 publication Critical patent/EP2526589A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP2526589B1 publication Critical patent/EP2526589B1/fr
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Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/1271—Supports; Mounting means for mounting on windscreens
    • H01Q1/1278—Supports; Mounting means for mounting on windscreens in association with heating wires or layers
    • 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

Definitions

  • the field of the invention is that of telecommunication antennas, and more particularly that of antennas printed for mobile cellular networks and for radio-relay systems.
  • the invention more specifically relates to an optically transparent printed antenna whose ground plane is constituted by a metal grid, typically grid-shaped.
  • a printed antenna comprises conventionally known per se a ground plane, a radiation plane in the form of one or more radiating elements, and a dielectric substrate interposed between the ground plane and the radiation plane.
  • the radiating elements are typically made of a conductive square surface fed by a microstrip line ("microstrip” according to the English terminology) printed on the same substrate or on another layer, often taking the form of a triplate line.
  • a first technique consists in using a transparent dielectric substrate of the glass or plexiglass type, and in forming the ground plane and the radiating element (s) of the radiation plane by deposition of an optically transparent conductive material (for example tin-doped indium ITO or silver-doped tin oxide AgHT) on a plastic film, for example on a polyester film.
  • an optically transparent conductive material for example tin-doped indium ITO or silver-doped tin oxide AgHT
  • a second technique consists in using a transparent dielectric substrate of the glass or plexiglass type and in producing one and / or the other of the ground plane and the radiation plane in the form of a mesh of metal (for example silver or copper), typically grid-shaped.
  • the level of transparency is then defined by the dimensions of the openings of the mesh vis-à-vis the width of the son of the mesh.
  • the primary objective of the invention is to achieve the best possible compromise by providing a printed antenna with a mesh ground plane having an optimized level of optical transparency without compromising the electromagnetic performance thereof.
  • Another object of the invention is to provide an optically transparent printed antenna having a micro-ribbon supply line of several radiating elements is designed to allow a weighting of the supply of the various radiating elements without generating radiation parasites.
  • Yet another object of the invention is to reduce parasitic radiation on the rear face of a transparent antenna with a ground plane.
  • Yet another object of the invention is to optimize transparency in a multilayer system.
  • the invention proposes an optically transparent printed antenna comprising a ground plane constituted by a metal mesh whose dimensioning is not uniform, a radiation plane comprising one or more radiating elements, and an optically transparent dielectric substrate interposed. between the ground plane and the radiation plane, characterized in that the mesh of the ground plane has, at a first region of the ground plane towards a region of the radiation plane including one or a plurality of radiating elements generating a strong electromagnetic activity, a first constricted dimensioning of the mesh, the mesh progressively becoming brighter in the vicinity of said first region to gain transparency until reaching a second dimensioning of the mesh, wider than the first dimensioning, at the level of a second region of the ground plane facing a region of the plane of radiation generating low electromagnetic activity.
  • At least one intermediate region is interposed between the first and second regions of the ground plane, said intermediate region having a sizing of the intermediate mesh between the first and the second sizing of the mesh; the second dimensioning of the mesh ensures a level of transparency of at least 90%;
  • the first dimensioning of the mesh ensures a level of transparency of at most 70%
  • It further comprises a micro-ribbon supply line of a plurality of radiating elements, the feed line being constituted by a metal mesh of constant width;
  • the sizing of the metal mesh of the microstrip supply line is non-uniform along the line in order to modify the resistance and thus weight the supply of one or more radiating elements of said plurality of radiating elements ;
  • the dimensioning of the mesh of the supply line is identical between two consecutive radiating elements along the line, and is modified at least once along the line so that the line brings less power to the line; radiating element at the end of the line only to the radiating element at the beginning of the line;
  • the metallic mesh of the ground plane has discontinuities at the edge of the antenna, the discontinuities gradually increasing as one approaches the edges of the antenna;
  • the discontinuities are located along the edges interconnecting the nodes of the mesh or located at the nodes of the mesh;
  • the discontinuities are of such amplitude that they generate a gradual increase in the mesh size at the edge of the antenna
  • a supply line of one or more radiating elements and / or the zone of the ground plane close to said supply line consist of a very tight to opaque metal mesh in the areas of high heat dissipation;
  • the radiating elements and the metal mesh of the ground plane are produced on a flexible transparent substrate or on a rigid transparent substrate curved in order to fit a conformal surface.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a printed antenna
  • FIG. 2 is a diagram illustrating, on the one hand, the distribution of the electromagnetic activity at the level of the ground plane of a printed antenna of the type of that represented in FIG. 1, and, on the other hand, the variation of the sizing of the mesh. the ground plane according to the invention;
  • FIG. 3 represents the variation in the size of the mesh of the ground plane of a printed antenna according to the invention having an array of radiating elements
  • FIG. 4 represents a micro-ribbon feed line having discontinuities in width
  • FIGS. 5 and 6 show a micro-ribbon supply line consisting of a metal mesh of constant width in accordance with two possible embodiments of the invention
  • FIGS. 7 and 8 illustrate possible variations in the size of the mesh of a microstrip supply line of constant width
  • FIGS. 12a and 12b respectively represent an active face mesh of the antenna and a mesh of the ground plane of the antenna;
  • FIGS. 13a and 13b show imperfect alignments of the meshes of FIGS. 12a and 12b;
  • FIGS. 14a-14f represent different possible alignments of the meshes of the active face and the ground plane without altering the general optical transparency of the antenna;
  • FIGS. 15a-15d represent different possible forms of the mesh of the metal parts of the transparent antenna.
  • optically transparent material a material substantially transparent in at least a portion of the field of visible light, passing at least about 30% of this light, and preferably more than 60 % light.
  • FIG. 1 there is shown an optically transparent printed antenna according to a possible embodiment of the invention.
  • the antenna comprises a ground plane 1 constituted by a metal mesh, a radiation plane comprising one or more radiating elements 2, and a substrate optically transparent dielectric 3 interposed between the ground plane and the radiation plane.
  • the radiating element (s) 2 and the metal mesh of the ground plane 1 may in particular be made on a flexible transparent substrate or on a rigid transparent substrate already curved in order to fit a conformal surface.
  • a metal mesh is for example made of iron, nickel, chromium, titanium, tantalum, molybdenum, tin, indium, zinc, tungsten, platinum, manganese, magnesium, lead, preferably silver, copper, gold or aluminum or alloy of metals chosen according to the electrical conductivity. It typically takes the form of a grid whose ratio between the size of the openings of the grid and the width of the mesh of the mesh defines the level of optical transparency of the ground plane.
  • the invention is however not limited to the use of a grid-shaped mesh, other forms being of course conceivable as will be discussed in more detail later in connection with Figures 15a-15d.
  • the dimensioning of the mesh is characterized by its pitch (or periodicity) and by the width of the metal wires (or by the opening made in the pitch).
  • the metal mesh can be obtained by various means.
  • the metallic support material may thus consist of a metal foil (foil) or a thin metal layer deposited on an inorganic transparent substrate (glass) or organic (plexiglass, polymethylpentene, polycarbonate, BCB, ). It should be noted that the use of low loss flexible polymer substrates facilitates the transfer of the antenna to the appropriate supports (window, showcase, vehicle windshield, etc.).
  • the metal deposition can be carried out physically (PVD), for example by spraying, evaporation under vacuum, laser ablation, etc.
  • the metal deposition can also be achieved by other ways, for example chemical deposition (silver plating, copper plating, gilding, aluminide, tin plating, nickel plating, ...), by screen printing, by electrolytic deposition, by chemical vapor deposition (CVD , PECVD, OMCVD, etc.), etc.
  • the openings of the metal mesh in the sheet or metal film can be made by standard photolithography from a photomask or mask transferred by laser writing on a reserve and the associated chemical etching, or by tampongraphy followed by a chemical etching , or by ion etching through a mask.
  • the mesh can also be directly produced by screen printing through a screen ("screen printing" according to the English terminology), by jet printing of a conductive ink (and annealing associated), by electroforming, by direct writing via the laser beam decomposition of an organometallic, etc.
  • the optically transparent dielectric substrate 3 is for example glass or plexiglass.
  • FIG. 1 also shows a single radiating element 2 in the form of a square conductive plate, on the ⁇ / 2 side, where ⁇ represents the wavelength guided on the dielectric substrate and which corresponds to the frequency of main radiation of the antenna.
  • the invention is however not limited to a radiation plane consisting of a single square radiating element, but of course extends to other forms of radiating element as well as to radiation planes consisting of a plurality of radiating elements, and in particular to radiation planes having one or more arrays of radiating elements.
  • the radiating element or elements of the radiation plane are themselves optically transparent. They are then for example also constituted by a metal mesh.
  • the electromagnetic activity at the ground plane of the antenna is not homogeneous over its entire surface. Indeed, the areas remote from the radiating elements have a reduced activity. In these areas, the ground plane does not need electromagnetic shielding as important (high conductance that is to say a low resistance) that at the level of the radiating elements.
  • FIG. 2 shows a modeling of the electromagnetic activity of the fields at the level of the ground plane. It can be seen that this activity is effectively concentrated under and at the edge of the radiating patch 2.
  • the invention proposes to locate the areas where the electromagnetic activity is more or less important and to match the transparent mesh. the most appropriate for each of these areas.
  • the invention more specifically proposes that the dimensioning of the ground plane mesh is not uniform over the entire surface of the ground plane and that it presents at a first region of the ground plane opposite the ground plane. a region of the radiation plane generating a strong electromagnetic activity, a first constricted dimensioning of the mesh.
  • the mesh of the ground plane is further progressively aerate in the vicinity of said first region to gain transparency until reaching a second dimensioning of the mesh, wider than the first dimensioning of the mesh, at a second region of the plane of mass facing a region of the radiation plane generating low electromagnetic activity.
  • FIG. 2 shows an enlarged view of a portion 4 of the metal grid forming the ground plane facing a portion of the lower left corner of the square patch 2.
  • the metal grid of the ground plane has a first region 5 located under the patch and in the immediate vicinity thereof, where the current intensities are the most important.
  • the mesh is tightened (first dimensioning of the mesh) to ensure good conductance. Optical transparency is reduced.
  • the first dimensioning of the mesh ensures a level of transparency of at most 70% (without taking into account losses of Fresnel).
  • the mesh progressively clears to gain transparency until reaching a second dimensioning of the mesh, wider than the first dimensioning of the mesh, at a second region 7 of the mass plane. in relation to a region of the radiation plane generating low electromagnetic activity.
  • the second dimensioning of the mesh ensures a level of transparency of at least 90% (without taking into account Fresnel losses).
  • FIG. 2 thus shows an intermediate region 6 interposed between the first 5 and the second region 7 of the ground plane, said intermediate region having an intermediate mesh size between the first and the second dimensioning of the mesh.
  • the level of transparency provided by this intermediate region is for example of the order of 80% (without taking into account Fresnel losses).
  • the invention is however not limited to a single intermediate region, but also extends to the case where a plurality of intermediate regions is interposed between the first and the second region, the intermediate regions having greater transparency as the we move away from the first region.
  • the design technique described above for varying the dimensioning of the mesh mainly applies to the mesh ground plane since the radiating elements and the power supply network (microstrip lines or microstrip) necessarily require a significant level of conductance because it is on them that concentrates the strongest electromagnetic activity.
  • the progressive variation of the conductance and the transparency of the ground plane in accordance with the invention is not limited to the regions with respect to a radiating element but is also intended to apply in areas with high heat dissipation due to the presence of high power levels especially at the entrance of the antenna and in the first stage of tree power supply network. If necessary, some areas of the ground plane and / or sections of micro-ribbon lines may have a very tight metal mesh or even be devoid of metal mesh and therefore be 100% opaque.
  • the feed line may be a triplate line comprising a conductive line sandwiched between two plane planes triplate line.
  • Wave radiation slots may further be provided in one of the triplate line ground planes so as to be positioned below the radiating elements to provide electromagnetic coupling.
  • the first region extends under the patch and in the immediate border thereof.
  • the first region thus corresponds to a region wider than the patch, corresponding generally to the physical size of the patch and to a region of contour corresponding to a region of overflow of the fields (of the order of twice the thickness of the substrate, ie of the order of 4 mm in the field of application of the invention).
  • the variation in the size of the mesh of the ground plane is carried out in several regions of the ground plane, in order to make a region of high conductance correspond with respect to each radiating element.
  • the radiating elements are located close to each other, and are not separated by a distance greater than that, typically 4 mm, of the overflow of the fields.
  • a first region 8 of the high conductance ground plane is not localized with respect to a single radiating element, but extends in to a plurality of radiating elements which together define a region of high electromagnetic activity.
  • FIG. 3 also shows a region 9 inside the first region 8. This region 9 is sufficiently distant from the radiating elements to make it possible to carry out at the level of the ground plane a progressive decrease. level of conduct, and thereby increase the level of transparency.
  • the dimensioning of the mesh of the radiating elements corresponds to the first constricted dimensioning of the mesh of the first region of the ground plane and that the metal meshes the first region of the ground plane and the radiating element (s) are perfectly aligned. At the very least, it is intended to optimize the transparency according to the third embodiment of the invention set out below.
  • microstrip feed line microwavestrip meshed to weight a supply network. It will be understood that such a weighting can be implemented independently of the variation of the mesh size of the ground plane described previously.
  • the weighting is performed by modifying the impedance microstrip power lines so that the different elements radiating along the line do not receive the same level of power.
  • Transformers are more precisely provided with transformation ratios corresponding to the progressive attenuations that one wishes to obtain.
  • Transformers are typically quarter-wave or half-wave transformers; they may also be transformers with so-called progressive laws (eg exponential or logarithmic laws).
  • FIG. 4 shows a solid microstrip line 10 comprising two quarter-wave lines of different widths W1 and W2 corresponding to impedances Z1 and Z2, with W1> W2 and therefore Z1 ⁇ Z2. This modifies the microwave characteristics of the transmission line by introducing discontinuities 1 1 line width.
  • the transformers produce discontinuities 1 1 on the supply line which generate parasitic radiation 12 partly responsible for the significant levels of cross-component in the plane H of the printed antenna radiation pattern (at about -10 dB ).
  • the supply line 13 consists of a metal mesh having a constant width W1 and a transparency level T1 corresponding to losses a1.
  • FIG. 6 shows a feed line 14 constituted by a metal mesh having a constant width W2 and a level of transparency T2 corresponding to losses a2.
  • W1 W2
  • lines 13 and 14 have the same characteristic impedance, but different attenuation levels a1 and a2.
  • One or the other of these lines may be chosen according to the intended application.
  • the dimensioning of the mesh of the supply lines 15, 16 (constituted by a metal mesh of constant width) is not uniform on the along the line.
  • the width of the feed line 16 is maintained between two consecutive radiators 17-20 along the line, and the pitch and / or the opening of the mesh increases at least one along the line so that the line brings less power to the radiating element at the end of line 20 than the radiating element at the beginning of line 17.
  • the various radiating elements 17 -20 have a weighting of their feed level 1 respectively; 0.9; 0.7 and 0.5. It is of course possible to maintain the same mesh size at one or more radiating elements, so as not to cause differences in the weighting of the supply between two or more radiating elements.
  • this second embodiment can be implemented regardless of the variation of the sizing of the ground plane.
  • the directional role of the transparent printed antenna passes by the reduction of parasitic radiation, especially on the back plane. But the edges of the antenna are responsible for the radiation of the back face to the extent that they generate a diffractive radiation.
  • the discontinuities in the mesh at the edge of the antenna typically at ⁇ / 4 of the edges of the ground plane (where ⁇ represents the wavelength guided on the dielectric substrate and which corresponds to the frequency of main radiation of the antenna), the discontinuities gradually increasing (in number and dimension) as one approaches the edges of the antenna.
  • progressive discontinuities D generated in a grid of pitches 100 ⁇ and of type 90/10 (square opening of 90 ⁇ of side with a wire width of 10 ⁇ ) along respectively edges connecting the nodes of the mesh, in the X direction ( Figure 9a), the Y direction ( Figure 9b) or in the X and Y directions ( Figure 9c).
  • FIG. 10 shows progressive discontinuities D generated in a mesh of the 90/10 type at the nodes of the mesh.
  • FIG. 11 shows a limit case in which the discontinuities D are of an amplitude such that they generate a gradual increase in the mesh size (constant wire width) at the edge of the antenna.
  • the resistance per square increases and consequently the metal losses too.
  • the resistance per square is defined as the resistivity of the metal film related to its thickness.
  • the ground plane at the edge of the antenna can thus have a very high mesh pitch (for example 1600 ⁇ of 1590/10 type: the resistance per square will be multiplied by a factor of 16 compared to a traditional mesh of type 90 / 10 at constant metallization thickness).
  • the optical transparency of the ground plane will be improved on its edges. It is also possible to limit the rear radiation by combining the different examples of discontinuities D shown in Figures 9a-9c, 10 and 1 1.
  • OTC transparent and conductive oxide film
  • metal / ... multilayer full or mesh
  • this third embodiment can be implemented independently of the variation in the size of the mesh of the ground plane.
  • FIG. 12a shows a portion of the mesh of the active face of the 90/10 type: 100 ⁇ step with a line width of 10 ⁇ and an aperture 90 ⁇ .
  • the optical transparency T of the active face is equal to 75% taking into account Fresnel losses.
  • FIG. 12b shows a part of the mesh of the ground plane of the type
  • FIG. 13a shows a 45 ° alignment of the mesh of the active face with respect to that of the ground plane.
  • FIG. 13b shows an imperfect alignment, with a misalignment of 2 ° of the mesh of the active face relative to that of the ground plane. There is a slight reduction in the optical transparency of the antenna (T ⁇ 75%), but also the appearance of Moiré figures that will limit the visual discretion of the antennas.
  • FIG. 14a shows the ideal case of a perfect alignment between the active face and the ground plane (the mesh used on the two metallized faces is identical, of the 90/10 type).
  • FIG. 14b shows a perfect alignment between the active face and the ground plane with a different mesh pitch (active mesh face 90/10 and mesh ground plane 190/10).
  • FIG. 14c shows a perfect alignment between an active face of square mesh type 90/10 and a ground plane of rectangular mesh of type 190/10 along axis X and type 90/10 along the axis Y.
  • the square resistance of the ground plane is identical to that of the active face if the current lines propagate in the X direction (constant metallization thickness) while the resistance per square of the ground plane is doubled compared to that of the active face if the current lines propagate in the Y direction (constant metallization thickness). In case of propagation of the isotropic current in the ground plane, its apparent square resistance will be a convolution of the 2 previous results.
  • FIG. 14 d shows a perfect alignment between the active face (mesh 90/10) and the ground plane (mesh 95/5) with different wire widths.
  • a misalignment of the ground plane of ⁇ 2.5 ⁇ along the X and / or Y directions relative to the active face will not alter the optical transparency of the antenna.
  • FIG. 14e shows a perfect alignment between the active face and the ground plane with a different mesh pitch and different wire widths (active mesh face 90/10 and mesh ground plane 195/5).
  • the square resistance of the ground plane is quadrupled with respect to that of the active face (constant metallization thickness).
  • a misalignment of the ground plane of ⁇ 2.5 ⁇ along the X and / or Y directions relative to the active face will not alter the optical transparency of the antenna.
  • FIG. 14f shows a perfect alignment between the active face (square mesh) and the ground plane (rectangular mesh) with a different mesh pitch and different wire widths (active face of mesh 90/10 and plane of mesh mass 195/5 according to X and 95/5 according to Y).
  • the square resistance of the ground plane is doubled over that of the active face if the current lines propagate in the X direction (constant metallization thickness).
  • the square resistance of the ground plane is quadrupled with respect to that of the active face if the current lines propagate in the Y direction (constant metallization thickness).
  • its resistance by apparent square will be a convolution of the 2 previous results.
  • a misalignment of the ground plane of ⁇ 2.5 ⁇ along the X and / or Y directions relative to the active face will not alter the optical transparency of the antenna.
  • FIGS. 15a-15d represent in this respect various examples of meshing of the metal parts of the transparent antenna:
  • FIG. 15a circular mesh with opening of diameter 90 ⁇ and not 100 ⁇ ;
  • This surface treatment can be carried out directly, for example by chemical nickel plating, or by chemical tinning of the mesh previously produced.
  • the surface treatment can also be carried out by sulphidation or oxidation of the previously made metal mesh.
  • silver sulfide Ag 2 S and copper oxide CuO are black and electrically conductive.
  • Improvements can also be made in the protection of antennas against external aggression (mechanical and chemical aggression). Indeed, for example, silver, copper, gold or aluminum are ductile metals and therefore very sensitive to scratching.
  • a transparent polymer film or transparent resin deposited on the surface of the mesh ensures its protection.
  • the deposition of an oxide belonging to the family of OTC (Transparent Oxides and Conductors), like ITO, Sn0 2 , ... not only protects the mesh but also to improve the overall conductance of the metallization.
  • the deposition of a transparent and conductive resin, such as polyaniline, can also be achieved.
  • the optical transparency of the antenna can also be improved by depositing on its surface an antireflection layer (multilayer formed alternately of high and low index materials). This will compensate for about 8% of Fresnel losses on the front and rear faces at the openings in the mesh. In addition, this antireflection layer also contributes to the protection of the antenna against external aggression.
  • An application that will be made of an antenna according to a possible embodiment of the invention relates to transmissions in the band 1710 to 2170 MHz, but the invention is of course in no way limited to this particular range of frequencies.

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Abstract

La présente invention concerne selon un premier aspect une antenne imprimée optiquement transparente comprenant un plan de masse constitué par un maillage métallique, un plan de rayonnement comprenant un ou plusieurs éléments rayonnants, et un substrat diélectrique optiquement transparent interposé entre le plan de masse et le plan de rayonnement, caractérisée en ce que le dimensionnement du maillage du plan de masse n'est pas uniforme, le maillage présentant, au niveau d'une première région (5) du plan de masse en vis-à vis d'une région du plan de rayonnement engendrant une forte activité électromagnétique, un premier dimensionnement du maillage resserré, le maillage s'aérant progressivement au voisinage de ladite première région pour gagner en transparence jusqu'à atteindre un second dimensionnement du maillage, plus large que le premier dimensionnement du maillage, au niveau d'une second région (7) du plan de masse en vis-vis d'une région du plan de rayonnement engendrant une faible activité électromagnétique.

Description

ANTENNE IMPRIMEE OPTIQUEMENT TRANSPARENTE A PLAN DE MASSE MAILLE
DOMAINE DE L'INVENTION
Le domaine de l'invention est celui des antennes de télécommunication, et plus particulièrement celui des antennes imprimées pour les réseaux cellulaires mobiles et pour les faisceaux hertziens
Dans ce cadre général, l'invention concerne plus précisément une antenne imprimée optiquement transparente dont le plan de masse est constitué par un maillage métallique, typiquement en forme de grille.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
Une antenne imprimée comprend de manière classiquement connue en soi un plan de masse, un plan de rayonnement sous la forme d'un ou plusieurs éléments rayonnants, et un substrat diélectrique interposé entre le plan de masse et le plan de rayonnement.
Les éléments rayonnants (également désignés par le terme « patch » selon la terminologie anglo-saxonne consacrée) sont typiquement constitués d'une surface carrée conductrice alimentée par une ligne micro-ruban (« microstrip » selon la terminologie anglo-saxonne) imprimée sur le même substrat ou sur une autre couche, prenant souvent la forme d'une ligne triplaque.
Il a été proposé de réaliser des antennes imprimées optiquement transparentes, notamment afin de les rendre plus discrètes ou encore de les intégrer au sein de surfaces vitrées « rayonnantes ».
Une première technique consiste à utiliser un substrat diélectrique transparent de type verre ou plexiglas, et à former le plan de masse et le ou les éléments rayonnants du plan de rayonnement par dépôt d'un matériau conducteur optiquement transparent (par exemple de l'oxyde d'indium dopé à l'étain ITO ou de l'oxyde d'étain dopé à l'argent AgHT) sur un film plastique, par exemple sur un film en polyester.
Une seconde technique, connue par exemple du document JP 2006-303846, consiste à utiliser un substrat diélectrique transparent de type verre ou plexiglas et à réaliser l'un et/ou l'autre du plan de masse et du plan de rayonnement sous la forme d'un maillage de métal (par exemple de l'argent ou du cuivre), typiquement en forme de grille. Le niveau de transparence est alors défini par les dimensions des ouvertures de la maille vis-à-vis de la largeur des fils de la maille.
Dans ce second type d'antenne transparente, et considérant un plan de masse ainsi maillé, plus le niveau de transparence du plan de masse est élevé (grande dimension des ouvertures de la maille devant la largeur des fils), plus sa résistance ohmique est élevée (moins de métal donc plus résistif). La conductance du plan de masse étant réduite, l'efficacité globale de l'antenne est alors moindre.
On comprend donc qu'un compromis doit être réalisé entre les performances électromagnétiques de l'antenne et son niveau de transparence.
L'invention a pour premier objectif d'atteindre le meilleur compromis possible en fournissant une antenne imprimée à plan de masse maillé présentant un niveau de transparence optique optimisé sans pour autant en compromettre les performances électromagnétiques.
Un autre objectif de l'invention est de proposer une antenne imprimée optiquement transparente dont une ligne d'alimentation micro-ruban de plusieurs éléments rayonnants est conçue de manière à permettre une pondération de l'alimentation des différents éléments rayonnants sans pour autant engendrer de rayonnements parasites.
Encore un autre objectif de l'invention vise à réduire les rayonnements parasites en face arrière d'une antenne transparente à plan de masse maillé
Encore un autre objectif de l'invention est d'optimiser la transparence dans un système multicouche.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention propose selon un premier aspect une antenne imprimée optiquement transparente comprenant un plan de masse constitué par un maillage métallique dont le dimensionnement n'est pas uniforme, un plan de rayonnement comprenant un ou plusieurs éléments rayonnants, et un substrat diélectrique optiquement transparent interposé entre le plan de masse et le plan de rayonnement, caractérisée en ce que le maillage du plan de masse présente, au niveau d'une première région du plan de masse en vis-à vis d'une région du plan de rayonnement englobant un ou plusieurs éléments rayonnants et engendrant une forte activité électromagnétique, un premier dimensionnement resserré du maillage, le maillage s'aérant progressivement au voisinage de ladite première région pour gagner en transparence jusqu'à atteindre un second dimensionnement du maillage, plus large que le premier dimensionnement, au niveau d'une second région du plan de masse en vis-vis d'une région du plan de rayonnement engendrant une faible activité électromagnétique.
Certains aspects préférés, mais non limitatifs, de cette antenne sont les suivants : - une région intermédiaire au moins est intercalée entre la première et la seconde région du plan de masse, ladite région intermédiaire présentant un dimensionnement du maillage intermédiaire entre le premier et le second dimensionnements du maillage ; - le second dimensionnement du maillage assure un niveau de transparence d'au moins 90% ;
- le premier dimensionnement du maillage assure un niveau de transparence d'au plus 70% ;
- elle comprend en outre une ligne d'alimentation micro-ruban d'une pluralité d'éléments rayonnants, la ligne d'alimentation étant constituée par un maillage métallique de largeur constante ;
- le dimensionnement du maillage métallique de la ligne d'alimentation micro-ruban est non uniforme le long de la ligne afin d'en modifier la résistance et ainsi pondérer l'alimentation d'un ou plusieurs éléments rayonnants de ladite pluralité d'éléments rayonnants ;
- le dimensionnement du maillage de la ligne d'alimentation est identique entre deux éléments rayonnants consécutifs le long de la ligne, et est modifiée au moins une fois le long de la ligne de manière à ce que la ligne apporte moins de puissance à l'élément rayonnant en bout de ligne qu'à l'élément rayonnant en début de ligne ;
- le maillage métallique du plan de masse présente des discontinuités en bordure de l'antenne, les discontinuités augmentant progressivement au fur et à mesure que l'on se rapproche des bords de l'antenne ;
- les discontinuités sont localisées le long des arêtes reliant entre eux les nœuds du maillage ou localisées au niveau des nœuds du maillage ;
- les discontinuités sont d'une amplitude telle qu'elles engendrent une augmentation progressive du pas de maillage en bordure de l'antenne ;
- une ligne d'alimentation d'un ou plusieurs éléments rayonnants et/ou la zone du plan de masse proche de ladite ligne d'alimentation sont constituées d'un maillage métallique très serré à opaque dans les zones à forte dissipation thermique ;
- les éléments rayonnants et le maillage métallique du plan de masse sont réalisés sur un substrat transparent souple ou sur un substrat transparent rigide courbé dans le but d'épouser une surface conforme.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est un schéma illustrant une antenne imprimée ; - la figure 2 est un schéma illustrant d'une part la répartition de l'activité électromagnétique au niveau du plan de masse d'une antenne imprimée du type de celle représentée sur la figure 1 et d'autre part la variation du dimensionnement du maillage du plan de masse conforme à l'invention ;
- la figure 3 représente la variation du dimensionnement du maillage du plan de masse d'une antenne imprimée conforme à l'invention disposant d'un réseau d'éléments rayonnants ;
- la figure 4 représente une ligne d'alimentation micro-ruban présentant des discontinuités de largeur ;
- les figures 5 et 6 représentent une ligne d'alimentation micro-ruban constituée d'un maillage métallique de largeur constante conformément à deux modes de réalisation possible de l'invention ;
- les figures 7 et 8 illustrent des variations possibles du dimensionnement du maillage d'une ligne d'alimentation micro-ruban de largeur constante ;
- les figures 9a-9c, 10 et 1 1 représentent différentes réalisations possibles de discontinuités du plan de masse maillé en bordure de l'antenne ;
- les figures 12a et 12b représentent respectivement un maillage de face active de l'antenne et un maillage du plan de masse de l'antenne ;
- les figures 13a et 13b représentent des alignements imparfaits des maillages des figures 12a et 12b ;
- les figures 14a-14f représentent différents alignements possibles des maillages de la face active et du plan de masse sans altération de la transparence optique générale de l'antenne ;
- les figures 15a-15d représentent différentes formes possibles du maillage des parties métalliques de l'antenne transparente.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Dans le cadre de l'invention, on entend par matériau « optiquement transparent », un matériau substantiellement transparent dans au moins une partie du domaine de la lumière visible, laissant passer au moins environ 30% de cette lumière, et de préférence plus de 60% de la lumière.
En référence à la figure 1 , on a représenté une antenne imprimée optiquement transparente conforme à un mode de réalisation possible de l'invention.
L'antenne comprend un plan de masse 1 constitué par un maillage métallique, un plan de rayonnement comprenant un ou plusieurs éléments rayonnants 2, et un substrat diélectrique optiquement transparent 3 interposé entre le plan de masse et le plan de rayonnement.
Le ou les éléments rayonnants 2 et le maillage métallique du plan de masse 1 peuvent notamment être réalisés sur un substrat transparent souple ou sur un substrat transparent rigide déjà courbé dans le but d'épouser une surface conforme.
Un maillage métallique est par exemple réalisé en fer, nickel, chrome, titane, tantale, molybdène, étain, indium, zinc, tungstène, platine, manganèse, magnésium, plomb, de préférence en argent, cuivre, or ou aluminium ou alliage de métaux choisi selon la conductivité électrique. Il prend typiquement la forme d'une grille dont le ratio entre la dimension des ouvertures de la grille et la largeur des fils de la maille définit le niveau de transparence optique du plan de masse. L'invention n'est toutefois pas limitée à l'utilisation d'un maillage en forme de grille, d'autres formes étant bien entendu envisageables comme cela sera discuté plus en détail par la suite en liaison avec les figures 15a-15d.
On précise ici que le dimensionnement du maillage est caractérisé par son pas (ou sa périodicité) et par la largeur des fils métalliques (ou par l'ouverture réalisées dans le pas).
Le maillage métallique peut être obtenu par différents moyens.
Le matériau métallique support peut ainsi être constitué d'une feuille métallique (clinquant) ou d'une couche mince métallique déposée sur un substrat transparent inorganique (verre) ou organique (plexiglas, polyméthylpentène, polycarbonate, BCB, ...). On relèvera que l'utilisation de substrats de polymère souple à faible perte facilite le transfert de l'antenne sur les supports adaptés (fenêtre, vitrine, pare-brise de véhicule...).
Le dépôt métallique peut être réalisé par voie physique (PVD), par exemple par pulvérisation, évaporation sous vide, ablation laser, etc.
Le dépôt métallique peut également être réalisé par d'autres voies, par exemple dépôt chimique (argenture, cuivrage, dorure, aluminure, étamage, nickelage,...), par sérigraphie, par dépôt électrolytique, par dépôt chimique en phase vapeur (CVD, PECVD, OMCVD, ...), etc.
Les ouvertures du maillage métallique dans la feuille ou film métallique peuvent être réalisées par photolithogravure standard à partir d'un photomasque ou d'un masque transféré par écriture laser sur une réserve et la gravure chimique associée, ou par tampongraphie suivie d'une gravure chimique, ou encore par gravure ionique au travers d'un masque. Le maillage peut également être directement réalisé par sérigraphie au travers d'un écran (« screen printing » selon la terminologie anglo-saxonne consacrée), par impression par jet d'une encre conductrice (et recuit associé), par électroformage, par écriture directe via la décomposition sous faisceau laser d'un organométallique, etc.
Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits ici, mais englobe, bien au contraire, toute variante à la portée de l'homme du métier et particulièrement la combinaison de différents modes de réalisation de la présente invention.
Revenant à la description de la figure 1 , le substrat diélectrique optiquement transparent 3 est par exemple en verre ou en plexiglas. On a par ailleurs représenté sur la figure 1 un seul élément rayonnant 2 sous la forme d'une plaque conductrice carrée, de côté λ/2, où λ représente la longueur d'onde guidée sur le substrat diélectrique et qui correspond à la fréquence de rayonnement principale de l'antenne. L'invention n'est toutefois pas limitée à un plan de rayonnement constitué d'un seul élément rayonnant carré, mais s'étend bien entendu à d'autres formes d'élément rayonnant ainsi qu'à des plans de rayonnement constitués d'une pluralité d'éléments rayonnants, et notamment à des plans de rayonnement présentant un ou plusieurs réseaux d'éléments rayonnants.
Selon un mode de réalisation possible, le ou les éléments rayonnants du plan de rayonnement sont eux-mêmes optiquement transparents. Ils sont alors par exemple également constitués par un maillage métallique.
Lors de la réalisation d'une antenne optiquement transparente avec l'utilisation d'un maillage de métal, un compromis doit être réalisé entre les performances électromagnétiques et le niveau de transparence. En effet, plus le niveau de transparence est élevé (grande dimension des ouvertures de la grille devant la largeur des fils de la maille), plus la résistance ohmique du plan de masse maillé est élevée (moins de métal donc plus résistif).
Cependant l'activité électromagnétique au niveau du plan de masse de l'antenne n'est pas homogène sur toute sa surface. En effet, les zones éloignées des éléments rayonnants présentent une activité réduite. Dans ces zones, le plan de masse n'a donc pas besoin d'un blindage électromagnétique aussi important (haute conductance c'est-à- dire une résistance faible) qu'au niveau des éléments rayonnants.
On a représenté en haut sur la figure 2 une modélisation de l'activité électromagnétique des champs au niveau du plan de masse. On constate que cette activité est effectivement concentrée sous et en bordure du patch rayonnant 2. Afin obtenir la plus grande transparence sur une antenne du type patch imprimé sur un substrat diélectrique optiquement transparent avec plan de masse maillé, l'invention propose de localiser les zones où l'activité électromagnétique est plus ou moins importante et de faire correspondre le maillage transparent le plus approprié pour chacune de ces zones.
L'invention propose plus précisément que le dimensionnement du maillage du plan de masse ne soit pas uniforme sur toute la surface du plan de masse et qu'il présente au niveau d'une première région du plan de masse en vis-à vis d'une région du plan de rayonnement engendrant une forte activité électromagnétique, un premier dimensionnement resserré du maillage. Le maillage du plan de masse vient en outre s'aérer progressivement au voisinage de ladite première région pour gagner en transparence jusqu'à atteindre un second dimensionnement du maillage, plus large que le premier dimensionnement du maillage, au niveau d'une seconde région du plan de masse en vis-vis d'une région du plan de rayonnement engendrant une faible activité électromagnétique.
On a représenté en bas sur la figure 2, une vue élargie d'une partie 4 de la grille métallique formant le plan de masse en vis-à vis d'une partie du coin inférieur gauche du patch carré 2.
Sur cette figure 2, la grille métallique du plan de masse présente une première région 5 localisée sous le patch et en bordure immédiate de celui-ci, où les intensités en courant sont les plus importantes. Dans cette première région 5, le maillage est resserré (premier dimensionnement du maillage) pour assurer une bonne conductance. La transparence optique est donc réduite.
A titre d'exemple, le premier dimensionnement du maillage assure un niveau de transparence d'au plus 70% (sans prise en compte des pertes de Fresnel).
Au-delà de cette première région 5, le maillage s'aère progressivement pour gagner en transparence jusqu'à atteindre un second dimensionnement du maillage, plus large que le premier dimensionnement du maillage, au niveau d'une seconde région 7 du plan de masse en vis-vis d'une région du plan de rayonnement engendrant une faible activité électromagnétique.
A titre d'exemple, le second dimensionnement du maillage assure un niveau de transparence d'au moins 90% (sans prise en compte des pertes de Fresnel).
On a ainsi représenté sur la figure 2, une région intermédiaire 6 intercalée entre la première 5 et la seconde région 7 du plan de masse, ladite région intermédiaire présentant un dimensionnement de maillage intermédiaire entre le premier et le second dimensionnements du maillage. Le niveau de transparence assuré par cette région intermédiaire est par exemple de l'ordre de 80 % (sans prise en compte des pertes de Fresnel).
L'invention n'est toutefois pas limitée à une seule région intermédiaire, mais s'étend également au cas où une pluralité de régions intermédiaires est intercalée entre la première et la seconde région, les régions intermédiaires présentant une transparence d'autant plus élevée que l'on s'écarte de la première région.
On relèvera que le changement du niveau de conductance (et donc de transparence optique) du plan de masse ne doit pas être réalisé brutalement, mais qu'il doit au contraire suivre les lois d'atténuation et de propagation des champs, par exemple selon une loi de décroissance linéaire ou quadratique. La ou les régions intermédiaires permettent d'assurer cette décroissance progressive de la conductance du plan de masse.
On notera que la technique de conception décrite ci-dessus visant à faire varier le dimensionnement du maillage s'applique principalement au plan de masse maillé puisque les éléments rayonnants et le réseau d'alimentation (lignes micro-ruban ou microstrip) ont obligatoirement besoin d'un niveau de conductance important car c'est sur eux que se concentre la plus forte activité électromagnétique.
On relèvera à cet égard que la variation progressive de la conductance et de la transparence du plan de masse conforme à l'invention n'est pas limitée aux régions en vis-à vis d'un élément rayonnant mais à également vocation à s'appliquer dans les zones à forte dissipation thermique du fait de la présence de forts niveaux de puissance notamment à l'entrée de l'antenne et dans le premier stade d'arborescence du réseau d'alimentation. Si besoin, certaines zones du plan de masse et/ou tronçons de lignes micro-ruban peuvent présenter un maillage métallique très resserré voire être dépourvus de maillage métallique et par conséquent être opaques à 100%.
On relèvera par ailleurs que la ligne d'alimentation peut être une ligne triplaque comprenant une ligne conductrice prise en sandwich entre deux plans de masse de ligne triplaque. Des fentes de rayonnement d'onde peuvent en outre être pratiquées dans l'un des plans de masse de ligne triplaque de manière à être positionnées sous les éléments rayonnants afin d'assurer un couplage électromagnétique.
Comme présenté précédemment, la première région s'étend sous le patch et en bordure immédiate de celui-ci. La première région correspond ainsi à une région plus large que le patch, correspondant globalement à la taille physique du patch et à une région de contour correspondant à une région de débordement des champs (de l'ordre de deux fois l'épaisseur du substrat, soit de l'ordre de 4 mm dans le domaine d'application de l'invention).
Bien entendu lorsque l'antenne présente plusieurs éléments rayonnants, la variation du dimensionnement du maillage du plan de masse est réalisée en plusieurs régions du plan de masse, pour faire correspondre en vis-à-vis de chaque élément rayonnant une région de forte conductance.
Dans certaines applications, les éléments rayonnants sont situés à proximité l'un de l'autre, et ne sont pas séparés d'une distance supérieure à celle, 4 mm typiquement, du débordement des champs. Dans ce cas de figure, et comme cela est représentée sur la figure 3, une première région 8 du plan de masse de forte conductance n'est pas localisée en vis-à-vis d'un seul élément rayonnant, mais s'étend en vis-à-vis d'une pluralité d'éléments rayonnants qui définissent ensemble une région de forte activité électromagnétique.
On a également représenté sur la figure 3, une région 9 à l'intérieur de la première région 8. Cette région 9 est suffisamment éloignée des éléments rayonnants pour qu'il soit possible d'y réaliser au niveau du plan de masse une diminution progressive du niveau de conductance, et par là d'augmenter le niveau de transparence.
Lorsque le ou les éléments rayonnants sont eux mêmes réalisés sous la forme d'un maillage métallique, on prévoit avantageusement que le dimensionnement du maillage des éléments rayonnants corresponde audit premier dimensionnement resserré du maillage de la première région du plan de masse et que les maillages métalliques de la première région du plan de masse et du ou des éléments rayonnants soient parfaitement alignées. A tout le moins, on prévoit d'optimiser la transparence conformément au troisième mode de réalisation de l'invention exposé ci-après.
Selon un premier mode de réalisation avantageux de l'invention, on peut également prévoir d'utiliser une ligne d'alimentation micro-ruban (microstrip) maillée afin de pondérer un réseau d'alimentation. On comprendra qu'une telle pondération peut être mise en œuvre indépendamment de la variation du dimensionnement du maillage du plan de masse décrite précédemment.
Lors de l'alimentation de plusieurs éléments rayonnants sur une antenne réseau, il peut être nécessaire de pondérer l'alimentation des éléments rayonnants pour diverses raisons, par exemple pour améliorer le diagramme de rayonnement de l'antenne notamment afin de réduire le niveau des lobes secondaires.
Dans le cas d'une antenne réalisée avec la technologie imprimée (cuivre sur substrat diélectrique par exemple), la pondération est réalisée en modifiant l'impédance des lignes d'alimentation microstrip de sorte que les différents éléments rayonnants le long de la ligne ne reçoivent pas le même niveau de puissance.
Pour ce faire, il est connu d'intercaler des transformateurs d'impédance entre les éléments rayonnants agencés le long d'une ligne d'alimentation micro-ruban.
Les transformateurs sont plus précisément prévus avec des rapports de transformation correspondant aux atténuations progressives que l'on souhaite obtenir. Les transformateurs sont typiquement des transformateurs quart d'onde ou demi-onde ; il peut également s'agir de transformateurs disposant de lois dites progressives (par exemple des lois exponentielles ou logarithmiques).
On a représenté sur la figure 4 une ligne micro-ruban pleine 10 comprenant deux lignes quart d'onde de largeurs W1 et W2 différentes correspondant à des impédances Z1 et Z2, avec W1 > W2 et donc Z1 <Z2. On modifie ainsi les caractéristiques hyperfréquences de la ligne de transmission en introduisant des discontinuités 1 1 de largeur de ligne.
Or les discontinuités 11 introduites pour réaliser des fonctions hyperfréquences classiques (adaptation d'impédance, bout déphaseur ou «stub» selon la terminologie anglo-saxonne, filtre...) produisent des rayonnements parasites 12 qui viennent dégrader l'efficacité et la pureté de rayonnement des antennes.
En particulier, les transformateurs produisent des discontinuités 1 1 sur la ligne d'alimentation qui engendrent un rayonnement parasite 12 en partie responsable des niveaux importants de composante croisée dans le plan H du diagramme de rayonnement de l'antenne imprimée (à environ - 10 dB).
Dans le cadre de l'invention, on prévoit d'utiliser une ligne d'alimentation d'une pluralité d'éléments rayonnants constituée par un maillage métallique de largeur constante.
En référence à la figure 5, la ligne d'alimentation 13 est constituée par un maillage métallique présentant une largeur constante W1 et un niveau de transparence T1 correspondant à des pertes a1. On a représenté sur la figure 6 une ligne d'alimentation 14 constituée par un maillage métallique présentant une largeur constante W2 et un niveau de transparence T2 correspondant à des pertes a2. Pour W1 = W2, les lignes 13 et 14 présentent une même impédance caractéristique, mais des niveaux d'affaiblissement a1 et a2 différents. L'une ou l'autre de ces lignes pourra être choisie selon l'application envisagée.
Si on souhaite disposer d'une ligne possédant un niveau d'affaiblissement a1 , on fixe a1 , on en déduit son pas de maillage et la dimension des ouvertures ainsi que la transparence T1 correspondante. Enfin, on ajuste la largeur W1 pour obtenir une impédance caractéristique Z1 souhaitée.
Selon une variante avantageuse représentée sur les figures 7 et 8 représentant chacune un demi-réseau d'éléments rayonnants, le dimensionnement du maillage des lignes d'alimentation 15, 16 (constituée par un maillage métallique de largeur constante) n'est pas uniforme le long de la ligne.
Ceci permet de modifier la résistance de la ligne et ainsi de pondérer l'alimentation d'un ou plusieurs éléments rayonnants alimentés par la ligne. En effet, plus les ouvertures du maillage de la ligne sont grandes et plus sa résistance augmentera. Or plus une ligne d'alimentation est résistive, et plus l'amplitude du signal en sortie est faible. L'idée est donc d'ajuster la résistance de la ligne microstrip d'alimentation en modifiant les ouvertures du maillage pour pondérer l'alimentation des éléments rayonnants. En outre, plus la dimension des ouvertures augmente, plus la transparence optique de la ligne d'alimentation augmente.
On a ainsi représenté sur la figure 7, deux lignes quart d'onde 15a, 15b de même largeur W et donc de mêmes impédances caractéristiques (Z1 = Z2) mais de niveaux de transparence T1 et T2 différents du fait des différences dans le dimensionnement du maillage utilisé respectivement, correspondant à des niveaux d'affaiblissement a1 et a2 (pertes en dB/m) (avec T1 < T2 et donc a 1 < a 2).
Comme représenté sur la figure 8, la largeur de la ligne d'alimentation 16 est conservée entre deux éléments rayonnants 17-20 consécutifs le long de la ligne, et le pas et/ou l'ouverture du maillage augmente(nt) au moins une fois le long de la ligne de manière à ce que la ligne apporte moins de puissance à l'élément rayonnant en bout de ligne 20 qu'à l'élément rayonnant en début de ligne 17. Sur cette figure 8, les différents éléments rayonnants 17-20 présentent une pondération de leur alimentation de niveau respectivement 1 ; 0,9 ; 0,7 et 0,5. Il est bien entendu possible de conserver le même dimensionnement de maillage au niveau d'un ou de plusieurs éléments rayonnants, et ce afin de ne pas engendrer de différences de pondération de l'alimentation entre deux ou plus éléments rayonnants.
On comprendra que l'on réalise alors dans le cadre de cette variante de réalisation avantageuse une pondération « intégrée » à la ligne, laquelle ne présente donc plus les discontinuités liées à l'utilisation de transformateurs.
Selon un second mode de réalisation avantageux de l'invention, on peut également prévoir de varier la résistance du maillage du plan de masse en réalisant des discontinuités sur le maillage métallique pour réduire les rayonnements parasites. On comprendra que, comme pour le premier mode de réalisation décrit ci-dessus, ce second mode de réalisation peut être mise en œuvre indépendamment de la variation du dimensionnement du maillage du plan de masse.
Le rôle directif de l'antenne imprimée transparente passe par la réduction des rayonnements parasites, notamment sur le plan arrière. Or les bords de l'antenne sont responsables du rayonnement de la face arrière dans la mesure où ils engendrent une radiation diffractive.
On prévoit dans ce second mode de réalisation de limiter progressivement le rayonnement sur les bords de l'antenne transparente en augmentant progressivement les pertes du conducteur métallique constituant le plan de masse (dans notre cas, les pertes résistives du maillage) au voisinage des bords de l'antenne. Pour ce faire, on introduit des discontinuités dans le maillage en bordure de l'antenne, typiquement à λ/4 des bords du plan de masse (où λ représente la longueur d'onde guidée sur le substrat diélectrique et qui correspond à la fréquence de rayonnement principale de l'antenne), les discontinuités augmentant progressivement (en nombre et en dimension) au fur et à mesure que l'on se rapproche des bords de l'antenne.
En référence aux figures 9a-9c, on a représenté respectivement des discontinuités progressives D engendrées dans un maillage de pas 100 μηι et de type 90/10 (ouverture carrée de 90 μηι de coté avec une largeur de fils métalliques de 10 μηι) le long des arêtes reliant entre eux les nœuds du maillage, suivant la direction X (figure 9a), la direction Y (figure 9b) ou suivant les directions X et Y (figure 9c).
On a représenté sur la figure 10 des discontinuités progressives D engendrées dans un maillage de type 90/10 au niveau des nœuds du maillage.
On a représenté sur la figure 1 1 un cas limite dans lequel les discontinuités D sont d'une amplitude telle qu'elles engendrent une augmentation progressive du pas de maillage (à largeur de fil constante) en bordure de l'antenne. En augmentant le pas du maillage (à largeur de fil constante) progressivement, la résistance par carré augmente et par conséquent les pertes métalliques aussi. Notons que la résistance par carré est définie comme la résistivité du film métallique rapportée à son épaisseur. Le plan de masse au bord de l'antenne peut ainsi présenter un pas de maillage très élevé (par exemple 1600 μηι de type 1590/10 : la résistance par carré sera multipliée par un facteur 16 par rapport à un maillage traditionnel de type 90/10 à épaisseur de métallisation constante). De plus, la transparence optique du plan de masse en sera améliorée sur ses bords. On peut également prévoir de limiter le rayonnement arrière en associant les différents exemples de discontinuités D représentées sur les figures 9a-9c, 10 et 1 1.
On peut également prévoir de limiter le rayonnement arrière en limitant l'épaisseur de métallisation du maillage sur les bords de l'antenne afin d'accroître localement la résistance par carré, avec ou sans présence des discontinuités.
On peut également prévoir de limiter le rayonnement arrière en déposant un film d'oxyde transparent et conducteur(OTC) ou d'un multicouche OTC/métal/... (plein ou maillé) sur les bords de l'antenne afin d'accroître localement la résistance par carré, avec ou sans présence des discontinuités.
Selon un troisième mode de réalisation avantageux de l'invention, on peut également prévoir d'optimiser la transparence dans un milieu multicouches comprenant deux couches maillées superposées. On comprendra que, comme pour les premier et second modes de réalisation décrits ci-dessus, ce troisième mode de réalisation peut être mise en œuvre indépendamment de la variation du dimensionnement du maillage du plan de masse.
On a représenté sur la figure 12a une partie du maillage de la face active du type 90/10 : pas de 100 μηι avec une largeur de ligne de 10 μηι et une ouverture 90 μηι. La transparence optique T de la face active est égale à 75 % en tenant compte des pertes de Fresnel.
On a représenté sur la figure 12b une partie du maillage du plan de masse du type
90/10 : pas de 100 μηι avec une largeur de ligne de 10 μηι et une ouverture 90 μηι. La transparence optique T du plan de masse est égale à 75 % en tenant compte des pertes de Fresnel.
On a représenté sur la figure 13a un alignement à 45° du maillage de la face active par rapport à celui du plan de masse. Lorsque l'alignement de ces maillages est quelconque, on constate une réduction systématique de la transparence optique globale de l'antenne (T « 75 %).
On a représenté sur la figure 13b un alignement imparfait, avec un désalignement de 2° du maillage de la face active par rapport à celui du plan de masse. On constate une légère réduction de la transparence optique de l'antenne (T<75%), mais également l'apparition de figures de Moiré qui vont venir limiter la discrétion visuelle des antennes.
On cherche donc à superposer le maillage de la face active avec le maillage du plan de masse sans altération de la transparence optique globale de l'antenne. Différentes possibilités sont présentées ci-après en liaison avec les figures 14a-14f. On a représenté sur la figure la figure 14a le cas idéal d'un alignement parfait entre la face active et le plan de masse (le maillage utilisé sur les 2 faces métallisées est identique, de type 90/10). La transparence optique de l'antenne est conservée (T = 75%) tandis que la résistance par carré de la face active et du plan de masse sont égales (à épaisseur de métallisation constante).
On a représenté sur la figure 14b un alignement parfait entre la face active et le plan de masse avec un pas de maillage différent (face active de maillage 90/10 et plan de masse de maillage 190/10). La transparence optique de l'antenne est conservée (T = 75%) tandis que la résistance par carré du plan de masse est doublée par rapport à celle de la face active (à épaisseur de métallisation constante).
On a représenté sur la figure 14c un alignement parfait entre une face active de maille carrée de type 90/10 et un plan de masse de maille rectangulaire de type 190/10 suivant l'axe X et de type 90/10 suivant l'axe Y. La transparence optique de l'antenne est conservée (T = 75%). La résistance par carré du plan de masse est identique à celle de la face active si les lignes de courant se propagent dans la direction X (à épaisseur de métallisation constante) tandis que la résistance par carré du plan de masse est doublée par rapport à celle de la face active si les lignes de courant se propagent dans la direction Y (à épaisseur de métallisation constante). En cas de propagation du courant isotrope dans le plan de masse, sa résistance par carré apparente sera une convolution des 2 résultats précédents.
On a représenté sur la figure 14d un alignement parfait entre la face active (maillage 90/10) et le plan de masse (maillage 95/5) avec des largeurs de fil différentes. La transparence optique de l'antenne est conservée (T = 75%) tandis que la résistance par carré du plan de masse est doublée par rapport à celle de la face active (à épaisseur de métallisation constante). Un désalignement du plan de masse de ± 2,5 μηι suivant les directions X et/ou Y par rapport à la face active n'altérera pas la transparence optique de l'antenne.
On a représenté sur la figure 14e un alignement parfait entre la face active et le plan de masse avec un pas de maillage différent et des largeurs de fil différentes (face active de maillage 90/10 et plan de masse de maillage 195/5). La transparence optique de l'antenne est conservée (T = 75%). La résistance par carré du plan de masse est quadruplée par rapport à celle de la face active (à épaisseur de métallisation constante). Un désalignement du plan de masse de ± 2,5 μηι suivant les directions X et/ou Y par rapport à la face active n'altérera pas la transparence optique de l'antenne. On a représenté sur la figure 14f un alignement parfait entre la face active (maille carré) et le plan de masse (maille rectangulaire) avec un pas de maillage différent et des largeurs de fil différentes (face active de maillage 90/10 et plan de masse de maillage 195/5 suivant X et 95/5 suivant Y). La transparence optique de l'antenne est conservée (T = 75%). La résistance par carré du plan de masse est doublée par rapport à celle de la face active si les lignes de courant se propagent dans la direction X (à épaisseur de métallisation constante). La résistance par carré du plan de masse est quadruplée par rapport à celle de la face active si les lignes de courant se propagent dans la direction Y (à épaisseur de métallisation constante). En cas de propagation isotrope du courant dans le plan de masse, sa résistance par carré apparente sera une convolution des 2 résultats précédents. Un désalignement du plan de masse de ± 2,5 μηι suivant les directions X et/ou Y par rapport à la face active n'altérera pas la transparence optique de l'antenne.
On relèvera que des géométries de maillage autres que carré ou rectangulaire peuvent être utilisées pour réaliser les couches métalliques de l'antenne imprimée transparente faisant l'objet des précédentes propositions. Les figures 15a-15d représentent à cet égard différents exemples de maillage des parties métalliques de l'antenne transparente :
Figure 15a : maillage circulaire avec ouverture de diamètre 90 μηι et pas de 100 μηι ;
- Figure 15b : maillage à base d'hexaèdres avec une largeur de fil de 10 μηι ;
- Figure 15c : maillage à base de triangles équilatéraux avec une largeur de fil de 10 μηι ;
- Figure 15d : maillage à base de losanges avec une largeur de fil de 10 μηι.
On relèvera par ailleurs que des améliorations peuvent encore être apportées au niveau de la discrétion visuelle d'une antenne imprimée transparente sous la forme d'un support transparent revêtu du maillage métallique. En effet, une antenne réalisée à partir d'un maillage de cuivre ou d'or, bien que transparente, aura des reflets respectivement rouge et jaune. Un traitement de surface de la métallisation permet d'obtenir une coloration noire ou gris-neutre, nettement plus discrète.
Ce traitement de surface peut être réalisé directement, par exemple par nickelage chimique, ou par étamage chimique du maillage précédemment réalisé.
Le traitement de surface peut aussi être réalisé par sulfuration ou oxydation du maillage métallique précédemment réalisé. Par exemple, le sulfure d'argent Ag2S et l'oxyde de cuivre CuO sont noirs et conducteur électriques.
Des améliorations peuvent aussi être apportées au niveau de la protection des antennes contre les agressions externes (agressions mécanique et chimique). En effet, par exemple, l'argent, le cuivre, l'or ou l'aluminium sont des métaux ductiles et donc très sensibles à la rayure. Un film de polymère transparent ou de résine transparente déposé à la surface du maillage permet d'assurer sa protection. A l'arrière de l'antenne (plan de masse), le dépôt d'un oxyde appartenant à la famille des OTC (Oxydes Transparents et Conducteurs), comme ITO, Sn02,... permet non seulement de protéger le maillage mais aussi d'améliorer la conductance globale de la métallisation. Le dépôt d'une résine transparente et conductrice, telle que la polyaniline, peut également être réalisé.
Enfin, la transparence optique de l'antenne peut également être améliorée en déposant à sa surface une couche antireflet (multicouche constitué alternativement de matériaux à fort et faible indice). Cela permettra de compenser les 8% environ de pertes de Fresnel sur les faces avant et arrière au niveau des ouvertures dans le maillage. De plus, cette couche antireflet participe aussi à la protection de l'antenne contre les agressions externes.
Une application que l'on fera d'une antenne conforme à un mode de réalisation possible de l'invention concerne les transmissions dans la bande de 1710 à 2170 MHz, mais l'invention n'est bien entendu aucunement limitée à cette gamme particulière de fréquences.

Claims

REVENDICATIONS
1. Antenne imprimée optiquement transparente comprenant un plan de masse (1 ) constitué par un maillage métallique dont le dimensionnement n'est pas uniforme, un plan de rayonnement comprenant un ou plusieurs éléments rayonnants (2), et un substrat diélectrique optiquement transparent (3) interposé entre le plan de masse et le plan de rayonnement, caractérisée en ce que le maillage du plan de masse présente, au niveau d'une première région (5) du plan de masse en vis-à vis d'une région du plan de rayonnement englobant un ou plusieurs éléments rayonnants et engendrant une forte activité électromagnétique, un premier dimensionnement resserré du maillage, le maillage s'aérant progressivement au voisinage de ladite première région pour gagner en transparence jusqu'à atteindre un second dimensionnement du maillage, plus large que le premier dimensionnement, au niveau d'une second région (7) du plan de masse en vis-vis d'une région du plan de rayonnement engendrant une faible activité électromagnétique.
2. Antenne selon la revendication 1 , dans laquelle une région intermédiaire (6) au moins est intercalée entre la première et la seconde région du plan de masse, ladite région intermédiaire présentant un dimensionnement du maillage intermédiaire entre le premier et le second dimensionnements du maillage.
3. Antenne selon l'une des revendications 1 à 2, dans laquelle le second dimensionnement du maillage assure un niveau de transparence d'au moins 90%.
4. Antenne selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle le premier dimensionnement du maillage assure un niveau de transparence d'au plus 70%.
5. Antenne selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant en outre une ligne d'alimentation micro-ruban (13-16) d'une pluralité d'éléments rayonnants (17-20), la ligne d'alimentation étant constituée par un maillage métallique de largeur constante.
6. Antenne selon la revendication 5, dans laquelle le dimensionnement du maillage métallique de la ligne d'alimentation micro-ruban (15, 16) est non uniforme le long de la ligne afin d'en modifier la résistance et ainsi pondérer l'alimentation d'un ou plusieurs éléments rayonnants (17-20) de ladite pluralité d'éléments rayonnants.
7. Antenne selon la revendication 6, dans laquelle le dimensionnement du maillage de la ligne d'alimentation est identique entre deux éléments rayonnants consécutifs le long de la ligne, et est modifiée au moins une fois le long de la ligne de manière à ce que la ligne apporte moins de puissance à l'élément rayonnant en bout de ligne qu'à l'élément rayonnant en début de ligne.
8. Antenne selon l'une des revendications 1 à 7, dans laquelle dans le maillage métallique du plan de masse présente des discontinuités (D) en bordure de l'antenne, les discontinuités augmentant progressivement au fur et à mesure que l'on se rapproche des bords de l'antenne.
9. Antenne selon la revendication 8, dans laquelle les discontinuités sont localisées le long des arêtes reliant entre eux les nœuds du maillage ou localisées au niveau des nœuds du maillage.
10. Antenne selon la revendication 8, dans laquelle les discontinuités sont d'une amplitude telle qu'elles engendrent une augmentation progressive du pas de maillage en bordure de l'antenne.
1 1 . Antenne selon l'une des revendications 1 à 10, dans laquelle une ligne d'alimentation d'un ou plusieurs éléments rayonnants et/ou la zone du plan de masse proche de ladite ligne d'alimentation sont constituées d'un maillage métallique très serré à opaque dans les zones à forte dissipation thermique.
12. Antenne selon l'une des revendications 1 à 11 , dans laquelle les éléments rayonnants et le maillage métallique du plan de masse sont réalisés sur un substrat transparent souple ou sur un substrat transparent rigide courbé dans le but d'épouser une surface conforme.
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