WO2019069026A1 - Antenne radioelectrique a bas profil multi-bande - Google Patents

Antenne radioelectrique a bas profil multi-bande Download PDF

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Denys NIKOLAYEV
Maxim ZHADOBOV
Ronan Sauleau
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Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs)
Universite De Rennes 1
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Abstract

L'antenne radioélectrique comprenant un substrat en matériau diélectrique; un plan de masse en matériau électriquement conducteur sur une première face du substrat; un résonateur pour convertir un signal électrique incident en une onde électromagnétique et pour résonner à au moins deux fréquences de résonance distinctes. Le résonateur comprend au moins trois éléments (E1, E2, E3) sous forme chacun de bandes en matériau conducteur et agencés sur une deuxième face du substrat opposée à la première face. Un deuxième élément (E2) est relié électriquement au plan de masse au moyen d'un via (220) traversant le substrat au niveau d'une première extrémité de la bande correspondante, forme une extension du premier élément (E1) et est relié électriquement directement au premier élément (E1) au niveau d'une deuxième extrémité de cette bande opposée à la première extrémité. Le premier élément (E1) est séparé du troisième élément (E3) par une fente (G13) et relié électriquement au troisième élément (E2) au niveau d'une extrémité de la première bande et d'une extrémité de la troisième bande par l'intermédiaire d'une bande de transition (E4) en matériau conducteur électriquement traversant la fente. Le troisième élément (E3) est relié à une ligne d'alimentation électrique.

Description

ANTENNE RADIOELECTRIQUE A BAS PROFIL MULTI-BANDE

DOMAINE TECHNIQUE

[0001] La présente description concerne une antenne radioélectrique multi-bande et un dispositif biotélémétrique équipé d'une telle antenne.

ETAT DE L'ART

[0002] Dans le domaine des applications médicales, les dispositifs biotélémétriques sont utilisés pour l'acquisition de signaux physiologiques et l'analyse des données physiologiques associées.

[0003] Parmi les dispositifs biotélémétriques, on trouve des dispositifs biotélémétriques ingestibles et/ou implantables in vivo, qui peuvent servir à la fois à la collecte de signaux physiologiques et la mise en œuvre de fonctions thérapeutiques, comme par exemple la délivrance de médicaments ou la stimulation électrique. Ces dispositifs biotélémétriques se présentent par exemple sous la forme de capsules ingestibles ou d'implants pouvant être insérés dans le corps d'humains ou d'animaux.

[0004] Ces dispositifs biotélémétriques intègrent une antenne radioélectrique configurée pour émettre et/ou recevoir une onde électromagnétique. L'antenne radioélectrique est utilisée pour transmettre des données vers un équipement extérieur de contrôle / d'analyse des données ou pour recevoir les instructions émis par cet équipement. Ces équipements externes sont utilisés notamment pour analyser ex vivo les données transmises par l'antenne radioélectrique.

[0005] Les performances de l'antenne, en ce qui concerne la transmission de données et la puissance d'émission, dépendent fortement des propriétés électromagnétiques du milieu environnant.

[0006] En effet, lorsque le dispositif biotélémétrique est placé dans un milieu environnant (par exemple un milieu biologique), l'antenne est fortement couplée avec ce milieu environnant et l'impédance de l'antenne radioélectrique est ainsi fortement dépendante des propriétés électromagnétiques (permittivité, conductivité) de ce milieu environnant. Ainsi, une désadaptation d'impédance de l'antenne radioélectrique par rapport au microcontrôleur peut se produire du fait des propriétés électromagnétiques du milieu environnant.

[0007] Une désadaptation d'impédance entre l'antenne et le microprocesseur induit en effet des pertes d'énergie dans le dispositif biotélémétrique et impacte les performances en transmission de l'antenne, notamment la puissance de l'onde électromagnétique émise. Ceci est d'autant plus problématique que l'onde électromagnétique doit, pour parvenir à l'équipement externe, traverser des tissus biologiques humains ou animaux variés, qui sont fortement dispersifs, ce qui contribuent à la faible efficacité de rayonnement (η < 0,1%).

[0008] En outre, lorsque l'impédance de l'antenne est affectée par le milieu environnant, cela se traduit également par une modification à la fois de la fréquence de résonance de cette antenne et son niveau d'adaptation à la fréquence de fonctionnement, ce niveau d'adaptation étant caractérisé par le coefficient de réflexion |Sn| déterminé comme le rapport complexe (i.e. déterminé en amplitude et phase) entre l'intensité complexe du signal électrique incident converti par l'antenne en onde électromagnétique et l'intensité complexe du signal électrique réfléchi résultant d'une réflexion d'une fraction du signal électrique incident.

[0009] Une approche pour augmenter l'immunité de l'antenne à la désadaptation d'impédance est de concevoir une antenne radioélectrique à large bande, de sorte que la bande passante couvre la plage de fréquences dans laquelle l'antenne va fonctionner compte tenu de l'effet de désadaptation attendu. Cependant, une telle extension de la bande passante implique souvent de sacrifier l'efficacité de rayonnement.

[0010] L'article intitulé « Design, realization and measurements of a miniature antennaor implantable wireless communication Systems », par F. Merli et al., IEEE Transactions Antennas Propagation, vol. 59, n°10, pages 3544-3555, octobre 2011, divulgue un exemple d'antenne radioélectrique multi-bande, sous forme hélicoïdale, ayant des dimensions appropriées pour une implantation sous-cutanée (10 x 32,1 mm). Cette antenne est toutefois lourde et volumineuse (elle occupe environ un quart du volume disponible) pour une intégration dans un dispositif biotélémétrique de type capsule ingestible ou implantable. Il est en effet difficile de produire une antenne miniature, adaptée pour une intégration dans un dispositif biotélémétrique, tout en améliorant les performances de transmission.

[0011] Il apparaît ainsi un besoin de disposer d'une antenne multi-bande, robuste en impédance et adaptable en impédance pour au moins deux fréquences de résonance, qui soit peu volumineuse de sorte à être utilisable dans un dispositif biotélémétrique ingestible et/ou implantable in vivo.

RESUME

[0012] La présente description a pour objet, selon un premier aspect, une antenne radioélectrique multi-bande. Cette antenne radioélectrique comprend : un substrat formé en un matériau diélectrique ; un plan de masse en matériau électriquement conducteur, agencé sur une première face du substrat ; un résonateur configuré pour convertir un signal électrique incident en une onde électromagnétique et pour résonner à au moins deux fréquences de résonance distinctes, le résonateur comprenant au moins trois éléments agencés sur une deuxième face du substrat opposée à la première face. Un premier élément est formé par une première bande en matériau conducteur électriquement. Un deuxième élément est formé par une deuxième bande en matériau conducteur électriquement. Un troisième élément est formé par une troisième bande en matériau conducteur électriquement. Le deuxième élément est relié électriquement au plan de masse au moyen d'un via traversant le substrat au niveau d'une première extrémité de la deuxième bande. Le deuxième élément forme une extension du premier élément et est relié électriquement directement au premier élément au niveau d'une deuxième extrémité de la deuxième bande opposée à la première extrémité. Le premier élément est séparé du troisième élément par une fente et relié électriquement au troisième élément au niveau d'une extrémité de la première bande et d'une extrémité de la troisième bande par l'intermédiaire d'une bande de transition en matériau conducteur électriquement traversant la fente. Le troisième élément est relié à une ligne d'alimentation électrique pour recevoir le signal électrique incident.

[0013] Dans au moins un mode de réalisation, le premier élément et le deuxième élément forment un résonateur à saut d'impédance à quart d'onde, avec une transition d'impédance entre le premier élément et le deuxième élément ayant une impédance supérieure à celle du premier élément, et le troisième élément rayonne comme une antenne patch demi-onde.

[0014] L'antenne radioélectrique selon le premier aspect utilise des éléments sous forme bande de matériau conducteur électriquement, réalisée par exemple, selon la technologie dite de microruban (« microstrip » selon la terminologie anglosaxonne).

[0015] Cette antenne microruban multibande convient pour de multiples utilisations in- vivo en permettant la communication (échange de données notamment) avec un dispositif externe au travers d'un milieu à pertes tel que le corps humain, ayant des propriétés électromagnétiques variables, en même temps que la mesure d'un coefficient de réflexion.

[0016] Elle peut être conçue de sorte à avoir une impédance donnée (par exemple 50 Ω), pour au moins deux fréquences de fonctionnement (ou fréquences de résonance), par exemple pour les fréquences de fonctionnement 434 MHz et 2.45 GHz.

[0017] Cette antenne radioélectrique est une antenne multi-bande, présentant à la fois un haut rendement et une bonne robustesse en impédance. Ces caractéristiques sont acquises par le découplage d'antenne de milieu environnant à pertes à l'aide de design microruban spécifique de l'antenne. En outre, l'antenne peut être chargée diélectriquement par un superstrat à haute permittivité de sorte à améliorer sa robustesse et son rendement. Les gains pouvant être obtenus sont supérieurs -20 dBi, et l'efficacité de radiation est de l'ordre de 2% et 1% obtenue respectivement pour les fréquences de fonctionnement 434 MHz et 2.45 GHz.

[0018] En faisant varier les dimensions des trois éléments du résonateur, on peut ajuster les deux fréquences de résonance aux cas d'application visés. Du fait de la configuration particulière des bandes, il est également possible de réaliser une adaptation d'impédance pour les deux fréquences de résonance de l'antenne.

[0019] L'impédance de l'antenne est en outre peu sensible aux variations du milieu environnant. Le coefficient de réflexion Su est tel que |Sn| < -10 dB dans toute une gamme de milieux environnants.

[0020] Une telle antenne se prête à une réalisation dans un circuit imprimé et peut en outre être intégrée dans une capsule biotélémétrique (par exemple, une capsule biotélémétrique ingestible, de longueur 28 mm et de diamètre 9 mm).

[0021] Une telle antenne radioélectrique se prête également à une réalisation d'antenne radioélectrique miniature, par exemple d'épaisseur de substrat inférieure à 1 mm et de largeur / longueur de substrat inférieure à 3 cm et peut ainsi aisément être intégrée dans un dispositif biotélémétrique telle qu'une capsule biotélémétrique. Une telle antenne est une antenne à bas profil (« low profile » selon la terminologie anglo-saxonne), l'épaisseur de l'antenne étant négligeable par rapport à sa taille. Une telle antenne occupe un espace négligeable dans une capsule biotélémétrique, permet un degré de miniaturisation élevé tout en ayant une efficacité accrue en transmission.

[0022] Une telle antenne radioélectrique peut en outre être réalisée sur un substrat flexible, de sorte à pouvoir se conformer à la surface intérieure d'un dispositif biotélémétrique tel qu'une capsule.

[0023] Dans un ou plusieurs modes de réalisation de l'antenne radioélectrique selon le premier aspect, le premier élément et le deuxième élément sont configurés pour résonner à une première fréquence de résonance et le troisième élément est configuré pour résonner à une deuxième fréquence de résonance supérieure à la première fréquence de résonance.

[0024] Dans un ou plusieurs modes de réalisation de l'antenne radioélectrique selon le premier aspect, le rapport entre la largeur de la première bande et la largeur de la deuxième bande est de 2: 1 à 100: 1.

[0025] Dans un ou plusieurs modes de réalisation de l'antenne radioélectrique selon le premier aspect, l'une au moins des première, deuxième, troisième et quatrième bandes a une forme parallélépipédique, de serpentin ou une forme en zigzag.

[0026] Dans un ou plusieurs modes de réalisation de l'antenne radioélectrique selon le premier aspect, l'épaisseur du substrat est de 20 μιη à 5 mm.

[0027] Les caractéristiques des différents modes de réalisation de l'antenne radioélectrique selon le premier aspect sont combinables entre elles.

[0028] La présente description a pour objet, selon un deuxième aspect, un dispositif biotélémétrique comprenant une antenne radioélectrique selon le premier aspect. Les caractéristiques, propriétés, avantages et/ou effets de l'antenne radioélectrique selon le premier aspect sont transposables directement au dispositif biotélémétrique selon le deuxième aspect.

[0029] Dans un ou plusieurs modes de réalisation du dispositif biotélémétrique selon le deuxième aspect, le substrat étant dans un matériau flexible et le dispositif biotélémétrique étant sous forme de capsule dans laquelle le substrat est roulé de sorte que la première face du substrat est orientée vers l'intérieur de la capsule et la deuxième face est orientée vers l'extérieur de la capsule.

[0030] Dans un ou plusieurs modes de réalisation du dispositif biotélémétrique selon le deuxième aspect, le substrat de l'antenne radioélectrique est un substrat polyimide flexible se conformant à la surface interne de la capsule.

[0031] Dans un ou plusieurs modes de réalisation du dispositif biotélémétrique selon le deuxième aspect, le substrat est dans un matériau rigide et de forme cylindrique, le dispositif biotélémétrique étant intégré dans une capsule dans laquelle l'antenne radioélectrique est placée que la première face du substrat soit tournée vers l'intérieur de la capsule et la deuxième face soit tournée vers l'extérieur de la capsule.

[0032] Les caractéristiques des différents modes de réalisation du dispositif biotélémétrique selon le deuxième aspect sont combinables entre elles.

[0033] La présente description a pour objet, selon un troisième aspect, un Réseau d'antennes comprenant deux antennes selon le premier aspect, les deux antennes étant disposées symétriquement l'une par rapport à l'autre et alimentée par une même ligne électrique d'alimentation. Les caractéristiques, propriétés, avantages et/ou effets de l'antenne radioélectrique selon le premier aspect sont transposables directement au réseau d'antennes selon le troisième aspect.

BREVE DESCRIPTION DES FIGS.

[0034] D'autres avantages et caractéristiques de la technique présentée ci-dessus apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite par référence aux FIGS. dans lesquelles :

la FIG. 1 représente de manière schématique un dispositif biotélémétrique selon un exemple de réalisation ;

la FIG. 2 représentent de manière schématique une antenne radioélectrique selon un exemple de réalisation ;

la FIG. 3 représentent de manière schématique un réseau d'antennes comprenant plusieurs radioélectriques selon un exemple de réalisation ;

la FIG. 4 représente de manière schématique un dispositif biotélémétrique selon un exemple de réalisation ;

la FIG. 5 illustre des aspects du fonctionnement et des performances d'une antenne radioélectrique selon un exemple de réalisation ;

les FIG. 6A et 6B illustrent des aspects du fonctionnement et des performances d'une antenne radioélectrique selon un autre exemple de réalisation ;

- les FIG. 7A et 7B illustrent des aspects du fonctionnement et des performances d'une antenne radioélectrique selon un exemple de réalisation.

[0035] Dans les différents modes de réalisation qui vont être décrits par référence aux FIGS., des éléments semblables ou identiques portent les mêmes références.

DESCRIPTION DETAILLEE [0036] Les différents modes de réalisation et aspects décrits ci-dessous peuvent être combinés ou simplifiés de multiples manières. Seuls certains modes de réalisation d'exemples sont décrits en détail pour assurer la clarté de l'exposé mais ces exemples ne visent pas à limiter la portée générale des principes ressortant de cette description considérée dans son ensemble.

[0037] La FIG. 1 représente de manière schématique un exemple de dispositif biotélémétrique 100, sous forme de capsule implantable et/ou ingestible.

[0038] Le dispositif biotélémétrique 100 comprend un microcontrôleur 101, un circuit radiofréquence 102, une antenne radioélectrique 103, une source d'alimentation 104. De manière optionnelle, le dispositif biotélémétrique 100 peut comprendre un circuit additionnel 105, par exemple un circuit d'application biomédicale ou un capteur.

[0039] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, la source d'alimentation 104 est configurée pour alimenter électriquement le microcontrôleur 101, le circuit radiofréquence 102, l'antenne radioélectrique 103 et le circuit additionnel 105.

[0040] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, l'antenne radioélectrique 103 est configurée pour communiquer via une liaison radio avec un dispositif externe (non représenté), l'antenne radioélectrique 103 peut par exemple transmettre des données (par exemple des données de biotélémétrie acquises par le dispositif biotélémétrique 100) vers le dispositif externe et recevoir des données (par exemple des instructions opérationnelles et/ou de traitement thérapeutique) en provenance d'un tel dispositif externe. [0041] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, l'antenne radioélectrique peut émettre et recevoir des ondes électromagnétiques à fréquences élevées, par exemple dans la gamme du 108 Hz à 1010 Hz.

[0042] Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le microcontrôleur comprend une unité 112 de génération de signal électrique configurée pour générer le signal électrique incident. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le microcontrôleur comprend une unité 113 de traitement de données.

[0043] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le microcontrôleur 101 est configuré pour générer un signal électrique incident à convertir en onde électromagnétique par l'antenne radioélectrique et/ou pour amplifier un signal reçu en provenance de l'antenne radioélectrique.

[0044] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le microcontrôleur 101 est configuré pour traiter des données, par exemple pour traiter les données reçues par l'antenne radioélectrique 103 ou des données acquises par le circuit additionnel 105.

[0045] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, l'ensemble des composants du dispositif biotélémétrique 100 (le microcontrôleur 101, le circuit radio fréquence 102, l'antenne radioélectrique 103, la source d'alimentation 104 et de manière optionnelle, le un circuit additionnel 105) est intégré dans une capsule biocompatible 107.

[0046] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le circuit radio fréquence 102 est interconnecté entre le microcontrôleur 101 et l'antenne radioélectrique 103. Le circuit radiofréquence 102 sert d'interface électrique entre le microcontrôleur 101.

[0047] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le circuit d'application biomédicale 105 est configuré pour mettre en œuvre des fonctions de diagnostic et/ou des fonctions thérapeutiques. Les fonctions de diagnostic peuvent comprendre des fonctions d'acquisition ou mesure de données de diagnostic, par exemple au moyen d'un ou plusieurs capteurs, tels que par exemple, capteurs de température, capteurs électroniques, MEMS (« Microelectromechanical Systems ») ou capteurs microfluidiques. Les fonctions de diagnostic peuvent comprendre des fonctions d'endoscopie, d'acquisition d'images, de mesure de glucose ou d'autres paramètres physiologiques, de détection d'anticorps, etc. Les fonctions thérapeutiques peuvent comprendre par exemple la délivrance de médicaments et la stimulation électrique, par exemple la stimulation cardiaque ou neurale.

[0048] Le dispositif biotélémétrique 100 est destiné à être utilisé dans un milieu environnant 110, par exemple après ingestion ou implantation in vivo. Au fur et à mesure que le dispositif biotélémétrique 100 se déplace dans le corps humain, par exemple pendant le transit gastro-intestinal, ce milieu environnant 1 10 est susceptible d'avoir des propriétés variées.

[0049] Les propriétés électromagnétiques (EM) du milieu environnant 110 entourant le dispositif biotélémétrique 100 détermine le couplage entre l'antenne radioélectrique 103 et le milieu environnant 110 et l'absorption des champs EM par ce milieu environnant 110. La connaissance de ces propriétés EM permet d'adapter la configuration de l'antenne radioélectrique 103 pour optimiser les performances de transmission sans fil de l'antenne radioélectrique 103 à travers le milieu environnant. En particulier, lorsque le couplage entre l'antenne radioélectrique 103 et le milieu environnant 110 est important, et les propriétés en transmission de l'antenne radioélectrique peuvent être affectées par les variations des propriétés EM du milieu environnant 110 dans lequel le dispositif biotélémétrique 100 se situe.

[0050] La FIG. 2 représente de manière schématique une configuration géométrique d'une antenne radioélectrique 200 adaptée pour un dispositif biotélémétrique 100 tel que celui décrit par référence à la FIG. 1, selon un exemple de réalisation.

[0051] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, les composants de l'antenne radioélectrique 200 sont intégrés dans un substrat 210 formé en un matériau diélectrique (par exemple, FR4, PFTE, polyimide, polyétheréthercétone, céramiques, composites, etc.). Le substrat 210 est constitué soit d'un matériau souple et/ou pouvant être roulé, de sorte à pouvoir se conformer à la surface intérieure d'un dispositif biotélémétrique tel qu'une capsule, soit d'un matériau rigide convenant pour la réalisation d'un dispositif biotélémétrique planaire. Le substrat est par exemple en polyimide flexible : un tel matériau est apte à se conformer à la surface interne d'une capsule de dispositif biotélémétrique.

[0052] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, un plan de masse est agencé sur une première face F2 (dessous) du substrat. Le plan de masse est par exemple réalisé en matériau électriquement conducteur (par exemple, en métal tel que cuivre, aluminium, argent etc. ou un alliage).

[0053] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, l'antenne radioélectrique 200 comprend un résonateur comprenant un premier élément El, ayant une première impédance caractéristique ZI, un deuxième élément E2, ayant une deuxième impédance caractéristique Z2 et un troisième élément E3, ayant une troisième impédance caractéristique Z3.

[0054] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le premier élément El est formé par une bande, en matériau conducteur électriquement, la bande étant agencée sur une deuxième face Fl (dessus) du substrat opposée à la première face F2. Le matériau du plan de masse peut être identique ou différent du matériau de la bande en matériau conducteur électriquement. La bande de matériau conducteur peut avoir différentes formes géométriques : une forme parallélépipédique, par exemple rectangulaire comme dans le cas d'exemple représenté à la FIG. 2, ou encore une autre forme (par exemple, serpentin, méandre, zigzag etc) de sorte à obtenir la longueur électrique et impédance souhaitée, notamment l'impédance qui satisfait les équations eqla et eqlb ci-dessous.

[0055] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le deuxième élément E2 est formé par une bande, en matériau conducteur électriquement, la bande étant agencée sur la deuxième face Fl . La bande de matériau conducteur peut avoir différentes formes géométriques : une forme parallélépipédique, par exemple rectangulaire comme dans le cas d'exemple représenté à la FIG. 2, ou encore une autre forme (par exemple, serpentin, méandre, zigzag etc) de sorte à obtenir la longueur électrique et impédance nécessaire pour satisfaire les équations eql et eqlb ci-dessous.

[0056] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le troisième élément E3 est formé par une bande, en matériau conducteur électriquement, la bande étant agencée sur la deuxième face Fl . La bande de matériau conducteur peut avoir différentes formes géométriques : une forme parallélépipédique, par exemple rectangulaire comme dans le cas d'exemple représenté à la FIG. 2, ou encore une autre forme (par exemple, serpentin, méandre ou zigzag, etc) de sorte à obtenir la longueur électrique qui satisfait sensiblement l'équation eq4 ci-dessous.

[0057] Les trois éléments El, E2, E3 peuvent être dans un même matériau conducteur électrique ou dans différents matériaux conducteurs électriquement. Les matériaux utilisables sont par exemple le cuivre, l'aluminium, l'argent, un alliage, etc).

[0058] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le troisième élément E3 est configuré pour recevoir un signal électrique incident généré par le microcontrôleur. Un point de connexion FD d'une ligne d'alimentation électrique est prévu sur le troisième élément E3. L'alimentation électrique peut être effectuée par microruban ou un câble coaxial. Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le point d'alimentation électrique FD est situé sur un bord externe de la bande formant le troisième élément, ce bord externe étant opposé au côté de la troisième bande relié au premier élément El (voir l'exemple de la FIG. 2).

[0059] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le deuxième élément E2 est relié électriquement au plan de masse, au niveau d'une première extrémité de la bande formant le deuxième élément, au moyen d'un via 220 traversant le substrat.

[0060] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le deuxième élément E2 forme une extension du premier élément El et est relié électriquement directement au premier élément El au niveau d'une deuxième extrémité de la deuxième bande opposée à la première extrémité au niveau de laquelle se situe le via 220. Le premier élément El est ainsi relié électriquement au plan de masse par l'intermédiaire successivement du via 220 et du deuxième élément E2.

[0061] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le premier élément El est séparé du troisième élément E3 par une fente G13 (« gap » selon la terminologie anglosaxonne). Dans un ou plusieurs modes de réalisation, la fente G13 est une fente rectiligne, de largeur fixe.

[0062] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le premier élément El est relié électriquement au troisième élément E3 au niveau d'une extrémité de la première bande formant le premier élément El et d'une extrémité de la troisième bande formant le troisième élément E3, par l'intermédiaire une bande de transition E4 en matériau conducteur électrique fermant la fente G13 à une de ses extrémités. Le troisième élément E3 est ainsi relié électriquement au plan de masse par l'intermédiaire successivement du via 220, du deuxième élément E2, du premier élément El et de la bande de transition E4.

[0063] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, correspond à l'exemple illustré à la FIG. 2, la deuxième bande formant le deuxième élément E2 et la troisième bande formant le troisième élément E3 s'étendent longitudinalement selon une première direction (axe X dans la FIG. 2) et la première bande formant le premier élément El s'étend longitudinalement selon une deuxième direction (axe Y dans la FIG. 2), distincte de la première direction. Dans un ou plusieurs modes de réalisation, correspondant à l'exemple illustré à la FIG. 2, la première direction est perpendiculaire à la deuxième direction ou sensiblement perpendiculaire à la deuxième direction. Dans un ou plusieurs modes de réalisation, la première direction fait un angle compris entre 0° et 45° avec la deuxième direction.

[0064] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le résonateur présente au moins deux fréquences de résonance. Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le résonateur est configuré pour convertir le signal électrique incident reçu par le troisième élément E3 en une onde électromagnétique à une fréquence correspondant à une des fréquences de résonance du résonateur. La fréquence de résonance est la fréquence pour laquelle la partie imaginaire de l'impédance complexe de l'antenne égale à zéro : Im(ZANT) = 0.

[0065] L'antenne présente au moins deux fréquences de résonance et deux bandes de fréquences correspondantes, ce qui augmente les possibilités d'utilisation de l'antenne. Par exemple, un transfert de données peut être réalisé dans une première bande de fréquences et un transfert d'énergie sans fil peut être réalisé dans une deuxième bande de fréquences (par exemple en utilisant la technique « Wireless Power Transfer » (WPT). Selon un autre exemple, une première bande de fréquences peut servir pour l'activation du dispositif dans lequel cette antenne est placée ainsi que pour la transmission de données, la deuxième bande pouvant servir pour la transmission de données en même temps que pour la transmission de données redondantes avec celles transmises via la première bande de sorte à pouvoir vérifier l'intégrité des données transmises via la première bande et ainsi augmenter la fiabilité de la transmission. En combinant dans une même antenne multi-bande la fonction de transmission de données et de transfert d'énergie, on peut sensiblement soit miniaturiser le dispositif dans lequel cette antenne est intégrée ou augmenter l'espace disponible à l'intérieur de ce dispositif.

[0066] La géométrie (notamment, les dimensions des trois éléments El, E2, E3) de l'antenne radioélectrique satisfaisant la condition de résonance (chaque fréquence de résonance correspondant à une fréquence pour laquelle la partie imaginaire de l'impédance complexe de l'antenne Zant est nulle : Ιηι(ΖΑΝτ) = 0) peut être déduite de l'équation d'impédance des lignes de transmission.

[0067] Les impédances caractéristiques ZI, Z2, Z3 des trois éléments El, E2, E3 sont fonctions respectivement des dimensions de ces 3 éléments. Par référence à la FIG. 2, on note :

wi la dimension selon l'axe Y du premier élément El ;

w∑2 la dimension selon l'axe Y du deuxième élément E2 ;

- wz3 la dimension selon l'axe Y du troisième élément E3 ;

w∑4 la dimension selon l'axe Y de la fente G13 et de la bande de transition E4 ;

/zi la dimension selon l'axe X du premier élément El ;

/z2 la dimension selon l'axe X du deuxième élément E2 ;

/z3 la dimension selon l'axe X du troisième élément E3 ; et

- /feed la position, par rapport à l'extrémité du troisième élément E3 (point origine de l'antenne), du point de connexion de la ligne d'alimentation électrique sur le bord externe de la troisième bande.

[0068] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le premier élément et le deuxième élément sont configurés pour résonner à une première fréquence de résonance et le troisième élément est configuré pour résonner à une deuxième fréquence de résonance supérieure à la première fréquence de résonance.

[0069] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, les éléments El et E2 fonctionnent comme un résonateur à saut d'impédance (SIR, pour « stepped impédance resonator ») à quart d'onde, avec une transition d'impédance (i.e. saut d'impédance) entre l'élément El à plus basse impédance ZI et l'élément E2 à plus haute impédance Z2. En outre, un court-circuit (via 220) au plan de masse est réalisé à l'extrémité de l'élément E2 à plus haute impédance (extrémité haute impédance). Ceci implique une distribution de courant électrique dans les éléments présentant son minimum à l'extrémité de l'élément El à basse impédance ZI (extrémité basse impédance) et son maximum à l'extrémité de l'élément E2 à haute impédance Z2 (extrémité haute impédance). La distribution de tension est inverse de celle du courant.

[0070] Les impédances caractéristiques ZI et Z2 déterminent la fréquence de résonance la plus basse fl . Cette première fréquence de résonance fl dépend principalement des impédances caractéristiques ZI, Z2 des premiers et deuxièmes éléments El, E2 et est proportionnelle au rapport de ces impédances caractéristiques ZI / Z2, tandis que la partie réelle de l'impédance d'antenne à cette première fréquence de résonance dépend des impédances caractéristiques ZI, Z2 des premiers et deuxièmes éléments El et E2 et est proportionnelle au produit de ces impédances caractéristiques ZI x Z2.

[0071] En faisant varier le rapport des dimensions wi et w∑2 des éléments El, E2 tout en conservant la longueur totale de l'antenne / = /zi + /z2 fixe, on peut régler la première fréquence de résonance fl à une valeur voulue (avec une infinité de possibilités pour ZI, Z2,zi et /Z2) ainsi que l'impédance d'antenne souhaitée à cette première fréquence de résonance (par exemple 50 Ohm). Le rapport M¾I / w¾2 peut par exemple varier entre 2: 1 et 100: 1.

[0072] Ainsi, il est possible d'ajuster la première fréquence de résonance fl en choisissant de manière adaptée les dimensions selon l'axe Y des première et deuxième bandes, puis de faire varier les dimensions M¾I , W¾2 selon l'axe X des première et deuxième bandes, tout en gardant constant la longueur total de l'antenne, égale à la somme des dimensions /zi, /z2 selon l'axe X des première et deuxième bandes, de sorte à obtenir une impédance adaptée à la première fréquence de résonance souhaitée.

[0073] La première fréquence de résonance fl est reliée aux dimensions selon l'axe Y des première et deuxième bandes par les relations suivantes :

- Zi + Z2 tan (βζι i) tan #Zi

Figure imgf000014_0001
) = 0 (eql a)

Z2 tanOfci zi) + i \ βτι hi)≠ 0 (eqlb) βζ1 étant la constante de phase du remier élément El définie par :

Figure imgf000014_0002

où βΖ2 est la constante de phase du deuxième élément E2 définie par

Figure imgf000014_0003

c étant la vitesse de la lumière,

e^e^ étant la permittivité relative effective du milieu environnant autour du deuxième élément,

£r,e// £ an γΆ permittivité relative effective du milieu environnant autour du premier élément.

[0074] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, l'élément E3 rayonne comme une antenne patch demi-onde. Ceci implique une distribution de courant électrique présentant son minimum aux extrémités (selon l'axe X) de l'élément E3 et son maximum au milieu de l'élément E3. La distribution de tension est sinusoïdale avec des maxima aux extrémités (selon l'axe X) de l'élément E3 et son minimum au milieu de l'élément E3. L'élément E3 détermine les autres fréquences de résonances supérieures, notamment la deuxième fréquence de résonance f2. L'impédance Z3 de cet élément peut donc être choisie en fonction de la deuxième fréquence de résonance £2 visée.

[0075] La deuxième fréquence de résonance £2 dépend principalement de la dimension selon l'axe X du troisième élément E3 :

/z3 ^ [2 x f2 (£ e )°'5 r1 (eq4)

étant la permittivité effective du milieu environnant autour de l'élément E3. L'impédance de l'antenne ZANT à cette deuxième fréquence de résonance dépend principalement de la dimension selon l'axe Y de la troisième bande w∑3 et de la position /feed du point de connexion de la ligne d'alimentation électrique sur le bord externe de la troisième bande. L'impédance de l'antenne ZANT à cette deuxième fréquence est notamment proportionnelle au rapport l/wz3- Ainsi, on peut ajuster la deuxième fréquence de résonance £2 à une valeur voulue et en même temps obtenir une impédance adaptée pour cette deuxième fréquence de résonance.

[0076] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, une structure diélectrique (nommé superstrat) à faibles pertes et haute permittivité contribue à augmenter la permittivité effective £ eff (voir l'équation eql ci-dessus) et à découpler l'antenne du milieu environnant à pertes. Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le superstrat diélectrique est disposé au-dessus des éléments El, E2 et E3.

[0077] On peut par exemple réaliser une antenne radioélectrique présentant les fréquences de résonances fl= 434 MHz et £2 = 2,45 GHz, avec wi = 6.7 mm, w∑2 = 140 μιη, wz3 = 550 μιη, wZ4 = 200 μιη, /zl = 4.5 mm, /z2 = 13.5 mm, /z3 = 8 mm, /feed = 6 mm, un substrat d'épaisseur 102 μιη en PEEK, un superstrat d'épaisseur 1 mm avec la permittivité relative ¾■ = 80, les 3 éléments El, E2, E3 et la bande de transition E4 étant réalisés par un microruban en cuivre d'épaisseur 9 μιη. Il a été montré qu'une telle antenne radioélectrique présente une immunité d'impédance dans les deux bandes ISM (industriel, scientifique et médical) autour de 434 MHz et 2,45 GHz. Pour les trois fréquences de résonance, une adaptation d'impédance à 50 Ohm est obtenue.

[0078] La FIG. 3 représente de manière schématique un réseau d'antennes 300 comprenant deux antennes selon la présente description sur un même substrat, les deux antennes étant disposées symétriquement l'une par rapport à l'autre et alimentée par une même ligne électrique d'alimentation. Dans un ou plusieurs modes de réalisation, la position Lfeed du point d'alimentation Lfeed des deux antennes est identique. Les deux antennes peuvent être identiques ou légèrement différentes, si on souhaite augmenter la bande passante. Le réseau peut comporter deux ou plusieurs antennes alimentées par une même ligne électrique d'alimentation.

[0079] Lorsque l'on utilise un tel réseau d'antenne dans un dispositif biotélémétrique sous forme de capsule, la configuration en réseau améliore l'omnidirectionnalité pour les fréquences de résonance les plus élevées. A la fréquence de résonance la plus basse, l'omnidirectionnalité de l'antenne est généralement suffisamment bonne. L'adaptation d'impédance par rapport aux composants du dispositif biotélémétrique (microprocesseur et circuit radiofréquence notamment) est réalisée en ajustant la distance W0 entre les éléments E3 de chaque antenne et en réglant la position Lfeed du point d'alimentation.

[0080] Les Figs. 7A et 7B représentent un exemple de distribution de courants pouvant être obtenue aux fréquences de résonance fl= 434 MHz (FIG. 7A) et £2= 2,45 GHz (FIG. 7B) respectivement avec un réseau de deux antennes selon la Fig. 3. Comme expliqué plus haut, le premier élément (El) et le deuxième élément (E2) forment un résonateur à saut d'impédance à quart d'onde.

[0081] A la fréquence fl= 434 MHz (FIG. 7A), on observe des courants co linéaires dominants dans les éléments E2 avec un maximum sur les bords supérieurs où les vias 220 relient l'élément E2 au plan de masse. Dans ce cas, le saut d'impédance de Zi à Z2 définit la fréquence de résonance au moyen du ratio Zn= Z1/Z2 et des longueurs électriques βζι /zi et βζ2 ζ2· (voir équation eqla). La fréquence fl choisie peut être obtenue pour une infinité de possibilités pour ZI, Z2,

Figure imgf000016_0001
et /Z2. Cependant, pour permettre un mode de fonctionnement simultanément à la fréquence f2= 2,45 GHz induit des contraintes supplémentaires sur pour
Figure imgf000016_0002

A la fréquence f2= 2,45 GHz (FIG. 7B), l'onde émise par l'antenne provient principalement des courants co linéaires dans les éléments E3, avec une contribution venant de la ligne d'alimentation FD. On peut noter également une autre résonance au niveau de l'élément E2 : deux courants opposés ayant leur maximum d'intensité à l'extrémité la plus éloignée de l'élément E2 se rencontre au milieu (là où le minimum de courant est obtenu). Par contraste avec ce qui se passe à la fréquence 434 MHz, l'élément El se comporte comme un inverseur de phase à la fréquence f2= 2,45 GHz. En conséquence, le courant dans la moitié inférieure de l'élément E2 est colinéaire avec celui dans l'élément E3 : ceci contribue sensiblement à la radiation émise par l'antenne et impacte également l'impédance de l'antenne, en contribuant ainsi à l'adaptation de l'impédance de l'antenne par rapport au circuit radiofréquence.

[0082] La FIG. 4 représente de manière schématique un dispositif biotélémétrique 100 comprenant au moins une antenne radioélectrique 200 ou un réseau d'antennes 300 selon la présente description dans un exemple de réalisation.

[0083] Le dispositif biotélémétrique est sous forme de capsule. La capsule peut être réalisée en matériau plastique biocompatible (PVC, PTFE, PEEK, Polyéthylène etc.), polymère ou céramique. La capsule est réalisée par exemple en céramique biocompatible, dont l'épaisseur est par exemple de 1 mm et la permittivité relative ¾■ = 80.

[0084] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le substrat est intégré dans la capsule de sorte que la face F2 du substrat sur laquelle est agencé le plan de masse soit tournée vers l'intérieur de la capsule et que l'autre face Fl sur laquelle sont agencés les trois éléments El, E2, E3 sont tournés vers l'extérieur de la capsule. La taille de la capsule est par exemple comprise entre 15 mm et 50 mm de longueur et 5 mm à 15 mm de diamètre.

[0085] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le substrat de l'antenne radioélectrique est un substrat en matériau flexible, par exemple en polyimide flexible de 102 μιη d'épaisseur se conformant à la surface interne de la capsule. L'épaisseur du substrat affecte principalement la bande passante d'impédance comme pour les antennes patch, en particulier à la fréquence de résonance Fl la plus faible. Plus généralement, l'épaisseur du substrat peut être comprise entre 20 μιη et 3 mm.

[0086] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le substrat est dans un matériau rigide et de forme cylindrique de sorte à former une antenne radioélectrique 200 cylindrique. Les dimensions du substrat et le diamètre du cylindre formé par le substrat sont dans ce cas adaptés aux dimensions internes de la capsule avec la tolérance de 50 μιη.

[0087] Dans un ou plusieurs modes de réalisation, un réseau d'antennes à deux antennes disposées en miroir comme celui illustré à la FIG. 3 est réalisé sur le substrat qui est ensuite intégré dans le dispositif biotélémétrique sous forme de capsule. Dans un exemple de réalisation, la première fréquence de résonance est 434 MHz et la deuxième fréquence de résonance est autour de 2.45 GHz lorsque le réseau d'antennes est utilisé dans un milieu avec les propriétés électromagnétiques équivalentes au tissu musculaire.

[0088] La FIG. 5 montre les performances d'une antenne en termes d'impédance selon un exemple de réalisation dans lequel l'antenne radioélectrique présente les propriétés pour les fréquences de résonances fl= 434 MHz (FIG. 5 A) et f2 = 2,45 GHz (FIG. 5B), avec wZ\ = 6.7 mm, w∑2 = 140 μιη, w∑3 = 550 μιη, WZA = 200 μιη, /zl = 4.5 mm, /z2 = 13.5 mm, /z3 = 8 mm, /feed = 6 mm, un substrat d'épaisseur 102 μιη en PEEK, un superstrat d'épaisseur 1 mm avec la permittivité relative ¾■ = 80, les 3 éléments El, E2, E3 et la bande de transition E4 étant réalisés par un microruban en cuivre d'épaisseur 9 μιη. Les courbes de la FIG. 5 montrent la variation du coefficient de réflexion de l'antenne en fonction de la fréquence de fonctionnement. Les courbes A et B ont été obtenues respectivement par deux méthodes distinctes. Le gain réalisé est de -16,1 dBi à 434 MHz et -14,4 dBi à 2,45 GHz.

[0089] Les FIGS. 6A-6B montrent des courbes de variations du coefficient de réflexion |Sn| en fonction de la conductivité et de la permittivité relative obtenues pour la même antenne que celle des FIGS. 5 A et 5B pour les fréquences de résonances fl= 434 MHz (FIG. 6A) et £2 = 2,45 GHz (FIG. 6B). Ces FIGS. 6A-6B montrent la robustesse de l'antenne et sa capacité à fonctionner dans des milieux très variés (de conductivité entre 0 et 2,5 S/m et de permittivité relative entre 10 et 80) tout en conservant un coefficient de réflexion inférieur à - lOdB pour tous ces milieux. Ces milieux peuvent notamment être des tissus humains.

[0090] L'antenne radioélectrique décrite dans ce document peut être conçue pour fonctionner dans une large gamme de fréquences de résonance, par exemple entre 108 Hz et 6 x 1010 Hz. Une telle antenne qui est robuste aux variations des différentes propriétés EM du milieu environnant peut être utilisée dans n'importe quel tissu corporel pour de multiples scénarios d'application et présente de nombreuses possibilités d'application que ce soit dans le domaine médical ou non médical, par exemple, pour le génie civil, l'agriculture, la transformation des aliments, etc.

[0091] Une application est son utilisation dans un dispositif biotélémétrique ingestible et/ou implantable in vivo pour des applications de biotélémétrie et de téléthérapie dans le corps humain et/ou animal. Une autre application émergente est celle des dispositifs sans fil pour l'interfaçage neuronal bidirectionnel.

Claims

REVENDICATIONS
1. Antenne radioélectrique multi-bande, l'antenne radioélectrique comprenant
- un substrat formé en un matériau diélectrique ;
- un plan de masse en matériau électriquement conducteur, agencé sur une première face du substrat ;
- un résonateur configuré pour convertir un signal électrique incident en une onde électromagnétique et pour résonner à au moins deux fréquences de résonance distinctes, le résonateur comprenant au moins trois éléments (El, E2, E3) agencés sur une deuxième face du substrat opposée à la première face ;
dans laquelle
un premier élément (El) est formé par une première bande en matériau conducteur électrique ; un deuxième élément (E2) est formé par une deuxième bande en matériau conducteur électrique ; un troisième élément (E3) est formé par une troisième bande en matériau conducteur électrique ;
le deuxième élément (E2) est relié électriquement au plan de masse au moyen d'un via (220) traversant le substrat au niveau d'une première extrémité de la deuxième bande ;
le deuxième élément (E2) forme un extension du premier élément (El) et est relié électriquement directement au premier élément (El) au niveau d'une deuxième extrémité de la deuxième bande opposée à la première extrémité ;
le premier élément (El) est séparé du troisième élément (E3) par une fente (G 13) et relié électriquement au troisième élément (E2) au niveau d'une extrémité de la première bande et d'une extrémité de la troisième bande par l'intermédiaire d'une bande de transition (E4) en matériau conducteur électriquement traversant la fente ;
le troisième élément (E3) est relié à une ligne d'alimentation électrique pour recevoir le signal électrique incident.
2. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle :
le premier élément (El) et le deuxième élément (E2) forment un résonateur à saut d'impédance à quart d'onde, avec un saut d'impédance entre le premier élément (El) et le deuxième élément (E2) ayant une impédance supérieure à celle du premier élément (El); et le troisième élément (E3) rayonne comme une antenne patch demi -onde.
3. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le premier élément (El) et le deuxième élément (E2) sont configurés pour résonner à une première fréquence de résonance et le troisième élément (E3) est configuré pour résonner à une deuxième fréquence de résonance supérieure à la première fréquence de résonance.
4. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le rapport entre la largeur de la première bande et la largeur de la deuxième bande est de 2: 1 à 100: 1.
5. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'une au moins des première, deuxième, troisième et quatrième bandes a une forme parallélépipédique, de serpentin ou une forme en zigzag.
6. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'épaisseur du substrat est de 20 μιη à 5 mm.
7. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la fente (G 13) est une fente rectiligne et de largeur sensiblement fixe.
8. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un superstrat à haute permittivité.
9. Antenne selon la revendication 8, dans laquelle le superstrat est disposé au dessus des premier, deuxième et troisième éléments.
10. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le premier élément (El) s'étend longitudinalement selon une direction Y distincte de la première direction X dans laquelle s'étend longitudinalement le deuxième élément (E2) ; et la fréquence de résonance fl du résonateur à saut d'impédance est reliée aux dimensions /Zi et lz2 selon la direction Y des première et deuxième bandes par les équations suivantes :
- Zi + Z2 tan (βΖ2 /Z2) tanGfei fei ) = 0
Z2 tanGfei zi) + Z tan(^Z2 Izi)≠ 0
ZI est l'impédance du premier élément (El),
Z2 est l'impédance du deuxième élément (E2), βζ1 étant la constante de phase du premier élément (El) définie par : β ι = Tfifï*"
βΖ2 est la constante de phase du deuxième élément (E2) définie par :
Figure imgf000021_0001
c étant la vitesse de la lumière,
e^e^ étant la permittivité relative effective du milieu environnant autour du deuxième élément (E2),
£r,e// £ an γΆ permittivité relative effective du milieu environnant autour du premier élément (El).
11. Réseau d'antennes comprenant deux antennes selon l'une quelconque des revendications précédentes, les deux antennes étant disposées symétriquement l'une par rapport à l'autre et alimentée par une même ligne électrique d'alimentation.
12. Dispositif biotélémétrique comprenant une antenne radioélectrique selon l'une quelconque des revendications précédentes.
13. Dispositif biotélémétrique selon la revendication 12, le substrat étant dans un matériau flexible et le dispositif biotélémétrique étant sous forme de capsule dans laquelle le substrat est roulé de sorte que la première face (F2) du substrat est orientée vers l'intérieur de la capsule et la deuxième face (Fl) est orientée vers l'extérieur de la capsule.
14. Dispositif biotélémétrique selon la revendication 13, dans lequel le substrat de l'antenne radioélectrique est un substrat polyimide flexible se conformant à la surface interne de la capsule.
15. Dispositif biotélémétrique selon la revendication 12, dans lequel le substrat est dans un matériau rigide et de forme cylindrique, le dispositif biotélémétrique étant intégré dans une capsule dans laquelle l'antenne radioélectrique est placée que la première face du substrat soit tournée vers l'intérieur de la capsule et la deuxième face soit tournée vers l'extérieur de la capsule.
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