WO2008059161A1 - Antenne agile en polarisation et frequence - Google Patents

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WO2008059161A1
WO2008059161A1 PCT/FR2007/052325 FR2007052325W WO2008059161A1 WO 2008059161 A1 WO2008059161 A1 WO 2008059161A1 FR 2007052325 W FR2007052325 W FR 2007052325W WO 2008059161 A1 WO2008059161 A1 WO 2008059161A1
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WO
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antenna device
plate
short
switches
main plate
Prior art date
Application number
PCT/FR2007/052325
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Inventor
Emmanuel Dreina
Michel Pons
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France Telecom
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    • 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
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0428—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna radiating a circular polarised wave
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
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    • H01Q1/243—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set used in mobile communications, e.g. GSM specially adapted for hand-held use with built-in antennas
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    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/24—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction
    • H01Q21/245—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction provided with means for varying the polarisation 
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • 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
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0421—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with a shorting wall or a shorting pin at one end of the element

Definitions

  • the present invention relates to an antenna device, an apparatus comprising the antenna device and its control means and a radio communication equipment comprising the antenna device.
  • a radio communication equipment comprising the antenna device.
  • the diversity in polarization, or in frequency is conventionally obtained by using several antennas each having particular characteristics.
  • the polarization diversity is obtained by using a first antenna having a horizontal polarization and a second antenna having a vertical polarization. It therefore appears particularly interesting to be able to realize antennas that can take several modes of polarization, or frequency. These antennas are then called "agile".
  • the agile antennas in polarization known from the state of the art are "patch" antennas consisting of a ground plane, a dielectric substrate and a radiating element whose shape varies. These antennas have the disadvantage of having a relatively low bandwidth, of being quite bulky and of having a high directivity.
  • antennas of the PIFA type (Planar Inverted F Antenna - planar antenna in inverted F) are known. Frequency agility is achieved by adding passive elements such as diodes or varicaps. Although of smaller size than the "Patch" antennas, the PIFA antennas, because of their more complex structure, have not been used for the development of agile antenna in polarization.
  • an apparatus comprising - an antenna device comprising
  • a main conducting plate having an axis of symmetry separated from the ground by a dielectric
  • control means arranged to control the opening and closing of the switches of the first and second assemblies, so that when the at least one switch of one of the two sets is open, the at least one switch of the other set is closed to provide the antenna device with polarization agility
  • mass is meant a reference potential radiofrequency, this potential may be zero or equal to a given fixed voltage.
  • each short-circuit zone of the antenna device comprises a connecting plate extending in the plane of the main plate and an assembly of at least one conductive element adapted to connect said connecting plate and the mass through the dielectric.
  • connection plate makes it possible to put all these conductive elements at the same potential . Thanks to this, it is not necessary to provide a separate switch for each conductive element. Therefore, the number of switches needed to connect the short-circuit zone and the main board can be greatly limited. It will be noted, however, that in the case of an antenna device comprising as many switches as conductive elements, the switches and the conductive elements could be connected directly.
  • the antenna device further comprises two conductive extension trays each extending in the plane of the main plate, in the extension thereof, on a side opposite to one of said shortening zones. circuit, and connected to the main board by third and fourth sets of at least one switch to give the antenna device a frequency agility.
  • the expansion trays connected to the main plate of the antenna device by switches, it is possible to vary the resonance frequency of the antenna device, as will be explained in more detail in the description. Thanks to this, we obtain an antenna that is both agile in polarization and agile in frequency.
  • the switches of the antenna device are diodes and in that said control means comprise means for supplying DC voltage for the extension plates and supplying means for the main plate, adapted for controlling the on state or the blocking state of the diodes.
  • the invention also relates to an antenna device for the assembly defined above, and a radio communication equipment comprising the assembly defined above.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a first particular embodiment of the antenna device according to the invention
  • FIG. 2 represents the apparatus comprising the antenna device of FIG. 1 and the associated control means
  • FIG. 3 represents a schematic view of a second particular embodiment of the antenna device according to the invention.
  • FIG. 4 represents the apparatus comprising the antenna device of FIG. 3 and the associated control means;
  • FIG. 5 represents a detailed diagram of the means for supplying the extension trays of the antenna device of the apparatus of FIG. 3.
  • the antenna device comprises a dielectric material 1 formed so as to present here two planes 2, 3 substantially parallel. Note here that the device has a high tolerance vis-à-vis defects in parallelism.
  • the dielectric material 1 is chosen to have dielectric characteristics close to those of air. It may for example be an insulating foam polymer having a permittivity close to that of air, such as the material "Foamclad RF100" manufactured by the company ARLON.
  • the first plane 2 comprises a conductive metallized surface 4 connected to the ground and thus forming a ground plane.
  • the antenna device further comprises a main conducting plate 5 extending in the second plane 3.
  • This main plate 5 here has a generally square shape and therefore has an axis of symmetry AA, coinciding with the diagonal of the square, in the plan 3.
  • a feed input 6 of the signal to be emitted is positioned at a point of the diagonal of symmetry AA, and communicates with a feed duct extending perpendicular to the plane of the main plate 5.
  • Two short-circuit zones 7, 8 open out in the vicinity of two contiguous sides 9, 10 of the main plate 5, symmetrically to each other with respect to the axis of symmetry AA. These two short-circuit zones 7, 8 extend through two respective planes perpendicular to the two planes 2, 3 and are connected to the ground plane 4.
  • each zone 7, 8 of short circuit comprises
  • a conductive connecting plate 13, 14 having a rectangular strip shape extending in the plane 3 along the adjacent side 9, 10 of the main plate 5, parallel and at a distance d thereof, and a length equal to that of the adjacent side 9, 10 of the main plate 5.
  • the conductive elements 1 1, 12, are connected to the ground plane 4.
  • Each connecting plate 13, 14 connects the ends of the conductive elements 1 1, 12 opposite to the ground plane 4, so as to obtain the same potential over the entire length of the connecting plate 13, 14.
  • the two short-circuit zones 7, 8 and the sides 9, 10 of the main plate 5 are separated by a band 15, 16 of insulating width d.
  • the electrical connection between a short-circuit zone 7 (respectively 8) and the corresponding side 9 (respectively 10) of the main plate 5 is formed by a first (respectively second) set 17 (18) of controlled switches.
  • a first (respectively second) set 17 (18) of controlled switches It will be noted that, thanks to the use of the connecting plates 13, 14, it is not necessary to provide as many switches as conductive elements 1 1, 12. It is thus possible to limit the number of switches. However, it would be possible to directly connect the switches to the conductive elements, in pairs, without using a connecting plate.
  • Each set of switches 17, 18 is controlled so that when the switches of one set 17 (18) are open, the switches of the other set 18 (17) are closed.
  • the switches of the two sets 17, 18 are diodes.
  • the polarization direction of the diodes of one of the two sets, here 17, is oriented from the short-circuit zone 7 to the main plate 5, while the polarization direction of the diodes of the other set, here 18, is oriented from the main plate 5 to the short-circuit zone 8.
  • the apparatus comprising the antenna device of FIG. 1 is shown schematically, and associated means for controlling the diodes 17, 18 comprising means 30 for supplying DC voltage to the main plate 5.
  • These supply means are arranged to put the main plate 5 at a particular potential adapted to control the blocking state of the diodes of one of the two sets 17 (18) and, concomitantly, the passing state of the diodes of the other set 18 (17) (closed switches). So, in operation,
  • the device behaves like two orthogonal PIFA antennas operating alternately. For example, assuming the switches of the set 17 open, the main tray 5 and the short-circuit zone 8 are connected and form a PIFA antenna. Alternatively, when the switches of the assembly 17 are closed, the antenna PIFA is formed of the main plate 5 and the short-circuit zone 7.
  • Each PIFA antenna emitting a polarized wave perpendicular to the plane in which extends the short-circuit zone, it is understood that the device described thus makes it possible to emit waves according to an orthogonal polarization depending on the state of the switches.
  • the length of the sides of the main tray 5 is chosen according to the desired resonant frequency, the increase of the electrical length of the main tray 5 decreasing the resonance frequency.
  • the antenna device comprises the same elements as those described above. It further comprises two extension trays 20, 21.
  • the extension plate 20, respectively 21, extends in the plane 3 of the main plate 5, in the extension thereof, on one side 24 (respectively 25) opposite to one of the short-circuit zones. 7 (respectively 8).
  • the sides 24, 25 are thus the two sides of the main plate 5 not occupied by the short-circuit zones 7, 8.
  • Each extension plate 20, 21 is conductive and has a side 22, 23 substantially parallel to the adjacent side 24. 25, 21 of the main plate 5.
  • Each extension plate 20, 21 is connected to the main plate 5, along the sides 22, 23, by third and fourth sets of switches 28, 29 controlled.
  • extension trays 20, 21 are here rectangular in shape but other forms or geometric modifications are possible to modify the electrical characteristics of the antenna. For example, adding a slot in the extension trays 20, 21 may cause resonant frequencies to appear or increase the bandwidth.
  • the main plate 5 and the corresponding extension plate 20, 21 behave as a single plate having a lower resonance frequency than the plate main 5 alone. It is understood that in this mode, the set 17, 18 of switches on the opposite side is also in passing mode to keep the PIFA structure of the antenna device.
  • the antenna device operates on at least two different resonant frequencies and on orthogonal linear polarizations. This results in agility in polarization and frequency.
  • FIG. 4 schematically shows the apparatus comprising the antenna device of FIG. 3 and associated control means of the switches 17, 18, 28, 29.
  • the switches 17, 18, 28, 29 are diodes.
  • the control means comprise DC voltage supply means 30, 31, 32 of the extension plates 20, 21 and of the main plate 5, designed to apply to the plates 5, 20 and 21 special potentials adapted to control the state or blocking state of the diodes 17, 18, 28, 29.
  • the short-circuit short-circuit zones 7, 8 are connected to ground by the ground plane 4.
  • Control of the agility in polarization and in frequency is then done by setting adapted potentials of each of the trays of the antenna device.
  • the two corresponding sets of diodes 17, 28 (18, 29) are oriented in the same polarization direction to allow continuous voltage cascade biasing.
  • the direction of polarization is oriented from the short-circuit zone 7 to the extension plate 20
  • the polarization direction is oriented from the expansion plate 21 to the short-circuit zone 8.
  • the diode assemblies such as the supply means are here correctly sized.
  • the diodes have characteristics adapted to the operational frequencies of the device, in particular a "parasitic" capacitance as low as possible.
  • the DC voltage supply means are adapted to the characteristics of the diodes.
  • the control voltage U may for example correspond to the nominal operating voltage of the diodes.
  • the DC voltage supply means of the extension boards 20, 21 are advantageously made according to the diagram of FIG. 5 in which an impedance 40 in series and a decoupling capacitor 41 act as a low-pass filter. A low-pass filter is thus obtained adapted to decouple the radiofrequency signal supplying the antenna and the DC voltage signal for controlling the switches.
  • the DC voltage sees the capacity 41 as an open switch and the inductor 40 as a closed switch thus allowing the transmission of DC voltage on the board.
  • the The radiofreque ⁇ ce signal of the plate sees the inductor 40 as an open switch preventing the propagation of the signal beyond the inductance.
  • An antenna of this type has been made using a foam substrate having dielectric properties close to those of air while allowing good mechanical support of the antenna structure.
  • this foam is metallized on both sides, the antenna is made by conventional lithography and chemical etching techniques of the type used for printed circuits. Discrete components such as diodes are soldered to the metal parts of the foam. The antenna is thus made for a low cost.
  • a polarization and frequency agile antenna which retains the properties of conventional PIFA antennas. It makes it possible to achieve diversity without using two antenna sensors as in conventional solutions, which advantageously allows a gain in volume and weight.
  • This antenna advantageously contributes to improving the radio link in environments constrained by the use of diversity in polarization and frequency.
  • its extremely simple control mode makes it compatible with software radio techniques.
  • the diodes instead of the diodes, one could use any other type of dipoles, MEMS type switches ("Micro Electro Mechanical Systems” meaning in French Micro ElectroMechanical Systems), transistors or any other type of switch. Note that in the case of MEMS type switches or transistors, the switches are controlled directly, by control means external to the antenna device, and not by an application of particular potentials to the main plate and / or the trays. extension.
  • the main plate 5 of the antenna device is square in shape. It could however have another shape having an axis of symmetry, for example a rhombus. The symmetry with respect to an axis ensures that the properties of the antenna device are the same in both polarizations. These are orthogonal in the case of a square-shaped main tray, or distant from an angle ⁇ greater than or less than 90 ° in the case of a rhombus.
  • the supply input 6 of the main plate 5 comprises a radio frequency input and a DC voltage input comprising a low-pass filter adapted to decouple the radio frequency signal and the DC voltage signal for controlling the switches.
  • the entire antenna device and control means that have just been described, can be incorporated in a communication equipment, such as a mobile phone, a PDA, or network equipment.
  • a communication equipment such as a mobile phone, a PDA, or network equipment.
  • the invention also relates to such equipment.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

L'invention concerne un appareil comprenant un dispositif d'antenne comportant une surface conductrice (4) constituant la 'masse', un plateau principal conducteur (5) ayant un axe de symétrie (AA), séparé de la masse par un diélectrique (1 ), deux zones de court-circuit (7, 8) connectées à la masse et débouchant au voisinage de deux côtés du plateau principal symétriquement l'une de l'autre par rapport à l'axe de symétrie, un premier et un deuxième ensemble d'interrupteurs (17, 18) connectant respectivement la première et la deuxième zone de court-circuit (7, 8) avec le côté voisin correspondant du plateau principal, et des moyens (17, 18) de commande agencés pour commander l'ouverture et la fermeture des interrupteurs des premier et deuxième ensembles, de telle sorte que lorsque les interrupteurs de l'un des deux ensembles sont ouverts, les interrupteurs de l'autre ensemble sont fermés afin de conférer au dispositif d'antenne une agilité en polarisation

Description

ANTENNE AGILE EN POLARISATION ET FREQUENCE.
La présente invention concerne un dispositif d'antenne, un appareil comportant le dispositif d'antenne et son moyen de commande et un équipement de communication radio comportant le dispositif d'antenne. On observe actuellement une forte croissance des communications sans fil à l'intérieur des édifices, notamment avec l'utilisation de la norme IEEE 802.1 1 (dite norme WIFI).
L'un des problèmes majeurs de la propagation des ondes dans cet environnement réside dans les évanouissements profonds que subit l'enveloppe du signal. En effet, la complexité des phénomènes de propagation à l'intérieur des bâtiments causée par la présence de nombreux obstacles et réflecteurs rend le milieu très défavorable à la propagation des ondes de type UHF, c'est-à-dire dans la bande de fréquence 300MHz-3GHz.
De nombreuses techniques ont été proposées pour réduire, voire supprimer, ce phénomène. Parmi celles-ci, les techniques de diversité sont particulièrement intéressantes. Elles consistent à exploiter l'information à partir de deux ou de plusieurs signaux transmis sur des voies de propagation indépendantes, la combinaison de ces signaux de façon adéquate permet de réduire les effets des évanouissements. En milieu intérieur et urbain, la diversité de polarisation apparaît comme particulièrement performante. Par exemple, il est possible d'obtenir des gains de l'ordre de 6dB sur le bilan de liaison en utilisant de la diversité de polarisation associée à des techniques de traitements de signaux simples, comme la sélection. Le gain est encore plus élevé quand on utilise des traitements de signaux sophistiqués comme, par exemple, le MRC (Maximum Ratio Combining - combinaison en ratio maximal).
La diversité en polarisation, ou en fréquence, est obtenue classiquement en utilisant plusieurs antennes ayant chacune des caractéristiques particulières. Par exemple, la diversité en polarisation est obtenue en utilisant une première antenne ayant une polarisation horizontale et une seconde antenne ayant une polarisation verticale. II apparaît donc particulièrement intéressant de pouvoir réaliser des antennes pouvant prendre plusieurs modes de polarisation, ou de fréquence. Ces antennes sont alors dites « agiles ».
Pour l'essentiel, les antennes agiles en polarisation connues de l'état de la technique sont des antennes « patch » constituées d'un plan de masse, d'un substrat diélectrique et d'un élément rayonnant dont la forme varie. Ces antennes ont l'inconvénient d'avoir une bande passante relativement faible, d'être assez encombrante et d'avoir une grande directivité.
Il est à noter que, pour l'agilité en fréquence, il est connu des antennes de type PIFA (Planar Inverted F Antenna - antenne planaire en F inversé). L'agilité en fréquence est obtenue par l'ajout d'éléments passifs tels que des diodes ou des varicaps. Bien que d'encombrement moindre que les antennes « Patch », les antennes PIFA, à cause de leur structure plus complexe, n'ont pas servi pour le développement d'antenne agile en polarisation.
Il apparait donc particulièrement avantageux de définir un dispositif d'antenne agile en polarisation qui soit d'un encombrement réduit, tout en ayant une bande passante large et une directivité la plus faible possible.
A cet effet, il est proposé un appareil comprenant - un dispositif d'antenne comportant
- au moins une surface conductrice constituant la "masse",
- un plateau principal conducteur ayant un axe de symétrie, séparé de la masse par un diélectrique,
- deux zones de court-circuit connectées à la masse et débouchant au voisinage de deux côtés du plateau principal symétriquement l'une de l'autre par rapport à l'axe de symétrie,
- un premier et un deuxième ensemble d'au moins un interrupteur connectant respectivement la première et la deuxième zone de court-circuit avec le côté voisin correspondant du plateau principal, et
- des moyens de commande agencés pour commander l'ouverture et la fermeture des interrupteurs des premier et deuxième ensembles, de telle sorte que lorsque le au moins un interrupteur de l'un des deux ensembles est ouvert, le au moins un interrupteur de l'autre ensemble est fermé afin de conférer au dispositif d'antenne une agilité en polarisation
D'emblée, on notera que par le terme "masse", on entend désigner un potentiel de référence en radiofréquence, ce potentiel pouvant être nul ou égal à une tension fixe donnée.
Grâce à la symétrie par rapport à l'axe du plateau principal, les propriétés du dispositif d'antenne sont identiques selon deux polarisations. Le plateau principal peut avoir toute forme présentant une symétrie par rapport à un axe (carré, losange, etc.). Avantageusement, chaque zone de court-circuit du dispositif d'antenne comprend un plateau de liaison s'étendant dans le plan du plateau principal et un ensemble d'au moins un élément conducteur adapté pour relier ledit plateau de liaison et la masse à travers le diélectrique.
Dans le cas d'une zone de court-circuit comprenant plusieurs éléments conducteurs, par exemple des "vias" (c'est-à-dire des trous traversant métallisés), le plateau de liaison permet de mettre tous ces éléments conducteurs au même potentiel. Grâce à cela, il n'est pas nécessaire de prévoir un interrupteur distinct pour chaque élément conducteur. Par conséquent, on peut fortement limiter le nombre d'interrupteurs nécessaires pour relier la zone de court-circuit et le plateau principal. On notera cependant que, dans le cas d'un dispositif d'antenne comprenant autant d'interrupteurs que d'éléments conducteurs, on pourrait relier directement les interrupteurs et les éléments conducteurs.
Avantageusement, le dispositif d'antenne comporte en outre deux plateaux d'extension conducteurs s'étendant chacun dans le plan du plateau principal, dans le prolongement de celui-ci, d'un côté opposé à l'une des dites zones de court-circuit, et reliés au plateau principal par des troisième et quatrième ensembles d'au moins un interrupteur afin de conférer au dispositif d'antenne une agilité en fréquence. Grâce aux plateaux d'extension reliés au plateau principal du dispositif d'antenne par des interrupteurs, il est possible de faire varier la fréquence de résonance du dispositif d'antenne, comme cela sera explicité plus en détails dans la description. Grâce à cela, on obtient une antenne à la fois agile en polarisation et agile en fréquence. Dans une forme de réalisation particulière, les interrupteurs du dispositif d'antenne sont des diodes et en ce que lesdits moyens de commande comportent des moyens d'alimentation en tension continue des plateaux d'extension et des moyens d'alimentation du plateau principal, adaptés pour commander l'état passant ou l'état bloquant des diodes.
Dans le cas où les interrupteurs sont des diodes, leur état bloquant ou passant, autrement dit la fermeture ou l'ouverture de l'interrupteur, est commandé indirectement par une mise à des potentiels particuliers des plateaux d'extension et du plateau principal. L'invention concerne aussi un dispositif d'antenne pour l'ensemble défini ci-dessus, ainsi qu'un équipement de communication radio comportant l'ensemble défini ci-dessus.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description, donnée uniquement à titre d'exemple, de deux formes de réalisation particulières de l'appareil comportant un dispositif d'antenne et des moyens de commande associés et faite en référence aux figures en annexe dans lesquelles :
- la figure 1 représente une vue schématique d'une première forme de réalisation particulière du dispositif d'antenne selon l'invention ;
- la figure 2 représente l'appareil comportant le dispositif d'antenne de la figure 1 et les moyens de commande associés ;
- la figure 3 représente une vue schématique d'une deuxième forme de réalisation particulière du dispositif d'antenne selon l'invention ;
- la figure 4 représente l'appareil comportant le dispositif d'antenne de la figure 3 et les moyens de commande associés ; - la figure 5 représente un schéma détaillé des moyens d'alimentation des plateaux d'extension du dispositif d'antenne de l'appareil de la figure 3.
Les deux formes de réalisation des figures 1 et 3 respectivement sont donnés à titre d'exemples illustratifs et non limitatifs. Dans l'ensemble de la description et pour toutes les figures, les références identiques correspondent à des éléments identiques ou similaires pour les différentes variantes de réalisation.
En référence à la figure 1 , le dispositif d'antenne comprend un matériau diélectrique 1 formé de façon à présenter ici deux plans 2, 3 sensiblement parallèles. On notera ici que le dispositif a un tolérance importante vis-à-vis des défauts de parallélisme. Dans l'exemple particulier décrit, le matériau diélectrique 1 est choisi pour avoir des caractéristiques diélectriques proches de celles de l'air. Il peut par exemple s'agir d'une mousse isolante en polymère ayant une permittivité proche de celle de l'air, telle que le matériau "Foamclad RF100" fabriqué par la société ARLON.
Le premier plan 2 comporte une surface métallisée conductrice 4 reliée à la masse et formant ainsi plan de masse.
Le dispositif d'antenne comporte en outre un plateau principal 5 conducteur s'étendant dans le second plan 3. Ce plateau principal 5 a ici une forme générale carrée et présente donc un axe de symétrie AA, confondu avec la diagonale du carré, dans le plan 3.
Une entrée d'alimentation 6 du signal à émettre est positionnée en un point de la diagonale de symétrie AA, et communique avec un conduit d'alimentation s'étendant perpendiculairement au plan du plateau principal 5.
Deux zones 7, 8 de court-circuit débouchent au voisinage de deux côtés 9, 10 contigus du plateau principal 5, symétriquement l'une de l'autre par rapport à l'axe de symétrie AA. Ces deux zones 7, 8 de court-circuit s'étendent à travers deux plans respectifs perpendiculaires aux deux plans 2, 3 et sont connectées au plan de masse 4.
Dans l'exemple particulier décrit en référence à la figure 1 , chaque zone 7, 8 de court-circuit comprend
- un ensemble 1 1 , 12 de plusieurs éléments conducteurs traversant le diélectrique 1 , formés ici par des "vias" cylindriques (c'est-à-dire des trous métallisés traversant) dont les axes longitudinaux sont perpendiculaires aux plans 2 et 3,
- un plateau conducteur de liaison 13, 14, ayant une forme de bande rectangulaire s'étendant dans le plan 3 le long du côté voisin 9, 10 du plateau principal 5, parallèlement et à une distance d de celui-ci, et une longueur égale à celle du côté voisin 9, 10 du plateau principal 5.
Les éléments conducteurs 1 1 , 12, sont connectés au plan de masse 4. Chaque plateau de liaison 13, 14 relie les extrémités des éléments conducteurs 1 1 , 12 opposées au plan de masse 4, de manière à obtenir un même potentiel sur toute la longueur du plateau de liaison 13, 14. Les deux zones de court-circuit 7, 8 et les côtés 9, 10 du plateau principal 5 sont séparés par une bande 15, 16 de largeur d faisant isolation.
La connexion électrique entre une zone de court-circuit 7 (respectivement 8), et le côté correspondant 9 (respectivement 10) du plateau principal 5 est réalisée par un premier (respectivement deuxième) ensemble 17 (18) d'interrupteurs commandés. On notera que, grâce à l'utilisation des plateaux de liaison 13, 14, il n'est pas nécessaire de prévoir autant d'interrupteurs que d'éléments conducteurs 1 1 , 12. On peut ainsi limiter le nombre d'interrupteurs. On pourrait toutefois envisager de relier directement les interrupteurs aux éléments conducteurs, par paires, sans utiliser de plateau de liaison.
Chaque ensemble 17, 18 d'interrupteurs est commandé de telle sorte que lorsque les interrupteurs d'un ensemble 17 (18) sont ouverts, les interrupteurs de l'autre ensemble 18 (17) sont fermés. Dans l'exemple décrit ici, les interrupteurs des deux ensembles 17, 18 sont des diodes. Le sens de polarisation des diodes de l'un des deux ensembles, ici 17, est orienté de la zone de court-circuit 7 vers le plateau principal 5, alors que le sens de polarisation de diodes de l'autre ensemble, ici 18, est orienté du plateau principal 5 vers la zone de court-circuit 8. Sur la figure 2, on a représenté de façon schématique l'appareil comportant le dispositif d'antenne de la figure 1 , et des moyens associés de commande des diodes 17, 18 comprenant des moyens 30 d'alimentation en tension continue du plateau principal 5. Ces moyens d'alimentation sont agencés pour mettre le plateau principal 5 à un potentiel particulier adapté pour commander l'état bloquant des diodes de l'un des deux ensembles 17 (18) et, concomitamment, l'état passant des diodes de l'autre ensemble 18 (17) (interrupteurs fermés). Ainsi, en fonctionnement,
- lorsque le plateau principal est mis au potentiel +U, les diodes 17 sont bloquées (interrupteurs ouverts) alors que les diodes 18 sont passantes (interrupteurs fermés) ;
- lorsque le plateau principal est mis au potentiel -U, les diodes 18 sont bloquées (interrupteurs ouverts) alors que les diodes 17 sont passantes (interrupteurs fermés). Ainsi, le dispositif se comporte comme deux antennes PIFA orthogonales fonctionnant alternativement. Par exemple, en supposant les interrupteurs de l'ensemble 17 ouverts, le plateau principal 5 et la zone de court-circuit 8 sont connectés et forment une antenne PIFA. Alternativement, quand les interrupteurs de l'ensemble 17 sont fermés, l'antenne PIFA est formée du plateau principal 5 et de la zone de court-circuit 7.
Chaque antenne PIFA émettant une onde polarisée perpendiculairement au plan dans lequel s'étend la zone de court-circuit, on comprend que le dispositif décrit permet ainsi d'émettre des ondes selon une polarisation orthogonale fonction de l'état des interrupteurs.
La longueur des côtés du plateau principal 5 est choisie en fonction de la fréquence de résonance voulue, l'augmentation de la longueur électrique du plateau principal 5 diminuant la fréquence de résonance.
Dans une deuxième forme de réalisation particulière, représentée sur la figure 3, le dispositif d'antenne comporte les mêmes éléments que ceux décrits ci-dessus. Il comporte en outre deux plateaux d'extension 20, 21 . Le plateau d'extension 20, respectivement 21 , s'étend dans le plan 3 du plateau principal 5, dans le prolongement de celui-ci, d'un côté 24 (respectivement 25) opposé à l'une des zones de court-circuit 7 (respectivement 8). Les côtés 24, 25 sont ainsi les deux côtés du plateau principal 5 non occupés par les zones de court-circuit 7, 8. Chaque plateau d'extension 20, 21 est conducteur et comporte un côté 22, 23 sensiblement parallèle au côté voisin 24, 25 du plateau principal 5. Le côté 22, 23 du plateau d'extension 20, 21 , sensiblement de même longueur que le côté 24, 25 correspondant du plateau principal 5, est séparé de celui-ci d'une distance d', afin de ménager deux bandes isolantes 26, 27, de largeur d', entre le plateau principal 4 et le plateau d'extension 20, 21 . Les largeurs d et d' peuvent être identiques ou différentes.
Chaque plateau d'extension 20, 21 est connecté au plateau principal 5, le long des côtés 22, 23, par des troisièmes et quatrièmes ensembles d'interrupteurs 28, 29 commandés.
Les plateaux d'extension 20, 21 sont ici de forme rectangulaire mais d'autres formes ou modifications géométriques sont envisageables afin de modifier les caractéristiques électriques de l'antenne. Par exemple, l'ajout d'une fente dans les plateaux d'extension 20, 21 peut faire apparaître des fréquences de résonance ou augmenter la bande passante.
Lorsque l'un des deux ensembles 28, 29 d'interrupteurs est en mode passant, le plateau principal 5 et le plateau d'extension 20, 21 correspondant se comportent comme un seul et unique plateau ayant une fréquence de résonance plus faible que le plateau principal 5 seul. On comprend que, dans ce mode, l'ensemble 17, 18 d'interrupteurs sur le côté opposé est également en mode passant afin de garder la structure PIFA du dispositif d'antenne.
Ainsi, en commutant les ensembles 17, 18 et 28, 29 d'interrupteurs, le dispositif d'antenne fonctionne sur au moins deux fréquences de résonance différentes et sur des polarisations linéaires orthogonales. On obtient ainsi une agilité en polarisation et en fréquence.
Sur la figure 4, on a représenté de façon schématique l'appareil comportant le dispositif d'antenne de la figure 3 et des moyens associés de commande des interrupteurs 17, 18, 28, 29.
Les interrupteurs 17, 18, 28, 29 sont des diodes. Les moyens de commande comprennent des moyens d'alimentation en tension continue 30, 31 , 32 des plateaux d'extension 20, 21 et du plateau principal 5, agencés pour appliquer aux plateaux 5, 20 et 21 des potentiels particuliers adaptés pour commander l'état passant ou l'état bloquant des diodes 17, 18, 28, 29. Pour mémoire, les zones de court-circuit 7, 8 de court-circuit sont connectées à la masse par le plan de masse 4.
Le contrôle de l'agilité en polarisation et en fréquence se fait alors par la mise à des potentiels adaptés de chacun des plateaux du dispositif d'antenne.
Dans l'exemple particulier de la figure 4, pour chaque couple de zone de court-circuit 7 (8) et de plateau d'extension 20 (21 ) opposé, les deux ensembles de diodes correspondants 17, 28 (18, 29) sont orientés selon le même sens de polarisation pour permettre une polarisation en cascade en tension continue. Pour un premier couple de zone de court-circuit 7 et de plateau d'extension 20, le sens de polarisation est orienté de la zone de court- circuit 7 vers le plateau d'extension 20, alors, pour le second couple de zone de court-circuit 8 et de plateau d'extension 21 , le sens de polarisation est orienté du plateau d'extension 21 vers la zone de court-circuit 8. On obtient ainsi 4 états de fonctionnement du dispositif d'antenne résumés dans le tableau suivant :
Figure imgf000011_0001
Avec, dans ce tableau, « Polar, vert » signifiant « polarisation verticale » et « Polar, hor. » « polarisation horizontale », le sens vertical ou horizontal étant exprimé par rapport à l'orientation de la figure 4. Le terme « fréq. » est une abréviation pour « fréquence de résonance ».
Pour alimenter ces plateaux 5, 20, 21 avec des tensions continues sans modifier les signaux radiofréquences, les ensembles de diodes comme les moyens d'alimentation sont ici correctement dimensionnés. Les diodes ont des caractéristiques adaptées aux fréquences opérationnelles du dispositif, notamment une capacité "parasite" la plus faible possible. En outre, les moyens d'alimentation en tension continue sont adaptés aux caractéristiques des diodes. La tension de commande U peut par exemple correspondre à la tension nominale de fonctionnement des diodes. En particulier, les moyens d'alimentation en tension continue des plateaux d'extension 20, 21 sont avantageusement réalisés selon le schéma de la figure 5 dans lequel une impédance 40 en série et une capacité 41 de découplage agissent comme un filtre passe-bas. On obtient ainsi un filtre passe-bas adapté pour découpler le signal radiofréquence d'alimentation de l'antenne et le signal de tension continue destiné à commander les interrupteurs. En effet la tension continue voit la capacité 41 comme un interrupteur ouvert et l'inductance 40 comme un interrupteur fermé permettant donc la transmission de la tension continue sur le plateau. Par contre, le signal radiofréqueπce du plateau voit l'inductance 40 comme un interrupteur ouvert empêchant la propagation du signal au-delà de l'inductance.
Une antenne de ce type a été réalisée en utilisant un substrat en mousse présentant des propriétés diélectrique proches de celles de l'air tout en permettant un bon maintien mécanique de la structure de l'antenne. Cette mousse étant métallisée sur les deux faces, l'antenne est réalisée par des techniques classiques de lithographie et de gravure chimique du type de celles utilisées pour les circuits imprimés. Les composants discrets comme les diodes sont soudés sur les parties métalliques de la mousse. L'antenne est ainsi réalisée pour un faible coût.
Avec un plan de masse de 42 x 42 mm et un élément rayonnant compris dans un volume de 23 x 23 x 6 mm, on observe, pour chaque état de polarisation, une bande passante à -1 OdB de 300MHz centrée sur 3,5GHz et une efficacité totale supérieure à 90% pour la fréquence haute. Pour la fréquence basse, on observe une bande passante à -1 OdB de 120MHz centrée sur 2,4GHz avec une efficacité totale supérieure à 75%. Cette antenne permet donc de couvrir la bande WIFI et WiMax.
Ainsi, on a décrit une antenne agile en polarisation et fréquence qui conserve les propriétés des antennes PIFA classiques. Elle permet de réaliser la diversité sans recourir à deux capteurs-antennes comme dans les solutions classiques, ce qui permet avantageusement un gain de volume et de poids.
Cette antenne contribue avantageusement à l'amélioration du lien radio dans des environnements contraints par l'utilisation de la diversité en polarisation et en fréquence. De plus, son mode de commande extrêmement simple la rend compatible avec les techniques de radio logicielle.
A la place des diodes, on pourrait utiliser tout autre type de dipôles, des interrupteurs de type MEMS ("Micro Electro Mechanical Systems" signifiant en français Micro Systèmes ElectroMécaniques), des transistors ou tout autre type d'interrupteurs. On notera que dans le cas des interrupteurs de type MEMS ou transistors, les interrupteurs sont commandés directement, par des moyens de commande externes au dispositif d'antenne, et non par une application de potentiels particuliers au plateau principal et/ou aux plateaux d'extension. Dans la description qui précède, le plateau principal 5 du dispositif d'antenne est de forme carrée. Il pourrait toutefois avoir une autre forme présentant un axe de symétrie, par exemple un losange. La symétrie par rapport à un axe garantit que les propriétés du dispositif d'antenne sont les mêmes dans les deux polarisations. Celles-ci sont orthogonales dans le cas d'un plateau principal de forme carrée, ou distantes d'un angle α supérieur ou inférieur à 90° dans le cas d'un losange.
On pourrait envisager de relier le plateau principal conducteur 5 à chaque zone de court-circuit 7, 8 au moyen d'un seul interrupteur. De la même manière, dans le cas d'un dispositif d'antenne comprenant des plateaux d'extension tels que ceux de l'exemple de la figure 3, on pourrait envisager de relier le plateau principal 5 à chaque plateau d'extension 20 et 21 au moyen d'un seul interrupteur. L'utilisation d'un seul interrupteur entre le plateau principal et une zone de court-circuit ou un plateau d'extension est envisageable notamment dans le cas où le plateau principal 5 est de petite dimension ou bien dans le cas où des interrupteurs en forme de barrette sont utilisés.
L'entrée d'alimentation 6 du plateau principal 5 comporte une entrée radiofréquence et une entrée en tension continue comportant un filtre passe- bas adapté pour découpler le signal radiofréquence et le signal de tension continue destiné à commander les interrupteurs.
L'ensemble du dispositif d'antenne et des moyens de commande qui viennent d'être décrits, peuvent être incorporés dans un équipement de communication, tel qu'un téléphone mobile, un PDA, ou encore un équipement de réseau. L'invention concerne aussi un tel équipement.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Appareil comprenant
- un dispositif d'antenne comportant 5 - au moins une surface conductrice (4) constituant la "masse",
- un plateau principal conducteur (5) ayant un axe de symétrie (AA), séparé de la masse par un diélectrique (1 ),
- deux zones de court-circuit (7, 8) connectées à la masse et débouchant au voisinage de deux côtés du plateau principal
10 symétriquement l'une de l'autre par rapport à l'axe de symétrie,
- un premier et un deuxième ensemble d'au moins un interrupteur (17, 18) connectant respectivement la première et la deuxième zone de court-circuit (7, 8) avec le côté voisin correspondant du plateau principal,
15 et
" des moyens (17, 18, 30) de commande agencés pour commander l'ouverture et la fermeture des interrupteurs des premier et deuxième ensembles, de telle sorte que lorsque le au moins un interrupteur de l'un des deux ensembles est ouvert, le au moins un interrupteur de
20 l'autre ensemble est fermé afin de conférer au dispositif d'antenne une agilité en polarisation
2. Appareil selon la revendication 1 , caractérisé en ce que chaque zone (7, 8) de court-circuit du dispositif d'antenne comprend un plateau (13, 14) de
O 5 liaison s'étendant dans le plan (3) du plateau principal (5) et un ensemble
(1 1 , 12) d'au moins un élément conducteur adapté pour relier ledit plateau de liaison et la masse à travers le diélectrique.
3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif
30 d'antenne comporte en outre deux plateaux d'extension (20, 21 ) conducteurs s'étendant chacun dans le plan (3) du plateau principal (5), dans le prolongement de celui-ci, d'un côté opposé à l'une des dites zones de court-circuit (7, 8), et reliés au plateau principal (5) par des troisième et quatrième ensembles d'au moins un interrupteur (28, 29) afin de conférer au dispositif d'antenne une agilité en fréquence.
4. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les interrupteurs du dispositif d'antenne sont des diodes et en ce que lesdits moyens de commande comportent des moyens d'alimentation en tension continue des plateaux d'extension et des moyens d'alimentation du plateau principal, adaptés pour commander l'état passant ou l'état bloquant des diodes.
5. Appareil selon la revendication 4, , caractérisé en ce que, pour chaque couple de zone de court-circuit (7, 8) et de plateau d'extension opposé (20, 21 ), les deux ensembles de diodes correspondants sont orientés selon le même sens de polarisation adapté pour permettre une polarisation en cascade en tension continue, le sens de polarisation étant orienté de la zone de court-circuit vers le plateau d'extension, pour l'un des deux couples (7, 20), et du plateau d'extension vers la zone de court-circuit pour l'autre couple (8, 21 ).
6. Appareil selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation de chaque plateau d'extension comportent un filtre passe- bas adapté pour découpler le signal radiofréquence d'alimentation de l'antenne et le signal de tension continue destiné à commander les interrupteurs.
7. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le plateau principal (5) du dispositif d'antenne comporte une entrée d'alimentation (6) du signal à émettre disposée sur l'axe de symétrie.
8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'entrée d'alimentation (6) du plateau principal (5) comporte une entrée radiofréquence et une entrée en tension continue comportant un filtre passe-bas adapté pour découpler le signal radiofréquence et le signal de tension continue destiné à commander les interrupteurs.
9. Dispositif d'antenne pour l'appareil selon l'une des revendications 1 à 8.
10. Equipement de communication radio comportant au moins un dispositif d'antenne selon la revendication 9.
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