FR3047846A1 - Plaque de reflexion electromagnetique a structure de metamateriau et dispositif miniature d'antenne comportant une telle plaque - Google Patents
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Abstract
Cette plaque de réflexion électromagnétique (10) pour dispositif miniature d'antenne comporte : des éléments conducteurs (20, 22, 24, 26) gravés sur une première couche (30) de substrat diélectrique ; un plan de masse troué (32), disposé entre la première couche (30) de substrat et une deuxième couche (38) de substrat diélectrique ; un ensemble de vias métalliques traversants (42) formés dans l'épaisseur des deux couches (30, 38) de substrat, chacun comportant une extrémité supérieure en contact avec l'un des éléments conducteurs (20, 22, 24, 26), une extrémité inférieure atteignant une face inférieure (44) de la deuxième couche (38) de substrat, et traversant le plan de masse (32) sans contact électrique par l'un de ses trous (40). Chaque élément conducteur (20, 22, 24, 26) est en contact avec plusieurs vias (42) et chaque via de chaque élément conducteur est connectable à un autre via d'un élément conducteur voisin, à l'aide d'une connexion électrique correspondante (46) en contact avec l'extrémité inférieure de ce via. Au moins une partie des connexions électriques (46) est à méandre(s).
Description
La présente invention concerne une plaque de réflexion électromagnétique à structure de métamatériau pour dispositif miniature d’antenne. Elle concerne également un dispositif miniature d’antenne comportant une telle plaque de réflexion électromagnétique et une antenne disposée à courte distance de cette plaque.
Elle s’inscrit d’une façon générale dans des applications pour systèmes de télécommunications ou objets communicants dans lesquels des dispositifs radiofréquence, incluant antennes et circuits électroniques, sont présents et doivent être aussi peu encombrants que possible. En particulier, l’utilisation d’antennes dans des systèmes de communication pour l’aéronautique, de surveillance ou de navigation satellitaire est incontournable. Cependant, dans ce type de dispositifs, la place est réduite et engendre un besoin en miniaturisation des antennes. Une antenne y est généralement placée devant un plan réflecteur pour avoir un rayonnement unidirectionnel et permettre l’intégration d’un circuit électronique à proximité derrière le plan réflecteur sans interférences sensibles. Le rayonnement est ainsi dirigé dans une direction d’intérêt, permettant d’une part d’améliorer le gain de l’antenne et d’autre part de réduire la sensibilité de l’antenne dans un demi-espace.
Selon une première technologie de réalisation possible du plan réflecteur, celui-ci est d’un type se rapprochant du modèle de conducteur électrique parfait avec réflexion du champ électromagnétique en opposition de phase. L’antenne doit alors être disposée à une distance du plan réflecteur la plus proche possible du quart de sa longueur d’onde moyenne de fonctionnement pour compenser l’opposition de phase en réflexion et obtenir une interférence constructive entre une onde incidente issue directement de l’antenne et une onde réfléchie par le plan réflecteur. Aux longueurs d’ondes métriques et décamétriques, cette technologie présente l’inconvénient d’être volumineuse. Par exemple pour une fréquence moyenne de fonctionnement f0=100 MHz de l’antenne, il faudrait la placer à 75 cm du plan réflecteur et pour f0=1 GHz cela représente encore une distance de 7,5 cm.
Selon une deuxième technologie de réalisation possible du plan réflecteur, celui-ci est du type conducteur magnétique artificiel se rapprochant du modèle de conducteur magnétique parfait avec réflexion du champ électromagnétique sans déphasage. L’antenne peut alors être disposée très près du plan réflecteur, notamment bien en deçà du quart de sa longueur d’onde moyenne de fonctionnement, voire même en deçà du dixième de cette longueur d’onde. Cela réduit considérablement l’encombrement du dispositif d’antenne et permet son intégration avantageuse dans la conception d’antennes miniatures. Un plan réflecteur selon cette technologie peut être réalisé à l’aide d’une plaque de réflexion électromagnétique à structure de métamatériau qui fait justement l’objet de la présente invention. Une méthode a par ailleurs été proposée en 1999 dans le document de thèse de Sievenpiper, intitulé « High-impedance electromagnetic surfaces », PhD de l’Université de Californie, Los Angeles (USA), pour caractériser les conducteurs magnétiques artificiels par une méthode dite du diagramme de phase. Cette méthode consiste à illuminer la surface à caractériser à l’aide d’une onde plane et sous une incidence normale. On compare ensuite l’écart de phase qui existe entre l’onde incidente et l’onde réfléchie. Les interférences sont considérées comme constructives lorsque l’écart de phase est compris entre -tt/2 et + tt/2, ce qui définit ainsi la bande passante d’usage du conducteur magnétique artificiel.
Conformément à cette deuxième technologie de conducteur magnétique artificiel, la présente invention porte donc plus précisément sur une plaque de réflexion électromagnétique à structure de métamatériau pour dispositif miniature d’antenne, comportant : - une pluralité d’éléments conducteurs séparés les uns des autres et gravés sur une face supérieure d’une couche de substrat diélectrique, - un plan de masse disposé en face inférieure de cette couche de substrat diélectrique, et - un ensemble de vias métalliques traversants formés dans l’épaisseur du substrat, chacun comportant une extrémité supérieure en contact avec l’un des éléments conducteurs.
Cependant, la miniaturisation d’une telle plaque de réflexion électromagnétique est limitée par le nombre minimal d’éléments conducteurs nécessaires à l’obtention d’une structure de métamatériau, souvent organisés en une matrice d’au moins quatre lignes et quatre colonnes. En effet, chacun de ces éléments conducteurs résonants est généralement de dimensions proches du quart de la longueur d’onde moyenne de fonctionnement de l’antenne. En conséquence, une structure de métamatériau impose très rapidement une surface réflectrice importante face à l’antenne pour garantir son fonctionnement dans la bande de fréquence d’intérêt de l’antenne.
Différentes solutions ont été apportées pour améliorer la miniaturisation des structures de métamatériaux, notamment en jouant sur la géométrie des éléments conducteurs (capacités interdigitées, inductances en spirales, etc.), sur une multiplication de couches couplées en capacités ou par utilisation de composants électroniques discrets passifs ou actifs. Mais toutes ces solutions présentent des inconvénients de coûts, de réduction sensible de la bande passante de l’antenne ou d’encombrement en épaisseur.
Dans une utilisation des structures de métamatériaux différente de celle envisagée dans la présente invention, celle des composants filtrants inter-antennes à bande interdite électromagnétique dits EBG (de l’anglais « Electromagnetic Band-Gap »), des approches innovantes ont été proposées.
Par exemple, dans la demande de brevet US 2014/0354502 A1, il est proposé un plan de masse percé de trous au travers desquels passent les vias métalliques, ceux-ci n’étant pas en contact avec le plan de masse mais connectés entre eux deux à deux à l’aide de connexions électriques dédiées situées de l’autre côté du plan de masse par rapport aux éléments conducteurs.
Par exemple également, dans la demande de brevet US 2009/0236141 A1, il est proposé en figure 8 une structure de métamatériau pour filtrage EBG comportant : - une pluralité d’éléments conducteurs séparés les uns des autres et gravés sur une face supérieure d’une première couche de substrat diélectrique, - un plan de masse disposé entre une face inférieure de la première couche de substrat diélectrique et une face supérieure d’une deuxième couche de substrat diélectrique, avec des trous aménagés dans ce plan de masse, - un ensemble de vias métalliques traversants formés dans l’épaisseur des première et deuxième couches de substrat, chacun comportant une extrémité supérieure en contact avec l’un des éléments conducteurs, une extrémité inférieure atteignant une face inférieure de la deuxième couche de substrat diélectrique, et traversant le plan de masse sans contact électrique par l’un de ses trous, dans laquelle : - chaque élément conducteur est en contact avec plusieurs vias métalliques, et - chaque via métallique de chaque élément conducteur est connectable à un autre via métallique d’un élément conducteur voisin, à l’aide d’une connexion électrique correspondante en contact avec l’extrémité inférieure de ce via métallique.
Mais dans ces deux derniers documents, les propriétés réfléchissantes de la structure obtenue ne sont pas observées, seuls le découplage entre antennes voisines et le filtrage de signaux parasites étant étudiés. En outre, une telle structure n’apparaît pas suffisante pour obtenir une miniaturisation supplémentaire dans le cas d’une application de réflexion électromagnétique.
Il peut ainsi être souhaité de concevoir une plaque de réflexion électromagnétique à structure de métamatériau pour dispositif miniature d’antenne qui permette une miniaturisation supplémentaire tout en s’affranchissant d’au moins une partie des problèmes et contraintes précités.
Il est donc proposé une plaque de réflexion électromagnétique à structure de métamatériau pour antenne miniature comportant : - une pluralité d’éléments conducteurs séparés les uns des autres et gravés sur une face supérieure d’une première couche de substrat diélectrique, - un plan de masse disposé entre une face inférieure de la première couche de substrat diélectrique et une face supérieure d’une deuxième couche de substrat diélectrique, avec des trous aménagés dans ce plan de masse, - un ensemble de vias métalliques traversants formés dans l’épaisseur des première et deuxième couches de substrat, chacun comportant une extrémité supérieure en contact avec l’un des éléments conducteurs, une extrémité inférieure atteignant une face inférieure de la deuxième couche de substrat diélectrique, et traversant le plan de masse sans contact électrique par l’un de ses trous, dans laquelle : - chaque élément conducteur est en contact avec plusieurs vias métalliques, et - chaque via métallique de chaque élément conducteur est connectable à un autre via métallique d’un élément conducteur voisin, à l’aide d’une connexion électrique correspondante en contact avec l’extrémité inférieure de ce via métallique, et dans laquelle, en outre, au moins une partie des connexions électriques présente au moins un méandre.
Grâce à l’invention, il est possible d’augmenter le déphasage entre vias métalliques interconnectés sans augmenter la taille des éléments conducteurs de la structure de métamatériau en exploitant astucieusement, à l’aide d’un ou plusieurs méandres sur au moins une partie des connexions électriques entre vias, la surface située sous le plan de masse. Or il a été observé que de façon surprenante, alors que le fait de multiplier le nombre de vias métalliques par élément conducteur ne permet pas en soi de réduire la taille globale d’une plaque de réflexion électromagnétique, le fait de le faire en combinaison avec une augmentation de déphasage utilisant une ou plusieurs connexions à méandre(s) permet une telle réduction de taille.
De façon optionnelle, chaque connexion électrique de connexion d’un via métallique à un autre est gravée sur la face inférieure de la deuxième couche de substrat diélectrique. Ainsi, la disposition des méandres est optimale.
De façon optionnelle également, chacune desdites connexions électriques présente plusieurs méandres.
De façon optionnelle également : - les éléments conducteurs sont répartis en matrice sur la face supérieure de la première couche de substrat diélectrique, et - chaque élément conducteur est en contact avec quatre vias métalliques, chacun de ces quatre vias métalliques étant connectable à un autre via métallique d’un élément conducteur adjacent en ligne ou en colonne dans la matrice.
Cette option est avantageuse dans le cas où l’on souhaite obtenir une symétrie axiale suivant deux axes orthogonaux.
De façon optionnelle également, les vias métalliques de chaque élément conducteur et leurs connexions électriques respectives sont répartis selon une symétrie centrale autour d’un axe de symétrie centrale de cet élément conducteur.
De façon optionnelle également, au moins une partie des connexions électriques à méandres gravées sur la face inférieure de la deuxième couche de substrat diélectrique est en outre munie de dispositifs de déphasage réglables.
De façon optionnelle également, chaque connexion électrique à méandres gravée sur la face inférieure de la deuxième couche de substrat diélectrique s’élargit progressivement depuis son extrémité en contact avec le via métallique correspondant vers l’un des bords de l’élément conducteur sous lequel elle est gravée.
De façon optionnelle également, chacun des éléments conducteurs présente l’une des formes de l’ensemble constitué d’une forme carrée, d’une forme rectangulaire, d’une forme de spirale, d’une forme de fourchette, d’une forme de croix à béquilles et d’une forme duale de croix à béquilles dite forme UC-EBG.
De façon optionnelle également, les éléments conducteurs sont répartis périodiquement sur la face supérieure de la première couche de substrat diélectrique.
Il est également proposé un dispositif miniature d’antenne comportant : - une plaque de réflexion électromagnétique selon l’invention, et - une antenne, présentant une longueur d’onde moyenne de fonctionnement et disposée à une distance de la plaque de réflexion inférieure à un dixième de cette longueur d’onde moyenne de fonctionnement. L’invention sera mieux comprise à l’aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente en perspective transparente la structure générale d’une portion de plaque de réflexion électromagnétique à structure de métamatériau pour dispositif miniature d’antenne, selon un mode de réalisation de l’invention, - la figure 2A représente, selon une même perspective transparente, une cellule élémentaire de la portion de plaque de la figure 1, - les figures 2B, 2C et 2D sont respectivement des vues de face, de dessus et de dessous de la cellule élémentaire de la figure 2A, - les figures 3A et 3B illustrent, en vues de dessus et de dessous, un exemple de réalisation d’un dispositif miniature d’antenne comportant une plaque de réflexion électromagnétique à structure de métamatériau, selon un mode de réalisation de l’invention, - la figure 4 est un diagramme illustrant une relation entre la fréquence de fonctionnement d’un dispositif d’antenne tel que celui des figures 3A, 3B et certains paramètres de configuration propres à l’invention, et - la figure 5 est un diagramme comparatif de phases de coefficients de réflexion en fonction de fréquences de fonctionnement pour un dispositif selon l’invention et un dispositif de l’état de la technique.
La portion de plaque 10 de réflexion électromagnétique à structure de métamatériau représentée schématiquement en perspective transparente sur la figure 1 peut être considérée comme composée de plusieurs cellules élémentaires se répétant selon deux directions principales x et y. Dans l’exemple de cette figure, par souci de simplicité, seules quatre cellules élémentaires 12, 14, 16 et 18 sont illustrées, dont l’une, par exemple la cellule 12, est représentée seule sur la figure 2A.
Selon une description globale par couches suivant une direction z perpendiculaire aux directions x et y de la portion de plaque 10, plusieurs éléments conducteurs 20, 22, 24, 26 séparés les uns des autres sont gravés sur une face supérieure 28 d’une première couche 30 de substrat diélectrique. Ces éléments conducteurs sont par exemple rectangulaires ou carrés mais pourraient être de toute forme déjà étudiée dans l’état de la technique. En particulier, ils pourraient être en forme de spirale, de fourchette, de croix à béquilles ou duale de croix à béquilles dite forme UC-EBG. En particulier également, ils pourraient présenter des capacités interdigitées ou des inductances en spirales, connues pour permettre une certaine miniaturisation de la plaque réflectrice comme précisé précédemment. Ils sont aussi par exemple répartis en matrice par répétition périodique de leur forme selon les directions x et y sur la face supérieure 28 de la première couche 30 de substrat diélectrique. En variante les éléments conducteurs pourraient être de formes différentes pour une distribution non uniforme sur la face supérieure 28, par exemple de surfaces croissantes lorsque l’on s’éloigne d’un centre, ou toute autre topologie pertinente pour l’homme du métier en fonction du contexte d’application.
La portion de plaque 10 comporte en outre un plan de masse 32 disposé entre une face inférieure 34 de la première couche 30 de substrat diélectrique et une face supérieure 36 d’une deuxième couche 38 de substrat diélectrique, avec des trous 40 aménagés dans ce plan de masse 32.
Par ailleurs, des vias métalliques traversants 42 sont formés dans l’épaisseur des première et deuxième couches 30, 38 de substrat, chacun comportant une extrémité supérieure en contact avec l’un des éléments conducteurs 20, 22, 24, 26, et une extrémité inférieure atteignant une face inférieure 44 de la deuxième couche 38 de substrat diélectrique. Chacun de ces vias 42 traverse le plan de masse 32 sans contact électrique par l’un des trous 40.
Plus précisément, dans l’exemple non limitatif de la figure 1, chaque élément conducteur 20, 22, 24 ou 26 est en contact électrique avec quatre vias 42. De plus, conformément à l’invention, chaque via 42 de chaque élément conducteur 20, 22, 24 ou 26 est connectable à un autre via d’un élément conducteur voisin, à l’aide d’une connexion électrique 46 correspondante gravée sur la face inférieure 44 de la deuxième couche 38 de substrat diélectrique et en contact avec l’extrémité inférieure de ce via 42. Conformément à l’invention également, de manière à augmenter le déphasage entre deux vias quelconques interconnectés par leurs extrémités inférieures, au moins une partie des connexions électriques 46 gravées sur la face inférieure 44 de la deuxième couche 38 de substrat diélectrique présente un ou plusieurs méandres pour optimiser l’occupation de cette face inférieure 44. Dans l’exemple non limitatif de la figure 1, chacune de ces connexions électriques 46 est à méandres.
La cellule élémentaire 12, représentée seule en perspective transparente sur la figure 2A et en vues de face, dessus et dessous sur les figures 2B, 2C et 2D, est formée de l’élément conducteur 20 et de toute l’épaisseur de substrat située en dessous dans la direction z. Elle est par exemple carrée avec des côtés de longueur P. L’élément conducteur 20 est également carré avec des côtés de longueur W légèrement inférieure à P pour que deux éléments conducteurs de deux cellules élémentaires adjacentes ne se touchent pas.
Quatre vias 42 sont en contact avec l’élément conducteur 20 par leurs extrémités supérieures. Ils sont plus précisément référencés 42(12)a, 42(12)b, 42(12)c et 42(12)d sur les figures 2A à 2D. Ils sont décentrés par rapport au centre de symétrie de l’élément conducteur 20 mais restent sur ses axes de symétries. Plus précisément, les deux vias 42(12)a et 42(12)d sont sur l’axe de symétrie de direction x de l’élément conducteur 20 mais décentrés par rapport à son centre de symétrie. Plus précisément également, les deux vias 42(12)b et 42(12)c sont sur l’axe de symétrie de direction y de l’élément conducteur 20 mais décentrés par rapport à son centre de symétrie. On note d la distance commune entre chaque via et le bord correspondant le plus proche de la cellule élémentaire 12.
Quatre connexions électriques à méandres 46 sont gravées sur la face inférieure 44 de la deuxième couche 38 de substrat diélectrique dans la cellule élémentaire 12. Elles sont plus précisément référencées 46(12)a, 46(12)b, 46(12)c et 46(12)d sur les figures 2A à 2D et correspondent respectivement aux vias 42(12)a, 42(12)b, 42(12)c et 42(12)d en étant en contacts respectifs avec leurs extrémités inférieures. La connexion électrique à méandres 46(12)a comporte quatre méandres bien visibles sur la figure 2D et s’élargit progressivement depuis son extrémité en contact avec le via métallique correspondant 42(12)a vers l’un des bords de la cellule élémentaire 12. Elle présente ainsi une longueur bien supérieure à la distance qui sépare le via 42(12)a de ce bord et permet sa connexion électrique avec un autre via d’un élément conducteur (non représenté sur la figure 1) adjacent dans le sens négatif de la direction x. La connexion électrique à méandres 46(12)b comporte quatre méandres bien visibles sur la figure 2D et s’élargit progressivement depuis son extrémité en contact avec le via métallique correspondant 42(12)b vers un autre des bords de la cellule élémentaire 12. Elle présente ainsi une longueur bien supérieure à la distance qui sépare le via 42(12)b de ce bord et permet sa connexion électrique avec un autre via d’un élément conducteur (non représenté sur la figure 1) adjacent dans le sens négatif de la direction y. La connexion électrique à méandres 46(12)c comporte quatre méandres bien visibles sur la figure 2D et s’élargit progressivement depuis son extrémité en contact avec le via métallique correspondant 42(12)c vers un autre des bords de la cellule élémentaire 12. Elle présente ainsi une longueur bien supérieure à la distance qui sépare le via 42(12)c de ce bord et permet sa connexion électrique avec un autre via de l’élément conducteur adjacent dans le sens positif de la direction y, c’est-à-dire le via 42(14)b de la cellule élémentaire 14. Enfin, la connexion électrique à méandres 46(12)d comporte quatre méandres bien visibles sur la figure 2D et s’élargit progressivement depuis son extrémité en contact avec le via métallique correspondant 42(12)d vers un autre des bords de la cellule élémentaire 12. Elle présente ainsi une longueur bien supérieure à la distance qui sépare le via 42(12)d de ce bord et permet sa connexion électrique avec un autre via de l’élément conducteur adjacent dans le sens positif de la direction x, c’est-à-dire le via 42(16)a de la cellule élémentaire 16.
On remarque que les quatre vias 42(12)a, 42(12)b, 42(12)c et 42(12)d de l’élément conducteur 20 et leurs connexions électriques à méandres respectives 46(12)a, 46(12)b, 46(12)c et 46(12)d sont répartis selon une symétrie centrale autour du centre de symétrie de cet élément conducteur 20. De plus, la surface de la face inférieure 44 de la deuxième couche 38 de substrat diélectrique est largement occupées par les connexions électriques à méandres respectives 46(12)a, 46(12)b, 46(12)c et 46(12)d entre les vias 42(12)a, 42(12)b, 42(12)c, 42(12)d et les quatre bords de la cellule élémentaire 12.
Une telle structure de métamatériau décrite en référence aux figures 1, 2A, 2B, 2C et 2D est avantageusement utilisable pour la conception d’un dispositif miniature d’antenne tel que celui représenté en vues de dessus et dessous sur les figures 3A et 3B.
Ce dispositif comporte une plaque réflectrice 50 à structure de métamatériau composée de 25 cellules élémentaires telles que celle illustrée en figure 2A réparties en une matrice de 5 lignes et 5 colonnes. Il comporte en outre une antenne dipolaire 52, visible en vue de dessus sur la figure 3A, disposée à distance de la plaque réflectrice 50. Plus précisément, si cette antenne dipolaire 52 présente une longueur d’onde moyenne de fonctionnement notée λ, elle peut être disposée à une distance de la plaque réflectrice 50 inférieure à un dixième de cette longueur d’onde moyenne de fonctionnement, voire même à une distance proche de λ/20, puisque la plaque réflectrice 50 peut se comporter comme un conducteur magnétique artificiel lorsqu’elle est dimensionnée pour réfléchir les ondes avec un déphasage nul à la fréquence moyenne de fonctionnement de l’antenne.
La figure 3B illustre en vue de dessous le réseau d’interconnexion des vias à l’aide des connexions à méandres décrites précédemment. On montre que pour une antenne dipolaire 52 de longueur 149 mm et de largeur 3,5 mm disposée à distance λ/20 de la plaque réflectrice 50, on obtient un dispositif d’antenne de dimensions totales 0,63.λ x 0,63.λ x 0,071.λ, où 0,071.λ est l’épaisseur, c’est-à-dire un dispositif d’antenne à faible profil puisque son épaisseur totale est inférieure à λ/10.
Dans une variante de réalisation, au moins une partie des connexions à méandres gravées sur la face inférieure 44 peut être munie de dispositifs de déphasage réglables bien connus de l’homme du métier, par exemple de diodes, pour l’interconnexion des éléments conducteurs entre eux. Ceci permet d’ajuster les déphasages en fonction de l’application à optimiser en variant simplement le comportement des éléments actifs ou passifs employés tout en conservant la structure de métamatériau 10 ou 50 et sans besoin de modifier la longueur des connexions à méandres.
Conformément à l’invention et comme illustré sur la figure 4, une miniaturisation des cellules élémentaires peut être obtenue en réglant de façon optimale la position des quatre vias de chaque cellule élémentaire et le déphasage Δφ entre vias interconnectés, ce déphasage Δφ étant réglé par la longueur des connexions à méandres. Notons k le paramètre égal à P/d. Ce paramètre k est nécessairement strictement supérieur à 2 pour pouvoir disposer quatre vias excentrés. A la limite, la présence d’un unique via centré donne k = 2. Les trois courbes de la figure 4 sont : la courbe en trait plein pour k = 2, la courbe en traits interrompus longs pour k = 3 et la courbe en traits interrompus courts pour k = 4. On remarque par l’expérimentation que plus les vias sont centrés donc loin des bords de la cellule élémentaire 12, k diminuant en tendant vers 2, plus la fréquence de fonctionnement avec réflexion à déphasage nul, notée F, diminue. Or la fréquence de fonctionnement est inversement proportionnelle à la taille d’antenne. Donc à fréquence de fonctionnement et taille d’antenne données, un rapprochement des vias vers le centre induit une miniaturisation des cellules élémentaires. On remarque également par l’expérimentation que, sous cette configuration de cellules élémentaires à plusieurs vias, plus les déphasages Δφ et donc les longueurs de connexions à méandres augmentent, plus la fréquence de fonctionnement avec réflexion à déphasage nul diminue, ce qui induit également une miniaturisation des cellules élémentaires. Mais on remarque aussi que plus les vias sont proches du centre, moins l’effet des déphasages Δφ sur la fréquence de fonctionnement est important. A la limite, pour k=2, il n’y a aucun effet de l’augmentation des déphasages Δφ sur la fréquence de fonctionnement comme le montre la droite horizontale en trait plein du diagramme de la figure 4. Il y a donc un compromis à trouver entre la distance d des vias par rapport aux bords de chaque cellule élémentaire et les déphasages Δφ implémentables qui sont directement liés à l’encombrement possible des connexions à méandres sur la face inférieure 44 de la deuxième couche 38 de substrat diélectrique. Cette recherche du compromis optimal dépend de l’application visée et est à la portée de l’homme du métier.
Les résultats de la figure 4 ont été obtenus en faisant varier les paramètres k et Δφ à l’aide de simulations établies sur la base du dispositif miniature d’antenne des figures 3A et 3B avec les paramètres suivants : - P = 53 mm, - W= 51 mm, - épaisseur de la première couche 30 de substrat diélectrique = 5 mm, - épaisseur de la deuxième couche 38 de substrat diélectrique =1,6 mm, - permittivité relative du substrat diélectrique = 4,4, - pertes diélectriques = 0,02.
La figure 5 est un diagramme comparatif de phases de coefficients de réflexion en fonction de fréquences de fonctionnement pour un dispositif miniature d’antenne selon l’invention (en trait plein) et un dispositif miniature d’antenne de l’état de la technique de mêmes dimensions (en traits interrompus courts). Le dispositif de l’état de la technique choisi présente une plaque réflectrice de type champignon, c’est-à-dire à éléments conducteurs carrés connectés à un plan de masse plein à l’aide d’un seul via chacun (sans deuxième couche de substrat).
Plus précisément, pour cette comparaison on a imposé les paramètres suivants : - P = 42 mm, - W = 40mm, - épaisseur de la première couche 30 de substrat diélectrique = 5 mm, - épaisseur de la deuxième couche 38 de substrat diélectrique =1,6 mm (pour le dispositif selon l’invention uniquement), - permittivité relative du substrat diélectrique = 4,4, - pertes diélectriques = 0,02, - rayon des vias = 0,5 mm, - k = 4 (pour le dispositif selon l’invention uniquement), - Δφ = 186° (pour le dispositif selon l’invention uniquement).
Les courbes de la figure 5 ont été obtenues par simulation électromagnétique 3D. Alors que la courbe en pointillés obtenue avec le dispositif miniature d’antenne de l’état de la technique présente un passage à déphasage nul autour de 1,35 GHz, celle en trait plein obtenue avec le dispositif miniature d’antenne selon l’invention présente non seulement un passage a déphasage nul légèrement en-deçà de 1,35 GHz mais surtout un point d’inflexion à 940 MHz. Or l’expérience montre que la présence de ce point d’inflexion permet d’utiliser la plaque réflectrice du dispositif miniature d’antenne selon l’invention comme conducteur magnétique artificiel à 940 MHz au lieu de 1,35 GHz. Pour utiliser un dispositif à plaque réflectrice de type champignon comme conducteur magnétique artificiel à 940 MHz, il faudrait imposer P = 64 mm pour avoir un passage a déphasage nul autour de 940 MHz.
On met ainsi en évidence un gain en miniaturisation d’environ 35% par dimension, ce qui fait un gain de plus de 57% en surface. Or des comparaisons sur d’autres propriétés telles que l’adaptation d’antenne et le rendement de rayonnement à une fréquence de fonctionnement choisie, ou la directivité, montrent que des dispositifs miniatures d’antennes selon l’invention et à plaque réflectrice champignon présentent des performances tout à fait comparables en termes d’amélioration par rapport aux dispositifs à plan réflecteur de type se rapprochant du modèle de conducteur électrique parfait. Le gain en miniaturisation est donc d’autant plus appréciable.
Il apparaît clairement qu’une plaque de réflexion électromagnétique à structure de métamatériau telle que celle décrite précédemment permet de miniaturiser un dispositif d’antenne l’incluant sans pour autant présenter des inconvénients de coûts, de réduction sensible de la bande passante de l’antenne ou d’encombrement substantiel en épaisseur. Seule la surface disponible sous le plan de masse est exploitée pour obtenir les effets techniques avantageux résultant des connexions à méandres.
On notera par ailleurs que l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment.
En particulier, bien qu’un dispositif miniature d’antenne à antenne dipolaire ait été détaillé précédemment, l’invention est applicable à un dispositif d’antenne dont l’antenne est de type ZOR (de l’anglais « Zeroth-Order Resonator »), fil-plaque, large bande, à polarisation circulaire ou autre, disposée parallèlement ou perpendiculairement au plan réflecteur.
En variante également, chaque élément conducteur du métamatériau peut être en contact électrique avec un nombre de vias différent de quatre : par exemple deux, six, etc. Les vias ne sont pas non plus nécessairement tous identiques.
En variante également, l’invention s’applique également à une plaque réflectrice à structure de métamatériau dont les éléments conducteurs sont répartis sur plusieurs couches décalées ou non.
En variante également, les connexions électriques entre vias peuvent ne pas être toutes identiques. Il est en particulier possible de faire varier les valeurs de k et Δφ d’une cellule élémentaire à l’autre.
En variante également, les connexions électriques entre vias peuvent être gravées sur plusieurs couches, pas seulement sur la face inférieure de la deuxième couche de substrat diélectrique.
En variante également, chaque élément conducteur du métamatériau peut être en contact électrique avec des vias et/ou des connexions électriques correspondantes qui ne sont pas répartis selon une symétrie centrale et/ou axiale par rapport au centre et/ou à un ou plusieurs axes de symétrie de l’élément conducteur.
Il apparaîtra plus généralement à l'homme de l'art que diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci-dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué. Dans les revendications qui suivent, les termes utilisés ne doivent pas être interprétés comme limitant les revendications aux modes de réalisation exposés dans la présente description, mais doivent être interprétés pour y inclure tous les équivalents que les revendications visent à couvrir du fait de leur formulation et dont la prévision est à la portée de l'homme de l'art en appliquant ses connaissances générales à la mise en œuvre de l'enseignement qui vient de lui être divulgué.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Plaque de réflexion électromagnétique (10; 50) à structure de métamatériau pour dispositif miniature d’antenne comportant : une pluralité d’éléments conducteurs (20, 22, 24, 26) séparés les uns des autres et gravés sur une face supérieure (28) d’une première couche (30) de substrat diélectrique, un plan de masse (32) disposé entre une face inférieure (34) de la première couche (30) de substrat diélectrique et une face supérieure (36) d’une deuxième couche (38) de substrat diélectrique, avec des trous (40) aménagés dans ce plan de masse (32), un ensemble de vias métalliques traversants (42) formés dans l’épaisseur des première (30) et deuxième (38) couches de substrat, chacun comportant une extrémité supérieure en contact avec l’un des éléments conducteurs (20, 22, 24, 26), une extrémité inférieure atteignant une face inférieure (44) de la deuxième couche (38) de substrat diélectrique, et traversant le plan de masse (32) sans contact électrique par l’un de ses trous (40), dans laquelle : chaque élément conducteur (20, 22, 24, 26) est en contact avec plusieurs vias métalliques (42 ; 42(12)a, 42(12)b, 42(12)c, 42(12)d), et - chaque via métallique (42 ; 42(12)a, 42(12)b, 42(12)c, 42(12)d) de chaque élément conducteur est connectable à un autre via métallique d’un élément conducteur voisin, à l’aide d’une connexion électrique correspondante (46 ; 46(12)a, 46(12)b, 46(12)c, 46(12)d) en contact avec l’extrémité inférieure de ce via métallique, caractérisée en ce qu’au moins une partie desdites connexions électriques (46 ; 46(12)a, 46(12)b, 46(12)c, 46(12)d) présente au moins un méandre.
- 2. Plaque de réflexion électromagnétique (10 ; 50) selon la revendication 1, dans laquelle chaque connexion électrique (46 ; 46(12)a, 46(12)b, 46(12)c, 46(12)d) de connexion d’un via métallique à un autre est gravée sur la face inférieure (44) de la deuxième couche (38) de substrat diélectrique.
- 3. Plaque de réflexion électromagnétique (10 ; 50) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle chacune desdites connexions électriques (46 ; 46(12)a, 46(12)b, 46(12)c, 46(12)d) présente plusieurs méandres.
- 4. Plaque de réflexion électromagnétique (10 ; 50) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle : les éléments conducteurs (20, 22, 24, 26) sont répartis en matrice sur la face supérieure (28) de la première couche (30) de substrat diélectrique, et chaque élément conducteur (20, 22, 24, 26) est en contact avec quatre vias métalliques (42 ; 42(12)a, 42(12)b, 42(12)c, 42(12)d), chacun de ces quatre vias métalliques étant connectable à un autre via métallique d’un élément conducteur adjacent en ligne ou en colonne dans la matrice.
- 5. Plaque de réflexion électromagnétique (10 ; 50) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle les vias métalliques (42 ; 42(12)a, 42(12)b, 42(12)c, 42(12)d) de chaque élément conducteur (20, 22, 24, 26) et leurs connexions électriques respectives (46 ; 46(12)a, 46(12)b, 46(12)c, 46(12)d) sont répartis selon une symétrie centrale autour d’un axe de symétrie centrale de cet élément conducteur.
- 6. Plaque de réflexion électromagnétique (10 ; 50) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle au moins une partie des connexions électriques à méandres (46 ; 46(12)a, 46(12)b, 46(12)c, 46(12)d) gravées sur la face inférieure (44) de la deuxième couche (38) de substrat diélectrique est en outre munie de dispositifs de déphasage réglables.
- 7. Plaque de réflexion électromagnétique (10 ; 50) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle chaque connexion électrique à méandres (46 ; 46(12)a, 46(12)b, 46(12)c, 46(12)d) gravée sur la face inférieure (44) de la deuxième couche (38) de substrat diélectrique s’élargit progressivement depuis son extrémité en contact avec le via métallique correspondant (42 ; 42(12)a, 42(12)b, 42(12)c, 42(12)d) vers l’un des bords de l’élément conducteur (20, 22, 24, 26) sous lequel elle est gravée.
- 8. Plaque de réflexion électromagnétique (10 ; 50) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle chacun des éléments conducteurs (20, 22, 24, 26) présente l’une des formes de l’ensemble constitué d’une forme carrée, d’une forme rectangulaire, d’une forme de spirale, d’une forme de fourchette, d’une forme de croix à béquilles et d’une forme duale de croix à béquilles dite forme UC-EBG.
- 9. Plaque de réflexion électromagnétique (10 ; 50) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle les éléments conducteurs (20, 22, 24, 26) sont répartis périodiquement sur la face supérieure (28) de la première couche (30) de substrat diélectrique.
- 10. Dispositif miniature d’antenne comportant : une plaque de réflexion électromagnétique (50) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, et une antenne (52), présentant une longueur d’onde moyenne de fonctionnement et disposée à une distance de la plaque de réflexion (50) inférieure à un dixième de cette longueur d’onde moyenne de fonctionnement.
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