WO2006100306A1 - Antenne ultra-large bande offrant une grande flexibilité de conception - Google Patents

Antenne ultra-large bande offrant une grande flexibilité de conception Download PDF

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WO2006100306A1
WO2006100306A1 PCT/EP2006/061035 EP2006061035W WO2006100306A1 WO 2006100306 A1 WO2006100306 A1 WO 2006100306A1 EP 2006061035 W EP2006061035 W EP 2006061035W WO 2006100306 A1 WO2006100306 A1 WO 2006100306A1
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WO
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antenna
antenna according
zone
longitudinal axis
monoblock
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Application number
PCT/EP2006/061035
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Jean-Philippe Coupez
Serge Pinel
Sylvain Inisan
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Groupe Des Ecoles Des Telecommunications (Get)
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/02—Waveguide horns
    • H01Q13/04—Biconical horns
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • H01Q9/28—Conical, cylindrical, cage, strip, gauze, or like elements having an extended radiating surface; Elements comprising two conical surfaces having collinear axes and adjacent apices and fed by two-conductor transmission lines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49016—Antenna or wave energy "plumbing" making

Definitions

  • the present invention relates to telecommunication antennas, in particular antennas of the ultra wideband (ULB) type.
  • ULB ultra wideband
  • ULB technology compared to a conventional radio technology (for example narrow-band type with carrier), is to offer very high bit rates.
  • Another known advantage of ULB technology is that it has a very high robustness against the problems of interference and fading of a signal in cases of multipath propagation.
  • Another known advantage of this ULB technology is that it has an extremely wide frequency spectrum.
  • ULB antenna embodiments For example, a first large family of ULB antennas corresponding to antennas of the dipole type (for example of the biconical, planar type of square or triangular geometry type) and of the monopole type is known.
  • the antennas of this first family can provide good performance, a problem is that their size is dependent on the working frequency of the antenna.
  • the dimension in particular of the radiating elements is imposed by the lowest working frequency used in the intended application.
  • each of the cones is equal to ⁇ / 4, where ⁇ is the largest working wavelength in the intended application.
  • a second large family of ULB antennas is also known.
  • Antennas with radiating elements such as coaxial horns or TEM hornets (acronym for the expression "Transverse
  • Other variants in this second family of antennas are still based classically on the use of radiating elements with shaped profiles, usually according to exponential laws, and excitation systems based on baluns or cavities [9-]. 10].
  • the designer can play on a larger number of parameters of freedom than previously.
  • the stress on the dimension of the radiating elements as a function of the working frequencies is relaxed, which offers the possibility for example of using radiating elements of smaller dimensions than that of the first family of antennas.
  • An antenna having radiating elements in planar configuration with double slots [H] is known in particular.
  • Another antenna of this third large family comprises radiating elements in configuration with two double planar slots positioned perpendicularly [12].
  • a disadvantage of these antennas is that they do not make it possible to obtain a homogeneous radiation pattern in an azimuthal plane.
  • the document FR 2 843237 discloses a monopole type antenna of the first aforementioned large family.
  • this antenna has in particular the disadvantages of controlling the electromagnetic field by means only of a surface shaped according to a calyx 1.
  • this antenna does not generate a localized signal in its central region, and has no means of adaptation to promote a localized coupling between the excitation means 4 and said region.
  • US 2532551 and FR 2573576 relate to an ultra wideband antenna belonging to the second large family mentioned above. They are indeed antennas with biconical cornet. They have the abovementioned disadvantages for this type of antenna in particular because of a lack of localized coupling of the signal in the central region.
  • WO 02/056418 relates to a broadband electromagnetic probe.
  • this antenna is not ultra-wideband type and does not lend itself to it either. It has in particular a single surface 100 for controlling the electromagnetic field, the surface 250 being connected to a mass. In addition, it does not have an efficient and compact adaptation means to promote a localized coupling between the coaxial attack 302 and the zone 400.
  • An object of the invention is therefore to provide an improved antenna.
  • the object of the invention is to propose an ULB antenna with omnidirectional radiation in an azimuthal plane and with a gain value that is as constant as possible with the frequency in this plane.
  • the antenna of the invention advantageously has a simple geometry and allows a great flexibility of design to meet very different specifications.
  • the invention thus proposes an ultra broadband antenna characterized in that it comprises:
  • first and second shaped surfaces thus defining a radiating element, these surfaces furthermore having a symmetry of revolution about a longitudinal axis of the antenna, being arranged facing each other relative to each other; to a plane orthogonal to the longitudinal axis and containing the horizontal axis, and having a profile and dimensions adapted to control characteristics of an electromagnetic field in the area, so that the antenna has a substantially constant gain in the frequency band, in azimuthal plane,
  • an excitation means extending parallel to the longitudinal axis and capable of supplying the signal in a localized manner in the central region
  • an adaptation means associated with the first shaped surface, projecting into the central region of the zone and toward the second shaped surface, the adaptation means being able to promote localized coupling between the excitation means; and said area.
  • Preferred non-limiting aspects of this antenna are the following:
  • the zone comprises a monoblock of material which has a symmetry of revolution with respect to the longitudinal axis;
  • the zone is completely filled by the monoblock of material; the two shaped surfaces are formed respectively by two distinct elements;
  • the monoblock of material is arranged to support the two distinct elements
  • the antenna further comprises in said zone spacers and / or rods whose ends are integral with the two distinct elements;
  • the two shaped surfaces respectively correspond to first and second opposite surfaces of the monoblock of material so that these two shaped surfaces and this monoblock of material form only one piece;
  • the monoblock of material further has an outer wafer in contact with the air and constituting an outer side of the antenna; the monoblock of material also has an internal wafer enclosing at least part of the central region of the zone;
  • the central region enclosed at least in part by the inner slice comprises air;
  • the one or more slices of the monoblock of material have a profile that makes it possible to control the characteristics of the electromagnetic field in the zone;
  • At least a portion of the profile of the slice (s) of the monoblock of material has, in longitudinal section, a form selected from the following: a. rectilinear, b. concave with respect to the longitudinal axis, c. convex with respect to the longitudinal axis;
  • At least a portion of a profile of each of the two shaped surfaces has, in longitudinal section, a shape selected from the following: a. rectilinear, b. concave to the plane orthogonal to the longitudinal axis and containing the horizontal axis, c. convex with respect to the plane orthogonal to the longitudinal axis and containing the horizontal axis; the profile of at least one of the two shaped surfaces comprises at least one point of inflection;
  • the second shaped surface comprises substantially at its center an orifice, said orifice comprising at least part of the excitation means;
  • the excitation means is a coaxial line having a central core, one end of which is in contact with the adaptation means;
  • the monoblock of material is a dielectric material of the type taken from the following list: foam, plastic, ceramic; - the slice (s) includes (s) conductive patterns;
  • the antenna has a symmetry of revolution about the longitudinal axis
  • the antenna is arranged to receive an electronic circuit not far from it and to protect it from the electromagnetic field that it radiates;
  • the electronic circuit is arranged as close as possible to the antenna; the second shaped surface forms a recess on the outside of the antenna and in that the electronic circuit is integrated in this recess;
  • the adaptation means is a lug
  • the two shaped surfaces are metallized.
  • the invention also provides a telecommunication system characterized in that it comprises an ultra wideband antenna with the above characteristics taken alone or in combination.
  • FIG. 1 is a sectional view along a plane containing the longitudinal axis (Z) of an antenna according to the invention having two shaped surfaces arranged symmetrically with respect to a plane perpendicular to the longitudinal axis (Z) and containing the horizontal axis (X);
  • - Figure 2 is an enlarged view in longitudinal section of the central region of the zone, in which the excitation and adaptation elements are located;
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view of two antennas according to the invention each having two shaped surfaces whose profile is substantially different from that of the antenna shown in FIG. 1,
  • FIG. 4 is an antenna of the invention in which the zone is entirely filled with air
  • FIG. 5 is an antenna of the invention comprising in the zone a monoblock of material which has two slices (T and T ');
  • FIG. 6 is a longitudinal sectional view of an antenna according to the invention having two shaped surfaces whose profile is different and whose slice (T) has a profile parallel to the longitudinal axis (Z),
  • FIG. 7 is a view in longitudinal section of an antenna according to the invention having two shaped surfaces whose profile is different and whose edge (T) has a rectilinear profile inclined with respect to the longitudinal axis,
  • FIG. 8 is a variant of the antenna of FIG. 7 in which the profile of the facing surfaces and the slice (T) are still played.
  • FIG. 9 shows, in longitudinal section, an antenna of the invention, the edge (T) of the monoblock of material having a curved profile towards the outside of the antenna
  • FIG. 10 shows in longitudinal section an antenna of the invention, the slice (T) of the monoblock of material having a curved profile towards the inside of the antenna
  • FIG. 11 is an antenna of the invention, the edge (T) of which comprises conductive patterns on the surface;
  • FIG. 12 illustrates the integration of an electronic circuit in an external recess of an antenna of the invention
  • FIG. 13 is a detailed exemplary embodiment of an antenna of the invention
  • FIG. 14 shows a simulation of the adaptation as a function of a chosen frequency band of the antenna taken as an example in FIG. 13.
  • FIG. 15 shows simulations of radiation patterns in azimuth and elevation of the antenna of FIG. 13, and for different frequencies of said frequency band;
  • FIG. 16 shows adaptation and gain measurements of the antenna of FIG. 13 in the azimuthal plane,
  • FIG. 17 is a second example of a detailed embodiment of an antenna of the invention.
  • FIG. 18 shows a simulation of the adaptation as a function of the selected frequency band of the antenna taken as an example in FIG. 17,
  • FIG. 19 shows simulations of azimuth and elevation radiation diagrams of the antenna of FIG. 17, and for different frequencies of said frequency band
  • FIG. 20 shows the adaptation and gain measurements of the antenna of FIG. 17 in the azimuthal plane.
  • FIG. 21 is a third example of a detailed embodiment of an antenna of the invention.
  • FIG. 22 shows adaptation and gain measurements of the antenna of FIG. 21 in the azimuthal plane. It will be noted as a preliminary that in the following text the term distal refers to the center of the antenna.
  • This antenna 1 comprises two identical shaped surfaces 3 and 4 facing one another with respect to a plane perpendicular to the longitudinal axis (Z) and containing the horizontal axis (X).
  • An area 2 is defined between these two conformal surfaces.
  • Zone 2 therefore generally has an outline perfectly defined by the two conforming surfaces 3 and 4 facing each other.
  • the latter have a parabola profile (C) open respectively upwardly and downwardly.
  • the horizontal axis (X) corresponds to an axis of symmetry for these two surfaces 3 and 4 and therefore for zone 2. More generally still, the antenna, or at least the two surfaces, shaped, have a symmetry of revolution around the vertical axis
  • This further comprises an excitation means 6, typically a coaxial line, extending parallel to the vertical axis (Z) and able to provide a signal 5 in a central region of the zone 2.
  • this excitation means is integrated in a vertical through orifice made substantially in the center of the shaped surface 4.
  • the excitation means 6 can reach the central region of zone 2 from the outside downwards. of the antenna. And as shown in particular in Figure 1, the excitation means is thus able to provide the signal 5 in a localized way in the central region. More precisely still, the excitation means 6 also crosses the central region of the zone 2 to come into intimate contact with a local adaptation means 7 disposed in the center, beneath the shaped surface 3.
  • the matching means 7 is substantially opposite the through hole.
  • the matching means 7 is in the form of a cylindrical lug protruding from the surface 3 towards the through hole.
  • Such adaptation means makes it possible to locally promote a transition of the signal between the excitation means 6 and the zone 2 while remaining of reduced size.
  • Figure 2 shows a detailed longitudinal sectional view of the central region of zone 2.
  • the lug 7 has a diameter and a height respectively denoted d and h.
  • the excitation means represented here by way of nonlimiting example is a coaxial line 6 comprising a central core
  • the shaped surfaces 3 and 4 are covered with a thin layer of conductive material and both define a radiating element.
  • FIG. 3 illustrates a preferred variant of the invention.
  • This monoblock 10 therefore extends around the vertical axis (Z) and from the central region to the end of the antenna defined by the distal edge of the shaped surfaces 3 and 4.
  • the surface of the monoblock 10 which is in contact with the air on one side of the antenna constitutes a wafer (T) whose profile may serve as a parameter of freedom to the design of the antenna.
  • T wafer
  • the two shaped surfaces 3 and 4 are respectively the upper and lower surfaces of the monoblock of material 10 so that there is only one physical part.
  • the bulk of the volume of zone 2 is in a way defined by the volume of the monoblock of material itself. It will also be noted that the matching means 7 and the monoblock of material 10 are also in one piece.
  • the two shaped surfaces 3 and 4 are respectively formed by two distinct elements 3 'and 4', that is to say two independent physical parts. Zone 2 can then be completely filled with air, as shown in FIG.
  • means 10 ' are provided in said zone (2) for fixing the two elements 3' and 4 'with respect to one another.
  • Zone 2 may also consist of air and the monoblock of material 10.
  • FIG. 1 A non-limiting example is given in FIG. 1
  • the monoblock of material 10 has here two slices (T) and (T ') in contact with the air.
  • the monoblock 10 corresponds to a ring disposed around the vertical axis (Z).
  • the inner wafer (T ') encloses air, but the invention also provides that it can enclose another gas, preferably having dielectric properties.
  • the monoblock 10 constitutes a support for the two distinct elements 3 'and 4'.
  • the antenna of the invention still offers a greater number of freedom parameters.
  • a fundamental freedom parameter consists in playing on the profile (C, C) of the shaped surfaces 3 and 4.
  • these profiles has, in longitudinal section, a shape chosen from the following: a. rectilinear, b. concave to the plane orthogonal to the longitudinal axis (Z) and containing the horizontal axis (X), c. convex relative to the plane orthogonal to the longitudinal axis (Z) and containing the horizontal axis (X).
  • each of the two surfaces 3 and 4 may consist of a juxtaposition of several surface portions, these portions having a shape profile possibly different from each other.
  • Figures 1 and 3 showed two shaped surfaces 3 and 4 symmetrical with respect to the horizontal axis with a profile (C) which as a whole had a dish shape convex with respect to this axis.
  • FIG. 3B differs in particular from FIG. 3A in that the profiles (C) have a point of inflection.
  • the surfaces 3 and 4 have a dish-shaped profile (C, C) open upwardly and downwardly as in FIG. 1, but with generally different curvatures.
  • the profile (C) of the surface 3 comprises in particular a point of inflection.
  • Figure 7 shows an example of an antenna whose profile (C) of the shaped surface 3 is flared so that it becomes horizontal at the distal ends. As illustrated in these last two figures and Figure 8, we can notice that the designer can also play on the fact that the symmetry of the profiles
  • H and H ' denotes the height of the profile (C) and (C) of the respective surfaces 4 and 3.
  • the height in question corresponds to the projected distance on the vertical axis between a distal end of the profile and its center located on said vertical axis.
  • R and R ' denote the radii of the respective surfaces 4 and 3.
  • S denotes the smallest distance separating the two conformal surfaces 3 and 4, or the distance separating these two surfaces in the center of the zone 2.
  • the antenna of FIG. 8 is defined by the following system: (C) ⁇ (C), H '> H, R' ⁇ R
  • Another parameter of fundamental freedom offered to the designer is to play on the profile of the slice (s) (T, T ') of the monoblock of material 10.
  • the profile (QC) of the shaped surfaces 4 and 3 at least a portion of the profiles of the slice or slices (T, T ') has, in longitudinal section, a shape chosen from the following: a. rectilinear, b. concave with respect to the plane orthogonal to the longitudinal axis
  • a wafer may consist of a juxtaposition of several wafer portions, these wafer portions having a shape profile possibly different from each other.
  • the profile of an external and / or internal wafer may therefore, as a whole, be rectilinear inclined or not with respect to the longitudinal axis (FIGS. 3, 5, 6, 7 and 8 for example), curved outwards (Figure 9), or curved inwards (Figure 10).
  • Another parameter of freedom offered to the designer is to be able to have at least one conductive pattern 11 on a slice of the monoblock 10 so as to contribute once more to the control of the characteristics of the electromagnetic field in the zone 2, namely to the control of the characteristics of radiation of the antenna as in particular the appearance of the radiation patterns, the value of the directivity or the polarization.
  • a conductive pattern 11 is printed on the outer edge (T) of the antenna.
  • Another parameter of freedom still consists in playing on the geometry of the lug 7 by modifying either its shape or its dimensions d and / or h.
  • the lug may have a trapezoidal shape in longitudinal section, the smallest side being that of the bottom.
  • Figure 12 there is illustrated an additional advantage of the antenna according to the invention.
  • the antenna can be arranged to receive not far from it an electronic circuit 12 and to protect it from the electromagnetic field that it radiates.
  • the electronic circuit 12 is arranged as close as possible to the antenna (1), which furthermore makes it possible to optimize the signal-to-noise ratio.
  • this recess 13 corresponds in this nonlimiting example to the recess formed by the concave shape of the profile (C) of the second shaped surface 4.
  • This method is based first of all on the shaping of the monoblock of material 10.
  • ⁇ r is relatively close to 1 and tg ( ⁇ ) of the smallest possible value ( ⁇ r is the relative permittivity, and tg ( ⁇ ) the tangent of dielectric losses preferably less than 10 3 in the invention).
  • the conformation of the monoblock 10 can be achieved either by machining or by molding the desired part, from a choice of suitable material.
  • the shaping being carried out, the selective metallization is then carried out of any profiled surface of the shaped surface 3, on which the adaptation lug 7 has been made, as well as of the shaped surface 4.
  • Said metallization may, for example, be performed by depositing a conductive paint or by electrochemical deposition of a metal.
  • slice (T) of the support monoblock 10 is, for its part, not metallized.
  • the coaxial line 6 can then be connected to the antenna.
  • an electrical continuity, solder or conductive adhesive must be provided, on the one hand, between the peripheral conductor 6 'positioned at the level of savings and the metallization on the surface 4, and secondly between the central conductor of the coaxial 6 "and the lower part of the adapter pin 7.
  • the central core 6" then passes through the monoblock of dielectric material 10 via a small hole of height e.
  • This manufacturing method has the advantage of having a very great simplicity of realization and a low cost.
  • Concerning the excitation means 6, the solution adopted corresponds to the use of a standard Teflon coaxial cable, with characteristic impedance
  • this material 10 (monobloc foam for example) has been machined by micro-milling to collectively produce the assembly consisting of surfaces 3 and 4, and the adapter element 7 in one piece .
  • Figure 15 gives the azimuth and elevation radiation patterns for several frequencies distributed over the entire bandwidth (ie, 3.1 GHz, 5.0 GHz, 6.85 GHz, 8.5 GHz and 10.6 GHz).
  • the radiation of the antenna is of omnidirectional type in the azimuthal plane, with a small dispersion of the gain value in this plane as a function of the frequency (respectively: 0.6dBi, -2.4dBi , 1.IdBi, 2.4dBi and 1.7dBi for the previous frequency values).
  • several prototypes were realized and characterized in adaptation and in transmission, this last measurement being carried out in the azimuthal plane and on the basis of a simple link budget between two antennas. of the invention, separated by a distance D.
  • ⁇ is the wavelength
  • Pr the received power
  • G the gain of the antennas
  • the measured curve 41 reveals ripples related to the presence of multiple paths. These exist to the extent that the characterization was not performed in anechoic chamber.
  • the result obtained for the gain is therefore more qualitative than quantitative.
  • FIG. 17 A second example of a detailed embodiment of an antenna according to the invention is illustrated in FIG. 17.
  • FIG. 19 represents the azimuth and elevation radiation patterns at the same frequencies as those used for the first exemplary embodiment (i.e. 3.1GHz, 5.0GHz, 6.85GHz, 8.5GHz and
  • the radiation of the antenna is always omnidirectional type in azimuth, associated with a small variation of the value of the gain in this plane, as a function of the frequency (respectively: 1.5dBi,
  • the value of the gain 44 in the azimuthal plane is again in conformity with the simulation, with a limited variation in the range [-2dBi, 2dBi].
  • the shaped surface 4 of this antenna is in the form of a spherical cap, while the upper shaped surface 3 has a bell-shaped profile inverted shape and flared at the edges.
  • Experimental measurements in adaptation and gain in the azimuthal plane are given in Figure 22.
  • the reflection coefficient 50 always remains below -12 dB over the entire 3.1 GHz-10.6 GHz working band. This antenna therefore has a very satisfactory adaptation, as in the case of the previous antennas.
  • this third embodiment provides satisfactory performance and in particular a very small volume. Indeed, the volume of this antenna is 37.7 cm 3 , while the volume occupied by the first embodiment described above is 61.6 cm 3 .
  • the present invention proposes an ultra broadband antenna offering a very great flexibility of design and thus satisfying a variety of specifications.
  • one or more antennas of the invention in different equipment such as in a computer, a fixed or mobile telephone, a printer, a television, a CD-ROM reader, or more generally in any equipment where wireless communication is used.

Landscapes

  • Details Of Aerials (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

L'invention propose une antenne ultra large bande (1) caractérisée en ce qu'elle comporte : - une zone (2) définie entre des première (3) et deuxième (4) surfaces conformées (3, 4) définissant ainsi un élément rayonnant, ces surfaces (3, 4) présentant en outre une symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal (Z) de l'antenne, étant disposées l'une en regard de l'autre par rapport à un plan orthogonal à l'axe longitudinal (Z) et contenant l'axe horizontal (X), et ayant un profil et des dimensions adaptés pour contrôler des caractéristiques d'un champ électromagnétique dans la zone (2), de sorte que l'antenne présente un gain sensiblement constant dans la bande de fréquence, suivant un plan azimutal, - un moyen d'excitation (6) s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal (Z) et apte à fournir le signal (5) de façon localisée dans la région centrale, - un moyen d'adaptation (7), associé à la première surface conformée (3), faisant saillie dans la région centrale de la zone (2) et en direction de la deuxième surface conformée (4), le moyen d'adaptation étant apte à favoriser un couplage localisé entre le moyen d'excitation (6) et ladite zone (2).

Description

Antenne ultra-large bande offrant une grande flexibilité de conception
La présente invention concerne des antennes de télécommunication, en particulier des antennes du type ultra large bande (ULB). Ce type d'antenne existe depuis longtemps dans le domaine des radars civils ou militaires, mais son attrait pour des applications grand public n'est apparu que récemment.
A titre d'exemple non limitatif, on sait aujourd'hui que de telles antennes ouvrent des perspectives très intéressantes dans le domaine des applications multimédia haut débit, et ce pour une cible domestique ou professionnelle.
Il existe bien entendu d'autres exemples d'application de ces antennes, mais en tout état de cause, un intérêt connu d'utiliser une technologie ULB, par rapport à une technologie radio classique (par exemple du type bande étroite avec porteuse), est d'offrir des possibilités de débits très élevés. Un autre avantage connu de la technologie ULB est qu'elle présente une très grande robustesse vis-à-vis des problèmes d'interférences et d'évanouissements d'un signal dans les cas d'une propagation à trajets multiples. Un autre avantage connu de cette technologie ULB est qu'elle possède un spectre en fréquence extrêmement large.
A titre d'exemple, une récente réglementation de la FCC (Fédéral Communications Commission) permet d'utiliser sans licence une bande de fréquence comprise entre 3.1GHz et 10.6GHz. En tant que composant fondamental d'un tel système de communication, de nombreuses réalisations d'antenne ULB ont déjà été proposées. On connaît par exemple une première grande famille d'antennes ULB correspondant à des antennes du type dipôle (par exemple du type biconique, planaire de géométrie carré ou triangulaire) et du type monopôle
(comme par exemple les antennes du type monopôle conique) [1 - 6]. On notera en l'occurrence que dans le cas des antennes du type dipôle, des solutions avec des éléments rayonnants de forme symétrique ou dissymétrique [4] ont été proposées.
Bien que les antennes de cette première famille puissent fournir de bonnes performances, un problème est que leur dimensionnement est dépendant de la fréquence de travail de l'antenne.
Plus précisément, la dimension notamment des éléments rayonnants est imposée par la plus basse fréquence de travail utilisée dans l'application visée.
Ainsi dans le cas d'une antenne du type dipôle biconique, la dimension de chacun des cônes est égale à λ/4, où λ est la longueur d'onde de travail la plus grande dans l'application visée.
Par conséquent, connaissant les fréquences de travail de ladite application, un concepteur d'une telle antenne dispose de peu de paramètres de liberté pour la réaliser. Et il peut en découler que l'antenne ne réponde pas à un cahier des charges précis en terme notamment de compacité.
On connaît aussi une deuxième grande famille d'antennes ULB.
Elle regroupe les antennes du type à configurations cornets [7 - 10].
On connaît notamment des antennes avec des éléments rayonnants du type cornets coaxiaux ou cornets TEM (acronyme de l'expression « Transverse
Electro Magnetic » en langue anglo-saxonne). D'autres variantes dans cette deuxième famille d'antennes reposent encore classiquement sur l'utilisation d'éléments rayonnants à profils conformés, le plus souvent suivant des lois exponentielles, et des systèmes d'excitation à base de baluns ou de cavités [9-10]. Dans le cas des antennes de cette famille, le concepteur peut jouer sur un nombre de paramètres de liberté plus important que précédemment. En particulier, la contrainte sur la dimension des éléments rayonnants en fonction des fréquences de travail est relâchée, ce qui offre la possibilité par exemple d'utiliser des éléments rayonnants de dimensions plus petites que celle de la première famille d'antennes.
Il n'empêche que la flexibilité de conception des antennes de cette deuxième grande famille demeure encore insuffisante pour répondre à des cahiers des charges très variés, et ce tout en conservant une bonne compacité. A titre d'exemple, afin d'améliorer les performances de l'antenne, en particulier lorsque ses dimensions sont réduites, on utilise un élément d'adaptation graduel qui permet d'obtenir un couplage avec une transition douce entre un élément d'excitation et les éléments rayonnants. Mais maintenant, c'est cet élément d'adaptation graduel qui, de par son principe de fonctionnement, occupe une place non négligeable et qui conduit inéluctablement à une antenne peu compacte.
Finalement, une troisième grande famille d'antennes correspond à des antennes à fentes profilées.
On connaît en particulier une antenne comportant des éléments rayonnants en configuration planaire à doubles fentes [H]. Une autre antenne de cette troisième grande famille comporte des éléments rayonnants en configuration à deux doubles fentes planaires positionnées perpendiculairement [12].
Un inconvénient de ces antennes est qu'elles ne permettent pas d'obtenir un diagramme de rayonnement homogène dans un plan azimutal.
En outre, si des éléments d'adaptation ont également été proposés avec ces antennes, leur dimensionnement est malheureusement imposé par la fréquence de travail la plus basse du cahier des charges. En particulier, la dimension doit être égale à λ/4, ce qui conduit ici encore à limiter la compacité de l'antenne.
Le document FR 2 843237 divulgue une antenne de type monopôle de la première grande famille précitée.
Toutefois, on peut voir que le diagramme de rayonnement de cette antenne varie en fonction de la fréquence, en particulier dans le plan azimutal OXY. Par ailleurs, cette antenne présente notamment les inconvénients de contrôler le champ électromagnétique par l'intermédiaire, uniquement, d'une surface conformée selon un calice 1.
Par ailleurs, cette antenne ne génère pas de façon localisée un signal dans sa région centrale, et ne possède pas de moyen d'adaptation pour favoriser un couplage localisé entre le moyen d'excitation 4 et ladite région.
Les documents US 2532551 et FR 2573576 concernent une antenne ultralarge bande appartenant à la deuxième grande famille précitée. Il s'agit en effet d'antennes à cornet biconique. Elles présentent les inconvénients susmentionnés pour ce type d'antenne notamment en raison d'une absence de couplage localisée du signal dans la région centrale. Le document WO 02/056418 concerne une sonde électromagnétique large bande.
A l'instar du document FR 2 843237, cette antenne n'est pas du type ultralarge bande et ne s'y prête pas non plus. Elle possède en particulier une seule surface 100 pour contrôler le champ électromagnétique, la surface 250 étant reliée à une masse. En outre, elle ne possède pas de moyen d'adaptation efficace et compact pour favoriser un couplage localisé entre l'attaque coaxiale 302 et la zone 400. Un but de l'invention est donc de proposer une antenne améliorée. En particulier, l'invention a pour but de proposer une antenne ULB à rayonnement omnidirectionnel dans un plan azimutal et à valeur de gain la plus constante possible avec la fréquence dans ce plan.
En outre, l'antenne de l'invention possède avantageusement une géométrie simple et permet une grande flexibilité de conception pour répondre à des cahiers des charges très différents.
Par ailleurs, notamment grâce à cette grande simplicité de réalisation, elle peut répondre à de nombreuses autres contraintes comme notamment une grande reproductibilité technologique, un faible coût et un faible encombrement. L'invention propose ainsi une antenne ultra large bande caractérisée en ce qu'elle comporte :
- une zone définie entre des première et deuxième surfaces conformées définissant ainsi un élément rayonnant, ces surfaces présentant en outre une symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal de l'antenne, étant disposées l'une en regard de l'autre par rapport à un plan orthogonal à l'axe longitudinal et contenant l'axe horizontal, et ayant un profil et des dimensions adaptés pour contrôler des caractéristiques d'un champ électromagnétique dans la zone, de sorte que l'antenne présente un gain sensiblement constant dans la bande de fréquence, suivant un plan azimutal,
- un moyen d'excitation s' étendant parallèlement à l'axe longitudinal et apte à fournir le signal de façon localisée dans la région centrale,
- un moyen d'adaptation, associé à la première surface conformée, faisant saillie dans la région centrale de la zone et en direction de la deuxième surface conformée, le moyen d'adaptation étant apte à favoriser un couplage localisé entre le moyen d'excitation et ladite zone. Des aspects préférés non limitatifs de cette antenne sont les suivants :
- la zone est entièrement remplie d'air ;
- la zone comporte un monobloc de matériau qui possède une symétrie de révolution par rapport à l'axe longitudinal ;
- la zone est entièrement remplie par le monobloc de matériau ; - les deux surfaces conformées sont formées respectivement par deux éléments distincts ;
- le monobloc de matériau est agencé pour supporter les deux éléments distincts ;
- l'antenne comporte en outre dans ladite zone des entretoises et/ou des tiges dont des extrémités sont solidaires des deux éléments distincts ;
- les deux surfaces conformées correspondent respectivement à des première et deuxième surfaces opposées du monobloc de matériau de sorte que ces deux surfaces conformées et ce monobloc de matériau ne forment qu'une seule pièce ; - le monobloc de matériau possède en outre une tranche externe en contact avec l'air et constituant un côté extérieur de l'antenne ; - le monobloc de matériau possède en outre une tranche interne enfermant au moins en partie la région centrale de la zone ;
- la région centrale enfermée au moins en partie par la tranche interne comporte de l'air ; - la ou les tranches du monobloc de matériau ont un profil qui permet de contrôler les caractéristiques du champ électromagnétique dans la zone ;
- au moins une portion du profil de la ou des tranche(s) du monobloc de matériau possède, en coupe longitudinale, une forme choisie parmi les suivantes : a. rectiligne, b. concave par rapport à l'axe longitudinal, c. convexe par rapport à l'axe longitudinal ;
- au moins une portion d'un profil de chacune des deux surfaces conformées possède, en coupe longitudinale, une forme choisie parmi les suivantes : a. rectiligne, b. concave par rapport au plan orthogonal à l'axe longitudinal et contenant l'axe horizontal, c. convexe par rapport au plan orthogonal à l'axe longitudinal et contenant l'axe horizontal ; - le profil de l'une au moins des deux surfaces conformées comporte au moins un point d'inflexion ;
- la deuxième surface conformée comporte sensiblement en son centre un orifice, ledit orifice comportant une partie au moins du moyen d'excitation ;
- une extrémité du moyen d'excitation est en contact avec le moyen d'adaptation ; - le moyen d'excitation est une ligne coaxiale possédant une âme centrale dont une extrémité est en contact avec le moyen d'adaptation ;
- le monobloc de matériau est un matériau diélectrique du type pris dans la liste suivante : mousse, plastique, céramique ; - la ou les tranche(s) comporte(nt) des motifs conducteurs ;
- l'antenne possède une symétrie de révolution autour de l'axe longitudinal ;
- l'antenne est agencée pour accueillir non loin d'elle un circuit électronique et pour le protéger du champ électromagnétique qu'elle rayonne ;
- le circuit électronique est disposé aussi proche que possible de l'antenne ; - la deuxième surface conformée forme un évidement à l'extérieur de l'antenne et en ce que le circuit électronique est intégré dans cet évidement ;
- le moyen d'adaptation et le monobloc de matériau sont d'une seule pièce ;
- le moyen d'adaptation est un ergot ;
- les deux surfaces conformées sont métallisées. Par ailleurs, l'invention propose également un système de télécommunication caractérisé en ce qu'il comporte une antenne ultra large bande dotée des caractéristiques susmentionnées prises seules ou en combinaison. Ainsi, la combinaison appropriée des différents moyens présentés ci-dessus permet d'offrir de nombreux paramètres de liberté à un concepteur d'antenne ULB et de réaliser celle-ci de manière simple en disposant des avantages de l'invention, notamment de pouvoir répondre à un cahier des charges varié tout en demeurant compacte. D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante de l'invention, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe selon un plan contenant l'axe longitudinal (Z) d'une antenne conforme à l'invention possédant deux surfaces conformées disposées symétriquement par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal (Z) et contenant l'axe horizontal (X), - la figure 2 est une vue agrandie en coupe longitudinale de la région centrale de la zone, dans laquelle se trouvent les éléments d'excitation et d'adaptation,
- la figure 3 est une vue en coupe longitudinale de deux antennes conformes à l'invention possédant chacune deux surfaces conformées dont le profil est sensiblement différent de celui de l'antenne montrée à la figure 1,
- la figure 4 est une antenne de l'invention dans laquelle la zone est entièrement remplie d'air,
- la figure 5 est une antenne de l'invention comportant dans la zone un monobloc de matériau qui possède deux tranches (T et T'), - la figure 6 est une vue en coupe longitudinale d'une antenne conforme à l'invention possédant deux surfaces conformées dont le profil est différent et dont la tranche (T) a un profil parallèle à l'axe longitudinal (Z),
- la figure 7 est une vue en coupe longitudinale d'une antenne conforme à l'invention possédant deux surfaces conformées dont le profil est différent et dont la tranche (T) a un profil rectiligne incliné par rapport à l'axe longitudinal,
- la figure 8 est une variante de l'antenne de la figure 7 dans laquelle on joue encore sur le profil des surfaces en regard, et de la tranche (T),
- la figure 9 montre en coupe longitudinale une antenne de l'invention dont la tranche (T) du monobloc de matériau possède un profil bombé vers l'extérieur de l'antenne, - la figure 10 montre en coupe longitudinale une antenne de l'invention dont la tranche (T) du monobloc de matériau possède un profil bombé vers l'intérieur de l'antenne,
- la figure 11 est une antenne de l'invention dont la tranche (T) comporte en surface des motifs conducteurs,
- la figure 12 illustre l'intégration d'un circuit électronique dans un évidement externe d'une antenne de l'invention,
- la figure 13 est un exemple de réalisation détaillé d'une antenne de l'invention, - la figure 14 montre une simulation de l'adaptation en fonction d'une bande de fréquence choisie de l'antenne prise comme exemple à la figure 13,
- la figure 15 montre des simulations de diagrammes de rayonnement en azimut et en élévation de l'antenne de la figure 13, et ce pour différentes fréquences de ladite bande de fréquence, - la figure 16 montre des mesures d'adaptation et de gain de l'antenne de la figure 13 dans le plan azimutal,
- la figure 17 est un deuxième exemple de réalisation détaillé d'une antenne de l'invention,
- la figure 18 montre une simulation de l'adaptation en fonction de la bande de fréquence choisie de l'antenne prise comme exemple à la figure 17,
- la figure 19 montre des simulations de diagrammes de rayonnement en azimut et en élévation de l'antenne de la figure 17, et ce pour différentes fréquences de ladite bande de fréquence,
- la figure 20 montre des mesures d'adaptation et de gain de l'antenne de la figure 17 dans le plan azimutal. - la figure 21 est un troisième exemple de réalisation détaillée d'une antenne de l'invention,
- la figure 22 montre des mesures d'adaptation et de gain de l'antenne de la figure 21 dans le plan azimutal. On notera à titre préliminaire que dans le texte suivant le terme distal s'entend par rapport au centre de l'antenne.
Par ailleurs, afin de simplifier la lecture, on supposera que l'axe longitudinal
(Z) est aligné avec un axe vertical et qu'ainsi l'axe (X) représenté sur la figure est aligné avec un axe horizontal. En se référant maintenant à la figure 1, on a représenté en coupe suivant un plan contenant l'axe longitudinal (Z) une antenne ultra large bande 1 selon un mode de réalisation de l'invention.
Cette antenne 1 comporte deux surfaces conformées 3 et 4 identiques en regard l'une de l'autre par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal (Z) et contenant l'axe horizontal (X).
Une zone 2 est définie entre ces deux surfaces conformées.
La zone 2 présente donc généralement un contour parfaitement délimité par les deux surfaces conformées 3 et 4 en regard.
Dans ce mode de réalisation, ces dernières possèdent un profil (C) en forme de parabole ouverte respectivement vers le haut et vers le bas.
Cependant, quel que soit le profil que l'on choisira, on fera toujours en sorte que sa forme soit telle qu'un champ électromagnétique régnant dans la zone
2 possède des caractéristiques qui permettent à un signal 5 fourni dans la région centrale de cette zone de se propager dans une direction azimutale, et ce avec un gain le plus constant possible avec la fréquence. Dit autrement, on fera toujours en sorte que les profils et dimensions de ces deux surfaces 3 et 4 soient adaptés pour contrôler le champ électromagnétique dans la zone 2, de sorte que l'antenne présente généralement un gain le plus constant possible dans la bande de fréquence choisie, suivant la direction ou le plan azimutal.
On notera que selon l'invention, on entend par gain le plus constant possible, un gain dont la variation reste inférieure à 1,5 dB sur une bande passante au moins supérieure à fmax/fmin = 5. Par conséquent, selon l'invention, le profil (C) des surfaces conformées représente un paramètre de liberté de conception de l'antenne.
Cet aspect sera décrit plus en détail plus tard.
Pour revenir maintenant à la figure 1, l'axe horizontal (X) correspond à un axe de symétrie pour ces deux surfaces 3 et 4 et donc pour la zone 2. Plus généralement encore, l'antenne, ou tout du moins les deux surfaces conformées, possèdent une symétrie de révolution autour de l'axe vertical
(Z), ce qui contribue notamment à obtenir une grande uniformité du diagramme de rayonnement de l'antenne dans le plan azimutal. Celle-ci comporte en outre un moyen d'excitation 6, typiquement une ligne coaxiale, s' étendant parallèlement à l'axe vertical (Z) et apte à fournir un signal 5 dans une région centrale de la zone 2.
Une partie de ce moyen d'excitation est intégrée dans un orifice traversant vertical réalisé sensiblement au centre de la surface conformée 4. De cette manière, le moyen d'excitation 6 peut atteindre la région centrale de la zone 2 depuis l'extérieur en bas de l'antenne. Et comme le montre notamment la figure 1, le moyen d'excitation est ainsi apte à fournir le signal 5 de façon localisée dans la région centrale. Plus précisément encore, le moyen d'excitation 6 traverse également la région centrale de la zone 2 pour venir en contact intime avec un moyen d'adaptation local 7 disposé au centre, sous la surface conformée 3.
Par conséquent, le moyen d'adaptation 7 se trouve sensiblement en face de l'orifice traversant.
Tel qu'illustré sur la figure 1, le moyen d'adaptation 7 se présente sous la forme d'un ergot cylindrique faisant saillie depuis la surface 3 en direction de l'orifice traversant.
Un tel moyen d'adaptation permet de favoriser localement une transition du signal entre le moyen d'excitation 6 et la zone 2 tout en restant de dimension réduite.
La figure 2 montre une vue en coupe longitudinale détaillée de la région centrale de la zone 2.
On retiendra simplement pour la suite de la description, que l'ergot 7 possède un diamètre et une hauteur notés respectivement d et h.
On retiendra également qu'il existe un espace paramétrable de longueur e suivant l'axe vertical entre l'extrémité inférieure de l'ergot 7 et l'extrémité supérieure de l'orifice traversant.
Comme évoqué précédemment, le moyen d'excitation représenté ici à titre d'exemple non limitatif est une ligne coaxiale 6 comportant une âme centrale
6" reliée à l'extrémité inférieure de l'ergot 7 et un conducteur périphérique 6' entourant l'âme centrale 6" et relié électriquement à la surface conformée 4.
A cet égard, il convient de noter que les surfaces conformées 3 et 4 sont recouvertes d'une fine couche de matériau conducteur et définissent toutes les deux un élément rayonnant.
On va maintenant décrire plus en détails la zone 2. A cet égard, la figure 3 illustre une variante préférée de l'invention.
On y a représenté deux antennes dont la zone 2 est entièrement remplie par un monobloc de matériau 10.
Ce monobloc 10 s'étend donc autour de l'axe vertical (Z) et depuis la région centrale jusqu'à l'extrémité de l'antenne définie par le bord distal des surfaces conformées 3 et 4.
La surface du monobloc 10 qui se trouve en contact avec l'air sur un côté de l'antenne constitue une tranche (T) dont le profil pourra servir de paramètre de liberté à la conception de l'antenne. On remarquera également dans cette variante, que les deux surfaces conformées 3 et 4 sont respectivement les surfaces supérieure et inférieure du monobloc de matériau 10 de sorte qu'il n'existe qu'une seule pièce physique.
Ainsi, l'essentiel du volume de la zone 2 est en quelque sorte définie par le volume du monobloc de matériau 10 lui-même. On remarquera aussi que le moyen d'adaptation 7 et le monobloc de matériau 10 sont eux aussi d'une seule pièce.
Dans une autre variante, les deux surfaces conformées 3 et 4 sont formées respectivement par deux éléments distincts 3' et 4', c'est-à-dire deux pièces physiques indépendantes. La zone 2 peut alors être entièrement remplie d'air, comme illustré à la figure
4.
On prévoit dans ce cas des moyens 10' dans ladite zone (2) pour fixer les deux éléments 3' et 4' l'un vis-à-vis de l'autre.
Ces moyens de fixation 10' sont par exemple des entretoises et/ou des tiges réparties autour de l'axe vertical (Z) et dont les extrémités sont fixées aux éléments 3' et 4'. La zone 2 peut aussi être constituée par de l'air et par le monobloc de matériau 10.
Un exemple non limitatif est donné à la figure 5.
Le monobloc de matériau 10 possède ici deux tranches (T) et (T') en contact avec l'air.
Plus précisément, il possède une tranche externe (T) constituant un côté extérieur de l'antenne et une tranche interne (T') enfermant au moins en partie la région centrale de la zone 2.
Ainsi, vu en coupe horizontale, le monobloc 10 correspond à un anneau disposé autour de l'axe vertical (Z).
La tranche interne (T') enferme de l'air, mais l'invention prévoit également qu'elle puisse enfermer un autre gaz, ayant de préférence des propriétés diélectriques.
Avantageusement le monobloc 10 constitue un support pour les deux éléments distincts 3' et 4'.
Mais, il est également possible de renforcer la rigidité de l'antenne par les moyens de fixations 10' (non représentés sur la figure 5) tels que les tiges ou entretoises susmentionnées.
Comme on peut le voir d'après la description ci-dessus, un concepteur dispose donc, d'ores et déjà, d'une grande souplesse de conception d'une antenne ULB pour un cahier des charges donné.
Mais, l'antenne de l'invention offre encore un plus grand nombre de paramètres de liberté.
Comme évoqué précédemment, un paramètre de liberté fondamental consiste à jouer sur le profil (C, C) des surfaces conformées 3 et 4. Selon l'invention, au moins une portion de ces profils (Q C) possède, en coupe longitudinale, une forme choisie parmi les suivantes : a. rectiligne, b. concave par rapport au plan orthogonal à l'axe longitudinal (Z) et contenant l'axe horizontal (X), c. convexe par rapport au plan orthogonal à l'axe longitudinal (Z) et contenant l'axe horizontal (X).
Ainsi, chacune des deux surfaces 3 et 4 peut consister en une juxtaposition de plusieurs portions de surface, ces portions ayant un profil de forme éventuellement différent les unes des autres.
Bien entendu il n'est pas exclu que ces deux surfaces conformées aient un profil qui, dans son ensemble, possède une des formes listées ci-dessus.
Ceci est d'ailleurs illustré de manière générale par les figures annexées.
Par exemple, les figures 1 et 3 montraient deux surfaces conformées 3 et 4 symétriques par rapport à l'axe horizontal avec un profil (C) qui dans son ensemble possédait une forme de parabole convexe par rapport à cet axe.
La figure 3B diffère notamment de la figure 3A par le fait que les profils (C) présentent un point d'inflexion.
Sur la figure 6, les surfaces 3 et 4 présentent un profil (C, C) en forme de parabole ouverte vers le haut et vers le bas comme notamment à la figure 1, mais avec des courbures globalement différentes.
Et contrairement au profil (C) de la surface 4, le profil (C) de la surface 3 comporte notamment un point d'inflexion.
La figure 7 montre un exemple d'antenne dont le profil (C) de la surface conformée 3 est évasé au point qu'il devient horizontal aux extrémités distales. Tel qu'illustré sur ces deux dernières figures et la figure 8, on peut remarquer que le concepteur peut également jouer sur le fait que la symétrie des profils
(Q C) des surfaces 4 et 3 n'est pas obligatoire.
Sur les exemples donnés aux figures 6 à 8, on désigne par H et H' la hauteur du profil (C) et (C) des surfaces respectives 4 et 3.
Il est entendu que la hauteur en question correspond à la distance projetée sur l'axe vertical entre une extrémité distale du profil et son centre situé sur ledit axe vertical.
Par ailleurs, on désigne par R et R' les rayons des surfaces respectives 4 et 3. Finalement, S désigne la plus petite distance qui sépare les deux surfaces conformées 3 et 4, ou encore la distance qui sépare ces deux surfaces au centre de la zone 2.
Compte tenu de ces définitions, l'antenne de la figure 8 est définie par le système suivant : (C) ≠ (C), H' > H, R' < R
Dans le même esprit, l'antenne de la figure 6 est définie par le système : (C) ≠ (C), H' = H, R' = R et celui de la figure 7 :
(C) ≠ (C), H' > H, R' > R Bien entendu, il existe d'autres systèmes possibles dans lesquels on joue sur une dissymétrisation des profils des surfaces en regard 3 et 4 en faisant varier au moins l'un des paramètres H, R et le profil (C).
Un autre paramètre de liberté fondamental offert au concepteur consiste à jouer sur le profil de la ou des tranches (T, T') du monobloc de matériau 10. A l'instar du profil (Q C) des surfaces conformées 4 et 3, une portion au moins des profils de la ou des tranches (T, T') possède, en coupe longitudinale, une forme choisie parmi les suivantes : a. rectiligne, b. concave par rapport au plan orthogonal à l'axe longitudinal
(Z), et contenant l'axe horizontal (X), c. convexe par rapport au plan orthogonal à l'axe longitudinal
(Z), et contenant l'axe horizontal (X). Ainsi, une tranche peut consister en une juxtaposition de plusieurs portions de tranche, ces portions de tranche ayant un profil de forme éventuellement différent les unes des autres.
Bien entendu il n'est pas exclu que ces deux surfaces conformées aient un profil qui, dans son ensemble, possède une des formes de la liste ci-dessus. A tire d'exemple non limitatif et d'après les figures 3 à 8 notamment, le profil d'une tranche externe et/ou interne peut donc être, dans son ensemble, rectiligne incliné ou non par rapport à l'axe longitudinal (figures 3, 5, 6, 7 et 8 par exemple), bombé vers l'extérieur (figure 9), ou bombé vers l'intérieur (figure 10). Un autre paramètre de liberté offert au concepteur est de pouvoir disposer au moins un motif conducteur 11 sur une tranche du monobloc 10 de sorte à contribuer une fois de plus au contrôle des caractéristiques du champ électromagnétique dans la zone 2, à savoir au contrôle des caractéristiques de rayonnement de l'antenne comme en particulier l'allure des diagrammes de rayonnement, la valeur de la directivité ou la polarisation. Sur la figure 11 par exemple, plusieurs motifs conducteurs sont imprimés sur la tranche externe (T) de l'antenne. Un autre paramètre de liberté encore consiste à jouer sur la géométrie de l'ergot 7 en modifiant soit sa forme, soit ses dimensions d et/ou h.
A titre d'exemple non limitatif, l'ergot peut avoir une forme de trapèze en coupe longitudinale, le côté le plus petit étant celui du bas. Sur la figure 12, on a illustré un avantage supplémentaire de l'antenne selon l'invention.
En effet, l'antenne peut être agencée pour accueillir non loin d'elle un circuit électronique 12 et pour le protéger du champ électromagnétique qu'elle rayonne. De préférence, le circuit électronique 12 est disposé aussi proche que possible de l'antenne (1), ce qui permet en outre d'optimiser le rapport signal à bruit.
Tel qu'illustré à la figure 12 toujours, le circuit est intégré dans un évidement
13 à l'extérieur de l'antenne.
Lorsque l'antenne est vue d'en bas, cet évidement 13 correspond dans cet exemple non limitatif à l'évidement formé par la forme concave du profil (C) de la deuxième surface conformée 4.
On va maintenant présenter un procédé de fabrication d'une antenne selon l'invention, par exemple de l'antenne de la figure 3.
Ce procédé repose tout d'abord sur la mise en forme du monobloc de matériau 10.
On notera que le choix du matériau constitue aussi un paramètre de liberté supplémentaire pour la conception de l'antenne.
Il est proposé d'utiliser généralement un matériau diélectrique, de préférence de type mousse ou plastique, avec des caractéristiques électriques telles que εr soit relativement proche de 1 et tg(δ) de valeur la plus faible possible (εr est la permittivité relative, et tg(δ) la tangente de pertes diélectriques de préférence inférieure à 103 dans l'invention).
La conformation du monobloc 10 peut être réalisée soit par usinage soit par moulage de la pièce désirée, à partir d'un choix de matériau approprié. La mise en forme étant effectuée, on procède alors à la métallisation sélective de toute surface profilée de la surface conformée 3, sur laquelle a été réalisé l'ergot d'adaptation 7, ainsi que de la surface conformée 4.
Seule une épargne circulaire au niveau de la connexion avec la ligne coaxiale
6 est aménagée sur la surface conformée 4. Ladite métallisation peut, par exemple, être effectuée par dépôt d'une peinture conductrice ou par dépôt électrochimique d'un métal.
On notera à ce titre que la tranche (T) du monobloc support 10 est, quant à elle, non métallisée.
Enfin la ligne coaxiale 6 peut alors être connectée sur l'antenne. Dans ce cas, une continuité électrique, par brasure ou par colle conductrice, doit être assurée, d'une part, entre le conducteur périphérique 6' positionné au niveau de l'épargne et la métallisation sur la surface 4, et d'autre part, entre le conducteur central du coaxial 6" et la partie inférieure de l'ergot d'adaptation 7. Comme on l'aura compris d'après ce qui précède, l'âme centrale 6" traverse alors le monobloc de matériau diélectrique 10 via un petit trou de hauteur e.
Ce procédé de fabrication a l'avantage de présenter une très grande simplicité de réalisation et un faible coût.
Au niveau de la reproductibilité technologique, le fait de n'avoir qu'une seule pièce sur laquelle on réalise l'ensemble des éléments constitutifs de l'antenne, permet d'assurer une très grande maîtrise du positionnement de ces éléments, en particulier au niveau de l'espacement et de l'alignement entre les deux surfaces conformées 3 et 4.
On va présenter maintenant des exemples de réalisation détaillés de l'invention ainsi que des résultats de performances obtenues à partir de ces exemples.
La figure 13 illustre un premier exemple d'antenne ULB, laquelle se compose de deux calottes sphériques de rayon de courbure Rc = 32,5mm, symétriques l'une par rapport à l'autre et de dimensions H = 13mm et R = 26mm, avec un espacement entre-elles fixé à S = 3mm. Rejoignant les bords extrêmes de ces deux calottes, la tranche (T) présentée par l'antenne correspond alors à un tronçon de cylindre de rayon R = 26mm et de hauteur 2H + S = 29mm.
L'ergot d'adaptation 7 présente, quant à lui, une géométrie cylindrique de hauteur h = 2,5mm et de diamètre d = 3,5mm. Concernant le moyen d'excitation 6, la solution retenue correspond à l'utilisation d'un câble coaxial téflon standard, d'impédance caractéristique
50Ω.
Le monobloc de matériau diélectrique 10 est une mousse d'imide de polyméthacrylate, de caractéristiques électriques εr = 1.11 et tg(δ) = 7.10~4, celles-ci étant mesurées à 5GHz.
Dans le cas présent, ce matériau 10 (monobloc de mousse par exemple) a été usiné par micro-fraisage pour réaliser de manière collective l'ensemble constitué des surfaces 3 et 4, et de l'élément d'adaptation 7 en une seule pièce. En ce qui concerne la métallisation sélective des zones conductrices sur l'antenne, celle-ci a été effectuée sur le matériau 10 par dépôt direct d'une peinture métallique à base d'argent.
Pour ce qui concerne le fonctionnement de cette antenne, une phase de simulation a été menée à l'aide d'un logiciel de CAO électromagnétique, travaillant dans le domaine temporel.
La simulation du coefficient de réflexion 39, présentée sur la figure 14, souligne que le niveau d'adaptation de cette antenne est toujours inférieur à -1OdB sur l'ensemble de la bande de fréquence 3.1GHz-10.6GHz considérée ici à titre d'exemple, ce qui est satisfaisant.
D'autre part, la figure 15 donne les diagrammes de rayonnement en azimut et en élévation pour plusieurs fréquences réparties sur toute la largeur de bande (i.e. 3.1GHz, 5.0GHz, 6.85GHz, 8.5GHz et 10.6GHz). On constate, dans ce cas, que le rayonnement de l'antenne est bien de type omnidirectionnel dans le plan azimutal, avec une faible dispersion de la valeur du gain dans ce plan en fonction de la fréquence (respectivement : 0.6dBi, -2.4dBi, 1.IdBi, 2.4dBi et 1.7dBi pour les valeurs de fréquence précédentes). Suite à une phase initiale de simulation des performances de l'antenne, plusieurs prototypes ont été réalisés et caractérisés en adaptation et en transmission, cette dernière mesure étant effectuée dans le plan azimutal et sur la base d'un simple bilan de liaison entre deux antennes de l'invention, séparées d'une distance D.
Figure imgf000024_0001
où λ est la longueur d'onde, Pr la puissance reçue, G le gain des antennes, et
Pe la puissance émise.
A partir de l'équation générale du bilan de liaison, il est alors possible d'en déduire la valeur expérimentale du gain de l'antenne en fonction de la fréquence, dans ce plan azimutal, et de la comparer à celle obtenue en théorie.
Les résultats expérimentaux correspondant à l'adaptation et à la valeur du gain confirment les performances simulées sur une bande de travail 3.1GHz-
10.6GHz. En se référant en particulier à la figure 16, le niveau d'adaptation 40 demeure constamment inférieur à -1OdB sur toute la bande de travail.
Pour la valeur du gain dans le plan azimutal en fonction de la fréquence, la courbe mesurée 41 fait apparaître des ondulations liées à la présence de trajets multiples. Ceux-ci existent dans la mesure où la caractérisation n'a pas été effectuée en chambre anéchoïde.
Le résultat obtenu pour le gain est donc plus qualitatif que quantitatif.
Toutefois, on constate que, sur la bande d'intérêt 3.1GHz-10.6GHz, les valeurs mesurées demeurent contenues dans la plage [-2.5dBi, 2.5dBi], ce qui est en adéquation avec les simulations.
Un deuxième exemple de réalisation détaillée d'une antenne selon l'invention est illustré sur la figure 17.
Il s'agît ici d'une antenne ULB compacte dont les éléments 3 et 4 sont dissymétriques selon l'axe horizontal mais qui comportent une symétrie de révolution autour de l'axe longitudinal (Z). La figure 18 montre une simulation du coefficient de réflexion 42 de cette antenne en fonction de la fréquence de travail.
On peut constater que ce coefficient 42 conserve un niveau inférieur à -1OdB sur l'ensemble de la bande 3.1GHz-10.6GHz. En complément, la figure 19 représente les diagrammes de rayonnement en azimut et en élévation aux mêmes fréquences que celles retenues dans le cas du premier exemple de réalisation (i.e. 3.1GHz, 5.0GHz, 6.85GHz, 8.5GHz et
10.6GHz).
On constate de nouveau que le rayonnement de l'antenne est toujours de type omnidirectionnel en azimut, associé à une variation faible de la valeur du gain dans ce plan, en fonction de la fréquence (respectivement : 1.5dBi,
-0.4dBi, -2.IdBi, 0.5dBi et 0.5dBi pour les fréquences précisées précédemment) .
Sur le plan expérimental, les mesures effectuées sur cette antenne montrent qu'elle est bien adaptée puisque le niveau mesuré du coefficient de réflexion
43 reste toujours inférieur à -15dB sur toute la bande 3.1GHz-10.6GHz (voir la figure 20).
En ce qui concerne la valeur du gain 44 dans le plan azimutal en fonction de la fréquence, celle-ci est de nouveau conforme à la simulation, avec une variation limitée sur la plage [-2dBi, 2dBi].
Finalement, un troisième exemple d'antenne est brièvement décrit ci-dessous et illustré à la figure 21.
La surface conformée 4 de cette antenne se présente sous la forme d'une calotte sphérique, tandis que la surface conformée supérieure 3 présente une forme à profil du type en cloche inversée et évasée sur les bords. Des mesures expérimentales en adaptation et en gain dans le plan azimutal sont données sur la figure 22.
On peut voir, que le coefficient de réflexion 50 reste toujours inférieur à -12 dB sur l'ensemble de la bande de travail 3,1 GHz-10.6 GHz. Cette antenne présente donc une adaptation tout à fait satisfaisante, comme dans le cas des antennes précédentes.
Pour ce qui concerne le gain 51, on peut constater qu'il varie peu avec la fréquence, sa valeur demeurant, en effet, constamment comprise dans une plage [-1,5 ; 1,5 dBi]. Par conséquent, ce troisième exemple de réalisation permet d'offrir des performances satisfaisantes et notamment un volume très restreint. En effet, le volume de cette antenne est de 37,7 cm3, tandis que le volume occupé par le premier exemple de réalisation décrit plus haut est de 61,6 cm3. Dans le cas où l'on cherche encore à réduire le volume occupé par le type d'antenne choisi dans cet exemple, on notera qu'il a été possible de réaliser une antenne de volume 17,7 cm3, soit une diminution de 70 % par rapport au premier exemple de réalisation, tout en obtenant des performances satisfaisantes, en particulier un coefficient de réflexion toujours inférieur à -9dB dans la bande considérée et un gain dans le plan azimutal présentant également des variations avec la fréquence limitées sur un intervalle [-2dBi,
2dBi].
On constate également que cette antenne est avantageusement compacte. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée à la forme de réalisation décrite ci-dessus et représentée sur les dessins. En conclusion, l'invention propose une antenne ultra large bande offrant une très grande souplesse de conception et permettant ainsi de satisfaire des cahiers des charges très variés.
On peut ainsi utiliser une telle antenne aussi bien dans des applications militaires que civiles (grand public ou non).
A titre d'exemple non limitatif, on peut envisager de disposer une ou plusieurs antennes de l'invention dans différents équipements tels que dans un ordinateur, un téléphone fixe ou mobile, une imprimante, une télévision, un lecteur de CD-ROM, ou plus généralement dans tout équipement où une communication sans fil est utilisée.
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Claims

REVENDICATIONS
1 Antenne ultra large bande (1) caractérisée en ce qu'elle comporte :
- une zone (2) définie entre des première (3) et deuxième (4) surfaces conformées (3, 4) définissant ainsi un élément rayonnant, ces surfaces (3, 4) présentant en outre une symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal (Z) de l'antenne, étant disposées l'une en regard de l'autre par rapport à un plan orthogonal à l'axe longitudinal (Z) et contenant l'axe horizontal (X), et ayant un profil et des dimensions adaptés pour contrôler des caractéristiques d'un champ électromagnétique dans la zone (2), de sorte que l'antenne présente un gain sensiblement constant dans la bande de fréquence, suivant un plan azimutal,
- un moyen d'excitation (6) s' étendant parallèlement à l'axe longitudinal (Z) et apte à fournir le signal (5) de façon localisée dans la région centrale, - un moyen d'adaptation (7), associé à la première surface conformée (3), faisant saillie dans la région centrale de la zone (2) et en direction de la deuxième surface conformée (4), le moyen d'adaptation étant apte à favoriser un couplage localisé entre le moyen d'excitation (6) et ladite zone (2).
2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la zone (2) est entièrement remplie d'air.
3. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la zone (2) comporte un monobloc de matériau (10) qui possède une symétrie de révolution par rapport à l'axe longitudinal (Z).
4. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que la zone (2) est entièrement remplie par le monobloc de matériau (10).
5. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les deux surfaces conformées (3, 4) sont formées respectivement par deux éléments distincts (3', 4').
6. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que le monobloc de matériau (10) est agencé pour supporter les deux éléments distincts.
7. Antenne selon l'une des revendications 5 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre dans ladite zone (2) des entretoises et/ou des tiges dont des extrémités sont solidaires des deux éléments distincts (3', 4').
8. Antenne selon l'une des revendications 3 et 5 à 7, caractérisée en ce que le monobloc de matériau (10) possède une tranche interne (T') enfermant au moins en partie la région centrale de la zone (2).
9. Antenne selon la revendication 8, caractérisée en ce que la région centrale enfermée au moins en partie par la tranche interne (T') comporte de l'air.
10. Antenne selon l'une des revendications 3 à 4, caractérisée en ce que les deux surfaces conformées (3, 4) correspondent respectivement à des première et deuxième surfaces opposées du monobloc de matériau (10) de sorte que ces deux surfaces conformées et ce monobloc de matériau (10) ne forment qu'une seule pièce.
11. Antenne selon l'une des revendications 3 à 10, caractérisée en ce que le monobloc de matériau (10) possède en outre une tranche externe (T) en contact avec l'air et constituant un côté extérieur de l'antenne (1).
12. Antenne selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisée en ce que la ou les tranches (T, T') du monobloc de matériau (10) ont un profil qui permet de contrôler les caractéristiques du champ électromagnétique dans la zone
(2).
13. Antenne selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'au moins une portion du profil de la ou des tranche(s) (T, T') du monobloc de matériau (10) possède, en coupe longitudinale, une forme choisie parmi les suivantes : a. rectiligne, b. concave par rapport à l'axe longitudinal (Z), c. convexe par rapport à l'axe longitudinal (Z).
14. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que, au moins une portion d'un profil (C, C) de chacune des deux surfaces conformées (3, 4) possède, en coupe longitudinale, une forme choisie parmi les suivantes : a. rectiligne, b. concave par rapport au plan orthogonal à l'axe longitudinal (Z) et contenant l'axe horizontal (X), c. convexe par rapport au plan orthogonal à l'axe longitudinal (Z) et contenant l'axe horizontal (X).
15. Antenne selon la revendication 14, caractérisée que le profil (Q C) de l'une au moins des deux surfaces conformées (3, 4) comporte au moins un point d'inflexion.
16. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la deuxième surface conformée (4) comporte sensiblement en son centre un orifice, ledit orifice comportant une partie au moins du moyen d'excitation (6).
17. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une extrémité du moyen d'excitation (6) est en contact avec le moyen d'adaptation (7).
18. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le moyen d'excitation (6) est une ligne coaxiale possédant une âme centrale (6") dont une extrémité est en contact avec le moyen d'adaptation (7).
19. Antenne selon l'une des revendications 3 à 18, caractérisée en ce que le monobloc de matériau (10) est un matériau diélectrique du type pris dans la liste suivante : mousse, plastique, céramique.
20. Antenne selon l'une des revendications 8 à 19, caractérisée en ce que la ou les tranche(s) (T, T') comporte(nt) des motifs conducteurs (11).
21. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle possède une symétrie de révolution autour de l'axe longitudinal (Z).
22. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'antenne est agencée pour accueillir non loin d'elle un circuit électronique (12) et pour le protéger du champ électromagnétique qu'elle rayonne.
23. Antenne selon la revendication 22, caractérisée en ce que le circuit électronique (12) est disposé aussi proche que possible de l'antenne (1).
24. Antenne selon l'une des revendications 22 à 23, caractérisée en ce que la deuxième surface conformée (4) forme un évidement à l'extérieur de l'antenne (1) et en ce que le circuit électronique est intégré dans cet évidement.
25. Antenne selon l'une des revendications 3 à 24, caractérisée en ce que le moyen d'adaptation (7) et le monobloc de matériau (10) sont d'une seule pièce.
26. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le moyen d'adaptation (7) est un ergot.
27. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les deux surfaces conformées (3, 4) sont métallisées.
28. Système de télécommunication comportant une antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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