EP3879627A1 - Antenne fil-plaque monopolaire reconfigurable en fréquence - Google Patents

Antenne fil-plaque monopolaire reconfigurable en fréquence Download PDF

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EP3879627A1
EP3879627A1 EP21161201.5A EP21161201A EP3879627A1 EP 3879627 A1 EP3879627 A1 EP 3879627A1 EP 21161201 A EP21161201 A EP 21161201A EP 3879627 A1 EP3879627 A1 EP 3879627A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
magneto
dielectric material
ground plane
short
antenna
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21161201.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Christophe Delaveaud
Lotfi Batel
Jean-François PINTOS
Jean-Luc MATTEI
Alexis Chevalier
Vincent Laur
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universite Brest Bretagne Occidentale
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Universite Brest Bretagne Occidentale
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Universite Brest Bretagne Occidentale, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP3879627A1 publication Critical patent/EP3879627A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
    • H01Q9/40—Element having extended radiating surface
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/48—Earthing means; Earth screens; Counterpoises
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0421—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with a shorting wall or a shorting pin at one end of the element
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/06—Details
    • H01Q9/14—Length of element or elements adjustable
    • H01Q9/145—Length of element or elements adjustable by varying the electrical length
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
    • H01Q9/32—Vertical arrangement of element
    • H01Q9/36—Vertical arrangement of element with top loading

Definitions

  • the invention relates to the technical field of monopolar wire-plate antennas.
  • the invention finds its application in particular in the Internet of Things IoT (acronym for “ Internet of Things “ in English), RFID radio-identification (acronym for “ Radio Frequency IDentification “ in English), communication for networks. of sensors, communication between M2M machines (acronym for " Machine-to-Machine " in English, communication in the fields of aeronautics and space.
  • Such an antenna of the state of the art thanks to the magneto-dielectric material coating the short-circuit wire, can have reduced dimensions of the order of 15% compared to an architecture without magneto-dielectric material, and this while maintaining similar performance.
  • such an antenna according to the invention makes it possible to move the resonant frequency, and thereby to modify its operating point, by varying the intensity of a static magnetic field applied to the magneto-dielectric material.
  • the strength of the static magnetic field applied to the magneto-dielectric material is increased, the real part of the complex magnetic permeability decreases, and the resonant frequency of the antenna is shifted to higher frequencies.
  • the real part of the complex magnetic permeability increases, and the resonant frequency of the antenna is shifted towards low frequencies. Consequently, such a magneto-dielectric material allows the reconfiguration of the frequency response of the antenna. It is possible to show that the resonant frequency varies as a function of the relative permeability ( ⁇ ) of the magneto-dielectric material according to a law of the type 1 tan ⁇ r .
  • the antenna according to the invention can include one or more of the following characteristics.
  • the antenna comprises a direct current source configured to circulate an electric current in the short-circuit wire, via the supply probe and the capacitive roof, so as to apply the magnetic field static to magneto-dielectric material.
  • an advantage obtained is to use the short-circuit wire (s) of a monopolar wire-plate antenna to create a static magnetic field applied to the magneto-dielectric material (in an orthoradial direction, according to Biot's law and Savart), and this thanks to the direct current source allowing the circulation of a direct electric current in the short-circuit wire (s). Therefore, it is possible to drive the resonant frequency of the antenna by driving the intensity of the direct current source.
  • the static magnetic field applied to the magneto-dielectric material has an intensity less than or equal to 400 Am -1 .
  • an advantage obtained is to be able to use sources of direct current of low intensity (less than 5 A) for the creation of the static magnetic field.
  • the complex magnetic permeability has a real part
  • the magneto-dielectric material is adapted so that the real part decreases, in the operating frequency range, between 8% and 16% when the magnetic field static applied to the magneto-dielectric material has an intensity ranging from 0 to 400 Am -1 .
  • an advantage obtained is to obtain a satisfactory modulation of the resonant frequency of the antenna for low intensities of the static magnetic field.
  • the complex magnetic permeability has a real part and an imaginary part
  • the magneto-dielectric material is adapted so that the ratio between the imaginary part and the real part is less than 0.05 in an interval of the operating frequency range, when the static magnetic field applied to the magneto-dielectric material has an intensity less than or equal to 400 Am -1 .
  • an advantage obtained is to have very low magnetic losses in said interval (i.e. a sub-range of frequencies) belonging to the range of operating frequencies.
  • the magneto-dielectric material exhibits a constant complex dielectric permittivity as a function of the static magnetic field applied to the magneto-dielectric material.
  • the antenna comprises a set of short-circuit wires, arranged in parallel around the supply probe so that each short-circuit wire electrically connects the capacitive roof to the ground plane, each short-circuit wire being coated with a magneto-dielectric material exhibiting a complex magnetic permeability, variable as a function of a static magnetic field applied to the magneto-dielectric material.
  • an advantage obtained by placing in parallel a set of short-circuit wires, each coated with such a magneto-dielectric material is to allow better interaction between the antenna and the magneto-dielectric material, and consequently a better efficiency of miniaturization of the antenna loaded by the magneto-dielectric material.
  • the supply probe is arranged at the center of the ground plane, and the set of short-circuit wires comprises at least one pair of short-circuit wires arranged around the probe. feeding according to a central symmetry.
  • an advantage obtained is to obtain symmetry for the radiation of the antenna, and to reduce the cross polarization (“ cross polarization ” in English).
  • the supply probe is coated with a magneto-dielectric material exhibiting a complex magnetic permeability, which varies as a function of a static magnetic field applied to the magneto-dielectric material.
  • an advantage obtained is to increase the quantity of magneto-dielectric material in the antenna, and thereby the efficiency of charging the antenna with the magneto-dielectric material in order to reduce its dimensions.
  • the antenna comprises a magneto-dielectric layer extending between the ground plane and the capacitive roof so as to coat the short-circuit wire (s) and the supply probe, the layer magneto-dielectric being made of a magneto-dielectric material exhibiting a complex magnetic permeability, variable as a function of a static magnetic field applied to the magneto-dielectric material.
  • the capacitive roof and the ground plane delimit a cylindrical volume
  • the magneto-dielectric layer extends in all or part of the cylindrical volume
  • cylindrical designates the shape of a cylinder whose surface is generated by a family of straight lines in the same direction (generators).
  • the cross section of the cylinder ie the intersection of the surface with a plane perpendicular to the direction of the generatrices
  • ⁇ r > ⁇ r > 1 makes it possible to favor a high ⁇ r over a high ⁇ r , because an excessively high ⁇ r generally leads to a high concentration of the electromagnetic field in the antenna, with potential impedance matching problems, and thus leading to a loss of electromagnetic power transfer (eg radio frequency) in free space.
  • the monopolar wire-plate antenna interacts effectively with the magnetic properties of the magneto-dielectric material via the short-circuit wire (s), which gives it a specific magnetic behavior in the near field.
  • the magneto-dielectric material is chosen from Ni 1-x Zn 1-y Co 1-z Fe 2- ⁇ O 4 , with 0.5 ⁇ x ⁇ 0.8; 0.2 ⁇ y ⁇ 0.8; 0 ⁇ z ⁇ 0.2; ⁇ ⁇ 0.5.
  • the capacitive roof and the ground plane each have a maximum characteristic dimension such that the antenna is contained in a sphere with an electrical radius less than or equal to ⁇ / 2 ⁇ , where ⁇ is the operating wavelength of the antenna.
  • an advantage obtained is to obtain a miniature antenna.
  • miniature is understood to mean that the antenna is contained in a sphere (called a Wheeler sphere) with an electrical radius less than or equal to ⁇ / 2 ⁇ .
  • the radius of Wheeler's sphere is the hypotenuse of a right triangle whose right angle is formed by a radius of the capacitive roof and by the height of the antenna. (Euclidean distance between the ground plane and the capacitive roof).
  • the operating frequency range is between 30 MHz and 250 MHz.
  • VHF band (acronym for " Very High Frequency " in English) is to be favorable to mobile and fixed links with low powers, for example for land, sea or aeronautical links.
  • the ground plane 1 can be made of a metallic material, such as copper.
  • the ground plane 1 can be circular in shape, as illustrated in figures 1 to 3 . However, other shapes are possible for the ground plane 1, such as a rectangular shape (illustrated in figures 4 to 6 ) or square.
  • the ground plane 1 can be formed on a dielectric substrate (not shown). An opening is made in the ground plane 1 (and where appropriate in the dielectric substrate) to allow the passage of the supply probe 3.
  • ground plane 1 It is possible to equip the ground plane 1 with components, for example a direct current (DC) circuit, a radiofrequency (RF) circuit or even a supply battery, and this without altering the operation of the antenna.
  • DC direct current
  • RF radiofrequency
  • the capacitive roof 2 comprises an electrically conductive flat surface, preferably metallic.
  • the capacitive roof 2 advantageously extends parallel to the ground plane 1.
  • the term “parallel” is understood within the usual tolerances linked to the experimental conditions of formation of the elements of the antenna, and not as a perfect parallelism in the mathematical sense ( geometric) of the term.
  • the capacitive roof 2 may have an inclination relative to the ground plane 1 as soon as a capacitive effect is created with the ground plane 1.
  • the angle of inclination formed between the capacitive roof 2 and the ground plane 1 is preferably less than or equal to 30 °.
  • the capacitive roof 2 thus creates a capacitive effect with the ground plane 1 making it possible to lower the resonant frequency of the antenna, or reduce the length of the monopole (i.e. the supply probe 3) for a given resonant frequency.
  • the capacitive roof 2 is preferably circular in shape, for example with a radius of the order of ⁇ / 11, where ⁇ is the operating wavelength of the antenna.
  • ⁇ is the operating wavelength of the antenna.
  • the radius of the capacitive roof 2 is of the order of 200 mm.
  • the capacitive roof 2 can be envisaged for the capacitive roof 2, such as a square, rectangular, elliptical or even star shape.
  • the range of operating frequencies of the antenna is advantageously between 30 MHz and 250 MHz.
  • the feed probe 3 is not in contact with the ground plane 1 so as to be electrically isolated from the ground plane 1.
  • the feed probe 3 can be made integral with the ground plane. ground 1 using a spacer (not shown) which is not electrically conductive.
  • the feed probe 3 advantageously extends perpendicularly to the ground plane 1, and therefore perpendicular to the capacitive roof 2, in order to overcome the disturbance of the radiation pattern of the antenna by the ground plane 1.
  • the probe power supply 3 can be connected to a central core 30, metallic, of a coaxial waveguide.
  • the feed probe 3 extends between the ground plane 1 and the capacitive roof 2, for example over a height of the order of ⁇ / 11, where ⁇ is the operating wavelength of the antenna.
  • VHF very High Frequency
  • the height of the supply probe 3 is of the order of 200 mm.
  • the feed probe 3 is preferably arranged in the center of the ground plane 1, as illustrated in figures 2 to 6 .
  • the feed probe 3 is advantageously coated with a magneto-dielectric material 5 exhibiting a complex magnetic permeability, variable as a function of a static magnetic field applied to the magneto-dielectric material 5, as illustrated in figures 5 and 6 .
  • the power supply probe 3 is intended to be connected to a transmission line allowing the guided propagation of electromagnetic waves (eg in the field of radiofrequencies), the transmission line possibly being a coaxial power supply cable or another waveguide. 'wave.
  • the supply probe 3 can be produced in the form of a supply loop, intended to be connected to a differential connection, and which makes it possible to dispense with a balun between the transmission line and power loop.
  • the short-circuit wire or wires 4 are preferably made of a metallic material.
  • the short-circuit wire (s) 4 advantageously extend perpendicular to the ground plane 1, and therefore perpendicular to the capacitive roof 2.
  • the antenna comprises a set of short-circuit wires 4
  • the short-circuit wires 4 of the assembly are advantageously mutually parallel.
  • the short-circuit wire (s) 4 are arranged at a distance from the supply probe 3.
  • the antenna advantageously comprises a set of short-circuit wires 4, arranged in parallel around the supply probe 3 so that each short-circuit wire 4 electrically connects the capacitive roof 2 to the ground plane 1, each wire of short-circuit 4 being coated with a magneto-dielectric material 5 having a complex magnetic permeability, variable as a function of a static magnetic field applied to the magneto-dielectric material 5.
  • the set of short-circuit wires advantageously comprises at least one pair of short-circuit wires 4 arranged around the supply probe 3 according to a central symmetry.
  • the capacitive roof 2 and the ground plane 1 each have a maximum characteristic dimension such that the antenna is contained in a sphere with an electrical radius less than or equal to ⁇ / 2 ⁇ , where ⁇ is the operating wavelength of l 'antenna. More precisely, when the antenna comprises a set of short-circuit wires 4, the number (denoted N) of short-circuit wires 4 is chosen so that, for a given quantity of magneto-dielectric material 5, the roof capacitive 2 and the feed probe 3 each have a maximum characteristic dimension such that the antenna is contained in a sphere with an electrical radius less than or equal to ⁇ / 2 ⁇ , where ⁇ is the operating wavelength of the antenna.
  • each short-circuit wire 4 has a radius, denoted a, and that each short-circuit wire 4 is separated by a distance, denoted b, from the supply probe 3, the inventors have shown that the set of short-circuit wires 4 is equivalent to a single wire having a radius (called equivalent radius R eq ) verifying:
  • the placing in parallel of a set of N short-circuit wires 4, each coated with a magneto-dielectric material 5, makes it possible to reduce the frequency of resonance of the antenna (independently of the static magnetic field applied to the magneto-dielectric material) towards low frequencies of more than 30% compared to a single short-circuit wire 4, coated with the magneto-dielectric material 5, and having a equivalent radius R eq calculated by the preceding formulas.
  • the placing in parallel of a set of N short-circuit wires 4, each coated with a magneto-dielectric material 5 allows a better efficiency of the loading of the antenna by the magneto-dielectric material. 5.
  • the set of short-circuit wires 4 may include three pairs of short-circuit wires 4 arranged around the supply probe 3 in a central symmetry.
  • Each short-circuit wire 4 can have a radius (a) of the order of 2.4 mm.
  • Each pair of short-circuit wires 4 can be separated by a distance (b) of the order of 80 mm on either side of the supply probe 3 according to a central symmetry.
  • the short-circuit wires 4 are advantageously separated from the supply probe 3 by a distance chosen to adapt the input impedance of the antenna to 50 ohms.
  • the set of short-circuit wires 4 may have an odd number of short-circuit wires 4. However, this may lead to asymmetry for the radiation of the antenna and the appearance of ' cross polarization .
  • the antenna may include application means, arranged to apply the static magnetic field to the magneto-dielectric material 5.
  • the application means are configured to vary the intensity of the static magnetic field applied to the magneto-dielectric material 5.
  • the antenna advantageously comprises a direct current source 8 configured to circulate an electric current in the short-circuit wire (s) 4, via the probe. supply 3 and the capacitive roof 2, so as to apply the static magnetic field to the magneto-dielectric material 5.
  • the direct current source 8 can be separated from an alternating current source 9 using a T component, for example a T type T bias component (“ Bias tee ”).
  • the alternating current source 9 is configured to circulate an alternating electric current in the capacitive roof 2, via the supply probe 3, so as to emit radio waves.
  • the static magnetic field applied to the magneto-dielectric material 5 advantageously has an intensity less than or equal to 400 Am -1 .
  • the complex magnetic permeability of the magneto-dielectric material 5 has a real part, and the magneto-dielectric material 5 is advantageously adapted so that the real part decreases, in the operating frequency range, between 8% and 16% when the field static magnetic applied to the magneto-dielectric material 5 has an intensity ranging from 0 to 400 Am -1 (as illustrated in figure 10 ).
  • the complex magnetic permeability of the magneto-dielectric material 5 has a real part and an imaginary part, and the magneto-dielectric material 5 is advantageously adapted so that the ratio between the imaginary part and the real part is less than 0.05 in an interval of the operating frequency range, when the static magnetic field applied to the magneto-dielectric material 5 has an intensity less than or equal to 400 Am -1 .
  • the magneto-dielectric material 5 advantageously exhibits a constant complex dielectric permittivity as a function of the static magnetic field applied to the magneto-dielectric material 5.
  • the antenna may include a magneto-dielectric layer 5 extending between the ground plane 1 and the capacitive roof 2 so as to coat the short-circuit wire (s) 4 and the supply probe 3, the magneto layer -dielectric 5 being made of a magneto-dielectric material 5 having a complex magnetic permeability, variable as a function of a static magnetic field applied to the magneto-dielectric material 5.
  • the capacitive roof 2 and the ground plane 1 define a cylindrical volume, and the magneto-dielectric layer 5 can extend in all or part of the cylindrical volume.
  • the magneto-dielectric material 5 can also be produced in the form of a hollow cylinder inside which extends a short-circuit wire 4 or the supply probe 3.
  • the magneto-dielectric material 5 has magnetic walls with transition zones between two magnetic domains (called Weiss domains).
  • a magnetic domain is a region of the material where the magnetic moments are oriented in the same direction.
  • the magnetic walls of the magneto-dielectric material 5 are configured so that the magneto-dielectric material 5 exhibits a complex magnetic permeability, which varies as a function of a static magnetic field applied to the magneto-dielectric material 5.
  • the magnetic walls of the magneto-dielectric material 5 are advantageously formed so as to obtain Bloch walls, that is to say magnetic walls where the transition zone between two magnetic domains takes place gradually in the plane of the magnetic wall.
  • the Bloch walls can move so that the magneto-dielectric material 5 exhibits a complex magnetic permeability, which varies as a function of a static magnetic field applied to the magneto-dielectric material 5.
  • the magneto-dielectric material 5 is advantageously geometrically shaped to overcome a demagnetizing effect, so the complex magnetic permeability varies appreciably when the static magnetic field applied to the magneto-dielectric material 5 has an intensity less than or equal to 400 Am -1 .
  • the magneto-dielectric material 5 is advantageously chosen from Ni 1-x Zn 1-y Co 1-z Fe 2- ⁇ O 4 , with 0.5 ⁇ x ⁇ 0.8; 0.2 ⁇ y ⁇ 0.8; 0 ⁇ z ⁇ 0.2; ⁇ ⁇ 0.5.
  • interconnection hole (“ via ” in English) is meant a metallized hole making it possible to establish an electrical connection between two interconnection levels.
  • the vias 7a, 7b can be metallized by cathodic sputtering ("sputtering" in English).
  • step e the set of short-circuit wires 4 and the supply probe 3 are coated with the magneto-dielectric material 5 of the substrate 6.
  • the magneto-dielectric material 5 of the Ni 1-x Zn 1-y Co 1-z Fe 2- ⁇ O 4 type with 0.5 ⁇ x ⁇ 0.8; 0.2 ⁇ y ⁇ 0.8; 0 ⁇ z ⁇ 0.2; ⁇ ⁇ 0.5 can be formed from powders synthesized by co-precipitation. Chloride salts of Iron, Cobalt, Nickel, Zinc are weighed so as to respect the stoichiometry of the metallic elements of the final material. These salts are added to a basic NaOH solution, brought to the boil. The pH of the basic NaOH solution is optimized by successive tests. The mixture is left to react for a period of about 1 hour. The mixture is then left to cool to room temperature.
  • the mixture is then rinsed several times with water, until its pH is less than 8.
  • the mixture is then placed in an oven at a temperature of 55 ° C for about 48 h, so that it dries. .
  • the dried mixture obtained forms a dry powder, which is then ground, preferably manually.
  • the crushed dry powders are compressed and shaped by uniaxial pressing, so as to obtain a compact material.
  • the compact material obtained is finally sintered, preferably at a sintering temperature of between 950 ° C and 1100 ° C.

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Abstract

Antenne fil-plaque monopolaire reconfigurable dans une gamme de fréquences de fonctionnement, comportant :- un plan de masse (1) ;- un toit capacitif (2) ;- une sonde d'alimentation (3), électriquement isolée du plan de masse (1), et s'étendant entre le plan de masse (1) et le toit capacitif (2) de manière à alimenter électriquement le toit capacitif (2) ;- au moins un fil de court-circuit (4), agencé pour connecter électriquement le toit capacitif (2) au plan de masse (1), et enrobé d'un matériau magnéto-diélectrique (5) présentant une perméabilité magnétique complexe, variable en fonction d'un champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique (5).

Description

    Domaine technique
  • L'invention se rapporte au domaine technique des antennes fil-plaque monopolaires.
  • L'invention trouve notamment son application dans l'internet des objets IoT (acronyme pour «Internet of Things» en langue anglaise), la radio-identification RFID (acronyme pour « Radio Frequency IDentification » en langue anglaise), la communication pour des réseaux de capteurs, la communication entre machines M2M (acronyme pour « Machine-to-Machine » en langue anglaise, la communication dans les domaines de l'aéronautique et du spatial.
    • État de l'art
  • Une antenne fil-plaque monopolaire connue de l'état de la technique, notamment du document L. Batel et al., «Design of a monopolar wire-plate antenna loaded with magneto-dielectric material», Conférence EuCAP (European Conférence on Antennas and Propagation), avril 2018, comporte :
    • un plan de masse ;
    • un toit capacitif ;
    • une sonde d'alimentation, électriquement isolée du plan de masse, et s'étendant entre le plan de masse et le toit capacitif de manière à alimenter électriquement le toit capacitif ;
    • un fil de court-circuit, agencé pour connecter électriquement le toit capacitif au plan de masse, et enrobé d'un matériau magnéto-diélectrique.
  • Une telle antenne de l'état de la technique, grâce au matériau magnéto-diélectrique enrobant le fil de court-circuit, peut avoir des dimensions réduites de l'ordre de 15% par rapport à une architecture sans matériau magnéto-diélectrique, et ce tout en conservant des performances similaires.
  • Toutefois, une telle antenne de l'état de la technique n'est pas toujours entièrement satisfaisante dans la mesure où sa taille réduite conduit généralement à une bande spectrale de fonctionnement étroite, qui est susceptible de ne pas couvrir entièrement la bande spectrale d'un standard de communication. Un besoin peut émerger pour élargir sa bande spectrale de fonctionnement via une agilité fréquentielle. Autrement dit, une telle antenne de l'état de la technique n'est pas reconfigurable au sens où sa réponse fréquentielle ne peut être modifiée au cours de de son fonctionnement pour s'adapter à un canal de communication, après sa fabrication.
    • Exposé de l'invention
  • L'invention vise à remédier en tout ou partie aux inconvénients précités. A cet effet, l'invention a pour objet une antenne fil-plaque monopolaire reconfigurable dans une gamme de fréquences de fonctionnement, comportant :
    • un plan de masse ;
    • un toit capacitif ;
    • une sonde d'alimentation, électriquement isolée du plan de masse, et s'étendant entre le plan de masse et le toit capacitif de manière à alimenter électriquement le toit capacitif ;
    • au moins un fil de court-circuit, agencé pour connecter électriquement le toit capacitif au plan de masse, et enrobé d'un matériau magnéto-diélectrique présentant une perméabilité magnétique complexe, variable en fonction d'un champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique.
    Définitions
    • Par « plan de masse », on entend une surface électriquement conductrice, de préférence métallique, formant un plan de masse électrique de manière à définir un potentiel électrique de référence.
    • Par « toit capacitif », on entend une surface généralement plane, électriquement conductrice (de préférence métallique), pouvant être par exemple de forme rectangulaire ou circulaire, et créant un effet capacitif avec le plan de masse. Le terme « plane » s'entend dans les tolérances usuelles liées aux conditions expérimentales de formation du toit capacitif, et non comme une planéité parfaite au sens géométrique du terme.
    • Par « sonde d'alimentation », on entend tout moyen d'alimentation électrique du toit capacitif. La sonde d'alimentation peut être une sonde d'excitation de l'antenne, classiquement reliée à une âme centrale d'un guide coaxial, et électriquement connectée au toit capacitif. La sonde d'alimentation est destinée à être connectée à une ligne de transmission, c'est-à-dire un élément permettant la propagation guidée d'ondes électromagnétiques (e.g. dans le domaine des radiofréquences), la ligne de transmission pouvant être un câble coaxial d'alimentation ou un autre guide d'onde. Le terme « sonde d'alimentation » peut également couvrir une boucle d'alimentation destinée à être reliée à une connexion différentielle, et qui permet de s'affranchir d'un balun entre la ligne de transmission et la boucle d'alimentation.
    • Par « enrobé », on entend que le matériau magnéto-diélectrique recouvre (en contact) la totalité de la surface libre du fil de court-circuit.
    • Par « matériau magnéto-diélectrique », on entend un matériau possédant, dans la gamme de fréquences de fonctionnement, une permittivité relative (εr) strictement supérieure à 1, et une perméabilité relative (µr) strictement supérieure à 1.
  • Ainsi, une telle antenne selon l'invention permet de déplacer la fréquence de résonance, et par là-même de modifier son point de fonctionnement, en faisant varier l'intensité d'un champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique. Lorsque l'on augmente l'intensité du champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique, la partie réelle de la perméabilité magnétique complexe diminue, et la fréquence de résonance de l'antenne est déplacée vers les hautes fréquences. Réciproquement, lorsque l'on diminue l'intensité du champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique, la partie réelle de la perméabilité magnétique complexe augmente, et la fréquence de résonance de l'antenne est déplacée vers les basses fréquences. Par conséquent, un tel matériau magnéto-diélectrique autorise la reconfiguration de la réponse fréquentielle de l'antenne. Il est possible de monter que la fréquence de résonance varie en fonction de la perméabilité relative (µ) du matériau magnéto-diélectrique selon une loi du type 1 tan µ r .
    Figure imgb0001
  • L'antenne selon l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes.
  • Selon une caractéristique de l'invention, l'antenne comporte une source de courant continu configurée pour faire circuler un courant électrique dans le fil de court-circuit, via la sonde d'alimentation et le toit capacitif, de manière à appliquer le champ magnétique statique au matériau magnéto-diélectrique.
  • Ainsi, un avantage procuré est d'utiliser le ou les fils de court-circuit d'une antenne fil-plaque monopolaire pour créer un champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique (suivant une direction orthoradiale, d'après la loi de Biot et Savart), et ce grâce à la source de courant continu permettant la circulation d'un courant électrique continu dans le ou les fils de court-circuit. Par conséquent, il est possible de piloter la fréquence de résonance de l'antenne en pilotant l'intensité de la source de courant continu.
  • Selon une caractéristique de l'invention, le champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique possède une intensité inférieure ou égale à 400 A.m-1.
  • Ainsi, un avantage procuré est de pouvoir utiliser des sources de courant continu de faible intensité (inférieure à 5 A) pour la création du champ magnétique statique.
  • Selon une caractéristique de l'invention, la perméabilité magnétique complexe possède une partie réelle, et le matériau magnéto-diélectrique est adapté pour que la partie réelle diminue, dans la gamme de fréquences de fonctionnement, entre 8% et 16% lorsque le champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique possède une intensité passant de 0 à 400 A.m-1.
  • Ainsi, un avantage procuré est d'obtenir une modulation satisfaisante de la fréquence de résonance de l'antenne pour des intensités faibles de champ magnétique statique.
  • Selon une caractéristique de l'invention, la perméabilité magnétique complexe possède une partie réelle et une partie imaginaire, et le matériau magnéto-diélectrique est adapté pour que le ratio entre la partie imaginaire et la partie réelle soit inférieur à 0,05 dans un intervalle de la gamme de fréquences de fonctionnement, lorsque le champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique possède une intensité inférieure ou égale à 400 A.m-1.
  • Ainsi, un avantage procuré est d'avoir des pertes magnétiques très faibles dans ledit intervalle (i.e. une sous-gamme de fréquences) appartenant à la gamme de fréquences de fonctionnement.
  • Selon une caractéristique de l'invention, le matériau magnéto-diélectrique présente une permittivité diélectrique complexe constante en fonction du champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique.
  • Ainsi, un avantage procuré est que la permittivité diélectrique complexe reste constante dans la gamme de fréquences de fonctionnement.
  • Selon une caractéristique de l'invention, l'antenne comporte un ensemble de fils de court-circuit, agencé parallèlement autour de la sonde d'alimentation de sorte que chaque fil de court-circuit connecte électriquement le toit capacitif au plan de masse, chaque fil de court-circuit étant enrobé d'un matériau magnéto-diélectrique présentant une perméabilité magnétique complexe, variable en fonction d'un champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique.
  • Ainsi, un avantage procuré par la mise en parallèle d'un ensemble de fils de court-circuit, enrobés chacun d'un tel matériau magnéto-diélectrique, est de permettre une meilleure interaction entre l'antenne et le matériau magnéto-diélectrique, et par conséquent une meilleure efficacité de miniaturisation de l'antenne chargée par le matériau magnéto-diélectrique.
  • Selon une caractéristique de l'invention, la sonde d'alimentation est agencée au centre du plan de masse, et l'ensemble de fils de court-circuit comporte au moins un couple de fils de court-circuit agencé autour de la sonde d'alimentation selon une symétrie centrale.
  • Ainsi, un avantage procuré est d'obtenir une symétrie pour le rayonnement de l'antenne, et de réduire la polarisation croisée (« cross polarization » en langue anglaise).
  • Selon une caractéristique de l'invention, la sonde d'alimentation est enrobée d'un matériau magnéto-diélectrique présentant une perméabilité magnétique complexe, variable en fonction d'un champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique.
  • Ainsi, un avantage procuré est d'augmenter la quantité de matériau magnéto-diélectrique dans l'antenne, et par là-même l'efficacité de chargement de l'antenne par le matériau magnéto-diélectrique pour réduire ses dimensions.
  • Selon une caractéristique de l'invention, l'antenne comporte une couche magnéto-diélectrique s'étendant entre le plan de masse et le toit capacitif de manière à enrober le ou les fils de court-circuit et la sonde d'alimentation, la couche magnéto-diélectrique étant réalisée dans un matériau magnéto-diélectrique présentant une perméabilité magnétique complexe, variable en fonction d'un champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique.
  • Ainsi, un avantage procuré est la simplicité de fabrication de l'antenne.
  • Selon une caractéristique de l'invention, le toit capacitif et le plan de masse délimitent un volume cylindrique, et la couche magnéto-diélectrique s'étend dans tout ou partie du volume cylindrique.
    • Définition
  • Le terme « cylindrique » désigne la forme d'un cylindre dont la surface est engendrée par une famille de droites de même direction (génératrices). A titre d'exemples, la section droite du cylindre (i.e. l'intersection de la surface avec un plan perpendiculaire à la direction des génératrices) peut être circulaire ou quadrangulaire (e.g. rectangulaire).
  • Selon une caractéristique de l'invention, le matériau magnéto-diélectrique est choisi de sorte que la relation µr>εr>1 est vérifiée dans la gamme de fréquences de fonctionnement, où :
    • µr est la perméabilité relative du matériau magnéto-diélectrique,
    • εr est la permittivité relative du matériau magnéto-diélectrique.
  • Ainsi, un avantage procuré par un tel matériau magnéto-diélectrique est de contribuer à la miniaturisation de l'antenne en réduisant la longueur d'onde guidée (λg) dans le matériau selon la formule suivante : λ g = λ ε r µ r
    Figure imgb0002
     où λ est la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne.
  • On cherche donc un produit εr µr le plus élevé possible pour favoriser la miniature de l'antenne.
  • Plus précisément, le fait que µr > εr >1 permet de privilégier un µr élevé par rapport à un εr élevé, car un εr trop élevé conduit généralement à une forte concentration du champ électromagnétique dans l'antenne, avec des problèmes potentiels d'adaptation d'impédance, et menant ainsi à une perte de transfert de puissance électromagnétique (e.g. radiofréquence) en espace libre. D'autre part, l'antenne fil-plaque monopolaire interagit efficacement avec les propriétés magnétiques du matériau magnéto-diélectrique par l'intermédiaire du ou des fils de court-circuit, ce qui lui confère un comportement magnétique spécifique en champ proche.
  • Selon une caractéristique de l'invention, le matériau magnéto-diélectrique est choisi parmi Ni1-xZn1-yCo1-zFe2-δO4, avec 0,5<x<0,8 ; 0,2<y<0,8 ; 0<z<0,2 ; δ<0,5.
  • Ainsi, de tels matériaux magnéto-diélectriques possèdent des propriétés avantageuses :
    1. (i) la relation µr > εr >1 est vérifiée,
    2. (ii) forte sensibilité de la perméabilité magnétique complexe en faisant varier un champ magnétique statique de faible intensité (inférieure à 400 A.m-1),
    3. (iii) Fe2-δ permet de limiter les pertes diélectriques,
    4. (iv) Ni1-x permet de limiter les pertes électromagnétiques dans la gamme de fréquences de fonctionnement (en particulier [30 MHz-250 MHz]),
    5. (v) Co1-z permet un piégeage de parois magnétiques au sein du matériau.
  • Selon une caractéristique de l'invention, le toit capacitif et le plan de masse présentent chacun une dimension caractéristique maximale telle que l'antenne est contenue dans une sphère avec un rayon électrique inférieur ou égal à λ/2π, où λ est la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne.
  • Ainsi, un avantage procuré est d'obtenir une antenne miniature. Par « miniature », on entend que l'antenne est contenue dans une sphère (dite de Wheeler), de rayon électrique inférieur ou égal à λ/2π. Par exemple, dans le cas d'un toit capacitif circulaire, le rayon de la sphère de Wheeler est l'hypoténuse d'un triangle rectangle dont l'angle droit est formé par un rayon du toit capacitif et par la hauteur de l'antenne (distance euclidienne entre le plan de masse et le toit capacitif).
  • Selon une caractéristique de l'invention, la gamme de fréquences de fonctionnement est comprise entre 30 MHz et 250 MHz.
  • Ainsi, un avantage procuré par la bande VHF (acronyme pour « Very High Frequency » en langue anglaise) est d'être favorable aux liaisons mobiles et fixes avec de faibles puissances, par exemple pour des liaisons terrestres, maritimes ou aéronautiques.
    • Brève description des dessins
  • D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans l'exposé détaillé de différents modes de réalisation de l'invention, l'exposé étant assorti d'exemples et de références aux dessins joints.
    • Figure 1 est une vue schématique en perspective d'une antenne fil-plaque monopolaire selon l'invention, illustrant un unique fil de court-circuit enrobé d'un matériau magnéto-diélectrique.
    • Figure 2 est une vue schématique en perspective d'une antenne fil-plaque monopolaire de l'état de la technique, illustrant un ensemble de fils de court-circuit, agencés parallèlement autour de la sonde d'alimentation de sorte que chaque fil de court-circuit connecte électriquement le toit capacitif au plan de masse, les fils de court-circuit n'étant pas enrobés d'un matériau magnéto-diélectrique.
    • Figure 3 est une vue schématique analogue à la figure 2, à l'échelle agrandie, d'une antenne fil-plaque monopolaire selon l'invention, où les fils de court-circuit sont enrobés d'un matériau magnéto-diélectrique.
    • Figure 4 est une vue schématique en perspective d'une antenne selon l'invention, illustrant un premier mode de réalisation de l'enrobage (enrobage individuel des fils de court-circuit) par le matériau magnéto-diélectrique.
    • Figure 5 est une vue schématique en perspective d'une antenne selon l'invention, illustrant un deuxième mode de réalisation de l'enrobage (enrobage individuel des fils de court-circuit et de la sonde d'alimentation) par le matériau magnéto-diélectrique.
    • Figure 6 est une vue schématique en perspective d'une antenne selon l'invention, illustrant un troisième mode de réalisation de l'enrobage (enrobage global des fils de court-circuit et de la sonde d'alimentation) par le matériau magnéto-diélectrique.
    • Figure 7 est une vue schématique de dessus (en transparence) d'un substrat magnéto-diélectrique dans lequel sont formés des trous d'interconnexion de manière à obtenir une antenne fil-plaque monopolaire conforme à l'invention.
    • Figure 8 est une vue schématique en coupe selon l'axe A-A du substrat magnéto-diélectrique illustré à la figure 7.
    • Figure 9 est une vue schématique en coupe d'une antenne selon l'invention, illustrant une source de courant continu permettant la circulation d'un courant électrique continu dans les fils de court-circuit pour créer un champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique.
    • Figure 10 est un graphique représentant en abscisses l'intensité (en Oersted) du champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique, et en ordonnées la partie réelle de la perméabilité magnétique complexe du matériau magnéto-diélectrique, et ce pour différentes fréquences de fonctionnement de l'antenne (30 MHz, 50 MHz, 80 MHz, et 90 MHz).
    • Figure 11 est une vue schématique représentant en abscisses la fréquence (en MHz) et en ordonnées l'impédance de l'antenne (en ohms) lorsque la source de courant continu délivre 0 A ou 5 A. Les traits continus désignent la partie réelle de l'impédance tandis que les traits pointillés désignent la partie imaginaire de l'impédance.
  • Il est à noter que les dessins décrits ci-avant sont schématiques, et ne sont pas nécessairement à l'échelle par souci de lisibilité et pour en simplifier leur compréhension.
    • Exposé détaillé des modes de réalisation
  • Les éléments identiques ou assurant la même fonction porteront les mêmes références pour les différents modes de réalisation, par souci de simplification.
  • Un objet de l'invention est une antenne fil-plaque monopolaire reconfigurable dans une gamme de fréquences de fonctionnement, comportant :
    • un plan de masse 1 ;
    • un toit capacitif 2 ;
    • une sonde d'alimentation 3, électriquement isolée du plan de masse 1, et s'étendant entre le plan de masse 1 et le toit capacitif 2 de manière à alimenter électriquement le toit capacitif 2 ;
    • au moins un fil de court-circuit 4, agencé pour connecter électriquement le toit capacitif 2 au plan de masse 1, et enrobé d'un matériau magnéto-diélectrique 5 présentant une perméabilité magnétique complexe, variable en fonction d'un champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique 5.
    Plan de masse
  • Le plan de masse 1 peut être réalisé dans un matériau métallique, tel que le cuivre. Le plan de masse 1 peut être de forme circulaire, comme illustré aux figures 1 à 3. Cependant, d'autres formes sont envisageables pour le plan de masse 1, telles qu'une forme rectangulaire (illustrée aux figures 4 à 6) ou carrée.
  • Le plan de masse 1 peut être formé sur un substrat diélectrique (non illustré). Une ouverture est réalisée dans le plan de masse 1 (et le cas échéant dans le substrat diélectrique) pour permettre le passage de la sonde d'alimentation 3.
  • Il est possible d'équiper le plan de masse 1 de composants, par exemple un circuit de courant continu (DC), un circuit radiofréquences (RF) ou encore une pile d'alimentation, et ce sans altérer le fonctionnement de l'antenne.
    • Toit capacitif
  • Le toit capacitif 2 comporte une surface plane électriquement conductrice, de préférence métallique. Le toit capacitif 2 s'étend avantageusement parallèlement au plan de masse 1. Le terme « parallèlement » s'entend dans les tolérances usuelles liées aux conditions expérimentales de formation des éléments de l'antenne, et non comme un parallélisme parfait au sens mathématique (géométrique) du terme. Toutefois, le toit capacitif 2 peut présenter une inclinaison par rapport au plan de masse 1 dès lors qu'un effet capacitif est créé avec le plan de masse 1. L'angle d'inclinaison formé entre le toit capacitif 2 et le plan de masse 1 est préférentiellement inférieur ou égal à 30°.
  • Le toit capacitif 2 créé ainsi un effet capacitif avec le plan de masse 1 permettant d'abaisser la fréquence de résonance de l'antenne, ou réduire la longueur du monopôle (i.e. la sonde d'alimentation 3) pour une fréquence de résonance donnée.
  • Le toit capacitif 2 est de préférence de forme circulaire, par exemple avec un rayon de l'ordre de λ/11, où λ est la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne. A titre d'exemple non limitatif, dans la bande des très hautes fréquences (VHF pour « Very High Frequency» en langue anglaise), à 135 MHz, le rayon du toit capacitif 2 est de l'ordre de 200 mm.
  • Toutefois, d'autres formes sont envisageables pour le toit capacitif 2, telles qu'une forme carrée, rectangulaire, elliptique, ou encore en étoile.
  • La gamme de fréquences de fonctionnement de l'antenne est avantageusement comprise entre 30 MHz et 250 MHz.
    • Sonde d'alimentation
  • La sonde d'alimentation 3 n'est pas en contact du plan de masse 1 de manière à être électriquement isolée du plan de masse 1. A titre d'exemple non limitatif, la sonde d'alimentation 3 peut être rendue solidaire du plan de masse 1 à l'aide d'une entretoise (non illustrée) qui n'est pas électriquement conductrice.
  • La sonde d'alimentation 3 s'étend avantageusement perpendiculairement au plan de masse 1, et donc perpendiculairement au toit capacitif 2, afin de s'affranchir de la perturbation du diagramme de rayonnement de l'antenne par le plan de masse 1. La sonde d'alimentation 3 peut être reliée à une âme centrale 30, métallique, d'un guide d'onde coaxial. La sonde d'alimentation 3 s'étend entre le plan de masse 1 et le toit capacitif 2, par exemple sur une hauteur de l'ordre de λ/11, où λ est la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne. A titre d'exemple non limitatif, dans la bande des très hautes fréquences (VHF pour « Very High Frequency » en langue anglaise), à 135 MHz, la hauteur de la sonde d'alimentation 3 (entre le plan de masse 1 et le toit capacitif 2) est de l'ordre de 200 mm.
  • La sonde d'alimentation 3 est préférentiellement agencée au centre du plan de masse 1, comme illustré aux figures 2 à 6. La sonde d'alimentation 3 est avantageusement enrobée d'un matériau magnéto-diélectrique 5 présentant une perméabilité magnétique complexe, variable en fonction d'un champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique 5, comme illustré aux figures 5 et 6.
  • La sonde d'alimentation 3 est destinée à être connectée à une ligne de transmission permettant la propagation guidée d'ondes électromagnétiques (e.g. dans le domaine des radiofréquences), la ligne de transmission pouvant être un câble coaxial d'alimentation ou un autre guide d'onde.
  • Selon une variante de réalisation non illustrée, la sonde d'alimentation 3 peut être réalisée sous la forme d'une boucle d'alimentation, destinée à être reliée à une connexion différentielle, et qui permet de s'affranchir d'un balun entre la ligne de transmission et la boucle d'alimentation.
    • Fil(s) de court-circuit
  • Le ou les fils de court-circuit 4 sont de préférence réalisés dans un matériau métallique. Le ou les fils de court-circuit 4 s'étendent avantageusement perpendiculairement au plan de masse 1, et donc perpendiculairement au toit capacitif 2. Lorsque l'antenne comporte un ensemble de fils de court-circuit 4, les fils de court-circuit 4 de l'ensemble sont avantageusement parallèles entre eux. Le ou les fils de court-circuit 4 sont agencés à distance de la sonde d'alimentation 3.
  • L'antenne comporte avantageusement un ensemble de fils de court-circuit 4, agencé parallèlement autour de la sonde d'alimentation 3 de sorte que chaque fil de court-circuit 4 connecte électriquement le toit capacitif 2 au plan de masse 1, chaque fil de court-circuit 4 étant enrobé d'un matériau magnéto-diélectrique 5 présentant une perméabilité magnétique complexe, variable en fonction d'un champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique 5.
  • Lorsque la sonde d'alimentation 3 est agencée au centre du plan de masse 1, l'ensemble de fils de court-circuit comporte avantageusement au moins un couple de fils de court-circuit 4 agencé autour de la sonde d'alimentation 3 selon une symétrie centrale.
  • Le toit capacitif 2 et le plan de masse 1 présentent chacun une dimension caractéristique maximale telle que l'antenne est contenue dans une sphère avec un rayon électrique inférieur ou égal à λ/2π, où λ est la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne. Plus précisément, lorsque l'antenne comporte un ensemble de fils de court-circuit 4, le nombre (noté N) de fils de court-circuit 4 est choisi de sorte que, pour une quantité donnée de matériau magnéto-diélectrique 5, le toit capacitif 2 et la sonde d'alimentation 3 présentent chacun une dimension caractéristique maximale telle que l'antenne est contenue dans une sphère avec un rayon électrique inférieur ou égal à λ/2π, où λ est la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne.
  • Si l'on considère que chaque fil de court-circuit 4 possède un rayon, noté a, et que chaque fil de court-circuit 4 est séparé d'une distance, notée b, de la sonde d'alimentation 3, les inventeurs ont montré que l'ensemble des fils de court-circuit 4 est équivalent à un unique fil possédant un rayon (dit rayon équivalent Req) vérifiant :
    Figure imgb0003
  • Les inventeurs postulent que cette formule fonctionne quel que soit le nombre de fils de court-circuit 4 séparés d'une distance, notée b, de la sonde d'alimentation 3, c'est-à-dire que l'ensemble des fils de court-circuit 4 est équivalent à un unique fil possédant un rayon équivalent Req vérifiant : R eq = ab N − 1 1 / N , N ∈ N *
    Figure imgb0004
  • Les inventeurs ont constaté qu'à quantité égale de matériau magnéto-diélectrique 5, la mise en parallèle d'un ensemble de N fils de court-circuit 4, enrobés chacun d'un matériau magnéto-diélectrique 5, permet de réduire la fréquence de résonance de l'antenne (indépendamment du champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique) vers les basses fréquences de plus de 30% par rapport à un unique fil de court-circuit 4, enrobé du matériau magnéto-diélectrique 5, et possédant un rayon équivalent Req calculé par les formules précédentes. En d'autres termes, la mise en parallèle d'un ensemble de N fils de court-circuit 4, enrobés chacun d'un matériau magnéto-diélectrique 5, permet une meilleure efficacité du chargement de l'antenne par le matériau magnéto-diélectrique 5. Pour une architecture à un unique fil de court-circuit 4, il est estimé qu'il faudrait un volume de matériau magnéto-diélectrique 20 fois supérieur pour réduire la fréquence de résonance de l'antenne vers les basses fréquences de plus de 30%, ce qui conduirait à un encombrement substantiel, des pertes supplémentaires (liées à la quantité de matériau additionnel), et un poids supérieur de l'antenne.
  • A titre d'exemples non limitatifs, comme illustré aux figures 2 et 3, l'ensemble de fils de court-circuit 4 peut comporter trois couples de fils de court-circuit 4 agencés autour de la sonde d'alimentation 3 selon une symétrie centrale. Chaque fil de court-circuit 4 peut présenter un rayon (a) de l'ordre de 2,4 mm. Chaque couple de fils de court-circuit 4 peut être séparé d'une distance (b) de l'ordre de 80 mm de part et d'autre de la sonde d'alimentation 3 selon une symétrie centrale.
  • Les fils de court-circuit 4 sont avantageusement séparés de la sonde d'alimentation 3 d'une distance choisie pour adapter l'impédance d'entrée de l'antenne à 50 ohms.
  • Comme illustré aux figures 4 à 6, il est à noter que l'ensemble de fils de court-circuit 4 peut comporter un nombre impair de fils de court-circuit 4. Toutefois, cela peut conduire à une dissymétrie pour le rayonnement de l'antenne et à l'apparition d'une polarisation croisée (« cross polarisation » en langue anglaise).
    • Matériau magnéto-diélectrique
  • L'antenne peut comporter des moyens d'application, agencés pour appliquer le champ magnétique statique au matériau magnéto-diélectrique 5. Les moyens d'application sont configurés pour faire varier l'intensité du champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique 5.
  • L'antenne comporte avantageusement une source de courant continu 8 configurée pour faire circuler un courant électrique dans le ou les fils de court-circuit 4, via la sonde d'alimentation 3 et le toit capacitif 2, de manière à appliquer le champ magnétique statique au matériau magnéto-diélectrique 5. Comme illustré à la figure 9, la source de courant continu 8 peut être séparée d'une source de courant alternatif 9 à l'aide d'un composant T, par exemple un composant T de type T de polarisation (« Bias tee » en langue anglaise). La source de courant alternatif 9 est configurée pour faire circuler un courant électrique alternatif dans le toit capacitif 2, via la sonde d'alimentation 3, de manière à émettre des ondes radioélectriques.
  • Le champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique 5 possède avantageusement une intensité inférieure ou égale à 400 A.m-1. Comme illustré à la figure 10, la perméabilité magnétique complexe du matériau magnéto-diélectrique 5 possède une partie réelle, et le matériau magnéto-diélectrique 5 est avantageusement adapté pour que la partie réelle diminue, dans la gamme de fréquences de fonctionnement, entre 8% et 16% lorsque le champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique 5 possède une intensité passant de 0 à 400 A.m-1 (comme illustré à la figure 10). La perméabilité magnétique complexe du matériau magnéto-diélectrique 5 possède une partie réelle et une partie imaginaire, et le matériau magnéto-diélectrique 5 est avantageusement adapté pour que le ratio entre la partie imaginaire et la partie réelle soit inférieur à 0,05 dans un intervalle de la gamme de fréquences de fonctionnement, lorsque le champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique 5 possède une intensité inférieure ou égale à 400 A.m-1.
  • Comme illustré à la figure 11, il est possible de décaler de 10% la fréquence de résonance de l'antenne vers les hautes fréquences lorsque l'on fait varier la source de courant continu de 0 A à 5 A.
  • Le matériau magnéto-diélectrique 5 présente avantageusement une permittivité diélectrique complexe constante en fonction du champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique 5.
  • Comme illustré à la figure 6, l'antenne peut comporter une couche magnéto-diélectrique 5 s'étendant entre le plan de masse 1 et le toit capacitif 2 de manière à enrober le ou les fils de court-circuit 4 et la sonde d'alimentation 3, la couche magnéto-diélectrique 5 étant réalisée dans un matériau magnéto-diélectrique 5 présentant une perméabilité magnétique complexe, variable en fonction d'un champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique 5. Le toit capacitif 2 et le plan de masse 1 délimitent un volume cylindrique, et la couche magnéto-diélectrique 5 peut s'étendre dans tout ou partie du volume cylindrique.
  • Comme illustré aux figures 4 et 5, le matériau magnéto-diélectrique 5 peut également être réalisé sous la forme d'un cylindre creux à l'intérieur duquel s'étend un fil de court-circuit 4 ou la sonde d'alimentation 3.
  • Le matériau magnéto-diélectrique 5 possède des parois magnétiques avec des zones de transition entre deux domaines magnétiques (dits domaines de Weiss). Un domaine magnétique est une région du matériau où les moments magnétiques sont orientés dans la même direction. Les parois magnétiques du matériau magnéto-diélectrique 5 sont configurées de sorte que le matériau magnéto-diélectrique 5 présente une perméabilité magnétique complexe, variable en fonction d'un champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique 5. Pour ce faire, les parois magnétiques du matériau magnéto-diélectrique 5 sont avantageusement formées de manière à obtenir des parois de Bloch, c'est-à-dire des parois magnétiques où la zone de transition entre deux domaines magnétiques s'effectue graduellement dans le plan de la paroi magnétique. De plus, les parois de Bloch peuvent se mouvoir de sorte que le matériau magnéto-diélectrique 5 présente une perméabilité magnétique complexe, variable en fonction d'un champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique 5. Par ailleurs, le matériau magnéto-diélectrique 5 est avantageusement conformé géométriquement pour s'affranchir d'un effet démagnétisant, de sorte la perméabilité magnétique complexe varie sensiblement lorsque le champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique 5 possède une intensité inférieure ou égale à 400 A.m-1.
  • Le matériau magnéto-diélectrique 5 est avantageusement choisi de sorte que la relation µr>εr>1 est vérifiée dans la gamme de fréquences de fonctionnement, où :
    • µr est la perméabilité relative du matériau magnéto-diélectrique 5,
    • εr est la permittivité relative du matériau magnéto-diélectrique 5.
  • Le matériau magnéto-diélectrique 5 est avantageusement choisi parmi Ni1-xZn1-yCo1-zFe2-δO4, avec 0,5<x<0,8 ; 0,2<y<0,8 ; 0<z<0,2 ; δ<0,5.
    • Procédé de fabrication de l'antenne
  • Comme illustré aux figures 7 et 8, un procédé de fabrication d'une antenne fil-plaque monopolaire, comporte les étapes :
    1. a) prévoir un substrat 6, réalisé dans un matériau magnéto-diélectrique 5, et présentant des première et seconde surfaces 60, 61 planes opposées ;
    2. b) former un premier trou d'interconnexion 7a à travers le substrat 6 de manière à obtenir une sonde d'alimentation 3 ;
    3. c) former un ensemble de trous d'interconnexion 7b à travers le substrat 6, agencés parallèlement autour du premier trou d'interconnexion 7a, de manière à obtenir un ensemble de fils de court-circuit 4 ;
    4. d) former un toit capacitif 2 à la première surface 60 du substrat 6 ;
    5. e) former un plan de masse 1 à la seconde surface 61 du substrat 6 ; l'étape e) étant exécutée de sorte que la sonde d'alimentation 3 est électriquement isolée du plan de masse 1.
  • Par « trou d'interconnexion » (« via » en langue anglaise), on entend un trou métallisé permettant d'établir une liaison électrique entre deux niveaux d'interconnexion.
  • Les trous d'interconnexion 7a, 7b peuvent être métallisés par pulvérisation cathodique (« sputtering » en langue anglaise).
  • A l'issue de l'étape e), l'ensemble de fils de court-circuit 4 et la sonde d'alimentation 3 sont enrobés du matériau magnéto-diélectrique 5 du substrat 6.
    • Procédé de fabrication du matériau magnéto-diélectrique
  • Le matériau magnéto-diélectrique 5 de type Ni1-xZn1-yCo1-zFe2-δO4 avec 0,5<x<0,8 ; 0,2<y<0,8 ; 0<z<0,2 ; δ<0,5 peut être formé à partir de poudres synthétisées par voie de co-précipitation. Des sels de chlorures de Fer, de Cobalt, de Nickel, de Zinc sont pesés de manière à respecter la stœchiométrie des éléments métalliques du matériau final. Ces sels sont ajoutés à une solution basique de NaOH, portée à ébullition. Le pH de la solution basique de NaOH est optimisé par essais successifs. Le mélange est laissé à réagir pendant une durée d'environ 1 heure. Puis le mélange est laissé à refroidir à température ambiante. Le mélange est ensuite rincé plusieurs fois à l'eau, jusqu'à ce que son pH soit inférieur à 8. Le mélange est alors mis à l'étuve à une température de 55°C pendant environ 48 h, afin qu'il sèche. Le mélange séché obtenu forme une poudre sèche, qui est alors broyée, de préférence manuellement. Puis les poudres sèches broyées sont compressées et mises en forme par pressage uniaxial, de manière à obtenir un matériau compact. Le matériau compact obtenu est enfin fritté, de préférence à une température de frittage comprise entre 950°C et 1100°C.
  • L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation exposés. L'homme du métier est mis à même de considérer leurs combinaisons techniquement opérantes, et de leur substituer des équivalents.

Claims (15)

  1. Antenne fil-plaque monopolaire reconfigurable dans une gamme de fréquences de fonctionnement, comportant :
    - un plan de masse (1) ;
    - un toit capacitif (2) ;
    - une sonde d'alimentation (3), électriquement isolée du plan de masse (1), et s'étendant entre le plan de masse (1) et le toit capacitif (2) de manière à alimenter électriquement le toit capacitif (2) ;
    - au moins un fil de court-circuit (4), agencé pour connecter électriquement le toit capacitif (2) au plan de masse (1), et enrobé d'un matériau magnéto-diélectrique (5) présentant une perméabilité magnétique complexe, variable en fonction d'un champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique (5).
  2. Antenne selon la revendication 1, comportant une source de courant continu (8) configurée pour faire circuler un courant électrique dans le fil de court-circuit (4), via la sonde d'alimentation (3) et le toit capacitif (2), de manière à appliquer le champ magnétique statique au matériau magnéto-diélectrique (5).
  3. Antenne selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique (5) possède une intensité inférieure ou égale à 400 A.m-1.
  4. Antenne selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle la perméabilité magnétique complexe possède une partie réelle, et le matériau magnéto-diélectrique (5) est adapté pour que la partie réelle diminue, dans la gamme de fréquences de fonctionnement, entre 8% et 16% lorsque le champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique (5) possède une intensité passant de 0 à 400 A.m-1.
  5. Antenne selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle la perméabilité magnétique complexe possède une partie réelle et une partie imaginaire, et le matériau magnéto-diélectrique (5) est adapté pour que le ratio entre la partie imaginaire et la partie réelle soit inférieur à 0,05 dans un intervalle de la gamme de fréquences de fonctionnement, lorsque le champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique (5) possède une intensité inférieure ou égale à 400 A.m-1.
  6. Antenne selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle le matériau magnéto-diélectrique (5) présente une permittivité diélectrique complexe constante en fonction du champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique (5).
  7. Antenne selon l'une des revendications 1 à 6, comportant un ensemble de fils de court-circuit (4), agencé parallèlement autour de la sonde d'alimentation (3) de sorte que chaque fil de court-circuit (4) connecte électriquement le toit capacitif (2) au plan de masse (1), chaque fil de court-circuit (4) étant enrobé d'un matériau magnéto-diélectrique (5) présentant une perméabilité magnétique complexe, variable en fonction d'un champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique (5).
  8. Antenne selon la revendication 7, dans laquelle la sonde d'alimentation (3) est agencée au centre du plan de masse (1), et l'ensemble de fils de court-circuit (4) comporte au moins un couple de fils de court-circuit (4) agencé autour de la sonde d'alimentation (3) selon une symétrie centrale.
  9. Antenne selon l'une des revendications 1 à 8, dans laquelle la sonde d'alimentation (3) est enrobée d'un matériau magnéto-diélectrique (5) présentant une perméabilité magnétique complexe, variable en fonction d'un champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique (5).
  10. Antenne selon l'une des revendications 1 à 9, comportant une couche magnéto-diélectrique (5) s'étendant entre le plan de masse (1) et le toit capacitif (2) de manière à enrober le ou les fils de court-circuit (4) et la sonde d'alimentation (3), la couche magnéto-diélectrique (5) étant réalisée dans un matériau magnéto-diélectrique (5) présentant une perméabilité magnétique complexe, variable en fonction d'un champ magnétique statique appliqué au matériau magnéto-diélectrique (5).
  11. Antenne selon la revendication 10, dans laquelle le toit capacitif (2) et le plan de masse (1) délimitent un volume cylindrique, et la couche magnéto-diélectrique (5) s'étend dans tout ou partie du volume cylindrique.
  12. Antenne selon l'une des revendications 1 à 11, dans laquelle le matériau magnéto-diélectrique (5) est choisi de sorte que la relation µr>εr>1 est vérifiée dans la gamme de fréquences de fonctionnement, où :
    - µr est la perméabilité relative du matériau magnéto-diélectrique (5),
    - εr est la permittivité relative du matériau magnéto-diélectrique (5).
  13. Antenne selon l'une des revendications 1 à 12, dans laquelle le matériau magnéto-diélectrique (5) est choisi parmi Ni1-xZn1-yCo1-zFe2-δO4, avec 0,5<x<0,8 ; 0,2<y<0,8 ; 0<z<0,2 ; δ<0,5.
  14. Antenne selon l'une des revendications 1 à 13, dans laquelle le toit capacitif (2) et le plan de masse (1) présentent chacun une dimension caractéristique maximale telle que l'antenne est contenue dans une sphère avec un rayon électrique inférieur ou égal à λ/2π, où λ est la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne.
  15. Antenne selon l'une des revendications 1 à 14, dans laquelle la gamme de fréquences de fonctionnement est comprise entre 30 MHz et 250 MHz.
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