EP4550578A1 - Antenne boucle superdirective - Google Patents

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Publication number
EP4550578A1
EP4550578A1 EP24209954.7A EP24209954A EP4550578A1 EP 4550578 A1 EP4550578 A1 EP 4550578A1 EP 24209954 A EP24209954 A EP 24209954A EP 4550578 A1 EP4550578 A1 EP 4550578A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
connection port
antenna
radiating element
main radiating
central element
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
EP24209954.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Frédéric Munoz
Jean-François PINTOS
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.)
Commissariat à l'Énergie Atomique et Aux Énergies Alternatives
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat à l'Énergie Atomique et Aux Énergies Alternatives
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, Commissariat à l'Énergie Atomique et Aux Énergies Alternatives filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP4550578A1 publication Critical patent/EP4550578A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q7/00—Loop antennas with a substantially uniform current distribution around the loop and having a directional radiation pattern in a plane perpendicular to the plane of the loop
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/08—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart the units being spaced along or adjacent to a rectilinear path
    • H01Q21/10—Collinear arrangements of substantially straight elongated conductive units
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/30—Arrangements for providing operation on different wavebands
    • H01Q5/307—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way
    • 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
    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • H01Q9/28—Conical, cylindrical, cage, strip, gauze, or like elements having an extended radiating surface; Elements comprising two conical surfaces having collinear axes and adjacent apices and fed by two-conductor transmission lines
    • H01Q9/285—Planar dipole

Definitions

  • the present invention relates to an antenna, as well as to an antenna system and to an antenna array.
  • the invention is particularly suitable for wireless telecommunications systems, radar systems, or radiofrequency metrology, in a non-exhaustive manner.
  • the 5G telecommunications technology relies on several frequency bands.
  • the FR1-5G band uses frequencies below 6 GHz.
  • this sub-6 GHz band in near-field/far-field measurement, highly compact directional antennas provide focusing of radiated energy, improved angular resolution, and minimized space requirements.
  • one of the methods often used consists of the realization of an array of resonant elements in "End-Fire" mode, where the axis of maximum radiation is aligned with the axis of duplication of the radiating elements, thus leading to a reduced size but with little compactness in the "End-Fire” orientation of the array.
  • This is the case, for example, of the Yagi-Uda antenna, well known to those skilled in the art.
  • Loop antennas are elementary antennas well defined in the literature. Their dimensions can be very small compared to the wavelength.
  • An example of a loop antenna is illustrated by the Figure 1
  • the loop antenna comprises an excitation point 21, and a metal loop 20, which may consist of one or more turns, or consist of a flat track, in one piece.
  • Curve 31 corresponds to the directivity along the z axis, in dBi, of the antenna described in [1], as a function of the C/ ⁇ ratio.
  • the C/ ⁇ ratio can be modified either by a change in the size of the antenna (here the circumference) by fixing a given frequency, or for a given physical size, a variation of the frequency across the wavelength.
  • the miniature antenna diversity present in the literature is substantial and the design of a miniature directional radiating element represents an additional challenge. There are different approaches to address this need.
  • part of the solutions proposes to use Huygens sources (dipole and loop with radiation in the plane of the loop), then using the high natural directivity of this radiating element.
  • [4] proposes to include an impedance tuning space at the loop level.
  • Yagi-Uda loop antennas are arrayed in an “End-Fire” arrangement.
  • the loops used are not miniature in size (C/ ⁇ “1) and therefore exhibit maximum radiation orthogonal to the plane.
  • an excitation dipole is arranged inside a loop antenna located out of the plane defined by the excitation dipole, which improves the directivity of the antenna.
  • the loop antenna is located out of plane prevents a compact array in an "End-fire" configuration.
  • the invention aims to provide a compact and directional radiating element for use alone or in a network.
  • An object of the invention is therefore an antenna, comprising a main radiating element of the loop antenna type, a first connection port and a second connection port arranged on either side of the main radiating element, a central element of the electric dipole type, circumscribed in the main radiating element, the central element being made up of two branches arranged symmetrically with respect to an axis of symmetry passing through the first connection port and through the second connection port, the central element being fed at a third connection port located in the axis of symmetry, the main radiating element and the central element being coplanar.
  • the dimensions of the main radiating element and the central element are determined so that the impedance of the first connection port and the second connection port have a zero real part.
  • each branch of the central element comprises a main strand which extends orthogonally to the axis of symmetry, and two auxiliary strands, arranged on either side of the end of the main strand opposite the third connection port.
  • the main radiating element is composed of two semicircles connected at the first connection port and the second connection port, and the auxiliary strands have a circular arc shape, and wherein the following parameters are used to optimize the impedance of the first connection port and the second connection port: the diameter of the main radiating element, the width of the main radiating element, the spacing between each of the semicircles, the diameter of the circular arcs, the width of the circular arcs, and the length of the circular arcs.
  • the impedance of the first connection port and the impedance of the second connection port are determined by applying a superdirectivity algorithm.
  • the superdirectivity algorithm uses a radiation pattern method.
  • the first connection port and the second connection port each comprise a power supply circuit.
  • the first connection port comprises a load
  • the second connection port comprises a power supply circuit
  • the invention also relates to an antenna system, comprising a aforementioned antenna, and a reflector element placed close to the main radiating element and parallel to the plane of the main radiating element.
  • the invention also relates to an antenna network comprising at least two aforementioned antennas, the antennas being networked according to an “End-fire” type configuration.
  • the antenna according to the invention is presented in Figure 3 .
  • the antenna 1 comprises a main radiating element 2 of the loop antenna type.
  • the loop is circular, but other shapes can be considered for the loop, including square, rectangular, or even more complex shaped loops of the surface or volume polygonal type. The specific shape depends on the application and the desired performance characteristics.
  • the main radiating element 2 is a loop of conductive wire or a metal track printed in the form of a loop.
  • the printed metal track typically comprising copper, can be produced on a dielectric substrate using PCB (Printed Circuit Board) technology.
  • PCB Print Circuit Board
  • the substrate can be made from materials such as epoxy fiberglass (FR-4) or polytetrafluoroethylene (PTFE), although other materials can be used depending on the specific requirements of the antenna.
  • FR-4 epoxy fiberglass
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the main radiating element 2 is located in the xy plane, which means that its thickness, along the z axis, is negligible compared to the width of the loop, in the xy plane.
  • a central element 5 of the electric dipole type is circumscribed in the main radiating element 2.
  • the central element 5 consists of a first branch 6 and a second branch 7.
  • the two branches are arranged symmetrically with respect to an axis of symmetry 8 which passes through a first connection port 3 and through a second connection port 4.
  • the central element 5 of the electric dipole type is fed by a balanced two-wire line represented by a connection point at the center of the dipole.
  • One of the poles is excited in phase opposition with respect to the second pole, which can be carried out by a balanced excitation at the output of a symmetrizing circuit (device called "balun").
  • the first connection port 3 and the second connection port 4 are arranged on either side of the main radiating element 2, i.e. diametrically opposite relative to the center of the loop.
  • the arrangement on either side of the main radiating element 2 (relative to the center of symmetry) can be applied both to a circular loop antenna and to the other forms of loop antennas mentioned above.
  • connection ports can be greater than two, provided that symmetry with respect to the 8 axis is respected.
  • one of the connection ports (for example the first connection port 3) comprises a load, and the other connection port (for example the second connection port 4) comprises a power supply circuit.
  • the feed circuit serves as an electrical connection between the main radiating element 2 and the transmitting/receiving electronics of the antenna.
  • the electrical signals generated by the antenna (in case of reception) or the electrical signals intended to be emitted by the antenna (in case of transmission) are transmitted through the feed circuit.
  • the load is a so-called passive load, and may include a resistor.
  • active loads can also be considered, making it possible to bring impedances whose real parts are negative.
  • Loads can be designed with series or parallel RLC equivalent circuits.
  • each of the connection ports comprises a feed circuit.
  • the symmetry of the dipole with respect to the axis of symmetry 8 allows balanced coupling on the loop (two excitation points per coupling). This makes it possible to feed the dipole at the center and to weight, with the same set of loads, the two ports of the loop.
  • the application of two symmetrical loads at the level of the main radiating element makes it possible to maintain the radiation orthogonal to the xy plane containing the loop.
  • the antenna 1 comprises a central element 5 of the electric dipole type, circumscribed in the main radiating element 2.
  • circumscribed it is meant that the central element 5 is contained within specific limits defined by the interior of the loop of the main radiating element 2.
  • the central element 5 is powered at a third connection port 9 located on the axis of symmetry 8.
  • the third connection port 9 comprises a power supply circuit.
  • the third connection port 9 may comprise an impedance matching circuit including loads in series and/or in parallel.
  • the central element 5 is located in the same plane as the main radiating element 2. The fact that they are located in the same plane makes it possible to reduce the inter-element space, compared to a configuration in which one of the two elements would be out of the plane.
  • FIG. 4 illustrates radiation patterns obtained for different values of C/ ⁇ (C corresponds to the circumference of the main radiating element 2 and ⁇ corresponds to the carrier wavelength), with the central element 5 (diagrams 20, 21 and 22) and without the central element (diagrams 23, 24 and 25).
  • C corresponds to the circumference of the main radiating element 2 and ⁇ corresponds to the carrier wavelength
  • ⁇ corresponds to the carrier wavelength
  • FIG. 4 also illustrates the directivity of the antenna along the z axis of the Figure 3 , that is to say the axis orthogonal to the plane of the loop (see curve 26 with the central element and curve 27 without the central element).
  • the Figure 5 illustrates the loop antenna 31 without a central element, used for plotting curve 27, and whose loop is excited on both sides at the level of the first connection port 3 and the second connection port 4 with the correct phase distribution.
  • End-fire arraying involves aligning a plurality of antennas along the axis orthogonal to the plane of each antenna. By concentrating the energy in a specific direction (which corresponds to the orthogonal axis), the End-fire antennas provide high gain in this direction, which improves the effective power of the signal transmitted or received in this direction.
  • the branch 6 of the central element 5 comprises a main strand 10 which extends orthogonally to the plane (or axis) of symmetry 8, and two auxiliary strands (12 and 13), arranged on either side of the end 17 of the main strand 10 opposite the third connection port 9.
  • strand main strand or auxiliary strand
  • each auxiliary strand forms an arc of a circle which extends from the end 17 of the main strand, at an angle ⁇ d of between 0° and 90° (excluding these values), and the main radiating element 2 is composed of two semicircles.
  • each auxiliary strand has a shape such that there is a free space (devoid of metal track) between the auxiliary strand and the interior of the main radiating element 2, so as to reveal coupling zones between the main radiating element 2 and the central element 5.
  • the main radiating element 2 has a square shape
  • the auxiliary strands have a rectilinear shape, so as to be parallel to the main radiating element 2.
  • the branch 7 of the central element 5 comprises a main strand 11 which extends orthogonally to the plane of symmetry 8, and two auxiliary strands (14 and 15), arranged on either side of the end 16 of the main strand 11 opposite the third connection port 9.
  • the dimensions of the main radiating element 2 and of the central element 5 are determined so that the impedance of the first connection port 3 and of the second connection port 4 has the lowest possible real part, in particular a zero or quasi-zero real part.
  • quasi-zero is meant a real part much lower than the radiation resistance of the antenna (of the order of at least a hundred times lower).
  • adding a central element 5 to the center of the main radiating element 2 makes it possible to optimize the impedance of the first connection port 3 and of the second connection port 4, by acting on a plurality of parameters, and not only on the track width w of the main radiating element 2, as is the case in loop antennas of the state of the art.
  • the designer can adjust at least one of the following parameters, so as to weight with the same load set the two connection ports: the diameter r of the main radiating element 2, the width w of the main radiating element 2, the spacing ⁇ between each of the semicircles (18, 19) which constitute the main radiating element, the diameter rd of the circular arcs (12, 13, 14, 15), the width wd of the circular arcs (12, 13, 14, 15), and the length ⁇ d of the circular arcs (12, 13, 14, 15).
  • an antenna according to the invention can be implemented with the values indicated in the table below (units indicated in parentheses): ⁇ (m) r (m) w (m) ⁇ (m) rd (m) wd (m) ⁇ d (°) 0.3 0.25. ⁇ /2 ⁇ ⁇ /100 ⁇ /400 ⁇ .(r-2.5w) ⁇ /300 70
  • Load optimization can be implemented by applying a superdirectivity algorithm, which makes it possible to obtain analytically (i.e. by solving a linear system of equations) the complex amplitudes at antenna connections, i.e. directly at the loads and/or feed points.
  • the superdirectivity algorithm uses a radiation pattern method, which is easily implementable. Indeed, it does not require iteration, or even decomposition in a particular basis.
  • load optimization can be implemented by other methods, notably by the spherical mode method, or by the characteristic mode method.
  • FIG. 6 illustrates an antenna system, comprising an antenna 1 as defined previously, and a reflector element 28 placed close to the main radiating element and parallel to the plane of the main radiating element.
  • This configuration provides an increase in directivity in the plane orthogonal to the antenna.
  • the increase in directivity can be by a factor of 2 if the reflector is a good metallic conductor and has a diameter greater than the wavelength.
  • the reflector is flat and may have a diameter of the order of the wavelength of the transmit/receive signal.
  • the effects on directivity are significant as the antenna gets closer to the reflector element 28 (e.g., a distance equal to 0.1 ⁇ ). However, the closer the antenna 1 gets to the reflector element 28, the more difficult it becomes to match the impedance of the reflector element 28. A compromise must therefore be made between improving directivity and matching impedance.
  • FIG. 7 illustrates an antenna array 29 according to the invention. It comprises at least two antennas described above, arrayed in an “End-fire” type configuration. It is not necessary for the central elements of the different antennas to be aligned.
  • the antennas have a radiation along the axis orthogonal to the plane of the loop, which is particularly compatible with arraying.
  • the axis of maximum radiation is aligned with the axis of duplication of the radiating elements, and the space between the antennas can be greatly reduced due to the planar nature of the antenna and the central element. This makes it possible to obtain a very compact and very directional network.
  • the antenna array 30 comprises a plurality of arrayed antennas 1, placed facing a reflector 28.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)

Abstract

L'invention se rapporte à une antenne (1), comprenant un élément rayonnant principal (2) de type antenne boucle, un premier port de connexion (3) et un deuxième port de connexion (4) disposés de part et d'autre de l'élément rayonnant principal (2), un élément central (5) de type dipôle électrique, circonscrit dans l'élément rayonnant principal (2), l'élément central (5) étant constitué de deux branches (6, 7) disposées de façon symétrique par rapport à un axe de symétrie (8) passant par le premier port de connexion (3) et par le deuxième port de connexion (4), l'élément central (5) étant alimenté au niveau d'un troisième port de connexion (9) situé dans l'axe de symétrie (8), l'élément rayonnant principal (2) et l'élément central (5) étant coplanaires.

Description

    Domaine technique
  • La présente invention se rapporte à une antenne, ainsi qu'à un système antennaire et à un réseau d'antennes. L'invention est particulièrement adaptée aux systèmes de télécommunications sans fils, aux systèmes radar, ou à la métrologie radiofréquence, de façon non exhaustive.
  • La technologie de télécommunications 5G repose sur plusieurs bandes de fréquences. Parmi ces bandes de fréquences, la bande FR1-5G utilise des fréquences inférieures à 6 GHz. Dans cette bande sub-6 GHz, dans la mesure champ proche / champ lointain, les antennes directives à forte compacité apportent une focalisation de l'énergie rayonnée, une amélioration de la résolution angulaire, et une minimisation de l'espace occupé.
  • Dans un objectif de directivité, une des méthodes souvent utilisée consiste en la réalisation d'un réseau d'éléments résonants en mode « End-Fire », où l'axe du rayonnement maximal est aligné avec l'axe de duplication des éléments rayonnants, menant alors à une taille réduite mais avec peu de compacité dans l'orientation « End-Fire » du réseau. C'est le cas, par exemple, de l'antenne Yagi-Uda, bien connue de l'homme du métier.
  • Les antennes boucles sont des antennes élémentaires bien définies dans la littérature. Leurs dimensions peuvent être très petites devant la longueur d'onde. Un exemple d'antenne boucle est illustré par la figure 1. L'antenne boucle comprend un point d'excitation 21, et une boucle métallique 20, qui peut être constituée d'une ou plusieurs spires, ou être constituée d'une piste plane, d'un seul tenant.
  • En particulier, le passage d'un mode de rayonnement dans le plan (cf. diagramme de rayonnement 22 sur la figure 2) contenant la boucle, à un mode de rayonnement hors plan lorsque la circonférence C de la boucle s'approche de la longueur d'onde Â, est illustrée par la figure 2 (cf. diagrammes de rayonnement 23 et 24.
  • Les mesures de la figure 2 sont obtenues avec une valeur Ω constante, définie par :
    Ω = 2 . ln 2 πa b = 10
    Figure imgb0001
    a correspond au rayon de la boucle, et b correspond à l'épaisseur de la boucle selon l'axe z.
  • La courbe 31 correspond à la directivité selon l'axe z, en dBi, de l'antenne décrite dans [1], en fonction du rapport C/λ. Le ratio C/λ peut être modifié soit par un changement de taille de l'antenne (ici la circonférence) en fixant une fréquence donnée, soit pour une taille physique donnée, une variation de la fréquence à travers la longueur d'onde.
  • Lorsque la circonférence C de la boucle est faible par rapport à la longueur d'onde λ, typiquement lorsque C/λ < 0.5, le rayonnement maximal reste dans le plan de la boucle. En effet, le passage au mode fondamental de l'antenne s'accompagne d'une diminution de la directivité selon l'axe orthogonal au plan de la boucle, et le rayonnement a plutôt lieu dans le plan de la boucle
  • Pour une mise en réseau des antennes boucle en mode « End-Fire » (superposition dans la direction de propagation orthogonale au plan de la boucle), il est nécessaire qu'il y ait une bonne directivité selon l'axe orthogonal au plan de la boucle.
  • Or, le problème du maintien de la directivité hors du plan d'une boucle se pose lors de la miniaturisation de l'antenne. Ce problème est clairement illustré sur la référence 22 de la figure 2, à travers un nul de rayonnement suivant l'axe Oz.
  • La diversité d'antenne miniature présente dans la littérature est conséquente et la conception d'un élément rayonnant directif et miniature représente un défi supplémentaire. Il existe différentes approches pour répondre à ce besoin.
  • Comme présenté dans [2], une partie des solutions propose d'utiliser des sources de Huygens (dipôle et boucle avec rayonnement dans le plan de la boucle), utilisant alors la directivité naturelle élevée de cet élément rayonnant.
  • D'autres solutions se basent sur une optimisation conjointe entre un dipôle et un plan réflecteur (parfois modifié dans un but de compacité, de bande d'adaptation large et de directivité, comme décrit dans [3]).
  • Dans le domaine des antennes à boucle, [4] propose d'inclure un espace de réglage d'impédance au niveau de la boucle.
  • Dans [5], le couplage entre éléments est utilisé, mais sans contrainte particulière sur le diagramme de rayonnement de l'antenne.
  • Ces solutions ne permettent pas de répondre au besoin de directivité et de contrôle du rayonnement évoqué précédemment.
  • Dans l'antenne décrite dans [6], l'utilisation des boucles proches du mode fondamental C/λ < 0.5 ne tire pas profit d'une compacité naturelle des boucles qui est liée à une utilisation des modes supérieurs, dans lesquels la boucle rayonne orthogonalement au plan qui la contient.
  • Dans [7], des antennes Yagi-Uda à boucles sont mis en réseau selon une disposition « End-Fire ». Cependant, les boucles utilisées ne sont pas de taille miniature (C/λ « 1) et présentent donc un rayonnement maximal orthogonal au plan.
  • Dans [8], un dipôle d'excitation est disposé à l'intérieur d'une antenne boucle situé hors du plan défini par le dipôle d'excitation, ce qui permet d'améliorer la directivité de l'antenne. Toutefois, le fait que l'antenne boucle soit située hors plan empêche une mise en réseau compacte selon une configuration « End-fire ».
  • Ainsi, l'invention vise à fournir un élément rayonnant compact et directif pour une utilisation seule ou en réseau.
    • Résumé de l'invention
  • Un objet de l'invention est donc une antenne, comprenant un élément rayonnant principal de type antenne boucle, un premier port de connexion et un deuxième port de connexion disposés de part et d'autre de l'élément rayonnant principal, un élément central de type dipôle électrique, circonscrit dans l'élément rayonnant principal, l'élément central étant constitué de deux branches disposées de façon symétrique par rapport à un axe de symétrie passant par le premier port de connexion et par le deuxième port de connexion, l'élément central étant alimenté au niveau d'un troisième port de connexion situé dans l'axe de symétrie, l'élément rayonnant principal et l'élément central étant coplanaires.
  • Avantageusement, les dimensions de l'élément rayonnant principal et de l'élément central sont déterminées de façon à ce que l'impédance du premier port de connexion et du deuxième port de connexion aient une partie réelle nulle.
  • Avantageusement, chaque branche de l'élément central comprend un brin principal qui s'étend orthogonalement à l'axe de symétrie, et deux brins auxiliaires, disposés de part et d'autre de l'extrémité du brin principal opposée au troisième port de connexion.
  • Avantageusement, l'élément rayonnant principal est composé de deux demi-cercles connectés au niveau du premier port de connexion et du deuxième port de connexion, et les brins auxiliaires ont une forme d'arc de cercle, et dans laquelle les paramètres suivants sont utilisés pour optimiser l'impédance du premier port de connexion et du deuxième port de connexion : le diamètre de l'élément rayonnant principal, la largeur de l'élément rayonnant principal, l'espacement entre chacun des demi-cercles, le diamètre des arcs de cercle, la largeur des arcs de cercle, et la longueur des arcs de cercle.
  • Avantageusement, l'impédance du premier port de connexion et l'impédance du deuxième port de connexion sont déterminées par application d'un algorithme de superdirectivité.
  • Avantageusement, l'algorithme de superdirectivité utilise une méthode des diagrammes de rayonnements.
  • Avantageusement, le premier port de connexion et le deuxième port de connexion comprennent chacun un circuit d'alimentation.
  • Avantageusement, le premier port de connexion comprend une charge, et le deuxième port de connexion comprend un circuit d'alimentation.
  • L'invention se rapporte également à un système antennaire, comprenant une antenne précitée, et un élément réflecteur placé à proximité de l'élément rayonnant principal et parallèlement au plan de l'élément rayonnant principal.
  • L'invention se rapporte également à un réseau d'antennes comprenant au moins deux antennes précitées, les antennes étant mises en réseau selon une configuration de type « End-fire ».
    • Description des figures
  • D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple.
    • La figure 1, déjà décrite, illustre une antenne boucle selon l'état de la technique.
    • La figure 2, déjà décrite, illustre des diagrammes de rayonnements de l'antenne boucle selon la figure 1, pour différentes valeurs de C/λ.
    • La figure 3 illustre une antenne selon l'invention.
    • La figure 4 illustre des diagrammes de rayonnements de l'antenne boucle selon l'invention, et selon la figure 5, pour différentes valeurs de C/λ.
    • La figure 5 illustre une antenne boucle dépourvue d'élément central, et dont la boucle est excitée de part et d'autre au niveau de deux ports de connexion.
    • La figure 6 illustre un mode de réalisation d'un système antennaire, comprenant une antenne et un élément réflecteur.
    • La figure 7 illustre un mode de réalisation d'une mise en réseau de type « End-fire » de plusieurs antennes selon l'invention.
    • La figure 8 illustre un mode de réalisation d'un système antennaire comprenant un élément réflecteur et une mise en réseau de type « End-fire » de plusieurs antennes selon l'invention.
    Description détaillée de l'invention
  • L'antenne selon l'invention est présentée en figure 3.
  • L'antenne 1 comprend un élément rayonnant principal 2 de type antenne boucle. Sur la figure 3, la boucle est circulaire, mais d'autres formes peuvent être envisagées pour la boucle, notamment des formes carrées, rectangulaires, ou encore des boucles de formes plus complexes de type polygonales surfaciques ou volumiques. La forme spécifique dépend de l'application et des caractéristiques de performance souhaitées. L'élément rayonnant principal 2 est une boucle de fil conducteur ou une piste métallique imprimée sous forme de boucle.
  • La piste métallique imprimée, comprenant typiquement du cuivre, peut être réalisée sur un substrat diélectrique selon une technologie de type PCB (pour « Printed Circuit Board » ou circuit imprimé).
  • Le substrat peut être fabriqué à partir de matériaux tels que la fibre de verre époxy (FR-4) ou le polytétrafluoroéthylène (PTFE), bien que d'autres matériaux puissent être utilisés en fonction des exigences spécifiques de l'antenne.
  • L'élément rayonnant principal 2 est situé dans le plan xy, ce qui signifie que son épaisseur, selon l'axe z, est négligeable par rapport à la largeur de la boucle, dans le plan xy.
  • Un élément central 5 de type dipôle électrique est circonscrit dans l'élément rayonnant principal 2. L'élément central 5 est constitué d'une première branche 6 et d'une deuxième branche 7. Les deux branches sont disposées de façon symétrique par rapport à un axe de symétrie 8 qui passe par un premier port de connexion 3 et par un deuxième port de connexion 4.
  • L'élément central 5 de type dipôle électrique est alimenté par une ligne bifilaire équilibrée représentée par un point de connexion au centre du dipôle. Un des pôles est excité en opposition de phase par rapport au second pôle, qui peut être effectuée par une excitation équilibrée à la sortie d'un circuit symétriseur (dispositif de appelé « balun ».
  • Le premier port de connexion 3 et le deuxième port de connexion 4 sont disposés de part et d'autre de l'élément rayonnant principal 2, c'est-à-dire de façon diamétralement opposée par rapport au centre de la boucle. La disposition de part et d'autre de l'élément rayonnant principal 2 (par rapport au centre de symétrie) peut s'appliquer aussi bien à une antenne boucle circulaire, qu'aux autres formes d'antennes boucles précitées.
  • Le nombre de ports de connexion peut être supérieur à deux, sous réserve que la symétrie par rapport à l'axe 8 soit respectée.
  • Selon un premier mode de réalisation, un des ports de connexion (par exemple le premier port de connexion 3) comprend une charge, et l'autre port de connexion (par exemple le deuxième port de connexion 4) comprend un circuit d'alimentation.
  • Le circuit d'alimentation sert de liaison électrique entre l'élément rayonnant principal 2 et l'électronique d'émission/réception de l'antenne. Les signaux électriques générés par l'antenne (en cas de réception) ou les signaux électriques destinés à être émis par l'antenne (en cas de transmission) sont transmis à travers le circuit d'alimentation.
  • Dans ce mode de réalisation, la charge est une charge dite passive, et peut comprendre une résistance. Mais des charges actives peuvent aussi être envisagées, permettant d'amener des impédances dont les parties réelles sont négatives.
  • Les charges peuvent être conçues avec circuits équivalents de type RLC série ou parallèle.
  • Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, chacun des ports de connexion comprend un circuit d'alimentation. La symétrie du dipôle par rapport à l'axe de symétrie 8 permet un couplage équilibré sur la boucle (deux points d'excitations par couplage). Ceci permet d'alimenter le dipôle au centre et de pondérer, avec le même jeu de charge, les deux ports de la boucle. L'application de deux charges symétriques au niveau de l'élément rayonnant principal permet de maintenir le rayonnement orthogonal au plan xy contenant la boucle.
  • L'antenne 1 selon l'invention comprend un élément central 5 de type dipôle électrique, circonscrit dans l'élément rayonnant principal 2. Par « circonscrit », on entend que l'élément central 5 est contenu dans des limites spécifiques définies par l'intérieur de la boucle de l'élément rayonnant principal 2.
  • L'élément central 5 est alimenté au niveau d'un troisième port de connexion 9 situé sur l'axe de symétrie 8. Le troisième port de connexion 9 comprend un circuit d'alimentation. Par ailleurs, le troisième port de connexion 9 peut comprendre un circuit d'adaptation d'impédance incluant des charges en série et/ou en parallèle.
  • L'élément central 5 est situé dans le même plan que l'élément rayonnant principal 2. Le fait qu'ils soient situés dans un même plan permet de réduire l'espace inter-élément, par rapport à une configuration dans laquelle l'un des deux éléments serait hors du plan. L'agencement, dans un même plan, de l'élément rayonnant principal 2 et de l'élément central 5 simplifie la mise en place du premier port de connexion 3 et du deuxième port de connexion 4.
  • Du fait du caractère coplanaire de l'élément central 5 et de l'élément rayonnant principal 2, il est possible de connecter un circuit de couplage complexe 32 entre l'élément central 5 et de l'élément rayonnant principal 2 (par exemple un circuit RLC série ou parallèle). Un tel couplage plus complexe serait difficile voire impossible à intégrer si l'élément rayonnant principal 2 était hors du plan de l'élément central 5 (dans ce cas, le couplage se fait uniquement par couplage capacitif via la capacité distribuée entre l'élément rayonnant principal 2 et l'élément central 5). Ainsi, en jouant sur les charges du circuit de couplage complexe, il est possible d'obtenir des rayonnements différents sans modifier la structure rayonnante initialement prévue.
  • La figure 4 illustre des diagrammes de rayonnement obtenus pour différentes valeurs de C/λ (C correspond à la circonférence de l'élément rayonnant principal 2 et λ correspond à la longueur d'onde de la porteuse), avec l'élément central 5 (diagrammes 20, 21 et 22) et sans l'élément central (diagrammes 23, 24 et 25). Chacun des diagrammes de rayonnement permet de visualiser la directivité de l'antenne, c'est-à-dire dans quelles directions l'antenne rayonne ou capte le mieux les signaux électromagnétiques.
  • La figure 4 illustre également la directivité de l'antenne suivant l'axe z de la figure 3, c'est-à-dire l'axe orthogonal au plan de la boucle (cf. courbe 26 avec l'élément central et courbe 27 sans l'élément central). La figure 5 illustre l'antenne boucle 31 dépourvue d'élément central, utilisée pour le tracé de la courbe 27, et dont la boucle est excitée de part et d'autre au niveau du premier port de connexion 3 et du deuxième port de connexion 4 avec la bonne distribution de phase.
  • Il apparaît que pour C/λ < 1 et C/λ > 1,25, et en particulier C/λ = 0,25 l'antenne équipée de l'élément central rayonne dans le plan orthogonal au plan de l'antenne (rayonnement dit « broadside »). Le diagramme de rayonnement 23 avec l'élément central, pour C/λ = 0,25, permet de constater qu'il y a une directivité maximale dans l'axe z et une bonne symétrie du diagramme.
  • Cette caractéristique de rayonnement, même pour des faibles valeurs de C/λ, permet d'envisager une mise en réseau du type « End-fire » de plusieurs antennes selon l'invention. Ainsi, à longueur d'onde constante, la circonférence de l'antenne peut être diminuée, sans que la directivité n'en soit affectée hors du plan.
  • La mise en réseau du type « End-fire » consiste à aligner une pluralité d'antennes selon l'axe orthogonal au plan de chaque antenne. En concentrant l'énergie dans une direction spécifique (qui correspond à l'axe orthogonal), les antennes du type « End-fire » offrent un gain élevé dans cette direction, ce qui améliore la puissance effective du signal émis ou reçu dans cette direction.
  • Un mode de réalisation de l'antenne selon l'invention est décrit en lien avec la figure 3. La branche 6 de l'élément central 5 comprend un brin principal 10 qui s'étend orthogonalement au plan (ou axe) de symétrie 8, et deux brins auxiliaires (12 et 13), disposés de part et d'autre de l'extrémité 17 du brin principal 10 opposée au troisième port de connexion 9.
  • Par « brin » (brin principal ou brin auxiliaire), on entend une partie allongée, et relativement fine.
  • Ainsi, chaque brin auxiliaire forme un arc de cercle qui s'étend depuis l'extrémité 17 du brin principal, selon un angle αd compris entre 0° et 90° (à l'exclusion de ces valeurs), et l'élément rayonnant principal 2 est composé de deux demi-cercles. Si l'élément rayonnant principal 2 a une autre forme, chaque brin auxiliaire a une forme telle qu'il y ait un espace libre (dépourvu de piste métallique) entre le brin auxiliaire et l'intérieur de l'élément rayonnant principal 2, de façon à faire apparaître des zones de couplage entre l'élément rayonnant principal 2 et l'élément central 5. Par exemple, si l'élément rayonnant principal 2 a une forme carrée, les brins auxiliaires ont une forme rectiligne, de façon à être parallèle à l'élément rayonnant principal 2.
  • Par symétrie, la branche 7 de l'élément central 5 comprend un brin principal 11 qui s'étend orthogonalement au plan de symétrie 8, et deux brins auxiliaires (14 et 15), disposés de part et d'autre de l'extrémité 16 du brin principal 11 opposée au troisième port de connexion 9.
  • Les dimensions de l'élément rayonnant principal 2 et de l'élément central 5 sont déterminées de façon à ce que l'impédance du premier port de connexion 3 et du deuxième port de connexion 4 ait une partie réelle la plus faible possible, en particulier une partie réelle nulle ou quasi-nulle. Par « quasi-nulle », on entend une partie réelle très inférieure à la résistance de rayonnement de l'antenne (de l'ordre d'au moins cent fois inférieure).
  • Ceci permet d'alimenter l'élément central 5 au centre et de pondérer avec le même jeu de charge les deux ports de connexion (3, 4) de l'élément rayonnant principal 2. Ainsi, les plans de phases de l'élément rayonnant principal 2 et de l'élément central 5 sont co-localisés.
  • Par ailleurs, le fait d'ajouter un élément central 5 au centre de l'élément rayonnant principal 2 permet d'optimiser l'impédance du premier port de connexion 3 et du deuxième port de connexion 4, en jouant sur une pluralité de paramètres, et non pas uniquement sur la largeur de piste w de l'élément rayonnant principal 2, comme c'est le cas dans les antennes boucles de l'état de la technique.
  • Ainsi, lors de la conception de l'antenne, le concepteur peut régler au moins l'un des paramètres suivants, de façon à pondérer avec le même jeu de charge les deux ports de connexion : le diamètre r de l'élément rayonnant principal 2, la largeur w de l'élément rayonnant principal 2, l'espacement δ entre chacun des demi-cercles (18, 19) qui constituent l'élément rayonnant principal, le diamètre rd des arcs de cercle (12, 13, 14, 15), la largeur wd des arcs de cercle (12, 13, 14, 15), et la longueur αd des arcs de cercle (12, 13, 14, 15).
  • Par exemple, une antenne selon l'invention peut être implémentée avec les valeurs indiquées dans le tableau ci-dessous (unités indiquées entre parenthèses) :
    λ (m) r (m) w (m) δ (m) rd (m) wd (m) αd (°)
    0,3 0,25.λ/2π λ/100 λ/400 λ.(r-2,5w) λ/300 70
  • Pour ces valeurs, on obtient les impédances suivantes (en Ω), respectivement au niveau du premier point de connexion 3 et du deuxième point de connexion 4 :
    Z3 = 0 + 1j*535
    Figure imgb0002
     Z4 = 0 + 1j*535
    Figure imgb0003
  • Les impédances au niveau des points de connexion sont identiques, ce qui garantit un couplage équilibré au niveau de l'élément rayonnant principal 2, et un rayonnement qui demeure orthogonal au plan de la boucle, même avec une faible valeur de C/λ (C/λ = 0.25).
  • L'optimisation des charges peut être mise en oeuvre par application d'un algorithme de superdirectivité, qui permet d'obtenir analytiquement (i.e. par la résolution d'un système linéaire d'équations) les amplitudes complexes aux connexions de l'antenne, c'est-à-dire directement au niveau des charges et/ou des points d'alimentation.
  • Un exemple d'algorithme de superdirectivité est décrit dans [9].
  • De préférence, l'algorithme de superdirectivité utilise une méthode des diagrammes de rayonnements, qui est facilement implémentable. En effet, il ne nécessite pas d'itération, ou encore de décomposition dans une base particulière.
  • En variante, l'optimisation des charges peut être mise en oeuvre par d'autres méthodes, notamment par la méthode des modes sphériques, ou encore par la méthode des modes caractéristiques.
  • La figure 6 illustre un système antennaire, comprenant une antenne 1 telle que définie précédemment, et un élément réflecteur 28 placé à proximité de l'élément rayonnant principal et parallèlement au plan de l'élément rayonnant principal.
  • Cette configuration apporte une augmentation de la directivité dans le plan orthogonal à l'antenne. En particulier, l'augmentation de la directivité peut être d'un facteur 2 si le réflecteur est un bon conducteur métallique et de diamètre supérieur à la longueur d'onde.
  • Le réflecteur est plat et peut avoir un diamètre de l'ordre de la longueur d'onde du signal d'émission/réception. Les effets sur la directivité sont importants à mesure que l'antenne se rapproche de l'élément réflecteur 28 (par exemple d'une distance égale à 0,1λ). Toutefois, plus l'antenne 1 se rapproche de l'élément réflecteur 28, plus l'adaptation d'impédance de l'élément réflecteur 28 devient difficile. Un compromis entre amélioration de la directivité et adaptation d'impédance doit donc être fait.
  • La figure 7 illustre un réseau d'antennes 29 selon l'invention. Il comprend au moins deux antennes décrites précédemment, mises en réseau selon une configuration de type « End-fire ». Il n'est pas nécessaire que les éléments centraux des différentes antennes soient alignés. Les antennes ont un rayonnement selon l'axe orthogonal au plan de la boucle, ce qui est particulièrement compatible avec une mise en réseau.
  • En effet, l'axe du rayonnement maximal est aligné avec l'axe de duplication des éléments rayonnants, et l'espace entre les antennes peut être fortement réduit du fait du caractère plan de l'antenne et de l'élément central. Cela permet d'obtenir un réseau très compact et très directif.
  • Les modes de réalisation du système avec réflecteur et de la mise en réseau des antennes selon la configuration de type « End-fire » peuvent être combinés, comme l'illustre la figure 8. Le réseau d'antennes 30 comprend une pluralité d'antennes 1 mises en réseau, placées face à un réflecteur 28.
    • Références citées :
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    4. [4] EP2178166A1 , « Antenne à boucle incluant un espace de réglage d'impédance et procédés associés »
    5. [5] US7298343B2 , « RFID tag with enhanced readability »
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    7. [7] S. Ito, N. Inagaki and T. Sekiguchi, "An investigation of the array of circular-loop antennas," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 19, no. 4, pp. 469-476, July 1971, doi: 10.1109/TAP.1971.1139954
    8. [8] F. Munoz et al. "Compact Superdirective Electric Dipole Array for Far-field Measurement in a Semi-Anechoic Environment," 2023 17th European Conférence on Antennas and Propagation (EuCAP), Florence, Italy, 2023, pp. 1-5, doi: 10.23919/EuCAP57121.2023.10133657.
    9. [9] E. E. Altshuler, T. H. O'Donnell, A. D. Yaghjian, and S. R. Best, "A Monopole Superdirective Array", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 53, no. 8, August 2005

Claims (12)

  1. Antenne (1), comprenant un élément rayonnant principal (2) de type antenne boucle, un premier port de connexion (3) et un deuxième port de connexion (4) disposés de part et d'autre de l'élément rayonnant principal (2), un élément central (5) de type dipôle électrique, circonscrit dans l'élément rayonnant principal (2), l'élément central (5) étant constitué de deux branches (6, 7) disposées de façon symétrique par rapport à un axe de symétrie (8) passant par le premier port de connexion (3) et par le deuxième port de connexion (4), l'élément central (5) étant alimenté au niveau d'un troisième port de connexion (9) situé dans l'axe de symétrie (8), caractérisée en ce que l'élément rayonnant principal (2) et l'élément central (5) sont coplanaires.
  2. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle les dimensions de l'élément rayonnant principal (2) et de l'élément central (5) sont déterminées de façon à ce que l'impédance du premier port de connexion (3) et du deuxième port de connexion (4) aient une partie réelle nulle.
  3. Antenne selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle chaque branche (6, 7) de l'élément central (5) comprend un brin principal (10, 11) qui s'étend orthogonalement à l'axe de symétrie (8), et deux brins auxiliaires (12, 13, 14, 15), disposés de part et d'autre de l'extrémité (16, 17) du brin principal (10, 11) opposée au troisième port de connexion (9).
  4. Antenne selon la revendication 3, dans laquelle l'élément rayonnant principal (2) est composé de deux demi-cercles (18, 19) connectés au niveau du premier port de connexion (3) et du deuxième port de connexion (4), et les brins auxiliaires (12, 13, 14, 15) ont une forme d'arc de cercle, et dans laquelle les paramètres suivants sont utilisés pour optimiser l'impédance du premier port de connexion et du deuxième port de connexion : le diamètre (r) de l'élément rayonnant principal (2), la largeur (w) de l'élément rayonnant principal (2), l'espacement (δ) entre chacun des demi-cercles (18, 19), le diamètre (rd) des arcs de cercle (12, 13, 14, 15), la largeur (wd) des arcs de cercle (12, 13, 14, 15), et la longueur (αd) des arcs de cercle (12, 13, 14, 15).
  5. Antenne selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'impédance du premier port de connexion (3) et l'impédance du deuxième port de connexion (4) sont déterminées par application d'un algorithme de superdirectivité.
  6. Antenne selon la revendication 5, dans laquelle l'algorithme de superdirectivité utilise une méthode des diagrammes de rayonnements.
  7. Antenne selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le premier port de connexion (3) et le deuxième port de connexion (4) comprennent chacun un circuit d'alimentation.
  8. Antenne selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle le premier port de connexion (3) comprend une charge, et le deuxième port de connexion (4) comprend un circuit d'alimentation.
  9. Antenne selon l'une des revendications 1 à 8, dans laquelle un circuit de couplage est connecté entre l'élément central (5) et l'élément rayonnant principal (2).
  10. Antenne selon la revendication 9, dans laquelle le circuit de couplage est un circuit RLC série ou parallèle.
  11. Système antennaire, comprenant une antenne (1) selon l'une des revendications précédentes, et un élément réflecteur (28) placé à proximité de l'élément rayonnant principal et parallèlement au plan de l'élément rayonnant principal.
  12. Réseau d'antennes (29), caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux antennes selon l'une des revendications 1 à 10, les antennes étant mises en réseau selon une configuration de type « End-fire ».
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