FR3094142A1

FR3094142A1 - antenne directive compacte, dispositif comportant une telle antenne

Info

Publication number: FR3094142A1
Application number: FR1902798A
Authority: FR
Inventors: Yann MEHUT
Original assignee: Sigfox SA
Current assignee: UNABIZ, FR
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2020-09-25
Anticipated expiration: 2039-03-19
Also published as: FR3094142B1; ES2966228T3; US20220336949A1; EP3942649B1; EP3942649C0; EP3942649A1; WO2020187821A1

Abstract

L’invention concerne une antenne (10) directive comportant un réseau (12) d’éléments antennaires unitaires. Le réseau (12) comporte un élément antennaire actif, dit « élément radiateur (20) », destiné à être relié électriquement à une source ou à un récepteur radiofréquence, et au moins un élément antennaire passif alimenté par induction mutuelle, dit « élément parasite (30) ». L’antenne est remarquable en ce que l’élément radiateur (20) est une antenne à résonateur parasite comportant un monopôle (21), un plan de masse (22) et une cellule parasite (23) placée dans le champ proche du monopôle (21). Dans des modes particuliers de réalisation, le plan de masse (22) est utilisé pour accueillir des pistes d’un circuit électronique d’un dispositif émetteur ou récepteur. L’antenne est particulièrement performante en termes de directivité et d’efficacité de rayonnement, tout en étant très compacte. Figure 1.

Description

antenne directive compacte, dispositif comportant une telle antenne

Domaine de l’invention

La présente invention appartient au domaine des antennes directives compactes. Notamment, l’invention concerne une antenne directive compacte adaptée pour géolocaliser des objets connectés émettant des signaux radioélectriques, ainsi qu’un dispositif utilisant une telle antenne.

Etat de la technique

La miniaturisation des antennes fait depuis plusieurs années l’objet de nombreux travaux de recherche et développement. Les solutions actuelles reposent sur différentes techniques soumises à différentes limitations physiques. Aussi, ces solutions résultent souvent d’un compromis entre directivité, taille, efficacité de rayonnement et bande passante.

La taille d’une antenne dépend généralement de la longueur d’onde pour laquelle l’antenne est conçue : plus la fréquence de travail est basse, plus la longueur d’onde associée est grande, et plus les dimensions d’une antenne adaptée pour cette fréquence de travail sont grandes. En outre, R. F. Harrington a démontré en 1959 qu’une antenne dont les dimensions peuvent être englobées dans une sphère de rayon R présente une directivité proportionnelle à (R² + 2R). Autrement dit, plus l’antenne est compacte, et plus sa directivité est faible.

On comprend ainsi qu’il est difficile de concevoir et d’intégrer une antenne présentant une forte directivité dans des objets connectés de petites tailles, notamment pour des fréquences inférieures au gigahertz.

Une solution existante pour réaliser une antenne directive consiste à disposer plusieurs éléments antennaires unitaires en réseau. Un seul de ces éléments, dit « élément radiateur », est alimenté électriquement. Les autres éléments, dits « éléments parasites » sont alimentés par induction mutuelle. Le champ électromagnétique rayonné par l'antenne dans une direction donnée correspond à la somme des champs rayonnés par chacun des éléments. En plaçant correctement les différents éléments les uns par rapport aux autres, il est possible de focaliser la puissance rayonnée par l’antenne dans une direction privilégiée et donc d’augmenter la directivité de l’antenne. Généralement, les différents éléments du réseau sont de même nature et présente des formes et des dimensions similaires. Il s’agit par exemple de dipôles électriques qui peuvent être formés par des baguettes ou des rubans métalliques. L’exemple le plus connu d’une telle antenne est l’antenne Yagi-Uda (du nom de ses inventeurs, Hidetsugu Yagi et Shintaro Uda).

Pour des fréquences de travail inférieures au gigahertz, une telle antenne ne présente cependant généralement pas des performances satisfaisantes à la fois en termes de directivité, d’efficacité de rayonnement et de compacité. Notamment, pour une fréquence de travail d’environ 870 MHz, il semble difficile d’obtenir une telle antenne présentant à la fois une directivité supérieure à 8 dBi, une efficacité de rayonnement supérieure à -3 dB, et une plus grande dimension de l’antenne inférieure à vingt centimètres.

Les dimensions d’un dispositif d’émission ou de réception utilisant une telle antenne dépendent non seulement des dimensions de l’antenne, mais aussi des dimensions de la carte électronique qui embarque les différents composants électroniques du dispositif. Cette carte électronique est généralement connectorisée à l’antenne, et elle doit être positionnée de telle sorte qu’elle ne perturbe pas les performances de l’antenne. Ceci concourt généralement à des dimensions relativement importantes du dispositif d’émission ou de réception.

La présente invention a pour objectif de remédier à tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur, notamment ceux exposés ci-avant, en proposant une antenne présentant des bonnes performances à la fois en termes de directivité, d’efficacité de rayonnement et de compacité. L’antenne selon l’invention présente en outre la possibilité d’intégrer les composants électroniques d’un dispositif de réception soit directement sur un plan de masse de l’antenne, soit sur une carte de circuit imprimé positionnée en regard et à proximité du plan de masse de l’antenne. Ceci permet de limiter les dimensions du dispositif de réception, tout en évitant de perturber les performances de l’antenne.

Pour rappel, la directivité d’une antenne dans une direction est le rapport entre la densité de puissance surfacique rayonnée par l’antenne dans cette direction à une distance donnée et la densité de puissance qui serait rayonnée par une antenne isotrope rayonnant la même puissance totale. La directivité n’a pas d’unité, on l’exprime en général en décibel isotrope (dBi). Par abus de langage, on entend généralement par « directivité d’une antenne » la valeur de la directivité de l’antenne dans la direction dans laquelle la directivité est maximale. L’efficacité de rayonnement d’une antenne est définie par le rapport entre la puissance rayonnée et la puissance injectée à l’entrée de l’antenne. Ce paramètre reflète les pertes présentes sur l’antenne. Le gain d’une antenne dans une direction donnée est le produit entre la directivité de l’antenne dans ladite direction et l’efficacité de rayonnement de l’antenne.

Selon un premier aspect, il est proposé par la présente invention une antenne directive comportant un réseau d’éléments antennaires unitaires. Le réseau comporte un élément antennaire actif, dit « élément radiateur », destiné à être relié électriquement à une source ou à un récepteur radiofréquence, et au moins un élément antennaire passif alimenté par induction mutuelle, dit « élément parasite ». L’élément radiateur est une antenne à résonateur parasite comportant un monopôle, un plan de masse et une cellule parasite placée dans le champ proche du monopôle.

Une telle antenne se distingue des antennes de l’art antérieur par le fait que l’élément radiateur présente une nature différente des éléments parasites. L’élément radiateur présente en effet un comportement de dipôle magnétique tandis que les autres éléments du réseau se comportent comme des dipôles électriques. L’antenne selon l’invention est particulièrement performante en termes de directivité et d’efficacité de rayonnement tout en restant très compacte. En outre, la présence d’un plan de masse, qui n’est généralement pas recherchée dans ce type d’antenne, peut avantageusement permettre d’intégrer tout ou partie des modules électroniques d’un dispositif émetteur et/ou récepteur comportant une telle antenne.

Dans des modes particuliers de réalisation, l’invention peut comporter en outre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.

Dans des modes particuliers de réalisation, l’élément radiateur et ledit au moins un élément parasite du réseau sont formés dans un même plan. L’utilisation d’un réseau planaire permet de limiter l’encombrement de l’antenne.

Dans des modes particuliers de réalisation, le réseau comporte au moins un élément parasite de type réflecteur et au moins un élément parasite de type directeur. Un élément réflecteur et un élément directeur sont alignés avec l’élément radiateur, de part et d’autre de l’élément radiateur, selon un axe du réseau correspondant à une direction dans laquelle le gain de l’antenne est maximal. La présence d’au moins un élément réflecteur et au moins un élément directeur permet d’améliorer les performances de l’antenne en termes de directivité.

Dans des modes particuliers de réalisation, l’antenne comporte trois éléments parasites dont un élément réflecteur et deux éléments directeurs, chaque élément parasite étant formé par un dipôle électrique replié sous forme de méandres. Le fait de replier les branches des dipôles électriques sous la forme de méandres permet de limiter les dimensions de l’antenne.

Dans des modes particuliers de réalisation, le monopôle est destiné à être relié électriquement à la source ou au récepteur radiofréquence, et la cellule parasite de l’élément radiateur prend la forme d’une boucle ouverte.

Dans des modes particuliers de réalisation, la fréquence de travail de l’antenne est inférieure à un gigahertz, le réseau d’éléments présente une longueur inférieure à vingt centimètres et une largeur inférieure à dix centimètres, et l’antenne présente une valeur maximale de directivité supérieure à 8 dBi et une efficacité de rayonnement supérieure à -3 dB.

Dans des modes particuliers de réalisation, le plan de masse de l’élément radiateur comporte des pistes électriques pour un circuit électronique d’un dispositif d’émission ou de réception, lesdites pistes électriques étant gravées au sein du plan du masse. Le fait d’intégrer l’électronique du dispositif d’émission ou de réception sur le plan de masse permet de limiter les dimensions dudit dispositif.

Selon un deuxième aspect, la présente invention concerne un dispositif émetteur ou récepteur comportant une antenne directive selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents.

Dans des modes particuliers de réalisation, le dispositif émetteur ou récepteur comporte en outre un circuit électronique positionné en regard du plan de masse de l’élément radiateur de l’antenne.

Un tel circuit électronique correspond à un ensemble de composants électroniques d’au moins un module électronique du dispositif de réception. Les différents composants électroniques sont généralement interconnectés à l'aide d'un circuit imprimé sur une carte de circuit imprimé (PCB, pour « Printed Circuit Board » en anglais.

Présentation des figures

L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemple nullement limitatif, et faite en se référant aux figures 1 à 8 qui représentent :

: une représentation schématique d’une première face d’une carte de circuit imprimé sur laquelle est réalisée un mode particulier de réalisation d’une antenne selon l’invention,

: une représentation schématique de l’autre face de la carte de circuit imprimé représentée à la figure 1,

: un mode particulier de réalisation de la cellule parasite de l’élément radiateur de l’antenne selon l’invention,

: un autre mode particulier de réalisation de la cellule parasite,

: un diagramme de rayonnement de l’antenne selon l’invention pour un mode particulier de réalisation,

: un diagramme de rayonnement de l’antenne selon l’invention pour un autre mode particulier de réalisation,

: une représentation détaillée du plan de masse de l’élément radiateur de l’antenne selon un mode particulier de réalisation.

Dans ces figures, des références identiques d’une figure à une autre désignent des éléments identiques ou analogues. Pour des raisons de clarté, les éléments représentés ne sont pas nécessairement à une même échelle, sauf mention contraire.

Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention

La figure 1 représente schématiquement un mode particulier de réalisation d’une antenne 10 selon l’invention.

Tel qu’illustré sur la figure 1, dans l’exemple considéré l’antenne 10 comporte un réseau 12 de quatre éléments antennaires unitaires. Le réseau 12 est un réseau planaire. Autrement dit, tous les éléments antennaires formant le réseau 12 sont disposés dans un même plan. Cela permet de limiter le volume occupé par l’antenne 10, et par conséquent de limiter les dimensions du dispositif récepteur qui embarque l’antenne 10. Par exemple, les différents éléments antennaires sont disposés sur une carte 11 de circuit imprimé (PCB pour « Printed Circuit Board » dans la littérature anglo-saxonne).

Lorsque l’antenne 10 fonctionne en émission, l’un des éléments, dit « élément radiateur 20 » est alimenté électriquement par une source RF, c'est-à-dire par un courant électrique oscillant à la fréquence d’une onde radioélectrique. On entend par « onde radioélectrique », une onde électromagnétique dont la fréquence varie de quelques Hertz (Hz) à plusieurs centaines de Gigahertz (GHz). Ce courant est par exemple véhiculé entre la source et l’antenne par un câble d’alimentation (par exemple un câble coaxial). La source RF et le câble d’alimentation ne sont pas représentés sur les figures. Lorsque l’antenne 10 fonctionne en réception, l’élément radiateur 20 est connecté électriquement à un récepteur RF. Le courant électrique induit par le champ électromagnétique observé au niveau de l’élément radiateur 20 peut ainsi être converti en signal électrique puis amplifié au niveau du récepteur RF. La encore, la connexion entre l’antenne 10 et le récepteur RF peut être réalisée, de manière conventionnelle, par un câble coaxial.

Les trois autres éléments, dit « éléments parasites 30 » ne sont pas alimentés électriquement. Il s’agit d’éléments passifs alimentés par couplage par induction mutuelle. Ce type de réseau 12 dans lequel un seul élément est alimenté électriquement permet de limiter l’encombrement de l’antenne 10 car il n’y a pas besoin de réaliser un réseau d’alimentation électrique complexe des différents éléments.

L’élément radiateur 20 et les trois éléments parasites 30 sont alignés selon une direction 13 dans laquelle le gain de l’antenne 10 est maximal. L’un des éléments parasites 30 joue le rôle d’un « élément réflecteur 31 », tandis que les deux autres éléments parasites 30 jouent le rôle d’ « éléments directeurs 32 ».

Un élément réflecteur 31 est disposé par rapport à l’élément radiateur 20 à l’opposé de la direction 13 de gain maximal de l’antenne 10. Un élément directeur 32 est disposé par rapport à l’élément radiateur 20 dans la direction 13 de gain maximal de l’antenne 10. Autrement dit, un élément réflecteur 31 et un élément directeur 32 sont disposés de part et d’autre de l’élément radiateur 20.

Lorsque l’antenne 10 fonctionne en émission, le courant électrique qui circule dans l'élément radiateur 20 produit par rayonnement un champ électromagnétique qui induit des courants dans les autres éléments. Le courant induit dans les éléments parasites 30 produit à son tour d'autres champs électromagnétiques qui induisent du courant dans les autres éléments (aussi bien dans les éléments parasites 30 que dans l’élément radiateur 20). Finalement le courant qui circule dans chaque élément est le résultat de l'interaction entre tous les éléments. Il dépend des positions et des dimensions de chaque élément. Ainsi, le champ électromagnétique rayonné par l'antenne 10 dans une direction donnée est la somme des champs électromagnétiques rayonnés par chacun des éléments du réseau 12. Chaque élément présente une amplitude et une phase du courant différentes. On peut ainsi observer des additions constructives ou destructives des champs électromagnétiques en fonction du déphasage propre à chaque élément. Un élément directeur 32 qui est placé vers l’avant de l’antenne 10 renforce le champ électromagnétique dans la direction 13 (c'est-à-dire dans la direction élément radiateur 20 vers élément directeur 32). Un élément réflecteur 31 qui est placé vers l’arrière de l’antenne 10 réfléchit le champ électromagnétique pour le renforcer dans la direction 13 (c'est-à-dire dans la direction élément réflecteur 31 vers élément radiateur 20). Les positions et les dimensions des éléments du réseau 12 sont calculées de sorte que les phases des courants résultants sont telles que l'addition des champs électromagnétiques est minimale vers l'arrière et maximale vers l'avant.

Lorsque l’antenne 10 fonctionne en réception, la phase et l'amplitude des courants induits dans les éléments est telle que le courant induit dans l'élément radiateur 20 relié au récepteur RF est minimale pour les ondes venant de l'arrière et maximale pour les ondes venant de l'avant par rapport à la direction 13.

Dans l’exemple considéré, les éléments parasites 30 sont des dipôles électriques formés par des rubans métalliques imprimés sur la carte 11 de circuit imprimé. Tel qu’illustré sur la figure 1, pour limiter les dimensions de l’antenne, chaque dipôle électrique est replié en forme de méandres. Chaque dipôle comporte deux branches 33. Les deux branches 33 d’un dipôle sont symétriques l’une avec l’autre par rapport à un axe suivant la direction 13 de gain maximal de l’antenne 10 et passant par le milieu de la carte 11 de circuit imprimé sur laquelle est fabriquée l’antenne 10. Pour chaque dipôle électrique, les deux branches 33 peuvent être séparées par un circuit de déphasage 34 comportant des composants résistif, capacitif et/ou inductif permettant d’optimiser les performances de directivité de l’antenne 10. Les circuits de déphasage 34 permettent notamment d’introduire au niveau de chaque élément parasite 30 le déphasage nécessaire pour optimiser la directivité de l’antenne 10.

La figure 1 représente une face de la carte 11 de circuit imprimé sur laquelle sont disposés les différents éléments de l’antenne 10. La figure 2 représente l’autre face de la carte 11 de circuit imprimé.

Tel qu’illustré sur les figures 1 et 2, l’élément radiateur 20 est une antenne à résonateur parasite comportant un monopôle 21, un plan de masse 22 et une cellule parasite 23 placée dans le champ proche du monopôle 21.

Dans l’exemple considéré, le plan de masse 22 comporte deux couches superposées, chaque couche étant respectivement disposée sur une face de la carte 11 de circuit imprimé. Les deux couches du plan de masse 22 sont ainsi en regard l’une de l’autre. Les deux couches du plan de masse 22 sont par exemple reliées électriquement l’une à l’autre par une multitude de vias 24. On entend par « via » un trou métallisé dans la carte 11 de circuit imprimé qui permet d’établir une liaison électrique entre les deux faces de ladite carte 11. Il convient de noter que rien n’empêche d’utiliser un plan de masse 22 qui ne comporte qu’une seule couche disposée sur l’une seulement des faces de la carte 11 de circuit imprimé. Le plan de masse 22 est réalisé en un matériau électriquement conducteur, par exemple en métal.

Dans le mode de réalisation décrit en référence à la figure 1, le plan de masse 22 présente une forme rectangulaire. Bien évidemment, le plan de masse 22 peut être un conducteur électrique plan prenant une autre forme, et le choix d’une forme particulière du plan de masse 22 ne représente que des variantes de l’invention.

Le monopôle 21 est formé par un ruban métallique imprimé sur la face de la carte 11 de circuit imprimé opposée à la face sur laquelle sont imprimés les dipôles électriques des éléments parasites 30. La source RF (pour une antenne en émission) et/ou le récepteur RF (pour une antenne en réception) est (sont) relié(s) électriquement d’une part au monopôle 21 par un premier câble d’alimentation (pôle positif) et d’autre part au plan de masse 22 par un deuxième câble d’alimentation (pôle négatif). Un câble coaxial peut par exemple être utilisé pour le câble d’alimentation. Il convient de noter que la partie du monopôle 21 qui apparaît superposée au plan de masse 22 sur la figure 2 est en réalité légèrement surélevée par rapport au plan de masse 22, autrement dit le monopôle 21 n’est pas directement en contact avec le plan de masse 22.

Un circuit d’adaptation en impédance peut être ajouté, par exemple au niveau de la connexion du monopôle 21 avec la source ou le récepteur RF.

La cellule parasite 23 est formée par un ruban imprimé sous la forme d’une boucle ouverte. On entend par « boucle ouverte » que le ruban forme une boucle, mais que les deux extrémités du ruban ne se touchent pas. Autrement dit, une ouverture est ménagée dans la boucle. Dans l’exemple considéré et illustré sur la figure 1, la boucle prend la forme d’un rectangle. Il convient cependant de noter que d’autres formes sont envisageables pour la cellule parasite 23. Notamment, et tel qu’illustré aux figures 3 à 5, la boucle peut aussi prendre la forme d’un anneau ovale (voir la figure 3), la forme de la lettre D (voir la figure 4), ou bien la forme d’un demi-cercle ou d’un demi-ovale avec une portion rectiligne pour fermer partiellement le demi-cercle ou le demi-ovale (voir la figure 5). Dans tous les cas, il convient de ménager une ouverture dans la boucle.

Dans des modes particuliers de réalisation, il est possible de réduire la taille de la cellule parasite 23 en connectant les extrémités libres du ruban métallique formant la boucle de ladite cellule parasite 23 aux électrodes d’un condensateur.

Dans des modes particuliers de réalisation, et tel qu’illustré sur la figure 6, la cellule parasite 23 prend la forme d’un résonnateur en Z plutôt que la forme d’une boucle ouverte.

Ainsi, l’élément radiateur 20 correspond à un résonateur NFRP (acronyme anglais de « Near-Field Resonant Parasitic ») utilisant une boucle capacitive (antenne NFRP de type CLL, acronyme anglais de « Capacitively Loaded Loop »). La cellule parasite 23 est placée dans le champ proche du monopôle 21. Le monopôle 21 présente un comportement capacitif et est indirectement adapté par la cellule parasite 23 qui présente quant à elle un comportement inductif. On obtient ainsi un circuit résonnant de type LC, par un phénomène de couplage par ondes évanescentes en champ proche entre le monopôle 21 et la cellule parasite 23, ce qui résulte en la propagation d’une onde en champ lointain.

Un tel élément radiateur 20 a pour avantage d’une part de présenter un diagramme de rayonnement unitaire orienté dans l’axe du réseau 12 de l’antenne 10, c'est-à-dire dans la direction 13 dans laquelle on souhaite obtenir le maximum de gain (ce qui contribue à la bonne directivité de l’antenne 10 dans cette direction 13), et d’autre part de comporter un plan de masse 22 (l’avantage lié à la présence du plan de masse 22 sera traité ultérieurement dans la description).

Il convient de noter également que l’utilisation d’un tel élément radiateur 20, différent des éléments parasites 30, permet d’obtenir de très bonnes performances non seulement en termes de directivité, mais aussi en termes d’efficacité de rayonnement. En effet, dans l’exemple considéré, l’antenne 10 présente une directivité supérieure à 8 dBi et une efficacité de rendement supérieure à -3 dB, ce qui signifie que plus de 50% de la puissance injectée dans l’antenne 10 est rayonnée par l’antenne 10. A titre de comparaison, une antenne similaire pour laquelle l’élément radiateur 20 serait formé par un dipôle électrique identique aux éléments parasites 30 présente une directivité à peine meilleure de l’ordre de 9 dBi, mais une efficacité de rayonnement inférieure à -15 dBi, ce qui signifie que moins de 5% de la puissance injectée dans l’antenne est rayonnée.

Dans l’exemple considéré, le monopôle 21 est disposé sur la face de la carte 11 de circuit imprimé opposée à la face sur laquelle est disposée la cellule parasite 23. Rien n’empêche cependant que le monopôle 21 et la cellule parasite 23 soient disposés sur la même face de la carte 11 de circuit imprimé. Ainsi, dans des modes particuliers de réalisation, tous les éléments du réseau 12 de l’antenne 10 peuvent être disposés sur une même face d’une carte de circuit imprimé. Lorsque le monopôle 21 et la cellule parasite 23 sont chacun disposés sur une face différente de la carte 11 de circuit imprimé, tel que représenté sur les figures 1 et 2, le couplage entre ces deux éléments est principalement de nature électrique. Lorsque le monopôle 21 et la cellule parasite 23 sont disposés sur la même face d’une carte de circuit imprimé, le couplage entre ces deux éléments est principalement de nature magnétique. Il est avantageux, en termes d’encombrement, que le monopôle 21 et la cellule parasite 23 soient chacun disposés sur une face différente de la carte 11 de circuit imprimé, car ils peuvent alors être superposés, tel que représenté sur les figures 1 et 2.

Dans la suite de la description, on se place à titre d’exemple et de manière non limitative dans le cas où l’antenne 10 décrite précédemment en référence aux figures 1 et 2 est une antenne 10 pour un dispositif de réception utilisé pour géolocaliser des objets connectés émettant des signaux radioélectriques.

Dans l’exemple considéré, la fréquence de travail est à 869,5 MHz, et le dispositif de réception doit présenter des dimensions suffisamment petites pour que le dispositif de réception tienne dans la main d’un utilisateur, à la manière par exemple d’une télécommande d’un téléviseur. Les objets connectés recherchés émettent de manière récurrente des signaux radioélectriques à la fréquence de travail, et l’utilisateur peut se déplacer et pointer le dispositif de réception dans les différentes directions de l’espace pour tenter de détecter un signal émis par un objet. Il convient donc que l’antenne présente une forte directivité pour détecter avec précision la direction dans laquelle se trouve un objet détecté, ainsi qu’une bonne efficacité de rayonnement pour augmenter la distance de détection d’un objet par le dispositif de réception.

Dans l’exemple considéré, la carte 11 de circuit imprimé sur laquelle est réalisée l’antenne 10 a une longueur de 165 mm et une largeur de 50 mm. La carte 11 est réalisée dans un matériau diélectrique de type Rogers RO4350B. Il s’agit d’un substrat en céramique renforcée par de la fibre de verre tissée présentant une permittivité diélectrique ε=3.48. Les différents éléments rayonnants (monopôle 21 et cellule parasite 23 de l’élément radiateur 20, éléments parasites 30) et les deux couches du plan de masse 22 sont imprimés sur la carte 11 de circuit imprimé sous la forme d’une couche de cuivre de 18 μm d’épaisseur. Pour chaque élément parasite 30, chaque branche du dipôle électrique a une longueur totale de 96 mm et une largeur de 2 mm. Pour l’élément radiateur 20, le monopôle 21 a une longueur de 11 mm et une largeur de 1 mm. Chaque couche du plan de masse 22 est un rectangle de longueur 48 mm et de largeur 18 mm. La boucle de la cellule parasite 23 est formée par un ruban de 2 mm de large dessinant un rectangle de 47 mm de longueur et de 18 mm de largeur.

Dans le but de maximiser la directivité de l’antenne 10, la distance inter-éléments a été soigneusement étudiée de sorte à obtenir le meilleur compromis possible entre encombrement et couplage. Cette distance est particulièrement faible relativement à la distance inter-élément généralement observée dans un réseau conventionnel (où elle est typiquement de l’ordre d’une demi longueur d’onde à la fréquence de travail). Cette faible distance est nécessaire pour obtenir le comportement « super-directif ». En effet, plus les éléments du réseau 12 sont proches les uns des autres et plus on tend vers une directivité théorique de l’antenne 10 de l’ordre de N², où N est le nombre d’éléments dans le réseau 12. Il faut toutefois noter que plus la distance inter-éléments est petite, et plus le couplage entre les éléments est augmenté, ce qui a un effet négatif sur l’efficacité du réseau 12. Il faut donc parvenir à un compromis acceptable entre directivité et efficacité.

Une fois la géométrie de l’antenne 10 figée, celle-ci a été simulée, de manière conventionnelle, avec un logiciel de simulation électromagnétique pour obtenir les diagrammes de rayonnement unitaires et les paramètres S du réseau 12 (de l’anglais « Scattering parameters », il s’agit des coefficients de répartition pour décrire le comportement électrique d’un élément antennaire en fonction de signaux d’entrée). Les diagrammes de rayonnement et les paramètres S ont ensuite été traités par un algorithme pour déterminer le poids complexe à appliquer à chaque élément parasite 30 pour optimiser la directivité de l’antenne 10 dans une direction donnée. Une approche de type « ajustement de courbe » (ou « curve fitting » en anglais) a été utilisée, dans laquelle on cherche à minimiser la différence, au sens des moindres carrés, entre un gabarit idéal et le diagramme effectivement obtenu en appliquant les poids complexes. Le diagramme de rayonnement de l’antenne 10 obtenu est une combinaison linéaire des différents diagrammes unitaires. Il s’agit de la somme des diagrammes unitaires des différents éléments antennaires du réseau 12 pondérés respectivement par leur poids complexe.

Il reste ensuite à convertir les poids complexes en résistances et/ou réactances qui vont venir s’insérer entre les branches des dipôles électriques correspondant aux éléments parasites 30 (il s’agit là de déterminer les composants électroniques qui doivent former les circuits de déphasage 34). Ceci est réalisé en étudiant les paramètres S de chaque élément parasite 30. Le poids complexe d’un élément parasite 30 est normalisé par rapport au poids complexe de l’élément radiateur 20, puis on cherche pour chaque élément parasite 30 le coefficient de réflexion qui va satisfaire les exigences en termes de directivité. En découle des calculs matriciels qui peuvent être effectués, de manière connue pour l’homme du métier, avec un logiciel de type Matlab.

Ces calculs de simulation permettent de définir les composants des circuits de déphasage 34 des éléments parasites 30 de l’antenne 10.

La figure 7 représente schématiquement un diagramme de rayonnement à 869,5 MHz de l’antenne 10 précédemment décrite en référence aux figures 1 et 2 lorsque le circuit de déphasage 34 de l’élément directeur 32 le plus éloigné de l’élément radiateur 20 consiste en un condensateur C₂de valeur 15 pF, le circuit de déphasage 34 de l’élément directeur 32 le plus proche de l’élément radiateur 20 consiste en un condensateur C₃de valeur 10 pF, et le circuit de déphasage 34 de l’élément réflecteur 31 consiste en un condensateur C₄de valeur 8,2 pF. La directivité de l’antenne 10 est représentée par la courbe 41. La directivité dans la direction 13 prend une valeur satisfaisante, supérieure à 8 dBi. Cependant, le rapport avant/arrière n’est pas optimal dans la mesure où un lobe secondaire relativement important existe dans la direction opposée à la direction 13 du lobe principale. On entend par rapport avant/arrière le rapport entre la directivité dans la direction 13 vers l’avant de l’antenne 10 et la directivité dans la direction opposée vers l’arrière de l’antenne 10.

Une étude paramétrique avec le logiciel de simulation électromagnétique a montré qu’en prenant une valeur de 8.2 pF pour le condensateur C₃du circuit de déphasage 34 de l’élément directeur 32 le plus proche de l’élément radiateur 20, il est possible d’augmenter le rapport avant/arrière d’une dizaine de dB sans dégrader significativement la directivité de l’antenne 10 (celle-ci passant de 8.75 dBi à 8.25 dBi). Dans l’exemple considéré, le rapport avant/arrière est supérieur à 20 dB. Dans l’application considéré, il est avantageux d’avoir un bon rapport avant/arrière pour discriminer avec suffisamment de certitude la direction d’arrivée d’un signal émis par un objet que l’on cherche à localiser. Le diagramme de rayonnement correspondant est représenté à la figure 8. La directivité de l’antenne 10 est représentée par la courbe 42 sur ce diagramme.

Dans l’exemple considéré, les condensateurs C₂, C₃et C₄sont des condensateurs en céramique montés en surface (composants de type CMS pour « Composant Monté en Surface », ou SMD pour « Surface Mounted Device » en anglais).

La présence d’un plan de masse 22 est particulièrement avantageuse pour réduire les dimensions du dispositif de réception dans la mesure où les composants électroniques permettant de réaliser les différents modules électroniques du dispositif (amplification, filtrage, conversion analogique/numérique, alimentation électrique, etc.) peuvent être embarqués soit directement sur le plan de masse 22, soit sur une autre carte de circuit imprimé positionnée en regard du plan de masse 22.

La figure 9 représente schématiquement une couche du plan de masse 22 de l’élément radiateur 20 de l’antenne 10. Tel qu’illustré sur la figure 9, des « trous », c’est-à-dire des zones 25 sans cuivre sont prévues au sein du plan de masse 22. Dans chaque zone 25 sans cuivre, des pistes 26 et des pastilles 27 de circuit électrique en cuivre sont imprimées par sérigraphie, de manière conventionnelle, sur la carte 11 de circuit imprimé sur laquelle l’antenne 10 est réalisée. Les pistes 26 forment un cheminement de cuivre réalisant l’interconnexion électrique entre les composants électroniques qui seront soudés au niveau des pastilles 27.

De préférence, la plus grande dimension d’une zone 25 sans cuivre est négligeable devant la longueur d’onde de la fréquence de travail de l’antenne 10, par exemple la plus grande dimension d’une zone 25 sans cuivre n’excède pas un dixième de la longueur d’onde de la fréquence de travail de l’antenne 10. De telles dispositions permettent de garantir que le plan de masse 22 joue correctement son rôle au sein de l’élément radiateur 20 même si une partie du plan de masse 22 est utilisée pour accueillir des composants électroniques du dispositif de réception.

Dans l’exemple considéré, le plan de masse 22 comporte deux couches de cuivre (une couche sur chaque face de la carte 11 de circuit imprimé sur laquelle est réalisée l’antenne 10) reliées par des vias. Seule une couche du plan de masse 22 est représentée sur la figure 9. Des composants électroniques peuvent être disposés sur l’une des deux couches, ou bien sur les deux couches du plan de masse 22. Rien n’empêche non plus, comme indiqué précédemment, que le plan de masse 22 ne comporte qu’une couche.

Alternativement, ou en complément, des composants électroniques du dispositif de réception peuvent être disposés sur une autre carte de circuit imprimé que la carte 11 de circuit imprimé sur laquelle est réalisée l’antenne 10. Dans un tel cas, la carte de circuit imprimé sur laquelle sont disposés des composants électroniques du dispositif de réception peut avantageusement être positionnée en regard du plan de masse 22, à une faible distance du plan de masse 22, par exemple à quelques millimètres seulement. Avec de telles dispositions, le plan de masse 22 permet avantageusement de faire écran à d’éventuelles perturbations électromagnétiques engendrées par les composants électroniques du dispositif de réception. De telles perturbations électromagnétiques seraient en effet susceptibles de perturber le fonctionnement de l’antenne 10.

La description ci-avant illustre clairement que, par ses différentes caractéristiques et leurs avantages, la présente invention atteint les objectifs fixés. En particulier, l’antenne 10 présente de très bonnes performances à la fois en termes de directivité, d’efficacité de rayonnement et de compacité. L’antenne selon l’invention présente en outre la possibilité d’intégrer les composants électroniques du dispositif de réception soit directement sur le plan de masse 22 de l’antenne 10, soit sur une carte de circuit imprimé positionnée en regard et à proximité du plan de masse 22 de l’antenne 10. Ceci contribue à limiter les dimensions du dispositif de réception, tout en évitant de perturber les performances de l’antenne.

L’invention a été décrite en considérant une antenne 10 pour un dispositif de réception ayant pour objectif de localiser des objets connectés émettant des signaux radioélectriques. Rien n’exclut cependant, suivant d’autres exemples, de considérer d’autres applications. Notamment, l’antenne 10 peut tout à fait être adaptée à un dispositif émetteur, ou à un dispositif émetteur-récepteur.

De manière générale, il est à noter que les modes de réalisation considérés ci-dessus ont été décrits à titre d’exemples non limitatifs, et que d’autres variantes sont par conséquent envisageables.

Notamment, d’autres choix peuvent être considérés pour le nombre, la forme et les dimensions des éléments parasites 30 pour une antenne 10 selon l’invention. Il en va de même du nombre d’éléments directeurs et du nombre d’éléments réflecteurs. En particulier, rien n’empêche d’avoir des éléments parasites 30 de différentes tailles, par exemple des éléments directeurs 32 plus courts que le ou les éléments réflecteurs 31.

Aussi, rien n’empêche d’avoir une antenne 10 dont le réseau 12 n’est pas planaire, c’est-à-dire dont les éléments ne sont pas formés dans un même plan. L’encombrement de l’antenne 10 est néanmoins avantageusement réduit lorsque le réseau est planaire.

L’antenne à résonateur parasite correspondant à l’élément radiateur 20 peut être réalisée de différentes façons. Notamment, et tel qu’indiqué précédemment, la cellule parasite 23 peut prendre différentes formes, le plan de masse 22 peut ne présenter qu’une seule couche au lieu de deux, etc. Ces différents choix ne représentent que des variantes de l’invention.

Aussi, d’autres choix de matériaux peuvent être faits pour la carte 11 de circuit imprimé, les éléments rayonnants de l’antenne 10, les composants des circuits de déphasage 34, etc. sans pour autant sortir de la portée de l’invention.

Dans l’exemple considéré, le réseau 12 d’éléments de l’antenne 10 présente une longueur inférieure à 200 mm et une largeur inférieure à 100 mm (voire même une longueur inférieure à 165 mm et une largeur inférieure à 50 mm) pour une fréquence de travail inférieure à 1 GHz (notamment, la fréquence de travail est de 869,5 MHz). L’antenne 10 présente une valeur maximale de directivité supérieure à 8 dBi et une efficacité de rayonnement supérieure à 50%. Dans des variantes de l’invention, une autre fréquence de travail, et d’autres dimensions de l’antenne 10 sont bien évidemment envisageables. Des valeurs différentes de directivité et d’efficacité de rayonnement pourraient alors être obtenues.

Claims

Antenne (10) directive comportant un réseau (12) d’éléments antennaires unitaires, ledit réseau (12) comportant un élément antennaire actif, dit « élément radiateur (20) », destiné à être relié électriquement à une source ou à un récepteur radiofréquence, et au moins un élément antennaire passif alimenté par induction mutuelle, dit « élément parasite (30) »,caractérisé e en ce queledit élément radiateur (20) est une antenne à résonateur parasite comportant un monopôle (21), un plan de masse (22) et une cellule parasite (23) placée dans le champ proche du monopôle (21).
Antenne (10) directive selon la revendication 1 dans laquelle l’élément radiateur (20) et ledit au moins un élément parasite (30) du réseau (12) sont formés dans un même plan.
Antenne (10) directive selon l’une des revendications 1 à 2 dans laquelle le réseau (12) comporte au moins un élément parasite (30) de type réflecteur (31) et au moins un élément parasite (30) de type directeur (32), ledit au moins un élément réflecteur (31) et ledit au moins un élément directeur (32) étant alignés avec l’élément radiateur (20), de part et d’autre de l’élément radiateur (20), selon un axe du réseau (12) correspondant à une direction (13) dans laquelle le gain de l’antenne (10) est maximal.
Antenne (10) directive selon la revendication 3 comportant trois éléments parasites (30) dont un élément réflecteur (31) et deux éléments directeurs (32), chaque élément parasite étant formé par un dipôle électrique replié sous forme de méandres.
Antenne (10) directive selon l’une des revendications 1 à 4 dans laquelle le monopôle (21) est destiné à être relié électriquement à la source ou au récepteur radiofréquence et la cellule parasite (23) de l’élément radiateur (20) prend la forme d’une boucle ouverte.
Antenne (10) directive selon l’une des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que la fréquence de travail de l’antenne (10) est inférieure à un gigahertz, le réseau (12) d’éléments présente une longueur inférieure à vingt centimètres et une largeur inférieure à dix centimètres, et l’antenne (10) présente une valeur maximale de directivité supérieure à 8 dBi et une efficacité de rayonnement supérieure à -3 dB.
Antenne (10) directive selon l’une des revendications 1 à 6 caractérisée en ce que l’antenne (10) présente un rapport supérieur à 20 dB entre une valeur de directivité de l’antenne (10) dans une direction (13) vers l’avant de l’antenne (10) et une valeur de directivité de l’antenne (10) dans une direction opposée vers l’arrière de l’antenne (10).
Antenne (10) directive selon l’une des revendications 1 à 7 dans laquelle le plan de masse (22) de l’élément radiateur (20) comporte des pistes électriques pour un circuit électronique d’un dispositif d’émission ou de réception, lesdites pistes électriques étant gravées au sein du plan de masse (22).
Dispositif émetteur ou récepteur comportant une antenne (10) directive selon l’une des revendications 1 à 8.
Dispositif émetteur ou récepteur comportant une antenne (10) directive selon l’une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu’un circuit électronique dudit dispositif est positionné en regard du plan de masse (22) de l’élément radiateur (20) de l’antenne (10).