EP2692018B1 - Structure for antennas using metamaterials - Google Patents
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- EP2692018B1 EP2692018B1 EP12709129.6A EP12709129A EP2692018B1 EP 2692018 B1 EP2692018 B1 EP 2692018B1 EP 12709129 A EP12709129 A EP 12709129A EP 2692018 B1 EP2692018 B1 EP 2692018B1
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- H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
- H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
- H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials
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- H01Q15/0013—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective
- H01Q15/0026—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective said selective devices having a stacked geometry or having multiple layers
Definitions
- the field of the invention is that of electromagnetic waves, preferably in the range of Ultra High Frequencies (or “UHF” for “Ultra High Frequency” in English) (300 MHz to 3 GHz) and Microwave frequencies (3 GHz to 300 GHz ).
- the invention relates to a metamaterial structure comprising elementary blocks of metamaterial, and an antenna system (also hereinafter referred to as an antenna structure) using such a metamaterial structure as an antenna radome.
- the invention applies in particular, but not exclusively, to all antenna systems for which it is desired to increase the directivity and the antenna gain and to minimize rear and side radiation.
- the invention applies to antennas of RFID base stations in the UHF band
- metamaterials Recent years have seen a strong interest in metamaterials.
- the concept of metamaterial is well known and is discussed for example in the document JB Pendry, AJ Holden, Robbins DJ, and WJ Stewart, "Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena," IEEE Trans. Microw. Theory Tech., Vol. 47, no. 11, pp. 2075-2084, 1999 .
- metamaterials are by definition metallo-dielectric composite media. These are periodic structures, the constituent elements of which are metallic inclusions of very small dimensions in front of the wavelength ( ⁇ / 10).
- Electrical metamaterials are metamaterials that have electrical behavior and are likely to have a negative permittivity ( ⁇ ) in a given frequency spectrum.
- the most known electrical metamaterials are those formed by a network of metal rods.
- Magnetic metamaterials are metamaterials that have a magnetic behavior and are likely to have a negative ( ⁇ ) permeability in a given frequency spectrum.
- the most known magnetic metamaterials are those formed by a network of square or circular split ring resonators (or "SRR" for "Split Ring Resonator”).
- the left-hand materials are metamaterials that are likely to have a permittivity ( ⁇ ) and permeability ( ⁇ ) simultaneously negative in a given frequency spectrum.
- the best-known left-hand materials are those formed by the combination of a network of metal rods and a network of split-ring resonators. With such materials on the left hand, it is thus possible to obtain quite unusual propagation phenomena, such as opposite phase and group velocities, inverted doppler effects, a negative refractive index, etc.
- the figure 1 illustrates an example of an antenna system comprising a left-hand material radome based on split-ring resonators and conducting ribbons. For the sake of clarity, only one half of the antenna system is represented on the figure 1 .
- the radome 15 extends above the antenna 110.
- the radome 15 is separated from the antenna 110 by a volume 16 consisting, for example, of air or dielectric material and / or magnetic.
- the radome 15 includes a left hand material structure.
- the left-hand material structure comprises a plurality of elementary blocks 17 arranged in rows and columns in a matrix.
- Each elementary block 17 comprises a split ring resonator and a conductive strip.
- the figure 2 illustrates a possible example of an elementary block of left-hand material based on a split-ring resonator and conducting ribbon.
- the elementary block of left-hand material 20 comprises a first support 21 of dielectric material comprising an upper face 22 on which is disposed a split-ring resonator 24, and a lower face 23 on which a first linear metal ribbon 25 is arranged.
- the elementary block 20 comprises a second support 26 of dielectric material comprising a lower face 27 on which is disposed a second linear metal strip 28.
- the two supports 21 and 26 are separated by an air layer 29.
- the split ring resonator 24 comprises an inner split square 241 and an outer split square 242.
- the width of the slot of each square split is about 0.3mm.
- the width of the different metal tracks is about 0.3 mm.
- the spacing between the inner 241 and outer 242 split squares is about 0.3mm.
- the volume of an elementary block 20 is approximately 3.3 x 3.3 x 4.5 mm 3 and the periodicity of the metamaterial structure is approximately 3.63 mm in the plane and 4.5 mm deep. .
- the radome 15 acts as an electromagnetic wave diffraction device and makes it possible to increase the directivity and the gain of the antenna 101, while reducing the side lobe and rear radiation levels. This is particularly described in detail in the document Shah Nawaz Burokur, Mohamed Latrach, and Serge Toutain "Theoretical Investigation of a Circular Patch Antenna in the Presence of a Left-Handed Medium", IEEE Trans. Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol 4, pp. 183-186, 2005 .
- this left-hand material structure based on split ring resonators and conductive ribbons is that it only works with linear polarization antennas. In other words, this structure can not be used in circular polarization.
- the left-hand material structure (forming the antenna radome) is simple to implement, and that it has the lowest possible cost.
- the figure 3 illustrates an example of an elementary block of left-hand material based on S-shaped resonators (arranged on one side of a support made of dielectric material) and inverted S-shaped resonators (arranged on the other side of the support ).
- the particularity of this type of resonator 30 is that it has a double resonance, magnetic and electrical, without requiring the implementation of small slots and an additional network of metal rods.
- a left-hand material structure based on S-shaped resonators has a good simplicity of implementation.
- it has the disadvantage of not working in the case where the polarization of the antenna is circular.
- the invention in at least one embodiment, is intended in particular to overcome these various disadvantages of the state of the art.
- an objective is to provide a metamaterial structure having a simplicity of realization in industrial form, while being compatible with many applications.
- At least one particular embodiment of the invention aims to provide such a metamaterial structure that makes it possible to obtain an antenna radome.
- Another objective of at least one embodiment of the invention is to provide such an antenna radome which makes it possible to improve the radiation characteristics of an antenna, while reducing (or at least without increasing) its dimensions.
- Another objective of at least one embodiment of the invention is to provide such an antenna radome that is compatible with operation in linear and / or circular polarization.
- Another objective of at least one embodiment of the invention is to provide such an antenna radome which is adapted to antennas of RFID base stations in the UHF band.
- said first and second C-shaped conductive elements are identical.
- the first connector has a rectilinear shape
- each C-shaped conductive element is an arc whose center corresponds to the middle of the first connector.
- the media of the first and second connectors are superimposed.
- said first and second conductive units are superimposed with a 90 ° rotation of the first connector relative to the second connector.
- said first and second conductive units are identical.
- said first conductive unit comprises at least one active component.
- said second conductive unit comprises at least one active component.
- the metamaterial structure is such that it is adapted to operate in a frequency band from 860 MHz to 960 MHz.
- each of the inner and outer split squares is formed by a metal track of width approximately 1 mm and comprises a slot width of about 2 mm, the slits of the inner and outer split squares being aligned with each other.
- Each side of the inner split square measures about 17mm.
- Each side of the outer split square measures approximately 20mm.
- the spacing between the inner and outer split squares is about 0.5mm.
- said at least one elementary block comprises a rectilinear metal strip about 22 mm long and about 2 mm wide, disposed on the underside of the support, the slots of the inner and outer split squares being superimposed above said metal ribbon.
- the metamaterial structures according to the invention have negative permittivity and / or negative permeability in a given and relatively wide frequency spectrum. They can be used as an antenna radome to increase the directivity and gain of an antenna.
- the metamaterial structures according to the invention can be used in the range of UHF and microwave frequencies and for any type of antenna, and its manufacture remains simple.
- the figure 4 illustrates an example of an antenna system comprising a metamaterial radome according to a first embodiment of the invention.
- the antenna system 40 is configured and sized to operate in the UHF-RFID band.
- the UHF-RFID band extends from 860 MHz to 960 MHz.
- the figure 5 shows an example of antenna 401 according to the invention. This figure 5 illustrates an exemplary embodiment of the carrier structure 41 and the radiating element 42.
- the carrier structure 41 comprises a ground plane 51 printed on the underside of a first layer 52 of dielectric material.
- the carrier structure 41 comprises a second layer 54 of dielectric material which is separated from the first layer 52 of dielectric material by an air layer 53.
- the radiating element 42 is printed on the upper face of the second layer 54 of dielectric material.
- the radiating element 42 and the ground plane 51 are sized to operate in the UHF-RFID band.
- the radiating element 42 and the ground plane 51 are of square shape, the length (Lp) of the radiating element 42 being about 130 mm and the length (Lm) of the ground plane 51 being about 250mm.
- the radiating element 42 is fed via a conventional connector 55 of the SMA type.
- a conventional SMA connector includes a central blade with a length of about 15mm.
- the excitation of the radiating element 42 may be carried out according to various techniques among which may be mentioned the coaxial probe, the microband line, the coupling by proximity or the coupling by a slot.
- the first and second layers of dielectric material 52 and 54 each comprise a FR4-type epoxy layer.
- each FR4 epoxy layer has a height of 1.6 mm. Which is advantageous in terms of cost.
- the FR4 epoxy layers can be replaced by layers of air (this in particular makes it possible to reduce the production costs and to lighten the structure) or other types of substrates.
- the height of the antenna must be less than 15mm (height of the SMA connector), the height of the air layer 53 is 11.2mm.
- the total height of the antenna is 14.4mm.
- the square radiating element 42 is capable of operating in both linear and circular polarization (depending on the location of the excitation device 55).
- the HFSS (registered trademark) software was used to simulate the performance in terms of reflection coefficient (denoted S11) and gain of the antenna 401 (without radome) of the figure 5 in linear polarization ( Figures 7a and 7b ) and in circular polarization ( Figures 8a and 8b ).
- the figure 7a presents the curve 71 of the reflection coefficient of the antenna of the figure 5 in linear polarization for the frequency band from 800 MHz to 1 GHz.
- the figure 7b presents the curve 72 of gain of the antenna of the figure 5 in linear polarization for the frequency band from 800 MHz to 1 GHz.
- the antenna 401 of the figure 5 in linear polarization has a resonance frequency at about 883 MHz and a maximum gain of about 10 dBi.
- the figure 8a presents the curve 81 of the reflection coefficient of the antenna of the figure 5 in circular polarization for the frequency band from 800 MHz to 1 GHz.
- the figure 8b presents the curve 82 of gain of the antenna 401 of the figure 5 in circular polarization for the frequency band from 800 MHz to 1 GHz.
- the antenna of the figure 5 in circular polarization has a resonance frequency at about 881 MHz and a maximum gain of about 9.5 dBi.
- the radome 43 comprises a metamaterial structure according to the invention.
- This metamaterial structure comprises a plurality of elementary blocks according to the invention.
- the elementary block of metamaterial 60 comprises a support 61 of dielectric material of square shape and side about 45mm.
- the radome 43 is in the form of a 5x5 matrix, each cell of which comprises the elementary block of metamaterial 60.
- the radome 43 may be in the form of a sphere cap, a cone or a cylinder.
- the elementary blocks of metamaterial according to the invention can be inserted in or can constitute the substrate of the radiating element.
- the support 61 has a height (hsub) of about 1.6mm.
- the elementary metamaterial block 60 comprises an electrically conductive unit 62 printed on the upper face of the support 61.
- the printing of the conductive unit 62 on the support 61 is easily obtained by the implementation of photolithography techniques. In this way, manufacturing costs are reduced. Of course, other printed circuit printing techniques can be implemented.
- the first and second conductive members 621 and 622 are arranged with respect to each other such that the first and third ends E1 and E3 face each other and are separated by a gap (g), and the second and fourth ends E2 and E4 face each other and are separated by a space (g).
- the connector 623 is configured to connect the first end E1 to the fourth end E4.
- the connector 623 is a straight metal strip.
- the connector 623 can take a curved or meandering shape.
- the connector 623 may be configured to connect the second end E2 to the third end E3.
- the width of each of the first and second conductive elements 621 and 622 and the connector 623 is approximately 1 mm.
- first and second conductive elements 621 and 622 are identical. Each conductive element 621 and 622 is an arc whose center corresponds to the middle of the connector 623.
- first and second conductive elements 621 and 622 may be different, that is to say they may have different dimensions and C-curves. For example, they may come from two circles of different centers.
- the operating frequency may vary, which is a means of adjustment according to the desired working frequency.
- first and second conductive members 621 and 622 are spaced approximately 20mm apart.
- the spaces between the first and third ends E1 and E3, and the second and fourth ends E2 and E4 may be different.
- first and third ends E1 and E3 may be spaced about 40mm and the second and fourth ends E2 and E4 of about 10mm.
- the operating frequency may vary, which is a means of adjustment according to the desired working frequency. It is conceivable to place in these spaces (or gaps) varicaps diodes connecting the ends E2 to E4 and / or E1 to E3, and / or at the level of the connector ribbon 623. This makes it possible to make the antenna system agile in frequency.
- HFSS software has been used to simulate the performances in terms of permittivity ( ⁇ ) and permeability ( ⁇ ) of a network made up of elementary blocks of metamaterial 60 according to the first embodiment of the invention ( described in relation to the figure 6 ).
- the figure 9 presents the curves of the real parts of permittivity 91 and permeability 92 of a network constituted by elementary blocks of metamaterial of the figure 6 for the frequency band from 500 MHz to 1 GHz.
- the network of elementary blocks of metamaterial of the figure 6 has a positive permeability in the 500 MHz band at 1 GHz and a negative permittivity for frequencies in the 690 MHz to 1 GHz band.
- the permittivity of the metamaterial according to the first embodiment of the invention is negative. in a frequency band of about 0.5 GHz instead of 0.1 GHz.
- the use of the metamaterial according to the first embodiment of the invention therefore implies a better system stability and consequently a flexibility in precision of realization.
- the HFSS (registered trademark) software was used to simulate the performance in terms of reflection coefficient (denoted S11) and gain of the antenna system 40 of the figure 4 in linear polarization ( Figures 10a and 10b ) and in circular polarization ( Figures 11a and 11b ).
- the radome 43 is placed at a distance of about 120 mm (that is to say approximately ⁇ 0/3 ) from the radiating element 42.
- the figure 10a presents the curve 101 of the reflection coefficient of the antenna system 40 of the figure 4 in linear polarization for the frequency band from 800 MHz to 1 GHz.
- the curve 71 of the reflection coefficient of the antenna 401 (without radome) of the figure 5 in linear polarization is improved.
- the figure 10b presents the gain curve 102 of the antenna system 40 of the figure 4 in linear polarization for the frequency band from 800 MHz to 1 GHz.
- the gain curve 72 of the antenna 401 (without radome) of the figure 5 in linear polarization we have shown on the figure 10b the gain curve 72 of the antenna 401 (without radome) of the figure 5 in linear polarization.
- the antenna system 40 of the figure 4 in linear polarization has a resonance frequency at about 889 MHz and a maximum gain of about 12.5 dBi.
- the radome 43 thus makes it possible to increase the overall gain of the antenna in linear polarization by approximately 2 dBi.
- the figure 11a presents the curve 111 of the reflection coefficient of the antenna system 40 of the figure 4 in circular polarization for the frequency band from 800 MHz to 1 GHz.
- the curve 81 of the reflection coefficient of the antenna 401 (without radome) of the figure 5 in circular polarization is improved.
- the figure 11b presents the gain curve 112 of the antenna system 40 of the figure 4 in circular polarization for the frequency band from 800 MHz to 1 GHz.
- the curve 82 of gain of the antenna 401 (without radome) of the figure 5 in circular polarization we have shown on the figure 11b the curve 82 of gain of the antenna 401 (without radome) of the figure 5 in circular polarization.
- the antenna system 40 of the figure 4 in circular polarization has a resonance frequency at about 889 MHz and a maximum gain of about 10.3 dBi.
- the radome 43 thus makes it possible to increase the overall gain of the antenna in circular polarization by approximately 1 dBi.
- the radome 43 can be oriented with respect to the antenna 401 according to an orientation angle determined according to the desired increase in gain in the plane ⁇ and / or ⁇ .
- the radome 43 is oriented at an angle of orientation of + 45 ° with respect to the antenna 401.
- the gain increase is approximately 2 dBi according to ⁇ .
- the radome 43 is oriented at an angle of orientation of -45 ° relative to the antenna 401.
- the gain increase is about 2dBi according to ⁇ .
- the conductive unit 62 may comprise one or more active components (semiconductor components) such as, for example, varicaps diodes.
- the antenna system 40 may therefore comprise a device for dynamically controlling such active components.
- a voltage control device for varicap diodes it will be possible to envisage a voltage control device for varicap diodes.
- the figure 12 illustrates an example of an antenna system comprising a metamaterial radome according to a second embodiment of the invention.
- the carrier structure 122 and the radiating element 123 are respectively identical to the supporting structure 41 and the radiating element 42 described above in relation to the figures 4 and 5 . These elements are therefore not described again below.
- the radome 121 comprises a metamaterial structure.
- This metamaterial structure comprises a plurality of elementary blocks according to the invention.
- the elementary block of metamaterial 130 comprises a support 131 made of dielectric material of square shape and side of about 45mm.
- the radome 121 is in the form of a 5x5 matrix, each cell of which comprises the elementary block of metamaterial 130.
- this example is not limiting.
- the radome 121 may be in the form of a sphere cap, a cone or a cylinder.
- the support 131 has a height (h sub ) of about 1.6mm. Note that this height is one of the parameters on which it is possible to intervene to change the frequency of operation of the system if necessary.
- the elementary block of metamaterial 130 comprises a first electrically conductive unit 132 printed on the upper face of the support 131, and a second electrically conductive unit 133 printed on the underside of the support 131.
- the printing of the conductive units 132 and 133 on the support 131 is obtained by the implementation of photolithography techniques. In this way, manufacturing costs are reduced. Of course, other printed circuit printing techniques can be implemented.
- the first and second conductive members 1321 and 1322 are arranged relative to each other so that the first and third ends E11 and E13 face each other and are separated by a gap, and the second and fourth ends E12 and E14 face each other and are separated by a space (g).
- the connector 1323 is configured to connect the first end E11 to the fourth end E14.
- the connector 1323 has a rectilinear shape.
- the connector can take a shape curved or meandering.
- the connector 1323 may be configured to connect the second end E12 to the third end E13.
- the third and fourth conductive members 1331 and 1332 are arranged relative to each other so that the fifth and seventh ends E15 and E17 face each other and are separated by a gap (g), and the sixth and fourth ends eighth ends E16 and E18 face each other and are separated by a space (g).
- the connector 1333 is configured to connect the fifth end E15 to the eighth end E18.
- the connector 1333 has a rectilinear shape.
- the connectors 1323 and 1333 are arranged relative to each other so that they are superimposed in their middle A. In other words, the media of the connectors 1323 and 1333 are superimposed.
- the connector 1323 forms an angle ⁇ with the connector 1333.
- the first and second conductive units 132 and 133 are superimposed with a 90 ° rotation of the first connector relative to the second connector.
- the angle ⁇ can take a value between 10 ° and 170 °.
- the width of each of the conductive elements and connectors is about 1 mm. Note that this width is one of the parameters on which it is possible to intervene to change the operating frequency of the system if necessary.
- first and second conductive units 132 and 133 are identical. As can be seen, the conductive elements 1321 and 1322 of the first conductive unit 132 and the conductive elements 1331 and 1332 of the second conductive unit 133 overlap at certain locations B, C, D and E. These overlaps have the effect of decreasing the operating frequency of the system.
- the first and second conductive units 132 and 133 may have different dimensions such that, for example, the second conductive unit 133 extends inside the first conductive unit 132.
- Another alternative embodiment may consist of placing or printing on the same face of the support (substrate) dielectric or magnetic two concentric conductive units or of different dimensions.
- the ends of the first and second conductive members 1321 and 1322 are spaced a distance (g) of about 20mm, and the ends of the third and fourth conductive members 1331 and 1332 are spaced a distance (g) of about 20mm.
- the operating frequency may vary, which is a means of adjustment according to the desired working frequency.
- the radome 121 is placed at a distance of approximately 80 mm (that is to say approximately ⁇ 0/4 ) from the radiating element 123.
- the figure 14a presents the curve 141 of the reflection coefficient of the antenna system 120 of the figure 12 in circular polarization for the frequency band from 840 MHz to 1 GHz.
- the curve 81 of the reflection coefficient of the antenna 401 (without radome) of the figure 5 in circular polarization is improved.
- the figure 14b presents the gain curve 142 of the antenna system 120 of the figure 12 in circular polarization for the frequency band from 840 MHz to 1 GHz.
- the curve 82 of gain of the antenna 401 (without radome) of the figure 5 in circular polarization we have shown on the figure 14b the curve 82 of gain of the antenna 401 (without radome) of the figure 5 in circular polarization.
- the antenna system 120 of the figure 12 in circular polarization has a resonance frequency at about 907 MHz and a maximum gain of about 10.7 dBi.
- the radome 121 thus makes it possible to increase the overall gain of the antenna in circular polarization by approximately 1 dBi.
- the radome 121 (comprising a single conductive unit on the upper face of the support) makes it possible to make the circular polarization of the perfect antenna.
- Radomes are already known in left hand material capable of operating in the X band or the UHF high band (that is to say for frequencies greater than 2GHz). However, to date, there are no solutions for the low UHF band (that is for frequencies below 2GHz).
- the figure 15 illustrates an example of an antenna system comprising a left-hand material radome optimized for the UHF-RFID band. For the sake of clarity, only one half of the antenna system is represented on the figure 15 .
- the carrier structure 162 and the radiating element 163 are respectively identical to the carrier structure 41 and the radiating element 42 described above in relation to the examples of the figures 4 and 5 . These elements are therefore not described again below.
- the radome 161 includes a left-hand material structure optimized for the UHF-RFID band.
- This left-hand material structure comprises a plurality of elementary blocks 170 arranged in rows and columns in a matrix.
- the figure 16 illustrates an elementary block of left-hand material optimized for the UHF-RFID band.
- the elementary block of left-hand material 170 comprises a support 171 made of dielectric material comprising an upper face 172 on which is disposed a split-ring resonator 174, and a lower face 173 on which a linear metal strip 175 is arranged.
- the support 171 is of square shape. Of course, it may be of another form (rectangular, circular, ..., following the shape of the split ring resonator). Each side of the square measures approximately 22mm.
- the support 171 has a height (hsub) of about 1.6 mm but can be of different size.
- the split ring resonator 174 comprises an inner split square 1741 and an outer split square 1742.
- the inner split square 1741 is formed by a metal track with a width of about 1 mm. Each side of the inner split square 1741 measures about 17mm.
- the inner split square 1741 includes a slot whose width is about 2mm.
- the spacing between the inner 1741 and outer 1742 split squares is about 0.5mm.
- the outer split square 1742 is formed by a metal track of approximately 1mm width. Each side of the outer split square 1742 measures about 20mm.
- the outer split square 1742 comprises a slot whose width is substantially equal to that of the slot of the inner split square 1741, that is to say about 2mm.
- the slits of the inner 1741 and outer 1742 split squares are aligned with each other.
- the straight metal strip 175 has a length substantially equal to that of the support 171, that is to say about 22 mm, and a width substantially equal to that of the slots, that is to say about 2 mm.
- the HFSS (registered trademark) software was used to extract the permittivity ( ⁇ ) and permeability ( ⁇ ) parameters of a network made up of elementary blocks of left-hand material 170.
- the figure 17 presents the curves of the real parts of permittivity 181, of permeability 182 and of the refractive index of a network made up of elementary blocks 170 of the figure 16 for the frequency band from 500 MHz to 1 GHz.
- the network consists of elementary blocks of material left hand of the figure 16 simultaneously exhibits negative permeability and permittivity for frequencies in the 790 MHz to 920 MHz band.
- the radome 161 is placed at a distance of approximately 80 mm (that is to say approximately ⁇ 0/4 ) from the radiating element 163.
- the figure 18a presents the curve 191 of the reflection coefficient of the antenna system 160 of the figure 15 in linear polarization for the frequency band from 840 MHz to 1 GHz.
- the curve 81 of the reflection coefficient of the antenna 401 (without radome) of the figure 5 in linear polarization we have shown on the figure 18a the curve 81 of the reflection coefficient of the antenna 401 (without radome) of the figure 5 in linear polarization.
- the figure 18b presents the gain curve 192 of the antenna system 160 of the figure 15 in linear polarization for the frequency band from 840 MHz to 1 GHz.
- the curve 82 of gain of the antenna 401 (without radome) of the figure 5 in linear polarization we have shown on the figure 18b the curve 82 of gain of the antenna 401 (without radome) of the figure 5 in linear polarization.
- the antenna system 160 of the figure 15 in linear polarization has a resonance frequency at about 918 MHz and a maximum gain about 13.2 dBi.
- the radome 161 thus makes it possible to increase the overall gain of the antenna in linear polarization by approximately 3 dBi.
- the figure 19 illustrates an example of an antenna system comprising a metamaterial radome based on split resonator optimized for the UHF-RFID band. For the sake of clarity, only one half of the antenna system is represented on the figure 19 .
- the radiating element 2003 and the ground plane 2004 are sized to operate in the UHF-RFID band.
- the length of the radiating element 2003 is about 75mm and the length of the ground plane 2004 is about 225mm.
- the figure 20 presents the 2100 gain curve of the antenna of the figure 19 , in the absence of a radome, in linear polarization for the frequency band from 800 MHz to 1 GHz.
- the 2001 radome includes a split resonator network optimized for the UHF-RFID band.
- the figure 21 illustrates an elementary block comprising a split resonator optimized for the UHF-RFID band
- the elementary block 2200 comprises a support 2201 of dielectric material comprising an upper face 2202 on which is disposed a split ring resonator 2204.
- the support 2201 is of square shape. Of course, it may be of another form (rectangular, circular, ..., following the shape of the split ring resonator). Each side of the square measures approximately 22mm.
- the support 2201 has a height (hsub) of about 1.6mm.
- the split ring resonator 2204 comprises an inner split square 22041 and an outer split square 22042.
- the inner split square 22041 is formed by a metal track with a width of about 1 mm. Each side of the split square inside 22041 measures about 17mm.
- the inner split square 22041 includes a slot whose width is about 2mm.
- the spacing between the split inner 22041 and outer 22042 split is about 0.5mm.
- the outer split square 22042 is formed by a metal track of approximately 1mm width. Each side of the outer split square 22042 measures about 20mm.
- the outer split square 22042 comprises a slot whose width is substantially equal to that of the slot of the inner split square 22041, that is to say about 2mm.
- the slits of the inner split and the outer split 22041 are aligned with each other.
- the HFSS (registered trademark) software was used to extract the permittivity ( ⁇ ) and permeability ( ⁇ ) parameters of a network made up of elementary blocks of left-hand material 170.
- the figure 22 presents the curves of the real portions of permittivity 2301 and permeability 2302 of a network constituted by elementary blocks 2200 of the figure 21 for the frequency band from 500 MHz to 1 GHz.
- the network of elementary blocks of the figure 21 has a negative permeability for frequencies in the 820 MHz to 900 MHz band.
- the radome 2001 is placed at a distance of about 40 mm (that is to say approximately ⁇ 0/8 ) from the radiating element 2003.
- the figure 23 presents the gain curve 2402 of the antenna system 2000 of the figure 19 in linear polarization for the frequency band from 840 MHz to 1 GHz. For ease of comparison, we have shown on the figure 23 the antenna gain curve 2100 2005 (without radome) in linear polarization.
- the antenna system 2000 of the figure 19 in linear polarization has a resonance frequency at about 940 MHz and a maximum gain of about 8.2 dBi.
- the radome 2001 thus makes it possible to increase the overall gain of the antenna in linear polarization by approximately 2.4 dBi.
- the antennal structure (also referred to above antenna system) may consist of a radiating element, a ground plane and a metamaterial radome of parallelepiped shape or spherical plain or hollow cap.
- a radome is transparent to electromagnetic waves.
- the radiating element may be in planar structure, wire or volume, and any geometric shape.
- the radiating element may be separated from the ground plane by a volume which may consist of air, dielectric and / or magnetic materials.
- the antenna structure may not have a ground plane.
- a second metamaterial radome according to the invention.
- This second radome extends below the element radiating and is placed at the same distance from the radiating element as the first radome (extending above the radiating element).
- the metamaterial radome may be in the form of a cylinder (the radiating element extending inside the cylinder). This radome is therefore well suited to the case of a wired half-wave antenna or a helix antenna.
- the metamaterial radome according to the invention can be positioned vertically or perpendicularly to the plane of the radiating element.
- the metamaterial radome according to the invention is positioned vertically in the plane of the radiating element ( figure 24 )
- the circular polarization is perfect.
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Description
Le domaine de l'invention est celui des ondes électromagnétiques, préférentiellement dans la gamme des Ultra hautes fréquences (ou « UHF » pour « Ultra high frequency » en anglais) (300 MHz à 3 GHz) et des hyperfréquences (3 GHz à 300 GHz).The field of the invention is that of electromagnetic waves, preferably in the range of Ultra High Frequencies (or "UHF" for "Ultra High Frequency" in English) (300 MHz to 3 GHz) and Microwave frequencies (3 GHz to 300 GHz ).
Plus précisément, l'invention concerne une structure de métamatériau comprenant des blocs élémentaires de métamatériau, ainsi qu'un système antenne (aussi appelé ci-après structure antennaire) utilisant une telle structure de métamatériau comme radôme d'antenne.More specifically, the invention relates to a metamaterial structure comprising elementary blocks of metamaterial, and an antenna system (also hereinafter referred to as an antenna structure) using such a metamaterial structure as an antenna radome.
L'invention s'applique notamment, mais non exclusivement, à tous les systèmes antennes pour lesquels on cherche à augmenter la directivité et le gain d'antenne et minimiser les rayonnements arrière et latéraux. Par exemple, l'invention s'applique aux antennes de stations de base RFID dans la bande UHFThe invention applies in particular, but not exclusively, to all antenna systems for which it is desired to increase the directivity and the antenna gain and to minimize rear and side radiation. For example, the invention applies to antennas of RFID base stations in the UHF band
La réduction de l'encombrement des systèmes antennes, la recherche de l'amélioration des performances de rayonnement et la diminution des coûts de fabrication mènent les concepteurs de ces systèmes à développer des nouveaux matériaux.The reduction in the congestion of antenna systems, the search for the improvement of radiation performance and the reduction of manufacturing costs lead the designers of these systems to develop new materials.
Ces dernières années ont vu un important intérêt pour les métamatériaux. La notion de métamatériau est bien connue et est discutée par exemple dans le document
On rappelle simplement que les métamatériaux sont par définition des milieux composites métallo-diélectriques. Ce sont des structures périodiques, dont les éléments constitutifs sont des inclusions métalliques de dimensions très petites devant la longueur d'onde (< λ/10).It is simply recalled that metamaterials are by definition metallo-dielectric composite media. These are periodic structures, the constituent elements of which are metallic inclusions of very small dimensions in front of the wavelength (<λ / 10).
Il existe plusieurs types de structures métamatériaux.There are several types of metamaterial structures.
Les métamatériaux électriques sont des métamatériaux qui ont un comportement électrique et qui sont susceptibles de présenter une permittivité (ε) négative dans un spectre de fréquences donné. Les métamatériaux électriques les plus connus sont ceux formés par un réseau de tiges métalliques.Electrical metamaterials are metamaterials that have electrical behavior and are likely to have a negative permittivity (ε) in a given frequency spectrum. The most known electrical metamaterials are those formed by a network of metal rods.
Les métamatériaux magnétiques sont des métamatériaux qui ont un comportement magnétique et qui sont susceptibles de présenter une perméabilité (µ) négative dans un spectre de fréquences donné. Les métamatériaux magnétiques les plus connus sont ceux formés par un réseau de résonateurs en anneau fendu carré ou circulaire (ou « SRR » pour « Split Ring Resonator » en anglais).Magnetic metamaterials are metamaterials that have a magnetic behavior and are likely to have a negative (μ) permeability in a given frequency spectrum. The most known magnetic metamaterials are those formed by a network of square or circular split ring resonators (or "SRR" for "Split Ring Resonator").
Les matériaux main gauche (ou « LHM » pour « Left-Handed Materials » en anglais) sont des métamatériaux qui sont susceptibles de présenter une permittivité (ε) et une perméabilité (µ) simultanément négatives dans un spectre de fréquences donné. Les matériaux main gauche les plus connus sont ceux formés par la combinaison d'un réseau de tiges métalliques et d'un réseau de résonateurs en anneau fendu. Avec de tels matériaux main gauche, on peut ainsi obtenir des phénomènes de propagation tout à fait insolites comme des vitesses de phase et de groupe opposées, des effets doppler inversés, un indice de réfraction négatif...The left-hand materials (or "LHM" for "Left-Handed Materials" in English) are metamaterials that are likely to have a permittivity (ε) and permeability (μ) simultaneously negative in a given frequency spectrum. The best-known left-hand materials are those formed by the combination of a network of metal rods and a network of split-ring resonators. With such materials on the left hand, it is thus possible to obtain quite unusual propagation phenomena, such as opposite phase and group velocities, inverted doppler effects, a negative refractive index, etc.
Dans le domaine des ondes électromagnétiques, il a été proposé d'utiliser de tels matériaux main gauche comme radôme d'antenne.In the field of electromagnetic waves, it has been proposed to use such materials left hand as antenna radome.
La
Le système antenne 10 comprend :
- une
antenne 110 comprenant :- o une structure porteuse 11 comprenant une masse 12 (ou plan de masse) et une
couche 13 de matériau diélectrique et/ou magnétique disposée sur lamasse 12 ; - o un élément rayonnant 14 disposé sur la structure porteuse 11 ; et
- o une structure porteuse 11 comprenant une masse 12 (ou plan de masse) et une
- un
radôme 15.
- an
antenna 110 comprising:- a
carrier structure 11 comprising a mass 12 (or ground plane) and alayer 13 of dielectric and / or magnetic material disposed on theground 12; - a radiating
element 14 disposed on the supportingstructure 11; and
- a
- a
radome 15.
Le radôme 15 s'étend au-dessus de l'antenne 110. Le radôme 15 est séparé de l'antenne 110 par un volume 16 constitué, par exemple, d'air ou de matériau diélectrique et/ou magnétique.The
Le radôme 15 comprend une structure de matériau main gauche. La structure de matériau main gauche comprend une pluralité de blocs élémentaires 17 disposés en rangés et colonnes selon une matrice. Chaque bloc élémentaire 17 comprend un résonateur en anneau fendu et un ruban conducteur.The
La
Le bloc élémentaire de matériau main gauche 20 comprend un premier support 21 en matériau diélectrique comprenant une face supérieure 22 sur laquelle est disposé un résonateur en anneau fendu 24, et une face inférieure 23 sur laquelle est disposé un premier ruban 25 métallique linéaire. Le bloc élémentaire 20 comprend un deuxième support 26 en matériau diélectrique comprenant une face inférieure 27 sur laquelle est disposé un deuxième ruban 28 métallique linéaire. Les deux supports 21 et 26 sont séparés par une couche d'air 29.The elementary block of left-
Le résonateur en anneau fendu 24 comprend un carré fendu intérieur 241 et un carré fendu extérieur 242. A titre d'exemple, pour un fonctionnement en bande X (8,2 GHz à 12,4 GHz) la largeur de la fente de chaque carré fendu est d'environ 0,3mm. La largeur des différentes pistes métalliques (résonateur en anneau fendu et rubans métalliques) est d'environ 0,3 mm. L'espacement entre les carrés fendus intérieur 241 et extérieur 242 est d'environ 0,3mm. Le volume d'un bloc élémentaire 20 est d'environ 3,3 x 3,3 x 4,5 mm3 et la périodicité de la structure métamatériau est d'environ 3,63 mm dans le plan et 4,5 mm en profondeur.The
La radôme 15 joue le rôle d'un dispositif de diffraction d'ondes électromagnétiques et permet d'augmenter la directivité et le gain de l'antenne 101, tout en réduisant les niveaux de lobes secondaires et de rayonnement arrière. Ceci est notamment décrit en détail dans le document
Toutefois, cette structure de matériau main gauche à base de résonateurs en anneau fendu et de rubans conducteurs présente plusieurs inconvénients.However, this left-hand material structure based on split-ring resonators and conductive ribbons has several disadvantages.
Un des inconvénients de cette structure de matériau main gauche à base de résonateurs en anneau fendu et de rubans conducteurs est qu'elle ne fonctionne qu'avec des antennes en polarisation linéaire. En d'autres termes, cette structure n'est pas utilisable en polarisation circulaire.One of the disadvantages of this left-hand material structure based on split ring resonators and conductive ribbons is that it only works with linear polarization antennas. In other words, this structure can not be used in circular polarization.
Par ailleurs, il est souhaitable que la structure de matériau main gauche (formant le radôme d'antenne) soit simple à réaliser, et qu'il ait un coût le plus faible possible.Furthermore, it is desirable that the left-hand material structure (forming the antenna radome) is simple to implement, and that it has the lowest possible cost.
Plusieurs solutions dans ce sens ont été proposées.Several solutions in this direction have been proposed.
Une solution connue est décrite dans le document de brevet
La
Ainsi, une structure de matériau main gauche à base de résonateurs en forme de S présente une bonne simplicité de réalisation. En revanche, elle présente l'inconvénient de ne pas fonctionner dans le cas où la polarisation de l'antenne est circulaire.Thus, a left-hand material structure based on S-shaped resonators has a good simplicity of implementation. On the other hand, it has the disadvantage of not working in the case where the polarization of the antenna is circular.
L'invention, dans au moins un mode de réalisation, a notamment pour objectif de pallier ces différents inconvénients de l'état de la technique.The invention, in at least one embodiment, is intended in particular to overcome these various disadvantages of the state of the art.
Plus précisément, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un objectif est de fournir une structure de métamatériau présentant une simplicité de réalisation sous forme industrielle, tout en étant compatible avec de nombreuses applications.More specifically, in at least one embodiment of the invention, an objective is to provide a metamaterial structure having a simplicity of realization in industrial form, while being compatible with many applications.
Au moins un mode de réalisation particulier de l'invention a pour objectif de fournir une telle structure de métamatériau qui permette d'obtenir un radôme d'antenne.At least one particular embodiment of the invention aims to provide such a metamaterial structure that makes it possible to obtain an antenna radome.
Un autre objectif d'au moins un mode de réalisation de l'invention est de fournir un tel radôme d'antenne qui permette d'améliorer les caractéristiques de rayonnement d'une antenne, tout en réduisant (ou tout du moins sans augmenter) ses dimensions.Another objective of at least one embodiment of the invention is to provide such an antenna radome which makes it possible to improve the radiation characteristics of an antenna, while reducing (or at least without increasing) its dimensions.
Un autre objectif d'au moins un mode de réalisation de l'invention est de fournir un tel radôme d'antenne qui soit compatible avec un fonctionnement en polarisation linéaire et/ou circulaire.Another objective of at least one embodiment of the invention is to provide such an antenna radome that is compatible with operation in linear and / or circular polarization.
Un autre objectif d'au moins un mode de réalisation de l'invention est de fournir un tel radôme d'antenne qui soit adapté aux antennes de stations de base RFID dans la bande UHFAnother objective of at least one embodiment of the invention is to provide such an antenna radome which is adapted to antennas of RFID base stations in the UHF band.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, il est proposé une structure de métamatériau comprenant au moins un bloc élémentaire comprenant un support en matériau diélectrique, ledit support comprenant une face supérieure et une face inférieure. Ledit au moins un bloc élémentaire est tel qu'il comprend une première unité électriquement conductrice disposée sur la face supérieure du support et comprenant :
- un premier élément conducteur en forme de C comprenant des première et deuxième extrémités ;
- un deuxième élément conducteur en forme de C comprenant des troisième et quatrième extrémités, lesdits premier et deuxième éléments conducteurs étant agencés l'un par rapport à l'autre de telle sorte que les première et troisième extrémités se font face et sont séparées par un premier espace, et les deuxième et quatrième extrémités se font face et sont séparées par un deuxième espace ;
- un premier connecteur configuré pour connecter la première extrémité à la quatrième extrémité.
- a first C-shaped conductive element comprising first and second ends;
- a second C-shaped conductive element comprising third and fourth ends, said first and second conductive elements being arranged with respect to each other so that the first and third ends face each other and are separated by a first space, and the second and fourth extremities face each other and are separated by a second space;
- a first connector configured to connect the first end to the fourth end.
De façon avantageuse, lesdits premier et deuxième éléments conducteurs en forme de C sont identiques.Advantageously, said first and second C-shaped conductive elements are identical.
Avantageusement, le premier connecteur a une forme rectiligneAdvantageously, the first connector has a rectilinear shape
De façon avantageuse, chaque élément conducteur en forme de C est un arc de cercle dont le centre correspond au milieu du premier connecteur.Advantageously, each C-shaped conductive element is an arc whose center corresponds to the middle of the first connector.
Avantageusement, ledit au moins un bloc élémentaire comprend une deuxième unité électriquement conductrice disposée sur la face inférieure du support et comprenant :
- un troisième élément conducteur en forme de C comprenant des cinquième et sixième extrémités ;
- un quatrième élément conducteur en forme de C comprenant des septième et huitième extrémités, lesdits troisième et quatrième éléments conducteurs étant agencés l'un par rapport à l'autre de telle sorte que les cinquième et septième extrémités se font face et sont séparées par un troisième espace, et les sixième et huitième extrémités se font face et sont séparées par un quatrième espace ;
- un deuxième connecteur configuré pour connecter la cinquième extrémité à la huitième extrémité.
- a third C-shaped conductive element comprising fifth and sixth ends;
- a fourth C-shaped conductor element comprising seventh and eighth ends, said third and fourth conductive elements being arranged with respect to each other so that the fifth and seventh ends face each other and are separated by a third space, and the sixth and eighth extremities face each other and are separated by a fourth space;
- a second connector configured to connect the fifth end to the eighth end.
De façon avantageuse, les milieux des premier et deuxième connecteurs sont superposés.Advantageously, the media of the first and second connectors are superimposed.
Avantageusement, lesdites première et deuxième unités conductrices sont superposées avec une rotation de 90° du premier connecteur par rapport au deuxième connecteur.Advantageously, said first and second conductive units are superimposed with a 90 ° rotation of the first connector relative to the second connector.
De façon avantageuse, lesdites première et deuxième unités conductrices sont identiques.Advantageously, said first and second conductive units are identical.
Avantageusement, ladite première unité conductrice comprend au moins un composant actif.Advantageously, said first conductive unit comprises at least one active component.
Avantageusement, ladite deuxième unité conductrice comprend au moins un composant actif.Advantageously, said second conductive unit comprises at least one active component.
Dans un autre mode de réalisation, l'invention concerne une structure de métamatériau comprenant au moins un bloc élémentaire comprenant :
- un support en matériau diélectrique, ledit support comprenant une face supérieure et une face inférieure ;
- un résonateur en anneau fendu disposé sur la face supérieure du support et comprenant un carré fendu intérieur et un carré fendu extérieur entourant ledit carré fendu intérieur.
- a support of dielectric material, said support comprising an upper face and a lower face;
- a split ring resonator disposed on the upper face of the support and comprising an inner split square and an outer split square surrounding said inner split square.
La structure de métamatériau est telle qu'elle est adaptée pour fonctionner dans une bande de fréquence allant de 860 MHz à 960 MHz.The metamaterial structure is such that it is adapted to operate in a frequency band from 860 MHz to 960 MHz.
Avantageusement, chacun des carrés fendus intérieur et extérieur est formé par une piste métallique de largeur d'environ 1mm et comprend une fente de largeur d'environ 2mm, les fentes des carrés fendus intérieur et extérieur étant alignées l'une par rapport à l'autre. Chaque côté du carré fendu intérieur mesure environ 17mm. Chaque côté du carré fendu extérieur mesure environ 20mm. L'espacement entre les carrés fendus intérieur et extérieur est d'environ 0,5mm.Advantageously, each of the inner and outer split squares is formed by a metal track of width approximately 1 mm and comprises a slot width of about 2 mm, the slits of the inner and outer split squares being aligned with each other. Each side of the inner split square measures about 17mm. Each side of the outer split square measures approximately 20mm. The spacing between the inner and outer split squares is about 0.5mm.
De façon avantageuse, ledit au moins un bloc élémentaire comprend un ruban métallique rectiligne de longueur d'environ 22mm et de largeur d'environ 2mm, disposé sur la face inférieure du support, les fentes des carrés fendus intérieur et extérieur étant superposées au-dessus dudit ruban métallique.Advantageously, said at least one elementary block comprises a rectilinear metal strip about 22 mm long and about 2 mm wide, disposed on the underside of the support, the slots of the inner and outer split squares being superimposed above said metal ribbon.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels :
- la
figure 1 , décrite ci-dessus en relation avec l'art antérieur, illustre un exemple d'un système antenne comprenant un radôme en matériau main gauche à base de résonateurs en anneau fendu et de rubans conducteurs ; - la
figure 2 , décrite ci-dessus en relation avec l'art antérieur, illustre un exemple d'un bloc élémentaire de matériau main gauche à base de résonateur en anneau fendu ; - la
figure 3 , décrite ci-dessus en relation avec l'art antérieur, illustre un exemple d'un bloc élémentaire de matériau main gauche à base de résonateur en forme de S; - la
figure 4 illustre un exemple d'un système antenne comprenant un radôme en métamatériau selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la
figure 5 présente un exemple d'antenne selon l'invention ; - la
figure 6 illustre un bloc élémentaire de métamatériau selon le premier mode de réalisation de lafigure 4 ; - la
figure 7a présente la courbe du coefficient de réflexion de l'antenne de lafigure 5 en polarisation linéaire ; - la
figure 7b présente la courbe de gain de l'antenne de lafigure 5 en polarisation linéaire ; - la
figure 8a présente la courbe du coefficient de réflexion de l'antenne de lafigure 5 en polarisation circulaire ; - la
figure 8b présente la courbe de gain de l'antenne de lafigure 5 en polarisation circulaire ; - la
figure 9 présente les courbes de permittivité et de perméabilité d'un réseau constitué de blocs élémentaires de métamatériau de lafigure 6 ; - la
figure 10a présente la courbe du coefficient de réflexion du système antenne de lafigure 4 en polarisation linéaire ; - la
figure 10b présente la courbe de gain du système antenne de lafigure 4 en polarisation linéaire ; - la
figure 11a présente la courbe du coefficient de réflexion du système antenne de lafigure 4 en polarisation circulaire ; - la
figure 11b présente la courbe de gain du système antenne de lafigure 4 en polarisation circulaire ; - la
figure 11c illustre une configuration dans laquelle un radôme selon un mode de réalisation de l'invention est orienté suivant un angle d'orientation de +45° par rapport à l'antenne ; - la
figure 12 illustre un exemple d'un système antenne comprenant un radôme en métamatériau selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la
figure 13 illustre un bloc élémentaire de métamatériau selon le deuxième mode de réalisation de lafigure 12 ; - la
figure 14a présente la courbe du coefficient de réflexion du système antenne de lafigure 11c en polarisation circulaire ; - la
figure 14b présente la courbe de gain du système antenne de lafigure 11c en polarisation circulaire ; - la
figure 15 illustre un système antenne comprenant un radôme en matériau main gauche optimisé pour la bande UHF-RFID, selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; - la
figure 16 illustre un bloc élémentaire de matériau main gauche optimisé pour la bande UHF-RFID selon le mode de réalisation de lafigure 15 ; - la
figure 17 présente les courbes des parties réelles de permittivité, et de l'indice de réfraction de perméabilité d'un réseau constitué de blocs élémentaires de matériau main gauche de lafigure 16 ; - la
figure 18a présente la courbe du coefficient de réflexion du système antenne de lafigure 15 en polarisation linéaire ; - la
figure 18b présente la courbe de gain du système antenne de lafigure 15 en polarisation linéaire ; - la
figure 19 illustre un système antenne comprenant un radôme en métamatériau optimisé pour la bande UHF-RFID, selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; - la
figure 20 présente la courbe de gain de l'antenne (seule) de lafigure 19 en polarisation linéaire ; - la
figure 21 illustre un bloc élémentaire de métamatériau optimisé pour la bande UHF-RFID selon le mode de réalisation de lafigure 19 ; - la
figure 22 présente les courbes des parties réelles de permittivité et de perméabilité d'un réseau constitué de blocs élémentaires de métamatériau de lafigure 21 ; - la
figure 23 présente la courbe de gain du système antenne de lafigure 19 en polarisation linéaire ; et - les
figures 24, 25 et26 illustrent chacune une configuration dans laquelle le radôme en métamatériau selon l'invention est positionné verticalement au plan de l'élément rayonnant.
- the
figure 1 , described above in connection with the prior art, illustrates an example of an antenna system comprising a radome made of left-hand material based on split-ring resonators and conducting ribbons; - the
figure 2 , described above in connection with the prior art, illustrates an example of an elementary block of left-hand material based on a split-ring resonator; - the
figure 3 , described above in connection with the prior art, illustrates an example of an elementary block of S-shaped resonator-based left-hand material; - the
figure 4 illustrates an example of an antenna system comprising a metamaterial radome according to a first embodiment of the invention; - the
figure 5 shows an example of antenna according to the invention; - the
figure 6 illustrates an elementary block of metamaterial according to the first embodiment of thefigure 4 ; - the
figure 7a presents the curve of the reflection coefficient of the antenna of thefigure 5 in linear polarization; - the
figure 7b presents the gain curve of the antenna of thefigure 5 in linear polarization; - the
figure 8a presents the curve of the reflection coefficient of the antenna of thefigure 5 in circular polarization; - the
figure 8b presents the gain curve of the antenna of thefigure 5 in circular polarization; - the
figure 9 presents the permittivity and permeability curves of a network made up of elementary blocks of metamaterial of thefigure 6 ; - the
figure 10a presents the curve of the reflection coefficient of the antenna system of thefigure 4 in linear polarization; - the
figure 10b presents the gain curve of the antenna system of thefigure 4 in linear polarization; - the
figure 11a presents the curve of the reflection coefficient of the antenna system of thefigure 4 in circular polarization; - the
figure 11b presents the gain curve of the antenna system of thefigure 4 in circular polarization; - the
figure 11c illustrates a configuration in which a radome according to one embodiment of the invention is oriented at an orientation angle of + 45 ° with respect to the antenna; - the
figure 12 illustrates an example of an antenna system comprising a metamaterial radome according to a second embodiment of the invention; - the
figure 13 illustrates an elementary block of metamaterial according to the second embodiment of thefigure 12 ; - the
figure 14a presents the curve of the reflection coefficient of the antenna system of thefigure 11c in circular polarization; - the
figure 14b presents the gain curve of the antenna system of thefigure 11c in circular polarization; - the
figure 15 illustrates an antenna system comprising a left-hand material radome optimized for the UHF-RFID band, according to a particular embodiment of the invention; - the
figure 16 illustrates an elementary block of left-hand material optimized for the UHF-RFID band according to the embodiment of thefigure 15 ; - the
figure 17 presents the curves of the real parts of permittivity, and of the permeability refractive index of a network made up of elementary blocks of material of the left hand of thefigure 16 ; - the
figure 18a presents the curve of the reflection coefficient of the antenna system of thefigure 15 in linear polarization; - the
figure 18b presents the gain curve of the antenna system of thefigure 15 in linear polarization; - the
figure 19 illustrates an antenna system comprising a metamaterial radome optimized for the UHF-RFID band, according to a particular embodiment of the invention; - the
figure 20 presents the gain curve of the antenna (alone) of thefigure 19 in linear polarization; - the
figure 21 illustrates an elementary block of metamaterial optimized for the UHF-RFID band according to the embodiment of thefigure 19 ; - the
figure 22 presents the curves of the real parts of permittivity and permeability of a network made of elementary blocks of metamaterial of thefigure 21 ; - the
figure 23 presents the gain curve of the antenna system of thefigure 19 in linear polarization; and - the
Figures 24, 25 and26 each illustrate a configuration in which the metamaterial radome according to the invention is positioned vertically in the plane of the radiating element.
Il est donc proposé des structures de métamatériaux capables de fonctionner en polarisation linéaire et/ou circulaire. Les structures de métamatériaux selon l'invention présentent une permittivité négative et/ou une perméabilité négative dans un spectre de fréquences donné et relativement large. Elles peuvent être utilisées comme radôme d'antenne pour augmenter la directivité et le gain d'une antenne. Les structures de métamatériaux selon l'invention peuvent être utilisées dans la gamme des UHF et des hyperfréquences et pour tout type d'antenne, et sa fabrication reste simple.It is therefore proposed structures of metamaterials capable of operating in linear and / or circular polarization. The metamaterial structures according to the invention have negative permittivity and / or negative permeability in a given and relatively wide frequency spectrum. They can be used as an antenna radome to increase the directivity and gain of an antenna. The metamaterial structures according to the invention can be used in the range of UHF and microwave frequencies and for any type of antenna, and its manufacture remains simple.
Dans la suite de la description, on décrit le cas particulier d'un système antenne comprenant une antenne patch configurée pour opérer dans la bande UHF-RFID. L'homme du métier étendra sans difficulté cet enseignement à tout autre type d'antenne et à toute autre bande de fréquences.In the remainder of the description, the particular case of an antenna system comprising a patch antenna configured to operate in the UHF-RFID band is described. Those skilled in the art will easily extend this teaching to any other type of antenna and any other frequency band.
La
Le système antenne 40 comprend :
une antenne patch 401 comprenant :- o une structure porteuse (par exemple, une couche diélectrique, magnétique, à air,...) 41 ;
- o un élément rayonnant carré 42 ; et
un radôme 43.
- a
patch antenna 401 comprising:- a carrier structure (for example, a dielectric, magnetic, air layer, etc.) 41;
- a
square radiating element 42; and
- a
radome 43.
Le système antenne 40 est configuré et dimensionné pour fonctionner dans la bande UHF-RFID. La bande UHF-RFID s'étend de 860 MHz à 960 MHz.The
La
Dans l'exemple de la
L'élément rayonnant 42 est imprimé sur la face supérieure de la deuxième couche 54 de matériau diélectrique.The radiating
L'élément rayonnant 42 et le plan de masse 51 sont dimensionnés pour opérer dans la bande UHF-RFID. Dans un mode de réalisation particulier, l'élément rayonnant 42 et le plan de masse 51 sont de forme carrée, la longueur (Lp) de l'élément rayonnant 42 étant d'environ 130mm et la longueur (Lm) du plan de masse 51 étant d'environ 250mm.The radiating
L'élément rayonnant 42 est alimenté via un connecteur classique 55 du type SMA. Un connecteur SMA classique comprend une lame centrale d'une longueur d'environ 15mm. L'excitation de l'élément rayonnant 42 peut être réalisée suivant différentes techniques parmi lesquelles on peut citer la sonde coaxiale, la ligne microbande, le couplage par proximité ou le couplage par une fente.The radiating
Dans ce mode de réalisation particulier, les première et deuxième couches de matériau diélectrique 52 et 54 comprennent chacune une couche d'époxy du type FR4. Dans cet exemple de réalisation, chaque couche d'époxy FR4 présente une hauteur de 1,6mm. Ce qui est avantageux en terme de coût de revient.In this particular embodiment, the first and second layers of
Dans un autre mode de réalisation, les couches d'époxy FR4 peuvent être remplacées par des couches d'air (ceci permet notamment de réduire les coûts de production et d'alléger la structure) ou d'autres types de substrats.In another embodiment, the FR4 epoxy layers can be replaced by layers of air (this in particular makes it possible to reduce the production costs and to lighten the structure) or other types of substrates.
Du fait que la hauteur de l'antenne doit être inférieure à 15mm (hauteur du connecteur SMA), la hauteur de la couche d'air 53 est de 11,2mm.Since the height of the antenna must be less than 15mm (height of the SMA connector), the height of the
Dans cet exemple de réalisation, la hauteur totale de l'antenne est donc de 14,4mm.In this embodiment, the total height of the antenna is 14.4mm.
L'élément rayonnant carrée 42 est capable de fonctionner aussi bien en polarisation linéaire qu'en polarisation circulaire (selon l'emplacement du dispositif d'excitation 55).The
Une simulation électromagnétique 3D a été réalisée. Le logiciel HFSS (marque commerciale déposée) a été utilisé pour simuler les performances en termes de coefficient de réflexion (noté S11) et de gain de l'antenne 401 (sans radôme) de la
La
La
Comme on peut le voir, l'antenne 401 de la
La
La
Comme on peut le voir, l'antenne de la
De nouveau en référence à la
On décrit maintenant en référence à la
Dans ce premier mode de réalisation de l'invention, le bloc élémentaire de métamatériau 60 comprend un support 61 en matériau diélectrique de forme carré et de côté d'environ 45mm. Ainsi, et comme illustré dans l'exemple de la
Dans une variante de réalisation, les blocs élémentaires de métamatériau selon l'invention peuvent être insérés dans ou peuvent constituer le substrat de l'élément rayonnant.In an alternative embodiment, the elementary blocks of metamaterial according to the invention can be inserted in or can constitute the substrate of the radiating element.
Comme illustré sur la
Le bloc élémentaire de métamatériau 60 comprend une unité électriquement conductrice 62 imprimée sur la face supérieure du support 61. Par exemple, l'impression de l'unité conductrice 62 sur le support 61 est obtenue facilement par la mise en oeuvre de techniques de photolithographie. De cette façon, on réduit les coûts de fabrication. Bien entendu, d'autres techniques d'impression de circuits imprimés peuvent être mises en oeuvre.The
L'unité conductrice 62 comprend :
- un premier élément conducteur 621 en forme de C comprenant des première et deuxième extrémités E1 et E2 ;
- un deuxième élément conducteur 622 en forme de C comprenant des troisième et quatrième extrémités E3 et E4 ; et
un connecteur 623 disposé sur la face supérieure dusupport 61.
- a first C-shaped
conductor element 621 comprising first and second ends E1 and E2; - a second C-shaped
conductor element 622 comprising third and fourth ends E3 and E4; and - a
connector 623 disposed on the upper face of thesupport 61.
Les premier et deuxième éléments conducteurs 621 et 622 sont agencés l'un par rapport à l'autre de telle sorte que les première et troisième extrémités E1 et E3 se font face et sont séparées par un espace (g), et les deuxième et quatrième extrémités E2 et E4 se font face et sont séparées par un espace (g).The first and second
Le connecteur 623 est configuré pour connecter la première extrémité E1 à la quatrième extrémité E4. Dans ce premier exemple de réalisation particulier, le connecteur 623 est un ruban métallique rectiligne. Dans une variante de réalisation, le connecteur 623 peut prendre une forme courbée ou en méandre. Dans une variante de réalisation, le connecteur 623 peut être configuré pour connecter la deuxième extrémité E2 à la troisième extrémité E3.The
Dans ce premier exemple de réalisation particulier, la largeur de chacun des premier et deuxième éléments conducteurs 621 et 622 et du connecteur 623 est d'environ 1 mm.In this first particular embodiment, the width of each of the first and second
Dans l'exemple de la
Dans l'exemple de la
Le logiciel HFSS (marque commerciale déposée) a été utilisé pour simuler les performances en termes de permittivité (ε) et de perméabilité (µ) d'un réseau constitué de blocs élémentaires de métamatériau 60 selon le premier mode de réalisation de l'invention (décrit en relation avec la
La
Comme on peut le voir, le réseau constitué de blocs élémentaires de métamatériau de la
On présente maintenant en relation avec les
Le logiciel HFSS (marque commerciale déposée) a été utilisé pour simuler les performances en termes de coefficient de réflexion (noté S11) et de gain du système antenne 40 de la
Dans l'exemple de réalisation présenté, le radôme 43 est placé à une distance d'environ 120mm (c'est-à-dire à environ λ0/3) de l'élément rayonnant 42.In the embodiment shown, the
La
La
Comme on peut le voir, le système antenne 40 de la
La
La
Comme on peut le voir, le système antenne 40 de la
Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, et comme illustré sur la
La
Le système antenne 120 comprend :
- une antenne patch 125 comprenant :
- o une
structure porteuse 122 ; - o un élément rayonnant carré 123 ; et
- o une
un radôme 121.
- a patch antenna 125 comprising:
- a
carrier structure 122; - a
square radiating element 123; and
- a
- a
radome 121.
La structure porteuse 122 et l'élément rayonnant 123 sont respectivement identiques à la structure porteuse 41 et l'élément rayonnant 42 décrites ci-dessus en relation avec les
Le radôme 121 comprend une structure de métamatériau. Cette structure de métamatériau comprend une pluralité de blocs élémentaires selon l'invention.The
On décrit maintenant en référence à la
Dans ce deuxième mode de réalisation de l'invention, le bloc élémentaire de métamatériau 130 comprend un support 131 en matériau diélectrique de forme carré et de côté d'environ 45mm. Ainsi, et comme illustré dans l'exemple de la
Comme illustré sur la
Le bloc élémentaire de métamatériau 130 comprend une première unité électriquement conductrice 132 imprimée sur la face supérieure du support 131, et une deuxième unité électriquement conductrice 133 imprimée sur la face inférieure du support 131.The elementary block of
Par exemple, l'impression des unités conductrices 132 et 133 sur le support 131 est obtenue par la mise en oeuvre de techniques de photolithographie. De cette façon, on réduit les coûts de fabrication. Bien entendu, d'autres techniques d'impression de circuits imprimés peuvent être mises en oeuvre.For example, the printing of the
La première unité conductrice 132 comprend :
- un premier élément conducteur 1321 en forme de C comprenant des première et deuxième extrémités E11 et E12 ;
- un deuxième élément conducteur 1322 en forme de C comprenant des troisième et quatrième extrémités E13 et E14 ; et
un connecteur 1323 disposé sur la face supérieure dusupport 131.
- a first C-shaped
conductor element 1321 comprising first and second ends E11 and E12; - a second C-shaped
conductor element 1322 comprising third and fourth ends E13 and E14; and - a
connector 1323 disposed on the upper face of thesupport 131.
Les premier et deuxième éléments conducteurs 1321 et 1322 sont agencés l'un par rapport à l'autre de telle sorte que les première et troisième extrémités E11 et E13 se font face et sont séparées par un espace, et les deuxième et quatrième extrémités E12 et E14 se font face et sont séparées par un espace (g).The first and second
Le connecteur 1323 est configuré pour connecter la première extrémité E11 à la quatrième extrémité E14. Dans cet exemple de réalisation, le connecteur 1323 a une forme rectiligne. Dans une variante de réalisation, le connecteur peut prendre une forme courbée ou en méandre. Dans une variante de réalisation, le connecteur 1323 peut être configuré pour connecter la deuxième extrémité E12 à la troisième extrémité E13.The
La deuxième unité conductrice 133 comprend :
- un troisième élément conducteur 1331 en forme de C comprenant des cinquième et sixième extrémités E 15 et E16 ;
- un quatrième élément conducteur 1332 en forme de C comprenant des septième et huitième extrémités E 17 et E18 ; et
un connecteur 1333 disposé sur la face inférieure dusupport 131.
- a third C-shaped
conductor element 1331 comprising fifth andsixth ends E 15 and E16; - a fourth C-shaped
conductor element 1332 comprising seventh andeighth ends E 17 and E18; and - a
connector 1333 disposed on the underside of thesupport 131.
Les troisième et quatrième éléments conducteurs 1331 et 1332 sont agencés l'un par rapport à l'autre de telle sorte que les cinquième et septième extrémités E15 et E 17 se font face et sont séparées par un espace (g), et les sixième et huitième extrémités E16 et E18 se font face et sont séparées par un espace (g).The third and fourth
Le connecteur 1333 est configuré pour connecter la cinquième extrémité E15 à la huitième extrémité E18. Dans cet exemple de réalisation, le connecteur 1333 a une forme rectiligne.The
Comme illustré, les connecteurs 1323 et 1333 sont agencés l'un par rapport à l'autre de telle sorte qu'ils se trouvent superposés en leur milieu A. En d'autres termes, les milieux des connecteurs 1323 et 1333 sont superposés.As illustrated, the
Le connecteur 1323 forme un angle θ avec le connecteur 1333. Dans ce deuxième exemple de réalisation particulier, le connecteur 1323 s'étend perpendiculairement au connecteur 1333 (en d'autre terme θ=90°). En d'autres termes, les première et deuxième unités conductrices 132 et 133 sont superposées avec une rotation de 90° du premier connecteur par rapport au deuxième connecteur. Bien entendu, cet exemple n'est pas limitatif. Par exemple, l'angle θ peut prendre une valeur entre 10° et 170°.The
Dans ce deuxième exemple de réalisation particulier, la largeur de chacun des éléments conducteurs et des connecteurs est d'environ 1mm. On note que cette largeur constitue un des paramètres sur lesquels il est possible d'intervenir pour changer la fréquence de fonctionnement du système si nécessaire.In this second particular embodiment, the width of each of the conductive elements and connectors is about 1 mm. Note that this width is one of the parameters on which it is possible to intervene to change the operating frequency of the system if necessary.
Dans l'exemple de la
Une autre variante de réalisation peut consister à placer ou imprimer sur la même face du support (substrat) diélectrique ou magnétique les deux unités conductrices concentriques ou de dimensions différentes. Pour éviter le contact électrique entre les deux rubans métalliques 1323 et 1333, il est proposé de réaliser deux vias de part et d'autre de l'un des connecteurs, permettant de relier les deux bras de l'autre à travers la face opposée du support. Comme on peut imprimer totalement l'un des deux connecteurs 1323 ou 1333 sur la face opposée de support et relié ses extrémités aux extrémités opposées des deux C internes.Another alternative embodiment may consist of placing or printing on the same face of the support (substrate) dielectric or magnetic two concentric conductive units or of different dimensions. To avoid electrical contact between the two
Dans l'exemple de la
Par ailleurs, dans une variante de réalisation, il est proposé de remplacer ces espacements (g) par des diodes varicaps.Moreover, in an alternative embodiment, it is proposed to replace these spacings (g) by varicaps diodes.
On présente maintenant en relation avec les
Dans l'exemple de réalisation présenté, le radôme 121 est placé à une distance d'environ 80mm (c'est-à-dire à environ λ0/4) de l'élément rayonnant 123.In the embodiment shown, the
La
La
Comme on peut le voir, le système antenne 120 de la
On connaît déjà des radômes en matériau main gauche capables de fonctionner dans la bande X ou la bande haute UHF (c'est-à-dire pour des fréquences supérieures à 2GHz). Toutefois à ce jour, il n'existe pas de solutions pour la bande basse UHF (c'est-à-dire pour des fréquences inférieures à 2GHz).Radomes are already known in left hand material capable of operating in the X band or the UHF high band (that is to say for frequencies greater than 2GHz). However, to date, there are no solutions for the low UHF band (that is for frequencies below 2GHz).
Il est proposé ici un nouveau radôme en matériau main gauche capable de fonctionner dans la bande basse UHF, et notamment dans la bande UHF-RFID (860 MHz à 960 MHz). Comme on le verra ci-après, ce nouveau radôme en matériau main gauche permet d'augmenter de façon significative le gain d'une antenne UHF-RFID à polarisation rectiligne.It is proposed here a new radome in left hand material capable of operating in the UHF low band, and in particular in the UHF-RFID band (860 MHz to 960 MHz). As will be seen below, this new left-hand material radome makes it possible to significantly increase the gain of a linearly polarized UHF-RFID antenna.
La
Le système antenne 160 comprend :
une antenne patch 165 comprenant :- o une
structure porteuse 162 ; - o un élément rayonnant carré 163 ; et
- o une
un radôme 161.
- a
patch antenna 165 comprising:- a
support structure 162; - a
square radiating element 163; and
- a
- a
radome 161.
Dans cet exemple, la structure porteuse 162 et l'élément rayonnant 163 sont respectivement identiques à la structure porteuse 41 et l'élément rayonnant 42 décrites ci-dessus en relation avec les exemples des
Le radôme 161 comprend une structure de matériau main gauche optimisé pour la bande UHF-RFID. Cette structure de matériau main gauche comprend une pluralité de blocs élémentaires 170 disposés en rangés et colonnes selon une matrice.The
La
Le bloc élémentaire de matériau main gauche 170 comprend un support 171 en matériau diélectrique comprenant une face supérieure 172 sur laquelle est disposé un résonateur en anneau fendu 174, et une face inférieure 173 sur laquelle est disposé un ruban métallique linéaire 175.The elementary block of left-
Le support 171 est de forme carrée. Bien entendu, il peut être d'une autre forme (rectangulaire, circulaire,..., suivant la forme du résonateur en anneau fendu). Chaque côté du carré mesure environ 22mm. Le support 171 présente une hauteur (hsub) d'environ 1,6mm mais peut être de dimensionnement différent.The
Le résonateur en anneau fendu 174 comprend un carré fendu intérieur 1741 et un carré fendu extérieur 1742.The
Le carré fendu intérieur 1741 est formé par une piste métallique de largeur d'environ 1mm. Chaque côté du carré fendu intérieur 1741 mesure environ 17mm. Le carré fendu intérieur 1741 comprend une fente dont la largeur est d'environ 2mm.The inner split square 1741 is formed by a metal track with a width of about 1 mm. Each side of the inner split square 1741 measures about 17mm. The inner split square 1741 includes a slot whose width is about 2mm.
L'espacement entre les carrés fendus intérieur 1741 et extérieur 1742 est d'environ 0,5mm.The spacing between the inner 1741 and outer 1742 split squares is about 0.5mm.
Le carré fendu extérieur 1742 est formé par une piste métallique de largeur d'environ 1mm. Chaque côté du carré fendu extérieur 1742 mesure environ 20mm. Le carré fendu extérieur 1742 comprend une fente dont la largeur est sensiblement égale à celle de la fente du carré fendu intérieur 1741, c'est-à-dire environ 2mm. Les fentes des carrés fendus intérieur 1741 et extérieur 1742 sont alignées l'une par rapport à l'autre.The
Le ruban métallique rectiligne 175 a une longueur sensiblement égale à celle du support 171, c'est-à-dire environ 22mm, et une largeur sensiblement égale à celle des fentes, c'est-à-dire environ 2mm.The
Le logiciel HFSS (marque commerciale déposée) a été utilisé pour extraire les paramètres de permittivité (ε) et de perméabilité (µ) d'un réseau constitué de blocs élémentaires de matériau main gauche 170.The HFSS (registered trademark) software was used to extract the permittivity (ε) and permeability (μ) parameters of a network made up of elementary blocks of left-
La
Comme on peut le voir, le réseau constitué de blocs élémentaires de matériau main gauche de la
On présente maintenant en relation avec les
Dans l'exemple de réalisation présenté, le radôme 161 est placé à une distance d'environ 80mm (c'est-à-dire à environ λ0/4) de l'élément rayonnant 163.In the embodiment shown, the
La
La
Comme on peut le voir, le système antenne 160 de la
On connaît déjà des métamatériaux à base de résonateur fendu capables de fonctionner dans la bande X ou à des fréquences supérieures à 2GHz. Toutefois à ce jour, il n'existe pas de solutions à base de résonateur fendu pour la bande basse UHF (c'est-à-dire pour des fréquences inférieures à 2GHz).Metamaterials based on split resonators are already known capable of operating in the X band or at frequencies above 2 GHz. However, to date, there are no split resonator solutions for the UHF band (ie for frequencies below 2GHz).
Il est proposé ici un nouveau radôme en métamatériau à base de résonateur fendu capable de fonctionner dans la bande basse UHF, et notamment dans la bande UHF-RFID (860 MHz à 960 MHz). Comme on le verra ci-après, ce nouveau radôme en métamatériau permet d'augmenter de façon significative le gain d'une antenne UHF-RFID à polarisation rectiligne.It is proposed here a new metamaterial radome based on split resonator capable of operating in the UHF low band, and in particular in the UHF-RFID band (860 MHz to 960 MHz). As will be seen below, this new metamaterial radome makes it possible to significantly increase the gain of a linearly polarized UHF-RFID antenna.
La
Le système antenne 2000 comprend :
une antenne patch 2005 comprenant :- o une structure porteuse 2002, constituée de FR4 d'épaisseur d'environ 14,4mm ;
- o un plan de masse 2004 ;
- o un élément rayonnant carré 2003 ; et
un radôme 2001.
- a
patch antenna 2005 comprising:- a 2002 load-bearing structure made of FR4 with a thickness of approximately 14.4 mm;
- o a 2004 mass plan;
- o a 2003 square radiating element; and
- a
radome 2001.
Dans cet exemple, l'élément rayonnant 2003 et le plan de masse 2004 sont dimensionnés pour opérer dans la bande UHF-RFID. Dans un mode de réalisation particulier, la longueur de l'élément rayonnant 2003 est d'environ 75mm et la longueur du plan de masse 2004 est d'environ 225mm. La
Le radôme 2001 comprend un réseau de résonateur fendu optimisé pour la bande UHF-RFID.The 2001 radome includes a split resonator network optimized for the UHF-RFID band.
La
Le bloc élémentaire 2200 comprend un support 2201 en matériau diélectrique comprenant une face supérieure 2202 sur laquelle est disposé un résonateur en anneau fendu 2204.The
Le support 2201 est de forme carrée. Bien entendu, il peut être d'une autre forme (rectangulaire, circulaire,..., suivant la forme du résonateur en anneau fendu). Chaque côté du carré mesure environ 22mm. Le support 2201 présente une hauteur (hsub) d'environ 1,6mm.The
Le résonateur en anneau fendu 2204 comprend un carré fendu intérieur 22041 et un carré fendu extérieur 22042.The
Le carré fendu intérieur 22041 est formé par une piste métallique de largeur d'environ 1mm. Chaque côté du carré fendu intérieur 22041 mesure environ 17mm. Le carré fendu intérieur 22041 comprend une fente dont la largeur est d'environ 2mm.The
L'espacement entre les carrés fendus intérieur 22041 et extérieur 22042 est d'environ 0,5mm.The spacing between the
Le carré fendu extérieur 22042 est formé par une piste métallique de largeur d'environ 1mm. Chaque côté du carré fendu extérieur 22042 mesure environ 20mm. Le carré fendu extérieur 22042 comprend une fente dont la largeur est sensiblement égale à celle de la fente du carré fendu intérieur 22041, c'est-à-dire environ 2mm. Les fentes des carrés fendus intérieur 22041 et extérieur 22042 sont alignées l'une par rapport à l'autre.The
Le logiciel HFSS (marque commerciale déposée) a été utilisé pour extraire les paramètres de permittivité (ε) et de perméabilité (µ) d'un réseau constitué de blocs élémentaires de matériau main gauche 170.The HFSS (registered trademark) software was used to extract the permittivity (ε) and permeability (μ) parameters of a network made up of elementary blocks of left-
La
Comme on peut le voir, le réseau constitué de blocs élémentaires de la
On présente maintenant en relation avec la
Dans l'exemple de réalisation présenté, le radôme 2001 est placé à une distance d'environ 40mm (c'est-à-dire à environ λ0/8) de l'élément rayonnant 2003.In the embodiment shown, the
La
Comme on peut le voir, le système antenne 2000 de la
Bien que l'invention ait été décrite ci-dessus en relation avec un nombre limité de modes de réalisation, l'homme du métier, à la lecture de la présente description, comprendra que d'autres modes de réalisation peuvent être imaginés sans sortir du cadre de la présente invention.Although the invention has been described above in relation to a limited number of embodiments, the skilled person, upon reading the present description, will understand that other embodiments can be imagined without departing from the present invention. of the present invention.
Par exemple, la structure antennaire (aussi appelée ci-dessus système antenne) peut être constituée d'un élément rayonnant, d'un plan de masse et d'un radôme en métamatériau de forme parallélépipédique ou en calotte sphérique pleine ou creuse. Un tel radôme est transparent aux ondes électromagnétiques. L'élément rayonnant peut être en structure planaire, filaire ou volumique, et de forme géométrique quelconque. L'élément rayonnant peut être séparé du plan de masse par un volume qui peut être constitué de l'air, de matériaux diélectrique et/ou magnétique ....For example, the antennal structure (also referred to above antenna system) may consist of a radiating element, a ground plane and a metamaterial radome of parallelepiped shape or spherical plain or hollow cap. Such a radome is transparent to electromagnetic waves. The radiating element may be in planar structure, wire or volume, and any geometric shape. The radiating element may be separated from the ground plane by a volume which may consist of air, dielectric and / or magnetic materials.
Dans une variante de réalisation, la structure antennaire peut ne pas présenter de plan de masse. Dans ce cas, il est proposé de mettre en oeuvre un second radôme en métamatériau selon l'invention. Ce second radôme s'étend en dessous de l'élément rayonnant et est placé à la même distance de l'élément rayonnant que le premier radôme (s'étendant au-dessus de l'élément rayonnant). Par exemple, le radôme métamatériau peut se présenter sous la forme d'un cylindre (l'élément rayonnant s'étendant à l'intérieur du cylindre). Ce radôme est donc bien adapté au cas d'une antenne demi-onde filaire ou d'une antenne hélice.In an alternative embodiment, the antenna structure may not have a ground plane. In this case, it is proposed to implement a second metamaterial radome according to the invention. This second radome extends below the element radiating and is placed at the same distance from the radiating element as the first radome (extending above the radiating element). For example, the metamaterial radome may be in the form of a cylinder (the radiating element extending inside the cylinder). This radome is therefore well suited to the case of a wired half-wave antenna or a helix antenna.
Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, et comme illustré sur les
Claims (8)
- Metamaterial structure (43) comprising at least one elementary block (60) comprising a support (61) made of dielectric material, said support comprising an upper face and a lower face,
characterized in that said at least one elementary block comprises a first electrically conductive unit (62) placed on the upper face of the support (61) and comprising:- a first C-shaped conductive element (621) comprising first and second ends (E1, E2);- a second C-shaped conductive element (622) comprising third and fourth ends (E3, E4), said first and second conductive elements being laid out relative to each other in such a way that the first (E1) and third (E3) ends face each other and are separated by a first space, and the second (E2) and fourth (E4) ends face each other and are separated by a second space;- a first connector (623, 1323) configured to connect the first end (E1) to the fourth end (E4). - Metamaterial structure according to claim 1, characterized in that said first and second C-shaped conductive elements are identical.
- Metamaterial structure according to any one of the claims 1 and 2, characterized in that the first connector has a rectilinear shape.
- Metamaterial structure according to any one of the claims 1 to 3, characterized in that said at least one elementary block comprises a second electrically conductive unit (133) placed on the lower face of the support (131) and comprising:- a third C-shaped conductive element (1331) comprising fifth and sixth ends (E15, E16);- a fourth C-shaped conductive element(1332) comprising seventh and eighth ends (E17, E18), said third and fourth conductive elements being laid out relative to each other in such a way that the fifth (E15) and seventh (E17) ends face each other and are separated by a third space, and the sixth (E16) and eighth (E18) ends face each other and are separated by a fourth space;- a second connector (1333) configured to connect the fifth (E15) end to the eighth (E18) end.and in that the mid-points of the first (1323) and second (1333) connectors are superimposed.
- Metamaterial structure according to claim 4, characterized in that said first and second conductive units are superimposed with a 90° rotation of the first connector relative to the second connector.
- Metamaterial structure according to any one of the claims 4 and 5, characterized in that said first and second conductive units are identical.
- Metamaterial structure according to any one of the claims 1 to 6, characterized in that said first conductive unit comprises at least one active component.
- Metamaterial structure according to any one of the claims 4 to 7, characterized in that said second conductive unit comprises at least one active component.
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