FR3026567A1 - Antenne de lecteur de radio-identification dans la gamme des ultra-hautes frequences pour environnement contraignant - Google Patents

Abstract

Antenne (1) de lecteur de radio-identification dans la gamme des ultra-hautes fréquences, adaptée aux envrionnements contraignants, du type comprenant : - un substrat (2) diélectrique présentant une première et une seconde faces (21, 22) opposées ; - une première couche (3) métallique couvrant la première face (21) du substrat (2) pour former une antenne rayonnante et présentant une connexion électrique (30) sur un bord du substrat (2) ; - une seconde couche métallique couvrant la seconde face (22) du substrat (2) pour former un plan de masse conducteur non connecté à la première couche (3) ; où la première couche présente deux bords (31) opposés à topologie fractale et symétriques par rapport à un axe médian (A) et deux fentes (32) s'étendant parallèlement à l'axe médian et ménagées symétriquement de part et d'autre de l'axe médian.

Description

La présente invention se rapporte à une antenne de lecteur de radio-identification dans la gamme des ultra-hautes fréquences. Elle se rapporte plus particulièrement à une antenne de lecteur de radio-identification adaptée aux envrionnements contraignants.

De manière générale, un environnement contraignant pour une radio-identification désigne un environnement formant un blindage électromagnétique et/ou présentant des sources de champs électromagnétiques parasites qui nuisent à la lecture/écriture sans contact d'une étiquette de radio-identification placée dans un tel environnement.

Ainsi, dans certains environnements dits contraignants, comme par exemple des véhicules équipés d'éléments de structure métalliques et/ou composites et d'appareils électroniques (terminaux de communication, radar, détecteurs, terminaux informatiques, etc.), il est particulièrement difficile d'assurer une radio-identification sans contact, voire impossible.

De tels environnements contraignants s'observent dans le domaine aéronautique, en particulier dans les avions et hélicoptères, et l'invention sera décrite, sans pour autant en limiter les champs d'application, à son application au domaine de la gestion de configuration d'un aéronef (par exemple un avion ou un hélicoptère) en vue de son entretien logistique et de sa maintenance.

Les antennes de lecteur de radio-identification couramment proposées pour répondre à ces environnements contraignants, s'avèrent souvent être de grandes dimensions. La présente invention a pour but de proposer une antenne du type antenne patch avec présence d'un plan de masse, qui soit adaptée aux 25 environnements contraignants et présentant des dimensions réduites sans pour autant nuire à l'efficacité de l'antenne. A cet effet, elle propose une antenne de lecteur de radio-identification dans la gamme des ultra-hautes fréquences, adaptée aux envrionnements contraignants, du type comprenant : 30 - un substrat diélectrique présentant une première et une seconde faces opposées ; - une première couche métallique couvrant la première face du substrat pour former une antenne rayonnante et présentant une connexion électrique sur un bord du substrat ; 35 - une seconde couche couvrant la seconde face du substrat pour former un plan de masse conducteur non connecté à la première couche métallique ; où la première couche présente deux bords opposés à topologie fractale et symétriques par rapport à un axe médian, et présente également deux fentes s'étendant parallèlement à l'axe médian et ménagées symétriquement de part et d'autre de l'axe médian.

Ainsi, grâce au design fractal de deux bords opposés de la première couche métallique, il est possible de réduire les dimensions de l'antenne, et en particulier d'atteindre des faibles dimensions avec notamment une longueur et une largeur inférieures à 80 millimètres, de préférence inférieures à 60 millimètres, et notamment équivalentes à 50 millimètres, tout en atteignant des performances ou gains élevés, en particulier un gain de l'ordre de 4 à 6 dBi (décibel isotrope). Les fentes prévues sur la première couche permettent quant à elles de maîtriser la ou les fréquences résonantes de l'antenne, et donc d'adapter l'impédance de l'antenne, tout en conservant de faibles dimensions pour le 15 substrat. En effet, l'antenne possède une impédance qui varie en fonction de la fréquence de lecture, ici dans la gamme des ultra-hautes fréquences, cette impédance étant elle-même corrélée à la fréquence résonante de l'antenne qui est fonction des dimensions des couches métalliques ; cette fréquence 20 résonnante étant inversement proportionnelle à ces dimensions. Or, l'impédance en sortie du lecteur de radio-identification est une donnée figée de l'ordre de 50 Ohms, sur laquelle le fabricant de l'antenne n'a pas la maîtrise. En radiofréquence, l'impédance caractéristique de 50 ohms est une donnée standard qui correspond à l'impédance caractéristique des 25 connectiques et des câbles. Ainsi, l'antenne, qui est branchée via un câble sur une connectique de sortie du lecteur de radio-identification, se doit d'être adaptée à cette impédance caractéristique de 50 ohms pour un fonctionnement optimal. Il est donc essentiel de travailler sur l'antenne pour accorder son 30 impédance avec cette impédance caractéristique en sortie du lecteur de radio-identification, dans la gamme de fréquence utile (en l'occurrence la gamme des ultra-hautes fréquences entre 860 et 960 MHz). Or, en augmentant la longueur et/ou la largeur des fentes, la fréquence résonante diminue et donc la fréquence d'accord diminue 35 également ; la fréquence d'accord correspondant à la fréquence à laquelle l'impédance de l'antenne se rapproche le plus de l'impédance caractéristique précitée en sortie du lecteur de radio-identification. Etant donné les décalages conséquents qu'engendrent les longueurs et largeurs des fentes sur la fréquence de résonance, il est ainsi possible d'avoir une antenne adaptée de plus petites dimensions.

Le design fractal permet donc de réduire les dimensions du substrat, tout en assurant l'adaptation d'impédance en jouant sur les dimensions des fentes. L'avantage du design de la première couche est donc, en résumé, d'offrir plus de flexibilité pour atteindre des impédances (ou fréquences résonantes) souhaitées avec les latitudes dimensionnelles offertes par le substrat, dans un souci de minimisation des dimensions de ce substrat offerte par les motifs fractals. Par ailleurs, les deux couches métalliques ne sont pas connectées, afin de ne pas perdre en efficacité ; une connexion entre les deux couches métalliques étant en effet synonyme d'une réduction de l'efficacité de l'antenne.

Selon une caractéristique, la seconde couche est de forme parallélépipédique. Selon une autre caractéristique, la seconde couche présente des motifs périodiques répartis selon un pavage bidimensionnel. Cette configuration avec des motifs périodiques permet l'amélioration du diagramme de rayonnement en diminuant les rayonnements à l'arrière (côté seconde couche) au profit de ceux à l'avant (côté première couche), autrement dit permet de réduire les interférences destructives liées au rayonnement arrière de l'onde par le métal de la seconde couche présente à l'arrière du substrat.

Dans une réalisation particulière, les fentes s'étendent sur une longueur donnée comprise entre un tiers et deux tiers de la dimension de la première couche prise selon l'axe médian. Selon une possibilité de l'invention, la première couche présente également deux coins opposés tronqués.

Tronquer deux coins opposés permet avantageusement de faire apparaître deux modes orthogonaux, et ainsi de créer une polarisation circulaire. Selon une autre possibilité de l'invention, la topologie fractale est du type flocon de Koch.

Selon une autre possibilité, le substrat est caractérisé par une tangente de perte inférieure à 0,01, et notamment inférieure à 0,005.

Selon une autre possibilité, le substrat est caractérisé par une permittivité relative au moins supérieure à 6, et notamment comprise entre 8 et 12. La présente invention concerne également un lecteur de radio-5 identification présentant une sortie sur laquelle est connectée une antenne conforme à l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, de plusieurs exemples de mise en oeuvre non limitatifs, faite en référence aux figures 10 annexées dans lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique d'une antenne conforme à l'invention avec une première couche métallique présentant un premier exemple de motif conducteur ; - la figure 2 est une vue schématique d'une antenne conforme à 15 l'invention avec une première couche métallique présentant un deuxième exemple de motif conducteur ; - la figure 3 est une vue schématique d'une antenne conforme à l'invention avec une première couche métallique présentant un troisième exemple de motif conducteur ; 20 - la figure 4 est une vue schématique d'une antenne conforme à l'invention avec une seconde couche métallique présentant un premier exemple de motif de masse ; - la figure 5 est une vue schématique d'une antenne conforme à l'invention avec une seconde couche métallique présentant un deuxième 25 exemple de motif de masse. En référence aux figures, une antenne 1 pour lecteur de radio-identification conforme à l'invention comporte un substrat 2 diélectrique de forme parallélépipédique plate, et présentant deux faces opposées, appelées première face 21 et seconde face 22, et une tranche périphérique 23 30 définissant l'épaisseur du substrat 2. Le substrat 2 présente un rapport longueur sur largeur compris entre 1,3 et 1,0. A titre d'exemple, le substrat 2 présente une longueur comprise entre 30 et 80 millimètres, de préférence inférieure à 60 millimètres, et une largeur comprise entre 25 et 80 millimètres, de préférence inférieure à 35 60 millimètres. Chaque face 21, 22 est plane, rectangulaire ou carrée.

Le substrat 2 présente une épaisseur qui est inférieure à sa largeur et à sa longueur, avec notamment un rapport largeur sur épaisseur supérieur à 4, et notamment compris entre 4 et 80, et encore de préférence compris entre 5 et 10.

De préférence, le substrat 2 diélectrique est caractérisé par une tangente de perte (autrement appelée tangente delta) inférieure à 0,01, et de préférence inférieure à 0,005, et notamment de l'ordre de 0,002; plus cette tangente de perte étant faible et meilleur sera le gain de l'antenne, indépendamment de l'environnement dans lequel est utilisée l'antenne.

De préférence, le substrat 2 est également caractérisé par une permittivité relative (autrement appelée constante diélectrique relative) élevée, car plus cette permittivité relative est élevée et plus l'antenne pourra être petite au dépit des performances. Ainsi, dans un souci de compromis performance/dimensions, la Demanderesse a établi une permittivité relative au moins supérieure à 6, et de préférence au moins supérieure à 8, et notamment de l'ordre de 10 (par exemple entre 8 et 12). L'antenne 1 présente également une première couche 3 métallique formant une antenne rayonnante et recouvrant partiellement la première face 21 du substrat 2. Sur cette première couche 3 est prévu un motif conducteur 20 définissant l'antenne rayonnante. En outre, cette première couche 3 présente une connexion électrique 30 sur un bord du substrat 2. Cette connexion électrique 30 s'étend le long d'un axe médian A parallèle à un bord périphérique du substrat 2. Les figures 1 à 3 illustrent une antenne 1 conforme à l'invention 25 avec trois exemples de réalisation de la première couche 3. Dans le premier exemple de la figure 1, la première couche 3 présente deux bords opposés 31 à topologie fractale et symétriques par rapport à l'axe médian A, et présente également deux fentes 32 s'étendant parallèlement à l'axe médian A et ménagées symétriquement de part et d'autre 30 de l'axe médian A. Dans cet exemple, la topologie fractale est du type flocon de Koch de rang 3. Plus précisément, la première couche 3 présente une portion principale rectangulaire ou carrée symétrique par rapport à l'axe médian A, et dont les deux bords opposés parallèles à l'axe médian A sont chacun tronqués d'un motif fractal identique 35 Dans le deuxième exemple de la figure 2, la première couche 3 présente deux bords opposés 31 à topologie fractale et symétriques par rapport à l'axe médian A, et présente également deux fentes 32 s'étendant parallèlement à l'axe médian A et ménagées symétriquement de part et d'autre de l'axe médian A. Dans cet exemple, la topologie fractale est du type flocon de Koch de rang 2.

Dans le troisième exemple de la figure 3, la première couche 3 présente deux bords opposés 31 à topologie fractale et symétriques par rapport à l'axe médian A, et présente également deux fentes 32 s'étendant parallèlement à l'axe médian A et ménagées symétriquement de part et d'autre de l'axe médian A. En outre, la première couche 3 présente également deux coins opposés tronqués 33. Dans cet exemple, la topologie fractale est du type flocon de Koch de rang 3. L'antenne 1 présente également une seconde couche 4 métallique formant un plan de masse conducteur non connecté à la première couche 3. Cette seconde couche métallique 4 recouvre au moins partiellement la 15 seconde face 22 du substrat 2. Les figures 4 et 5 illustrent une antenne 1 conforme à l'invention avec deux exemples de réalisation de la seconde couche 4. Dans l'exemple de la figure 4, la seconde couche 4 est de forme parallélépipédique (carré ou rectangle) et recouvre totalement la seconde face 20 22 du substrat 2. Dans l'exemple de la figure 5, la seconde couche 4 présente des motifs périodiques répartis selon un pavage bidimensionnel, formant ainsi un méta-matériau permettant avantageusement de diminuer les rayonnements à l'arrière (côté seconde couche 4) au profit de ceux à l'avant (côté première 25 couche 3). Il est également envisageable que la seconde couche 4 présente deux bords opposés à topologie fractale et symétriques par rapport à un axe médian, en association par exemple avec une première couche 3 de forme parallélépipédique ou une première couche 3 présentant les deux fentes 32 30 décrites ci-dessus.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Antenne (1) de lecteur de radio-identification dans la gamme des ultra-hautes fréquences, adaptée aux envrionnements contraignants, du type comprenant : - un substrat (2) diélectrique présentant une première et une seconde faces (21, 22) opposées ; - une première couche (3) métallique couvrant la première face (21) du substrat (2) pour former une antenne rayonnante et présentant une connexion électrique (30) sur un bord du substrat (2) ; - une seconde couche (4) métallique couvrant la seconde face (22) du substrat (2) pour former un plan de masse conducteur non connecté à la première couche (3) ; où la première couche (3) présente deux bords (31) opposés à topologie fractale et symétriques par rapport à un axe médian (A), et présente également deux fentes (32) s'étendant parallèlement à l'axe médian (A) et ménagées symétriquement de part et d'autre de l'axe médian (A).
2. 2. Antenne (1) selon la revendication 1, dans laquelle la seconde couche (4) est de forme parallélépipédique.
3. 3. Antenne (1) selon la revendication 1, dans laquelle la seconde couche (4) présente des motifs périodiques répartis selon un pavage bidimensionnel.
4. 4. Antenne (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les fentes (32) s'étendent sur une longueur donnée comprise entre un tiers et deux tiers de la dimension de la première couche (3) prise selon l'axe médian (A).
5. 5. Antenne (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la première couche (3) présente deux coins opposés tronqués (33). 35
6. 6. Antenne (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la topologie fractale est du type flocon de Koch. 30
7. 7. Antenne (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le substrat (2) est caractérisé par une tangente de perte inférieure à 0,01, et notamment inférieure à 0,005.
8. 8. Antenne (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le substrat (2) est caractérisé par une permittivité relative au moins supérieure à 6, et notamment comprise entre 8 et 12.
9. 9. Lecteur de radio-identification présentant une sortie sur laquelle est connectée une antenne (1) conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.