FR2881883A1 - Element rayonnant destine a fonctionner dans une antenne de petite taille - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un élément rayonnant destiné à fonctionner dans une antenne (50) de petite dimension électrique incluant un ruban conducteur (30) plié N fois à la manière d'un soufflet.L'invention permet d'obtenir une amélioration du rendement d'antenne sans augmentation de l'encombrement.

Description

La présente invention concerne un élément rayonnant destiné à fonctionner

dans une antenne de petite dimension électrique.

De telles antennes de petites dimensions électriques, c'est-à-dire dont la taille est substantiellement inférieure à la longueur d'ondes des signaux qu'elle reçoit et émet, sont notamment utilisées pour la réception portable d'ondes radio en FM. Aussi une telle antenne doit être intégrable dans un boîtier de faibles dimensions pour répondre aux contraintes de portabilité.

Or il est connu qu'une antenne quel que soit son type ou la technologie utilisée pour sa réalisation, doit présenter une dimension minimale de l'ordre de la longueur d'onde et typiquement supérieure au quart d'onde pour pouvoir fonctionner efficacement.

Dans le cas des fréquences FM, la longueur d'onde est de l'ordre de 3 mètres à 100 MHz, la bande radio FM s'étendant autour de cette valeur. Par exemple, en France, la bande FM s'étend de 88 MHz à 108 MHz. Afin d'obtenir une réception efficace on utilise classiquement des antennes fouet dont on ajuste l'orientation et la longueur, qui est typiquement de 75 cm pour un quart d'onde à 100 MHz, pour une réception optimale. Pour les applications portables, il est en revanche exclu d'utiliser ce type d'antenne. On utilise alors des antennes de type boucle qui sont des antennes de petite taille électrique dont le rendement est généralement très mauvais. Celui-ci

R

s'exprime par l'équation suivante: = r,y où Rray est la résistance de Rray + Rohm rayonnement et Rohm est la résistance des pertes ohmiques.

Pour améliorer le rendement, les techniques utilisées consistent à augmenter les résistances de rayonnement en augmentant le volume occupé par l'antenne tout en assurant des conditions de couplage optimales. Ceci est par exemple présenté dans Small Antennas, de Harold Wheeler, IEEE Trans. Ant. Propagation, Vol. AP23, July 1975. Dès lors que le matériau conducteur utilisé pour l'élément rayonnant présente une conductivité acceptable et que les pertes diélectriques sont faibles, les pertes ohmiques restent généralement faibles par rapport à la résistance de rayonnement. Cela n'est pas le cas quand le rendement est bas, ce qui est le cas pour les petites antennes.

Il s'agit ainsi de proposer un élément rayonnant pouvant être mis en oeuvre dans une antenne de petite dimension électrique et qui permette d'obtenir un rendement d'antenne correct.

La présente invention concerne un élément rayonnant destiné à fonctionner dans une antenne de petite dimension électrique incluant un ruban conducteur plié N fois à la manière d'un soufflet de manière rectiligne et parallèle.

On observe en effet que pour un pliage régulier du ruban conducteur à la manière d'un soufflet, le rendement est alors multiplié par N. Le pliage permet de conserver un encombrement de l'antenne similaire à celui obtenu avec une antenne de même taille et réalisée avec un ruban conducteur classique. Le pliage en soufflet peut être rectiligne et parallèle ou non en fonction du facteur de forme de l'antenne à respecter en fonction du volume disponible.

Dans une réalisation, l'angle de pliage est déterminé afin d'ajuster l'impédance de l'élément rayonnant.

Le pliage du ruban introduit une composante capacitive dans le comportement de l'antenne, qui, lorsqu'elle est de petites dimensions, est fortement selfique. Cela permet donc d'adapter l'impédance.

Dans une réalisation, le ruban conducteur est un ruban en tôle fine.

Dans une réalisation, le ruban conducteur est constitué par une couche de métallisation réalisée sur une face d'un substrat en matière plastique fin.

L'invention concerne également une antenne comprenant un élément rayonnant selon l'invention. Une telle antenne peut notamment être une antenne boucle.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description de différents modes de réalisation non limitatifs, la description étant faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: Fig.1 représente une antenne boucle classique.

Fig. 2 montre la section droite d'un ruban conducteur.

Fig. 3 représente un élément conducteur tel que mis en oeuvre dans l'invention avant pliage.

Fig. 4 représente un élément conducteur tel que mis en oeuvre dans l'invention après pliage.

Fig. 5 illustre une antenne boucle selon l'invention.

Fig. 6 représente un élément conducteur dans un mode de réalisation particulier de l'invention avant pliage.

Fig. 7 représente un élément conducteur dans un mode de réalisation particulier de l'invention après pliage.

Sur la figure 1 est représentée une antenne boucle classique 10 de 1 o périmètre L incluant un élément rayonnant 11 de longueur L et de largeur w. L'élément rayonnant 11 est par exemple un ruban conducteur 20, d'épaisseur e et de largeur w dont une section droite est représentée sur la figure 2.

De telles antennes sont classiquement utilisées pour la réception des fréquences FM dans des équipements portables. En effet, dans les équipements portables il n'est pas possible d'avoir recours à des antennes présentant une longueur de l'ordre de la longueur d'onde qui est de 3 m à 100 MHz. Les antennes boucle sont, électriquement, de petites antennes c'est-à-dire que leur longueur L est largement inférieure à la longueur d'onde. Compte tenu de leurs faibles dimensions électriques, le rendement ou efficacité de ces antennes est généralement mauvais. Celui- ci s'exprime par l'équation suivante:

R ray

I Rra, + Roh.

où R,ay est la résistance de rayonnement et Rohm est la résistance des pertes ohmiques.

L'invention propose d'améliorer l'efficacité de l'antenne en diminuant la résistance des pertes ohmiques et ceci sans modifier la taille de l'antenne.

La figure 3 représente un élément rayonnant 30 avant pliage selon l'invention. Cet élément rayonnant 30 est un ruban conducteur de largeur W, de longueur L et d'épaisseur e. Ce ruban est, par exemple, réalisé en cuivre.

Selon l'invention, ce ruban est plié N fois à la manière d'un soufflet ainsi que représenté sur la figure 4.

Enfin, dans l'exemple de l'antenne boucle, on donne à l'élément rayonnant 30 une fois plié la forme d'une antenne boucle dont le périmètre est alors égal à L et la largeur à w=W/N. La largeur w peut être modifiée au besoin.

Une antenne ainsi obtenue selon l'invention et présentant donc un encombrement de périmètre L et de largeur w présente une résistance de rayonnement quasi-identique à celle de la boucle classique équivalente en taille représentée sur la figure 1. En effet, la résistance de rayonnement est principalement déterminée par la forme et le volume équivalent de l'antenne.

Par exemple, l'antenne pourra être dimensionnée de la manière suivante 10 W= 50 mm;N = 10; e = 0,1 mm;L=10 cm.

II est connu que le courant parcourant un ruban conducteur de largeur w et d'épaisseur e reste confiné dans une couche d'épaisseur fine proche de la surface ayant une épaisseur 5 appelée épaisseur de peau, représentée sur la figure 2 et définie par l'équation suivante: 1 15 S =_ où f est la fréquence de travail en Hz, p.= 4ir.10-7 H/m, et a est la conductivité du matériau (égale à 5,813.10' S/m pour le cuivre).

Ainsi, pour un conducteur en cuivre à la fréquence de 100 MHz, l'épaisseur de peau est de 6,6 m. On note que le ruban conducteur doit être d'épaisseur e, supérieure à 28. Compte tenu des valeurs typiques de e et 5, cette condition est largement réalisée.

La résistance de perte ohmique s'écrit alors:

L

Ro m = Seo.

où Se est la surface effective de conduction pour le ruban, soit 25 Seff =2(W+e)6.

Ainsi, la résistance de pertes ohmiques est l =

L

(R J'm 15 2(W + 08o pour l'antenne boucle selon l'invention, représentée sur la figure 5 et (Rohm)1 =

L

W+e êo-N pour l'antenne boucle classique, représentée sur la figure 1.

Aussi, pour W > W/N e, condition largement réalisée pour les 5 grandeurs typiques choisies W = 500 x e et N = 10, (R L et (R ohm NL - . D'où la relation: (R) Rohm)l ohm 5 2W cr ohm 1 2W cr ohm 5 N Ainsi l'invention rend possible la diminution de la résistance de pertes ohmiques. Ceci est utile dans les antennes pour lesquelles les pertes ohmiques et, le 10 cas échéant, les pertes diélectriques ne sont pas négligeables, ce qui est le cas dans les petites antennes où le rendement est généralement auvais.

Aussi pour un rendement d'antenne de l'ordre de -20dB, rendement classique obtenu pour une antenne de type boucle, la réduction des pertes ohmiques permet une amélioration du rendement de l'antenne quasiment proportionnelle à la réduction des pertes ohmiques.

En effet, n 'I dB = 101og77 implique que ri = 0,01 = 1 1 + Rohm Rray d'où 1 + R h'n =100 soit donc 1 + R Rohm et r) ,,k, Rray Rmv R R ray ray Rohm 2 0 Ainsi le rendement de l'antenne est inversement proportionnel à la résistance de pertes R. Dans ces conditions, la division par un facteur 10 de la résistance de pertes Re,. permet d'améliorer de 10 dB le rendement de l'antenne. Cela représente une très bonne marge d'amélioration.

Ainsi, l'invention permet d'améliorer de manière significative le rendement 25 des petites antennes, en particulier des antennes de type boucle, tout en conservant un volume d'antenne très faible.

Dans un mode de réalisation avantageux, l'angle de pliage est déterminé de manière à ajuster la valeur de l'impédance de l'antenne. Ainsi l'invention permet d'améliorer l'adaptation de l'antenne. En effet on sait que l'impédance présentée par une petite boucle est fortement selfique, ce qui rend son adaptation difficile. Le pliage du ruban introduit une composante capacitive qui a pour effet de diminuer le comportement selfique de la boucle et de faciliter ainsi son adaptation. La composante capacitive peut être, de plus, ajustée par l'angle de pliage. En effet, le pliage du ruban métallique forme des éléments capacitifs en forme de V et l'on peut démontrer par analogie avec le calcul connu de la capacité d'un condensateur (C = ES/e où s est la permittivité du diélectrique, S la surface des plaques conductrices et e l'épaisseur du diélectrique) que la capacité varie en fonction de l'angle de pliage (angle entre les deux parties métalliques de chaque forme en V du ruban replié).

Dans un mode de réalisation illustré par les figures 6 et 7, l'élément rayonnant 60 utilise comme support un substrat 61 en matériau plastique fin, par exemple un film souple en polyester, métallisé sur une face 62 et éventuellement recouvert d'une autre couche fine de diélectrique 63. Le ruban conducteur est ainsi pris en sandwich entre deux couches de film diélectrique. L'épaisseur e est alors de l'ordre de quelques centaines de microns. L'élément rayonnant 60 ainsi constitué est ensuite plié selon l'invention ainsi que représenté sur la vue partielle de la figure 7.

Outre les avantages de réduction de la résistance de pertes ohmiques et la facilité de réalisation d'une telle antenne, on observe une augmentation de l'effet capacitif grâce à la présence du matériau diélectrique. Aussi le choix du matériau support et plus particulièrement de sa permittivité diélectrique offre une flexibilité additionnelle pour contrôler l'effet capacitif et donc l'adaptation de l'antenne. De plus, on note que les matériaux des deux couches diélectriques 61 'et 63 peuvent être différents et offrir encore de la flexibilité.

L'invention n'est pas limitée aux réalisations décrites et l'homme du métier reconnaîtra l'existence de diverses variantes de réalisation comme par exemple le ruban métallique peut être un ruban en tôle fine que l'on plierait en zigzag ainsi que présenté dans l'invention, le profil de pliage, sa forme, sa régularité, sa périodicité, la longueur et le profil de la boucle qui peut notamment être simple ou multiple pour améliorer le rendement de l'antenne.

Claims (7)

REVENDICATIIONS

1. Elément rayonnant destiné à fonctionner dans une antenne (50) de petite dimension électrique incluant un ruban conducteur (30) plié N fois à la manière d'un soufflet.

2. Elément rayonnant selon la revendication 1, dans lequel l'angle de pliage est déterminé afin d'ajuster l'impédance de l'élément rayonnant.

3. Elément rayonnant selon la revendication 2, dans lequel le ruban 10 conducteur (30) est un ruban en tôle fine.

4. Elément rayonnant selon l'une des revendications 2 et 3, dans lequel le ruban conducteur (30) est constitué par une couche de métallisation (62) réalisée sur une face d'un substrat (61) en matière plastique fin.

5. Elément rayonnant selon la revendication 4, dans lequel le substrat métallisé est recouvert d'une couche fine de diélectrique (63).

6. Antenne (50) comprenant un élément rayonnant selon l'une des 2 0 revendications 1 à 5.

7. Antenne boucle (50) selon la revendication 6.