WO2020187821A1 - Antenne directive compacte, dispositif comportant une telle antenne - Google Patents

Antenne directive compacte, dispositif comportant une telle antenne Download PDF

Info

Publication number
WO2020187821A1
WO2020187821A1 PCT/EP2020/057049 EP2020057049W WO2020187821A1 WO 2020187821 A1 WO2020187821 A1 WO 2020187821A1 EP 2020057049 W EP2020057049 W EP 2020057049W WO 2020187821 A1 WO2020187821 A1 WO 2020187821A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
antenna
parasitic
elements
ground plane
radiator element
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/057049
Other languages
English (en)
Inventor
Yann MEHUT
Original Assignee
Sigfox
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sigfox filed Critical Sigfox
Priority to ES20710525T priority Critical patent/ES2966228T3/es
Priority to US17/431,417 priority patent/US20220336949A1/en
Priority to EP20710525.5A priority patent/EP3942649B1/fr
Publication of WO2020187821A1 publication Critical patent/WO2020187821A1/fr

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/30—Arrangements for providing operation on different wavebands
    • H01Q5/378—Combination of fed elements with parasitic elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/22—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using a secondary device in the form of a single substantially straight conductive element
    • H01Q19/26—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using a secondary device in the form of a single substantially straight conductive element the primary active element being end-fed and elongated
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/28—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using a secondary device in the form of two or more substantially straight conductive elements
    • H01Q19/32—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using a secondary device in the form of two or more substantially straight conductive elements the primary active element being end-fed and elongated
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole

Definitions

  • the present invention belongs to the field of compact directional antennas.
  • the invention relates to a compact directional antenna suitable for geolocating connected objects emitting radio signals, as well as a device using such an antenna.
  • the size of an antenna generally depends on the wavelength for which the antenna is designed: the lower the working frequency, the greater the associated wavelength, and the more the dimensions of an antenna suitable for this frequency of work are large.
  • RF Harrington demonstrated in 1959 that an antenna whose dimensions can be included in a sphere of radius R has a directivity proportional to (R 2 + 2R). In other words, the more compact the antenna, the weaker its directivity.
  • An existing solution for producing a directional antenna consists in placing several unit antenna elements in a network. Only one of these elements, called the “radiator element”, is supplied electrically. The other elements, called “parasitic elements” are supplied by mutual induction. The electromagnetic field radiated by the antenna in a given direction corresponds to the sum of the fields radiated by each of the elements. By correctly placing the various elements relative to each other, it is possible to focus the power radiated by the antenna in a preferred direction and therefore increase the directivity of the antenna.
  • the various elements of the network are of the same nature and have similar shapes and dimensions. These are, for example, electric dipoles which can be formed by rods or metal ribbons.
  • the best-known example of such an antenna is the Yagi-Uda antenna (named after its inventors, Hidetsugu Yagi and Shintaro Uda).
  • the dimensions of a transmission or reception device using such an antenna depend not only on the dimensions of the antenna, but also on the dimensions of the electronic card which carries the various electronic components of the device.
  • This electronic card is generally connectorized to the antenna, and it must be positioned so that it does not disturb the performance of the antenna. This generally contributes to relatively large dimensions of the transmission or reception device.
  • the object of the present invention is to remedy all or part of the drawbacks of the prior art, in particular those described above, by proposing an antenna exhibiting good performance both in terms of directivity, of radiation efficiency and of compactness.
  • the antenna according to the invention also has the possibility of integrating the electronic components of a reception device either directly on a ground plane of the antenna, or on a printed circuit board positioned opposite and close to the ground plane of the antenna. This makes it possible to limit the dimensions of the receiving device, while avoiding disturbing the performance of the antenna.
  • the directivity of an antenna in one direction is the ratio between the pfd density radiated by the antenna in this direction at a given distance and the power density that would be radiated by an isotropic antenna radiating the same total power. .
  • Directivity has no unit, it is usually expressed in isotropic decibels (dBi).
  • dBi decibels
  • the term “directivity of an antenna” is generally understood to mean the value of the directivity of the antenna in the direction in which the directivity is maximum.
  • the radiation efficiency of an antenna is defined by the ratio between the radiated power and the power injected at the input of the antenna. This parameter reflects the losses present on the antenna.
  • the gain of an antenna in a given direction is the product of the directivity of the antenna in that direction and the radiation efficiency of the antenna.
  • the present invention proposes a directional antenna comprising an array of unit antenna elements.
  • the array comprises an active antenna element, called a “radiator element”, intended to be electrically connected to a radiofrequency source or receiver, and at least one passive antenna element supplied by mutual induction, called a “parasitic element”.
  • the radiator element is a parasitic resonator antenna comprising a monopoly, a ground plane and a parasitic cell placed in the near field of the monopoly.
  • Such an antenna differs from antennas of the prior art in that the radiator element has a different nature from parasitic elements.
  • the radiator element in fact exhibits a magnetic dipole behavior while the other elements of the network behave like electric dipoles.
  • the antenna according to the invention is particularly efficient in terms of directivity and radiation efficiency while remaining very compact.
  • the presence of a ground plane which is not generally sought in this type of antenna, can advantageously make it possible to integrate all or part of the electronic modules of a transmitter and / or receiver device comprising such a antenna.
  • the invention may also include one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically possible combination.
  • the radiator element and said at least one parasitic element of the network are formed in the same plane. The use of a planar network makes it possible to limit the size of the antenna.
  • the network comprises at least one parasitic element of reflector type and at least one parasitic element of director type.
  • a reflector element and a director element are aligned with the radiator element, on either side of the radiator element, along an axis of the array corresponding to a direction in which the gain of the antenna is maximum.
  • the presence of at least one reflector element and at least one director element improves the performance of the antenna in terms of directivity.
  • the antenna has three parasitic elements including a reflector element and two directing elements, each parasitic element being formed by an electric dipole bent in the form of meanders.
  • each parasitic element being formed by an electric dipole bent in the form of meanders.
  • the monopoly is intended to be electrically connected to the radiofrequency source or receiver, and the parasitic cell of the radiator element takes the form of an open loop.
  • the working frequency of the antenna is less than one gigahertz
  • the array of elements has a length of less than twenty centimeters and a width of less than ten centimeters
  • the antenna has a maximum value of Directivity greater than 8 dBi and radiation efficiency greater than -3 dB.
  • the ground plane of the radiator element comprises electrical tracks for an electronic circuit of a transmission or reception device, said electrical tracks being etched within the ground plane.
  • the present invention relates to a transmitter or receiver device comprising a directional antenna according to one any of the previous embodiments.
  • the transmitter or receiver device further comprises an electronic circuit positioned opposite the ground plane of the radiator element of the antenna.
  • Such an electronic circuit corresponds to a set of electronic components of at least one electronic module of the receiving device.
  • the various electronic components are generally interconnected using a printed circuit on a printed circuit board (PCB, for “Printed Circuit Board” in English.
  • PCB printed circuit board
  • FIG. 1 a schematic representation of a first face of a printed circuit board on which is produced a particular embodiment of an antenna according to the invention
  • FIG. 2 a schematic representation of the other side of the printed circuit board shown in Figure 1,
  • FIG. 3 a particular embodiment of the parasitic cell of the radiator element of the antenna according to the invention
  • FIG. 5 another particular embodiment of the parasitic cell
  • FIG. 7 a radiation pattern of the antenna according to the invention for a particular embodiment
  • FIG. 8 a radiation pattern of the antenna according to the invention for another particular embodiment
  • FIG. 9 a detailed representation of the ground plane of the radiator element of the antenna according to a particular embodiment.
  • FIG. 1 schematically shows a particular embodiment of an antenna 10 according to the invention.
  • the antenna 10 comprises an array 12 of four unit antenna elements.
  • Network 12 is a planar network. In other words, all the antenna elements forming the network 12 are arranged in the same plane. This makes it possible to limit the volume occupied by the antenna 10, and therefore to limit the dimensions of the receiving device which carries the antenna 10.
  • the various antenna elements are arranged on a printed circuit board 1 1 (PCB for “Printed Circuit Board” in Anglo-Saxon literature).
  • radiator element 20 When the antenna 10 operates in transmission, one of the elements, called “radiator element 20" is electrically supplied by an RF source, that is to say by an electric current oscillating at the frequency of a radio wave.
  • radio wave is meant an electromagnetic wave whose frequency varies from a few Hertz (Hz) to several hundred Gigahertz (GHz). This current is for example conveyed between the source and the antenna by a power cable (for example a coaxial cable).
  • the RF source and the power cable are not shown in the figures.
  • the radiator element 20 When the antenna 10 is operating in reception, the radiator element 20 is electrically connected to an RF receiver. The electric current induced by the electromagnetic field observed at the radiator element 20 can thus be converted into an electrical signal and then amplified at the RF receiver.
  • the connection between the antenna 10 and the RF receiver can be made, in a conventional manner, by a coaxial cable.
  • the other three elements are not supplied electrically. These are passive elements supplied by coupling by mutual induction.
  • This type of network 12 in which a single element is electrically supplied makes it possible to limit the size of the antenna 10 because there is no need to create a complex electric supply network for the different elements.
  • the radiator element 20 and the three parasitic elements 30 are aligned in a direction 13 in which the gain of the antenna 10 is maximum.
  • One of the parasitic elements 30 acts as a "reflector element 31", while the other two parasitic elements 30 act as "guiding elements 32".
  • a reflector element 31 is disposed with respect to the radiator element 20 opposite to the direction 13 of maximum gain of the antenna 10.
  • a directing element 32 is disposed with respect to the radiator element 20 in the direction 13 of. maximum gain of the antenna 10. In other words, a reflector element 31 and a directing element 32 are arranged on either side of the radiator element 20.
  • the electric current which circulates in the radiator element 20 produces by radiation an electromagnetic field which induces currents in the other elements.
  • the current induced in the parasitic elements 30 in turn produces other electromagnetic fields which induce current in the other elements (both in the parasitic elements 30 and in the radiator element 20).
  • the current flowing in each element is the result of the interaction between all the elements. It depends on the positions and dimensions of each element.
  • the electromagnetic field radiated by the antenna 10 in a given direction is the sum of the electromagnetic fields radiated by each of the elements of the network 12.
  • Each element has a different amplitude and a different phase of the current. One can thus observe constructive or destructive additions of electromagnetic fields according to the phase shift specific to each element.
  • a directing element 32 which is placed towards the front of the antenna 10 reinforces the electromagnetic field in the direction 13 (i.e. in the direction radiator element 20 towards the directing element 32).
  • a reflector element 31 which is placed towards the rear of the antenna 10 reflects the electromagnetic field to strengthen it in the direction 13 (i.e. in the direction of the reflector element 31 towards the radiator element 20).
  • the positions and dimensions of the elements of the network 12 are calculated so that the phases of the resulting currents are such that the addition of electromagnetic fields is minimal towards the back and maximum forward.
  • the phase and the amplitude of the currents induced in the elements is such that the current induced in the radiator element 20 connected to the RF receiver is minimum for the waves coming from the rear and maximum for waves coming from the front relative to the direction 13.
  • the parasitic elements 30 are electric dipoles formed by metal ribbons printed on the printed circuit board 11. As shown in Figure 1, to limit the dimensions of the antenna, each electrical dipole is bent in a meandering shape. Each dipole has two branches 33. The two branches 33 of a dipole are symmetrical with each other with respect to an axis along the direction 13 of maximum gain of the antenna 10 and passing through the middle of the card 1. 1 of the printed circuit on which the antenna 10 is manufactured. For each electric dipole, the two branches 33 can be separated by a phase shift circuit 34 comprising resistive, capacitive and / or inductive components making it possible to optimize the directivity performance of antenna 10. The phase shift circuits 34 make it possible in particular to introduce at the level of each parasitic element 30 the phase shift necessary to optimize the directivity of the antenna 10.
  • Figure 1 shows one side of the printed circuit board 1 1 on which are arranged the various elements of the antenna 10.
  • Figure 2 shows the other side of the printed circuit board 1 1.
  • the radiator element 20 is a parasitic resonator antenna comprising a monopoly 21, a ground plane 22 and a parasitic cell 23 placed in the near field of the monopoly 21.
  • the ground plane 22 comprises two superposed layers, each layer being respectively arranged on one face of the printed circuit board 1 1.
  • the two layers of the ground plane 22 are thus facing each other.
  • the two layers of the ground plane 22 are for example electrically connected to one another by a multitude of vias 24.
  • the term “via” is understood to mean a metallized hole in the printed circuit board 11 which makes it possible to establish a connection. between the two faces of said card 11. It should be noted that nothing prevents the use of a ground plane 22 which has only a single layer disposed on only one of the faces of the printed circuit board 11.
  • the ground plane 22 is made of an electrically conductive material, for example metal.
  • the ground plane 22 has a rectangular shape.
  • the ground plane 22 can be a flat electrical conductor taking another form, and the choice of a particular shape for the ground plane 22 only represents variants of the invention.
  • the monopoly 21 is formed by a metal strip printed on the face of the printed circuit board 1 1 opposite the face on which the electric dipoles of the parasitic elements 30 are printed.
  • the RF source (for an antenna in transmission) and / or the RF receiver (for a receiving antenna) is (are) electrically connected on the one hand to the monopoly 21 by a first power supply cable (positive pole) and on the other hand to the ground plane 22 by a second power cable (negative pole).
  • a coaxial cable can be used for the power cable.
  • the part of the monopoly 21 which appears superimposed on the ground plane 22 in FIG. 2 is in fact slightly raised compared to the ground plane 22, in other words the monopoly 21 is not directly in contact with the plane mass 22.
  • An impedance matching circuit can be added, for example at the connection of the monopoly 21 with the source or the RF receiver.
  • the parasitic cell 23 is formed by a printed ribbon in the form of an open loop.
  • open loop is meant that the tape forms a loop, but that the two ends of the tape do not touch. In other words, an opening is made in the loop.
  • the loop takes the form of a rectangle. It should however be noted that other shapes are possible for the parasitic cell 23.
  • the loop can also take the form of an oval ring (see Figure 3), the shape of the letter D (see figure 4), or the shape of a semi-circle or a semi-oval with a rectilinear portion to partially close the semi-circle or the semi- oval (see Figure 5). In all cases, an opening should be left in the buckle.
  • the parasitic cell 23 takes the form of a Z resonator rather than the form of an open loop.
  • the radiator element 20 corresponds to an NFRP resonator (acronym for "Near-Field Resonant Parasitic") using a capacitive loop (NFRP antenna of the CLL type, acronym for "Capacitively Loaded Loop”).
  • the parasitic cell 23 is placed in the near field of the monopoly 21.
  • the monopoly 21 has a capacitive behavior and is indirectly adapted by the parasitic cell 23 which in turn has an inductive behavior.
  • a resonant circuit of the LC type is thus obtained, by a phenomenon of coupling by evanescent waves in the near field between the monopoly 21 and the parasitic cell 23, which results in the propagation of a wave in the far field.
  • Such a radiator element 20 has the advantage on the one hand of presenting a unitary radiation pattern oriented in the axis of the array 12 of the antenna 10, that is to say in the direction 13 in which it is desired to obtain the maximum gain (which contributes to the good directivity of the antenna 10 in this direction 13), and on the other hand to include a ground plane 22 (the advantage linked to the presence of the ground plane 22 will be discussed later in the description).
  • the use of such a radiator element 20, different from the parasitic elements 30, makes it possible to obtain very good performance not only in terms of directivity, but also in terms of radiation efficiency.
  • the antenna 10 has a directivity greater than 8 dBi and an output efficiency greater than -3 dB, which means that more than 50% of the power injected into the antenna 10 is radiated. by antenna 10.
  • a similar antenna for which the radiator element 20 would be formed by an electric dipole identical to the parasitic elements 30 has a directivity which is only slightly better of the order of 9 dBi, but a radiation efficiency of less than -15 dBi, which means that less than 5% of the power injected into the antenna is radiated.
  • the monopoly 21 is arranged on the face of the printed circuit board 11 opposite to the face on which the parasitic cell 23 is arranged. However, nothing prevents the monopoly 21 and the parasitic cell 23 from being arranged. on the same face of the printed circuit board 11. Thus, in particular embodiments, all the elements of the network 12 of the antenna 10 can be arranged on the same face of a printed circuit board.
  • the monopoly 21 and the parasitic cell 23 are each arranged on a different face of the printed circuit board 11, as shown in Figures 1 and 2, the coupling between these two elements is mainly of an electrical nature.
  • the coupling between these two elements is mainly magnetic in nature. It is advantageous, in terms of size, that the monopoly 21 and the parasitic cell 23 are each arranged on a different face of the printed circuit board 1 1, because they can then be superimposed, as shown in Figures 1 and 2.
  • the antenna 10 described above with reference to Figures 1 and 2 is an antenna 10 for a receiving device used to geolocate connected objects emitting radio signals.
  • the working frequency is at 869.5 MHz
  • the receiving device must have sufficiently small dimensions for the receiving device to fit in the hand of a user, in the manner for example of a TV remote control.
  • the searched for connected objects recurrently emit radio signals at the working frequency, and the user can move and point the receiving device in different directions in space to attempt to detect a signal emitted by an object.
  • the antenna should therefore have a strong directivity to accurately detect the direction in which a detected object is located, as well as good radiation efficiency to increase the distance of detection of an object by the receiving device.
  • the printed circuit board 1 1 on which the antenna 10 is made has a length of 165 mm and a width of 50 mm.
  • the various radiating elements monopoly 21 and parasitic cell 23 of the radiator element 20, parasitic elements 30
  • the two layers of the ground plane 22 are printed on the printed circuit board 1 1 in the form of a layer of copper 18 ⁇ m thick.
  • each branch of the electric dipole has a total length of 96 mm and a width of 2 mm.
  • the monopoly 21 has a length of 11 mm and a width of 1 mm.
  • Each layer of the ground plane 22 is a rectangle 48 mm long and 18 mm wide.
  • the loop of the parasitic cell 23 is formed by a tape 2 mm wide forming a rectangle 47 mm in length and 18 mm in width.
  • the inter-element distance has been carefully studied so as to obtain the best possible compromise between size and coupling.
  • This distance is particularly small relative to the inter-element distance generally observed in a conventional network (where it is typically of the order of half a wavelength at the working frequency).
  • This small distance is necessary to obtain the “super-directive” behavior.
  • the closer the elements of the network 12 are to each other the more one tends towards a theoretical directivity of the antenna 10 of the order of N 2 , where N is the number of elements in the network 12.
  • N is the number of elements in the network 12.
  • the smaller the inter-element distance the more the coupling between the elements is increased, which has a negative effect on the efficiency of the network 12. An acceptable compromise must therefore be reached between directivity and efficiency.
  • the geometry of the antenna 10 was frozen, it was simulated, in a conventional manner, with electromagnetic simulation software to obtain the unit radiation patterns and the parameters S of the network 12 (from the English “Scattering parameters ”, These are the distribution coefficients to describe the electrical behavior of an antenna element as a function of input signals).
  • the radiation patterns and the S parameters were then processed by an algorithm to determine the complex weight to be applied to each parasitic element 30 to optimize the directivity of the antenna 10 in a given direction.
  • An approach of the “curve fitting” type was used, in which one seeks to minimize the difference, in the sense of least squares, between an ideal template and the diagram actually obtained by applying the weights. complex.
  • the radiation pattern of the antenna 10 obtained is a linear combination of the different unit patterns. This is the sum of the unit diagrams of the various antenna elements of the array 12 weighted respectively by their complex weight.
  • FIG. 7 schematically represents a radiation pattern at 869.5 MHz of the antenna 10 previously described with reference to FIGS. 1 and 2 when the phase shift circuit 34 of the director element 32 furthest from the radiator element 20 consists in a capacitor C2 of value 15 pF, the phase shift circuit 34 of the directing element 32 most close to the radiator element 20 consists of a capacitor C3 of value 10 pF, and the phase shifting circuit 34 of the reflector element 31 consists of a capacitor C4 of value 8.2 pF.
  • the directivity of the antenna 10 is represented by the curve 41.
  • the directivity in the direction 13 assumes a satisfactory value, greater than 8 dBi.
  • front / back ratio is not optimal since a relatively large secondary lobe exists in the direction opposite to the direction of the main lobe.
  • front / rear ratio is meant the ratio between the directivity in the direction 13 towards the front of the antenna 10 and the directivity in the opposite direction towards the rear of the antenna 10.
  • a parametric study with the electromagnetic simulation software has shown that by taking a value of 8.2 pF for the capacitor C3 of the phase shift circuit 34 of the director element 32 closest to the radiator element 20, it is possible to increase the front / rear ratio by about ten dB without significantly degrading the directivity of antenna 10 (the latter going from 8.75 dBi to 8.25 dBi).
  • the front / rear ratio is greater than 20 dB.
  • the corresponding radiation pattern is shown in Figure 8.
  • the directivity of antenna 10 is shown by curve 42 on this diagram.
  • capacitors C2, C3 and C4 are surface mounted ceramic capacitors (SMD type components for "Surface Mounted Component", or SMD for "Surface Mounted Device”).
  • FIG. 9 schematically represents a layer of the ground plane 22 of the radiator element 20 of the antenna 10. As illustrated in the figure
  • holes that is to say zones 25 without copper are provided within the ground plane 22.
  • tracks 26 and pads 27 of copper electrical circuit are printed. by screen printing, in a conventional manner, on the printed circuit board 1 1 on which the antenna 10 is produced.
  • the tracks 26 form a copper path making the electrical interconnection between the electronic components which will be soldered at the level of the pads 27.
  • the largest dimension of a zone 25 without copper is negligible compared to the wavelength of the working frequency of the antenna 10, for example the largest dimension of a zone 25 without copper does not exceed a tenth of the wavelength of the working frequency of the antenna 10.
  • Such arrangements make it possible to guarantee that the ground plane 22 correctly plays its role within the radiator element 20 even if a part of the plane of mass 22 is used to accommodate electronic components of the receiving device.
  • the ground plane 22 comprises two layers of copper (one layer on each side of the printed circuit board 11 on which the antenna 10 is made) connected by vias. Only one layer of the ground plane 22 is shown in FIG. 9. Electronic components can be arranged on one of the two layers, or else on the two layers of the ground plane 22. None prevents either, as indicated previously, that the ground plane 22 has only one layer.
  • electronic components of the receiving device can be arranged on another printed circuit board than the printed circuit board 1 1 on which the antenna is made
  • the printed circuit board on which electronic components of the receiving device are arranged can advantageously be positioned facing the ground plane 22, at a small distance from the ground plane 22, for example a few millimeters. only.
  • the ground plane 22 advantageously makes it possible to shield any electromagnetic disturbances generated by the electronic components of the receiving device. Such electromagnetic disturbances would in fact be liable to disturb the operation of the antenna 10.
  • the present invention achieves the objectives set.
  • the antenna 10 exhibits very good performance both in terms of directivity, radiation efficiency and compactness.
  • the antenna according to the invention also has the possibility of integrating the electronic components of the receiving device either directly on the ground plane 22 of the antenna 10, or on a printed circuit board positioned opposite and close to the ground plane 22 of the antenna 10. This contributes to limiting the dimensions of the receiving device, while avoiding disturbing the performance of the antenna.
  • the invention has been described by considering an antenna 10 for a reception device having the objective of locating connected objects emitting radio signals. However, following other examples, nothing excludes considering other applications.
  • the antenna 10 can be perfectly adapted to a transmitter device, or to a transmitter-receiver device.
  • parasitic elements 30 for an antenna 10 can be considered for other choices. The same goes for the number of guiding elements and the number of reflective elements. In particular, nothing prevents having parasitic elements 30 of different sizes, for example director elements 32 shorter than the reflector element (s) 31.
  • the parasitic resonator antenna corresponding to the radiator element 20 can be produced in different ways.
  • the parasitic cell 23 can take different forms, the ground plane 22 can have only one layer instead of two, etc. These different choices only represent variants of the invention.
  • the array 12 of elements of the antenna 10 has a length less than 200 mm and a width less than 100 mm (or even a length less than 165 mm and a width less than 50 mm) for a working frequency less than 1 GHz (especially, working frequency is 869.5 MHz).
  • the antenna 10 has a maximum directivity value greater than 8 dBi and a radiation efficiency greater than 50%. In variants of the invention, another working frequency, and other dimensions of the antenna 10 are obviously possible. Different values of directivity and radiation efficiency could then be obtained.

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

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

Description

Antenne directive compacte, dispositif comportant une telle antenne Domaine de l’invention
La présente invention appartient au domaine des antennes directives compactes. Notamment, l’invention concerne une antenne directive compacte adaptée pour géolocaliser des objets connectés émettant des signaux radioélectriques, ainsi qu’un dispositif utilisant une telle antenne.
Etat de la technique
La miniaturisation des antennes fait depuis plusieurs années l’objet de nombreux travaux de recherche et développement. Les solutions actuelles reposent sur différentes techniques soumises à différentes limitations physiques. Aussi, ces solutions résultent souvent d’un compromis entre directivité, taille, efficacité de rayonnement et bande passante.
La taille d’une antenne dépend généralement de la longueur d’onde pour laquelle l’antenne est conçue : plus la fréquence de travail est basse, plus la longueur d’onde associée est grande, et plus les dimensions d’une antenne adaptée pour cette fréquence de travail sont grandes. En outre, R. F. Harrington a démontré en 1959 qu’une antenne dont les dimensions peuvent être englobées dans une sphère de rayon R présente une directivité proportionnelle à (R2 + 2R). Autrement dit, plus l’antenne est compacte, et plus sa directivité est faible.
On comprend ainsi qu’il est difficile de concevoir et d’intégrer une antenne présentant une forte directivité dans des objets connectés de petites tailles, notamment pour des fréquences inférieures au gigahertz.
Une solution existante pour réaliser une antenne directive consiste à disposer plusieurs éléments antennaires unitaires en réseau. Un seul de ces éléments, dit « élément radiateur », est alimenté électriquement. Les autres éléments, dits « éléments parasites » sont alimentés par induction mutuelle. Le champ électromagnétique rayonné par l'antenne dans une direction donnée correspond à la somme des champs rayonnés par chacun des éléments. En plaçant correctement les différents éléments les uns par rapport aux autres, il est possible de focaliser la puissance rayonnée par l’antenne dans une direction privilégiée et donc d’augmenter la directivité de l’antenne. Généralement, les différents éléments du réseau sont de même nature et présente des formes et des dimensions similaires. Il s’agit par exemple de dipôles électriques qui peuvent être formés par des baguettes ou des rubans métalliques. L’exemple le plus connu d’une telle antenne est l’antenne Yagi- Uda (du nom de ses inventeurs, Hidetsugu Yagi et Shintaro Uda).
Pour des fréquences de travail inférieures au gigahertz, une telle antenne ne présente cependant généralement pas des performances satisfaisantes à la fois en termes de directivité, d’efficacité de rayonnement et de compacité. Notamment, pour une fréquence de travail d’environ 870 MHz, il semble difficile d’obtenir une telle antenne présentant à la fois une directivité supérieure à 8 dBi, une efficacité de rayonnement supérieure à -3 dB, et une plus grande dimension de l’antenne inférieure à vingt centimètres.
Les dimensions d’un dispositif d’émission ou de réception utilisant une telle antenne dépendent non seulement des dimensions de l’antenne, mais aussi des dimensions de la carte électronique qui embarque les différents composants électroniques du dispositif. Cette carte électronique est généralement connectorisée à l’antenne, et elle doit être positionnée de telle sorte qu’elle ne perturbe pas les performances de l’antenne. Ceci concourt généralement à des dimensions relativement importantes du dispositif d’émission ou de réception.
Exposé de l’invention
La présente invention a pour objectif de remédier à tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur, notamment ceux exposés ci-avant, en proposant une antenne présentant des bonnes performances à la fois en termes de directivité, d’efficacité de rayonnement et de compacité. L’antenne selon l’invention présente en outre la possibilité d’intégrer les composants électroniques d’un dispositif de réception soit directement sur un plan de masse de l’antenne, soit sur une carte de circuit imprimé positionnée en regard et à proximité du plan de masse de l’antenne. Ceci permet de limiter les dimensions du dispositif de réception, tout en évitant de perturber les performances de l’antenne. Pour rappel, la directivité d’une antenne dans une direction est le rapport entre la densité de puissance surfacique rayonnée par l’antenne dans cette direction à une distance donnée et la densité de puissance qui serait rayonnée par une antenne isotrope rayonnant la même puissance totale. La directivité n’a pas d’unité, on l’exprime en général en décibel isotrope (dBi). Par abus de langage, on entend généralement par « directivité d’une antenne » la valeur de la directivité de l’antenne dans la direction dans laquelle la directivité est maximale. L’efficacité de rayonnement d’une antenne est définie par le rapport entre la puissance rayonnée et la puissance injectée à l’entrée de l’antenne. Ce paramètre reflète les pertes présentes sur l’antenne. Le gain d’une antenne dans une direction donnée est le produit entre la directivité de l’antenne dans ladite direction et l’efficacité de rayonnement de l’antenne.
Selon un premier aspect, il est proposé par la présente invention une antenne directive comportant un réseau d’éléments antennaires unitaires. Le réseau comporte un élément antennaire actif, dit « élément radiateur », destiné à être relié électriquement à une source ou à un récepteur radiofréquence, et au moins un élément antennaire passif alimenté par induction mutuelle, dit « élément parasite ». L’élément radiateur est une antenne à résonateur parasite comportant un monopole, un plan de masse et une cellule parasite placée dans le champ proche du monopole.
Une telle antenne se distingue des antennes de l’art antérieur par le fait que l’élément radiateur présente une nature différente des éléments parasites. L’élément radiateur présente en effet un comportement de dipôle magnétique tandis que les autres éléments du réseau se comportent comme des dipôles électriques. L’antenne selon l’invention est particulièrement performante en termes de directivité et d’efficacité de rayonnement tout en restant très compacte. En outre, la présence d’un plan de masse, qui n’est généralement pas recherchée dans ce type d’antenne, peut avantageusement permettre d’intégrer tout ou partie des modules électroniques d’un dispositif émetteur et/ou récepteur comportant une telle antenne.
Dans des modes particuliers de réalisation, l’invention peut comporter en outre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles. Dans des modes particuliers de réalisation, l’élément radiateur et ledit au moins un élément parasite du réseau sont formés dans un même plan. L’utilisation d’un réseau planaire permet de limiter l’encombrement de l’antenne.
Dans des modes particuliers de réalisation, le réseau comporte au moins un élément parasite de type réflecteur et au moins un élément parasite de type directeur. Un élément réflecteur et un élément directeur sont alignés avec l’élément radiateur, de part et d’autre de l’élément radiateur, selon un axe du réseau correspondant à une direction dans laquelle le gain de l’antenne est maximal. La présence d’au moins un élément réflecteur et au moins un élément directeur permet d’améliorer les performances de l’antenne en termes de directivité.
Dans des modes particuliers de réalisation, l’antenne comporte trois éléments parasites dont un élément réflecteur et deux éléments directeurs, chaque élément parasite étant formé par un dipôle électrique replié sous forme de méandres. Le fait de replier les branches des dipôles électriques sous la forme de méandres permet de limiter les dimensions de l’antenne.
Dans des modes particuliers de réalisation, le monopole est destiné à être relié électriquement à la source ou au récepteur radiofréquence, et la cellule parasite de l’élément radiateur prend la forme d’une boucle ouverte.
Dans des modes particuliers de réalisation, la fréquence de travail de l’antenne est inférieure à un gigahertz, le réseau d’éléments présente une longueur inférieure à vingt centimètres et une largeur inférieure à dix centimètres, et l’antenne présente une valeur maximale de directivité supérieure à 8 dBi et une efficacité de rayonnement supérieure à -3 dB.
Dans des modes particuliers de réalisation, le plan de masse de l’élément radiateur comporte des pistes électriques pour un circuit électronique d’un dispositif d’émission ou de réception, lesdites pistes électriques étant gravées au sein du plan du masse. Le fait d’intégrer l’électronique du dispositif d’émission ou de réception sur le plan de masse permet de limiter les dimensions dudit dispositif.
Selon un deuxième aspect, la présente invention concerne un dispositif émetteur ou récepteur comportant une antenne directive selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents.
Dans des modes particuliers de réalisation, le dispositif émetteur ou récepteur comporte en outre un circuit électronique positionné en regard du plan de masse de l’élément radiateur de l’antenne.
Un tel circuit électronique correspond à un ensemble de composants électroniques d’au moins un module électronique du dispositif de réception. Les différents composants électroniques sont généralement interconnectés à l'aide d'un circuit imprimé sur une carte de circuit imprimé (PCB, pour « Printed Circuit Board » en anglais.
Présentation des figures
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemple nullement limitatif, et faite en se référant aux figures 1 à 8 qui représentent :
[Fig. 1 ] : une représentation schématique d’une première face d’une carte de circuit imprimé sur laquelle est réalisée un mode particulier de réalisation d’une antenne selon l’invention,
[Fig. 2] : une représentation schématique de l’autre face de la carte de circuit imprimé représentée à la figure 1 ,
[Fig. 3] : un mode particulier de réalisation de la cellule parasite de l’élément radiateur de l’antenne selon l’invention,
[Fig. 4] : un autre mode particulier de réalisation de la cellule parasite,
[Fig. 5] : un autre mode particulier de réalisation de la cellule parasite,
[Fig. 6] : un autre mode particulier de réalisation de la cellule parasite,
[Fig. 7] : un diagramme de rayonnement de l’antenne selon l’invention pour un mode particulier de réalisation,
[Fig. 8] : un diagramme de rayonnement de l’antenne selon l’invention pour un autre mode particulier de réalisation,
[Fig. 9] : une représentation détaillée du plan de masse de l’élément radiateur de l’antenne selon un mode particulier de réalisation.
Dans ces figures, des références identiques d’une figure à une autre désignent des éléments identiques ou analogues. Pour des raisons de clarté, les éléments représentés ne sont pas nécessairement à une même échelle, sauf mention contraire.
Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention
La figure 1 représente schématiquement un mode particulier de réalisation d’une antenne 10 selon l’invention.
Tel qu’illustré sur la figure 1 , dans l’exemple considéré l’antenne 10 comporte un réseau 12 de quatre éléments antennaires unitaires. Le réseau 12 est un réseau planaire. Autrement dit, tous les éléments antennaires formant le réseau 12 sont disposés dans un même plan. Cela permet de limiter le volume occupé par l’antenne 10, et par conséquent de limiter les dimensions du dispositif récepteur qui embarque l’antenne 10. Par exemple, les différents éléments antennaires sont disposés sur une carte 1 1 de circuit imprimé (PCB pour « Printed Circuit Board » dans la littérature anglo-saxonne).
Lorsque l’antenne 10 fonctionne en émission, l’un des éléments, dit « élément radiateur 20 » est alimenté électriquement par une source RF, c'est- à-dire par un courant électrique oscillant à la fréquence d’une onde radioélectrique. On entend par « onde radioélectrique », une onde électromagnétique dont la fréquence varie de quelques Hertz (Hz) à plusieurs centaines de Gigahertz (GHz). Ce courant est par exemple véhiculé entre la source et l’antenne par un câble d’alimentation (par exemple un câble coaxial). La source RF et le câble d’alimentation ne sont pas représentés sur les figures. Lorsque l’antenne 10 fonctionne en réception, l’élément radiateur 20 est connecté électriquement à un récepteur RF. Le courant électrique induit par le champ électromagnétique observé au niveau de l’élément radiateur 20 peut ainsi être converti en signal électrique puis amplifié au niveau du récepteur RF. La encore, la connexion entre l’antenne 10 et le récepteur RF peut être réalisée, de manière conventionnelle, par un câble coaxial.
Les trois autres éléments, dit « éléments parasites 30 » ne sont pas alimentés électriquement. Il s’agit d’éléments passifs alimentés par couplage par induction mutuelle. Ce type de réseau 12 dans lequel un seul élément est alimenté électriquement permet de limiter l’encombrement de l’antenne 10 car il n’y a pas besoin de réaliser un réseau d’alimentation électrique complexe des différents éléments. L’élément radiateur 20 et les trois éléments parasites 30 sont alignés selon une direction 13 dans laquelle le gain de l’antenne 10 est maximal. L’un des éléments parasites 30 joue le rôle d’un « élément réflecteur 31 », tandis que les deux autres éléments parasites 30 jouent le rôle d’ « éléments directeurs 32 ».
Un élément réflecteur 31 est disposé par rapport à l’élément radiateur 20 à l’opposé de la direction 13 de gain maximal de l’antenne 10. Un élément directeur 32 est disposé par rapport à l’élément radiateur 20 dans la direction 13 de gain maximal de l’antenne 10. Autrement dit, un élément réflecteur 31 et un élément directeur 32 sont disposés de part et d’autre de l’élément radiateur 20.
Lorsque l’antenne 10 fonctionne en émission, le courant électrique qui circule dans l'élément radiateur 20 produit par rayonnement un champ électromagnétique qui induit des courants dans les autres éléments. Le courant induit dans les éléments parasites 30 produit à son tour d'autres champs électromagnétiques qui induisent du courant dans les autres éléments (aussi bien dans les éléments parasites 30 que dans l’élément radiateur 20). Finalement le courant qui circule dans chaque élément est le résultat de l'interaction entre tous les éléments. Il dépend des positions et des dimensions de chaque élément. Ainsi, le champ électromagnétique rayonné par l'antenne 10 dans une direction donnée est la somme des champs électromagnétiques rayonnés par chacun des éléments du réseau 12. Chaque élément présente une amplitude et une phase du courant différentes. On peut ainsi observer des additions constructives ou destructives des champs électromagnétiques en fonction du déphasage propre à chaque élément. Un élément directeur 32 qui est placé vers l’avant de l’antenne 10 renforce le champ électromagnétique dans la direction 13 (c'est-à-dire dans la direction élément radiateur 20 vers élément directeur 32). Un élément réflecteur 31 qui est placé vers l’arrière de l’antenne 10 réfléchit le champ électromagnétique pour le renforcer dans la direction 13 (c'est-à-dire dans la direction élément réflecteur 31 vers élément radiateur 20). Les positions et les dimensions des éléments du réseau 12 sont calculées de sorte que les phases des courants résultants sont telles que l'addition des champs électromagnétiques est minimale vers l'arrière et maximale vers l'avant.
Lorsque l’antenne 10 fonctionne en réception, la phase et l'amplitude des courants induits dans les éléments est telle que le courant induit dans l'élément radiateur 20 relié au récepteur RF est minimale pour les ondes venant de l'arrière et maximale pour les ondes venant de l'avant par rapport à la direction 13.
Dans l’exemple considéré, les éléments parasites 30 sont des dipôles électriques formés par des rubans métalliques imprimés sur la carte 1 1 de circuit imprimé. Tel qu’illustré sur la figure 1 , pour limiter les dimensions de l’antenne, chaque dipôle électrique est replié en forme de méandres. Chaque dipôle comporte deux branches 33. Les deux branches 33 d’un dipôle sont symétriques l’une avec l’autre par rapport à un axe suivant la direction 13 de gain maximal de l’antenne 10 et passant par le milieu de la carte 1 1 de circuit imprimé sur laquelle est fabriquée l’antenne 10. Pour chaque dipôle électrique, les deux branches 33 peuvent être séparées par un circuit de déphasage 34 comportant des composants résistif, capacitif et/ou inductif permettant d’optimiser les performances de directivité de l’antenne 10. Les circuits de déphasage 34 permettent notamment d’introduire au niveau de chaque élément parasite 30 le déphasage nécessaire pour optimiser la directivité de l’antenne 10.
La figure 1 représente une face de la carte 1 1 de circuit imprimé sur laquelle sont disposés les différents éléments de l’antenne 10. La figure 2 représente l’autre face de la carte 1 1 de circuit imprimé.
Tel qu’illustré sur les figures 1 et 2, l’élément radiateur 20 est une antenne à résonateur parasite comportant un monopole 21 , un plan de masse 22 et une cellule parasite 23 placée dans le champ proche du monopole 21.
Dans l’exemple considéré, le plan de masse 22 comporte deux couches superposées, chaque couche étant respectivement disposée sur une face de la carte 1 1 de circuit imprimé. Les deux couches du plan de masse 22 sont ainsi en regard l’une de l’autre. Les deux couches du plan de masse 22 sont par exemple reliées électriquement l’une à l’autre par une multitude de vias 24. On entend par « via » un trou métallisé dans la carte 11 de circuit imprimé qui permet d’établir une liaison électrique entre les deux faces de ladite carte 11. Il convient de noter que rien n’empêche d’utiliser un plan de masse 22 qui ne comporte qu’une seule couche disposée sur l’une seulement des faces de la carte 11 de circuit imprimé. Le plan de masse 22 est réalisé en un matériau électriquement conducteur, par exemple en métal.
Dans le mode de réalisation décrit en référence à la figure 1 , le plan de masse 22 présente une forme rectangulaire. Bien évidemment, le plan de masse 22 peut être un conducteur électrique plan prenant une autre forme, et le choix d’une forme particulière du plan de masse 22 ne représente que des variantes de l’invention.
Le monopole 21 est formé par un ruban métallique imprimé sur la face de la carte 1 1 de circuit imprimé opposée à la face sur laquelle sont imprimés les dipôles électriques des éléments parasites 30. La source RF (pour une antenne en émission) et/ou le récepteur RF (pour une antenne en réception) est (sont) relié(s) électriquement d’une part au monopole 21 par un premier câble d’alimentation (pôle positif) et d’autre part au plan de masse 22 par un deuxième câble d’alimentation (pôle négatif). Un câble coaxial peut par exemple être utilisé pour le câble d’alimentation. Il convient de noter que la partie du monopole 21 qui apparaît superposée au plan de masse 22 sur la figure 2 est en réalité légèrement surélevée par rapport au plan de masse 22, autrement dit le monopole 21 n’est pas directement en contact avec le plan de masse 22.
Un circuit d’adaptation en impédance peut être ajouté, par exemple au niveau de la connexion du monopole 21 avec la source ou le récepteur RF.
La cellule parasite 23 est formée par un ruban imprimé sous la forme d’une boucle ouverte. On entend par « boucle ouverte » que le ruban forme une boucle, mais que les deux extrémités du ruban ne se touchent pas. Autrement dit, une ouverture est ménagée dans la boucle. Dans l’exemple considéré et illustré sur la figure 1 , la boucle prend la forme d’un rectangle. Il convient cependant de noter que d’autres formes sont envisageables pour la cellule parasite 23. Notamment, et tel qu’illustré aux figures 3 à 5, la boucle peut aussi prendre la forme d’un anneau ovale (voir la figure 3), la forme de la lettre D (voir la figure 4), ou bien la forme d’un demi-cercle ou d’un demi-ovale avec une portion rectiligne pour fermer partiellement le demi-cercle ou le demi- ovale (voir la figure 5). Dans tous les cas, il convient de ménager une ouverture dans la boucle.
Dans des modes particuliers de réalisation, il est possible de réduire la taille de la cellule parasite 23 en connectant les extrémités libres du ruban métallique formant la boucle de ladite cellule parasite 23 aux électrodes d’un condensateur.
Dans des modes particuliers de réalisation, et tel qu’illustré sur la figure 6, la cellule parasite 23 prend la forme d’un résonnateur en Z plutôt que la forme d’une boucle ouverte.
Ainsi, l’élément radiateur 20 correspond à un résonateur NFRP (acronyme anglais de « Near-Field Résonant Parasitic ») utilisant une boucle capacitive (antenne NFRP de type CLL, acronyme anglais de « Capacitively Loaded Loop »). La cellule parasite 23 est placée dans le champ proche du monopole 21. Le monopole 21 présente un comportement capacitif et est indirectement adapté par la cellule parasite 23 qui présente quant à elle un comportement inductif. On obtient ainsi un circuit résonnant de type LC, par un phénomène de couplage par ondes évanescentes en champ proche entre le monopole 21 et la cellule parasite 23, ce qui résulte en la propagation d’une onde en champ lointain.
Un tel élément radiateur 20 a pour avantage d’une part de présenter un diagramme de rayonnement unitaire orienté dans l’axe du réseau 12 de l’antenne 10, c'est-à-dire dans la direction 13 dans laquelle on souhaite obtenir le maximum de gain (ce qui contribue à la bonne directivité de l’antenne 10 dans cette direction 13), et d’autre part de comporter un plan de masse 22 (l’avantage lié à la présence du plan de masse 22 sera traité ultérieurement dans la description).
Il convient de noter également que l’utilisation d’un tel élément radiateur 20, différent des éléments parasites 30, permet d’obtenir de très bonnes performances non seulement en termes de directivité, mais aussi en termes d’efficacité de rayonnement. En effet, dans l’exemple considéré, l’antenne 10 présente une directivité supérieure à 8 dBi et une efficacité de rendement supérieure à -3 dB, ce qui signifie que plus de 50% de la puissance injectée dans l’antenne 10 est rayonnée par l’antenne 10. A titre de comparaison, une antenne similaire pour laquelle l’élément radiateur 20 serait formé par un dipôle électrique identique aux éléments parasites 30 présente une directivité à peine meilleure de l’ordre de 9 dBi, mais une efficacité de rayonnement inférieure à -15 dBi, ce qui signifie que moins de 5% de la puissance injectée dans l’antenne est rayonnée.
Dans l’exemple considéré, le monopole 21 est disposé sur la face de la carte 11 de circuit imprimé opposée à la face sur laquelle est disposée la cellule parasite 23. Rien n’empêche cependant que le monopole 21 et la cellule parasite 23 soient disposés sur la même face de la carte 11 de circuit imprimé. Ainsi, dans des modes particuliers de réalisation, tous les éléments du réseau 12 de l’antenne 10 peuvent être disposés sur une même face d’une carte de circuit imprimé. Lorsque le monopole 21 et la cellule parasite 23 sont chacun disposés sur une face différente de la carte 1 1 de circuit imprimé, tel que représenté sur les figures 1 et 2, le couplage entre ces deux éléments est principalement de nature électrique. Lorsque le monopole 21 et la cellule parasite 23 sont disposés sur la même face d’une carte de circuit imprimé, le couplage entre ces deux éléments est principalement de nature magnétique. Il est avantageux, en termes d’encombrement, que le monopole 21 et la cellule parasite 23 soient chacun disposés sur une face différente de la carte 1 1 de circuit imprimé, car ils peuvent alors être superposés, tel que représenté sur les figures 1 et 2.
Dans la suite de la description, on se place à titre d’exemple et de manière non limitative dans le cas où l’antenne 10 décrite précédemment en référence aux figures 1 et 2 est une antenne 10 pour un dispositif de réception utilisé pour géolocaliser des objets connectés émettant des signaux radioélectriques.
Dans l’exemple considéré, la fréquence de travail est à 869,5 MHz, et le dispositif de réception doit présenter des dimensions suffisamment petites pour que le dispositif de réception tienne dans la main d’un utilisateur, à la manière par exemple d’une télécommande d’un téléviseur. Les objets connectés recherchés émettent de manière récurrente des signaux radioélectriques à la fréquence de travail, et l’utilisateur peut se déplacer et pointer le dispositif de réception dans les différentes directions de l’espace pour tenter de détecter un signal émis par un objet. Il convient donc que l’antenne présente une forte directivité pour détecter avec précision la direction dans laquelle se trouve un objet détecté, ainsi qu’une bonne efficacité de rayonnement pour augmenter la distance de détection d’un objet par le dispositif de réception.
Dans l’exemple considéré, la carte 1 1 de circuit imprimé sur laquelle est réalisée l’antenne 10 a une longueur de 165 mm et une largeur de 50 mm. La carte 1 1 est réalisée dans un matériau diélectrique de type Rogers RO4350B. Il s’agit d’un substrat en céramique renforcée par de la fibre de verre tissée présentant une permittivité diélectrique e=3.48. Les différents éléments rayonnants (monopole 21 et cellule parasite 23 de l’élément radiateur 20, éléments parasites 30) et les deux couches du plan de masse 22 sont imprimés sur la carte 1 1 de circuit imprimé sous la forme d’une couche de cuivre de 18 pm d’épaisseur. Pour chaque élément parasite 30, chaque branche du dipôle électrique a une longueur totale de 96 mm et une largeur de 2 mm. Pour l’élément radiateur 20, le monopole 21 a une longueur de 1 1 mm et une largeur de 1 mm. Chaque couche du plan de masse 22 est un rectangle de longueur 48 mm et de largeur 18 mm. La boucle de la cellule parasite 23 est formée par un ruban de 2 mm de large dessinant un rectangle de 47 mm de longueur et de 18 mm de largeur.
Dans le but de maximiser la directivité de l’antenne 10, la distance inter-éléments a été soigneusement étudiée de sorte à obtenir le meilleur compromis possible entre encombrement et couplage. Cette distance est particulièrement faible relativement à la distance inter-élément généralement observée dans un réseau conventionnel (où elle est typiquement de l’ordre d’une demi longueur d’onde à la fréquence de travail). Cette faible distance est nécessaire pour obtenir le comportement « super-directif ». En effet, plus les éléments du réseau 12 sont proches les uns des autres et plus on tend vers une directivité théorique de l’antenne 10 de l’ordre de N2, où N est le nombre d’éléments dans le réseau 12. Il faut toutefois noter que plus la distance inter éléments est petite, et plus le couplage entre les éléments est augmenté, ce qui a un effet négatif sur l’efficacité du réseau 12. Il faut donc parvenir à un compromis acceptable entre directivité et efficacité. Une fois la géométrie de l’antenne 10 figée, celle-ci a été simulée, de manière conventionnelle, avec un logiciel de simulation électromagnétique pour obtenir les diagrammes de rayonnement unitaires et les paramètres S du réseau 12 (de l’anglais « Scattering parameters », il s’agit des coefficients de répartition pour décrire le comportement électrique d’un élément antennaire en fonction de signaux d’entrée). Les diagrammes de rayonnement et les paramètres S ont ensuite été traités par un algorithme pour déterminer le poids complexe à appliquer à chaque élément parasite 30 pour optimiser la directivité de l’antenne 10 dans une direction donnée. Une approche de type « ajustement de courbe » (ou « curve fitting » en anglais) a été utilisée, dans laquelle on cherche à minimiser la différence, au sens des moindres carrés, entre un gabarit idéal et le diagramme effectivement obtenu en appliquant les poids complexes. Le diagramme de rayonnement de l’antenne 10 obtenu est une combinaison linéaire des différents diagrammes unitaires. Il s’agit de la somme des diagrammes unitaires des différents éléments antennaires du réseau 12 pondérés respectivement par leur poids complexe.
Il reste ensuite à convertir les poids complexes en résistances et/ou réactances qui vont venir s’insérer entre les branches des dipôles électriques correspondant aux éléments parasites 30 (il s’agit là de déterminer les composants électroniques qui doivent former les circuits de déphasage 34). Ceci est réalisé en étudiant les paramètres S de chaque élément parasite 30. Le poids complexe d’un élément parasite 30 est normalisé par rapport au poids complexe de l’élément radiateur 20, puis on cherche pour chaque élément parasite 30 le coefficient de réflexion qui va satisfaire les exigences en termes de directivité. En découle des calculs matriciels qui peuvent être effectués, de manière connue pour l’homme du métier, avec un logiciel de type Matlab.
Ces calculs de simulation permettent de définir les composants des circuits de déphasage 34 des éléments parasites 30 de l’antenne 10.
La figure 7 représente schématiquement un diagramme de rayonnement à 869,5 MHz de l’antenne 10 précédemment décrite en référence aux figures 1 et 2 lorsque le circuit de déphasage 34 de l’élément directeur 32 le plus éloigné de l’élément radiateur 20 consiste en un condensateur C2 de valeur 15 pF, le circuit de déphasage 34 de l’élément directeur 32 le plus proche de l’élément radiateur 20 consiste en un condensateur C3 de valeur 10 pF, et le circuit de déphasage 34 de l’élément réflecteur 31 consiste en un condensateur C4 de valeur 8,2 pF. La directivité de l’antenne 10 est représentée par la courbe 41. La directivité dans la direction 13 prend une valeur satisfaisante, supérieure à 8 dBi. Cependant, le rapport avant/arrière n’est pas optimal dans la mesure où un lobe secondaire relativement important existe dans la direction opposée à la direction 13 du lobe principale. On entend par rapport avant/arrière le rapport entre la directivité dans la direction 13 vers l’avant de l’antenne 10 et la directivité dans la direction opposée vers l’arrière de l’antenne 10.
Une étude paramétrique avec le logiciel de simulation électromagnétique a montré qu’en prenant une valeur de 8.2 pF pour le condensateur C3 du circuit de déphasage 34 de l’élément directeur 32 le plus proche de l’élément radiateur 20, il est possible d’augmenter le rapport avant/arrière d’une dizaine de dB sans dégrader significativement la directivité de l’antenne 10 (celle-ci passant de 8.75 dBi à 8.25 dBi). Dans l’exemple considéré, le rapport avant/arrière est supérieur à 20 dB. Dans l’application considéré, il est avantageux d’avoir un bon rapport avant/arrière pour discriminer avec suffisamment de certitude la direction d’arrivée d’un signal émis par un objet que l’on cherche à localiser. Le diagramme de rayonnement correspondant est représenté à la figure 8. La directivité de l’antenne 10 est représentée par la courbe 42 sur ce diagramme.
Dans l’exemple considéré, les condensateurs C2, C3 et C4 sont des condensateurs en céramique montés en surface (composants de type CMS pour « Composant Monté en Surface », ou SMD pour « Surface Mounted Device » en anglais).
La présence d’un plan de masse 22 est particulièrement avantageuse pour réduire les dimensions du dispositif de réception dans la mesure où les composants électroniques permettant de réaliser les différents modules électroniques du dispositif (amplification, filtrage, conversion analogique/numérique, alimentation électrique, etc.) peuvent être embarqués soit directement sur le plan de masse 22, soit sur une autre carte de circuit imprimé positionnée en regard du plan de masse 22. La figure 9 représente schématiquement une couche du plan de masse 22 de l’élément radiateur 20 de l’antenne 10. Tel qu’illustré sur la figure
9, des « trous », c’est-à-dire des zones 25 sans cuivre sont prévues au sein du plan de masse 22. Dans chaque zone 25 sans cuivre, des pistes 26 et des pastilles 27 de circuit électrique en cuivre sont imprimées par sérigraphie, de manière conventionnelle, sur la carte 1 1 de circuit imprimé sur laquelle l’antenne 10 est réalisée. Les pistes 26 forment un cheminement de cuivre réalisant l’interconnexion électrique entre les composants électroniques qui seront soudés au niveau des pastilles 27.
De préférence, la plus grande dimension d’une zone 25 sans cuivre est négligeable devant la longueur d’onde de la fréquence de travail de l’antenne 10, par exemple la plus grande dimension d’une zone 25 sans cuivre n’excède pas un dixième de la longueur d’onde de la fréquence de travail de l’antenne 10. De telles dispositions permettent de garantir que le plan de masse 22 joue correctement son rôle au sein de l’élément radiateur 20 même si une partie du plan de masse 22 est utilisée pour accueillir des composants électroniques du dispositif de réception.
Dans l’exemple considéré, le plan de masse 22 comporte deux couches de cuivre (une couche sur chaque face de la carte 11 de circuit imprimé sur laquelle est réalisée l’antenne 10) reliées par des vias. Seule une couche du plan de masse 22 est représentée sur la figure 9. Des composants électroniques peuvent être disposés sur l’une des deux couches, ou bien sur les deux couches du plan de masse 22. Rien n’empêche non plus, comme indiqué précédemment, que le plan de masse 22 ne comporte qu’une couche.
Alternativement, ou en complément, des composants électroniques du dispositif de réception peuvent être disposés sur une autre carte de circuit imprimé que la carte 1 1 de circuit imprimé sur laquelle est réalisée l’antenne
10. Dans un tel cas, la carte de circuit imprimé sur laquelle sont disposés des composants électroniques du dispositif de réception peut avantageusement être positionnée en regard du plan de masse 22, à une faible distance du plan de masse 22, par exemple à quelques millimètres seulement. Avec de telles dispositions, le plan de masse 22 permet avantageusement de faire écran à d’éventuelles perturbations électromagnétiques engendrées par les composants électroniques du dispositif de réception. De telles perturbations électromagnétiques seraient en effet susceptibles de perturber le fonctionnement de l’antenne 10.
La description ci-avant illustre clairement que, par ses différentes caractéristiques et leurs avantages, la présente invention atteint les objectifs fixés. En particulier, l’antenne 10 présente de très bonnes performances à la fois en termes de directivité, d’efficacité de rayonnement et de compacité. L’antenne selon l’invention présente en outre la possibilité d’intégrer les composants électroniques du dispositif de réception soit directement sur le plan de masse 22 de l’antenne 10, soit sur une carte de circuit imprimé positionnée en regard et à proximité du plan de masse 22 de l’antenne 10. Ceci contribue à limiter les dimensions du dispositif de réception, tout en évitant de perturber les performances de l’antenne.
L’invention a été décrite en considérant une antenne 10 pour un dispositif de réception ayant pour objectif de localiser des objets connectés émettant des signaux radioélectriques. Rien n’exclut cependant, suivant d’autres exemples, de considérer d’autres applications. Notamment, l’antenne 10 peut tout à fait être adaptée à un dispositif émetteur, ou à un dispositif émetteur-récepteur.
De manière générale, il est à noter que les modes de réalisation considérés ci-dessus ont été décrits à titre d’exemples non limitatifs, et que d’autres variantes sont par conséquent envisageables.
Notamment, d’autres choix peuvent être considérés pour le nombre, la forme et les dimensions des éléments parasites 30 pour une antenne 10 selon l’invention. Il en va de même du nombre d’éléments directeurs et du nombre d’éléments réflecteurs. En particulier, rien n’empêche d’avoir des éléments parasites 30 de différentes tailles, par exemple des éléments directeurs 32 plus courts que le ou les éléments réflecteurs 31.
Aussi, rien n’empêche d’avoir une antenne 10 dont le réseau 12 n’est pas planaire, c’est-à-dire dont les éléments ne sont pas formés dans un même plan. L’encombrement de l’antenne 10 est néanmoins avantageusement réduit lorsque le réseau est planaire. L’antenne à résonateur parasite correspondant à l’élément radiateur 20 peut être réalisée de différentes façons. Notamment, et tel qu’indiqué précédemment, la cellule parasite 23 peut prendre différentes formes, le plan de masse 22 peut ne présenter qu’une seule couche au lieu de deux, etc. Ces différents choix ne représentent que des variantes de l’invention.
Aussi, d’autres choix de matériaux peuvent être faits pour la carte 1 1 de circuit imprimé, les éléments rayonnants de l’antenne 10, les composants des circuits de déphasage 34, etc. sans pour autant sortir de la portée de l’invention.
Dans l’exemple considéré, le réseau 12 d’éléments de l’antenne 10 présente une longueur inférieure à 200 mm et une largeur inférieure à 100 mm (voire même une longueur inférieure à 165 mm et une largeur inférieure à 50 mm) pour une fréquence de travail inférieure à 1 GHz (notamment, la fréquence de travail est de 869,5 MHz). L’antenne 10 présente une valeur maximale de directivité supérieure à 8 dBi et une efficacité de rayonnement supérieure à 50%. Dans des variantes de l’invention, une autre fréquence de travail, et d’autres dimensions de l’antenne 10 sont bien évidemment envisageables. Des valeurs différentes de directivité et d’efficacité de rayonnement pourraient alors être obtenues.

Claims

Revendications
1. Antenne (10) directive comportant un réseau (12) d’éléments antennaires unitaires, ledit réseau (12) comportant un élément antennaire actif, dit « élément radiateur (20) », destiné à être relié électriquement à une source ou à un récepteur radiofréquence, et au moins un élément antennaire passif alimenté par induction mutuelle, dit « élément parasite (30) », ledit élément radiateur (20) étant une antenne à résonateur parasite comportant un monopole (21 ), un plan de masse (22) et une cellule parasite (23) placée dans le champ proche du monopole (21 ), caractérisée en ce que ledit élément radiateur (20) et ledit au moins un élément parasite (30) du réseau
(12) sont formés dans un même plan.
2. Antenne (10) directive selon la revendication 1 dans laquelle le réseau (12) comporte au moins un élément parasite (30) de type réflecteur (31 ) et au moins un élément parasite (30) de type directeur (32), ledit au moins un élément réflecteur (31 ) et ledit au moins un élément directeur (32) étant alignés avec l’élément radiateur (20), de part et d’autre de l’élément radiateur (20), selon un axe du réseau (12) correspondant à une direction
(13) dans laquelle le gain de l’antenne (10) est maximal.
3. Antenne (10) directive selon la revendication 2 comportant trois éléments parasites (30) dont un élément réflecteur (31 ) et deux éléments directeurs (32), chaque élément parasite étant formé par un dipôle électrique replié sous forme de méandres.
4. Antenne (10) directive selon l’une des revendications 1 à 3 dans laquelle le monopole (21 ) est destiné à être relié électriquement à la source ou au récepteur radiofréquence et la cellule parasite (23) de l’élément radiateur (20) prend la forme d’une boucle ouverte.
5. Antenne (10) directive selon les revendications 3 et 4 caractérisée en ce que la fréquence de travail de l’antenne (10) est inférieure à un gigahertz, et le réseau (12) d’éléments présente une longueur inférieure à vingt centimètres et une largeur inférieure à dix centimètres.
6. Antenne (10) directive selon l’une des revendications 1 à 5 dans laquelle le plan de masse (22) de l’élément radiateur (20) comporte des pistes électriques pour un circuit électronique d’un dispositif d’émission ou de réception, lesdites pistes électriques étant gravées au sein du plan de masse (22).
7. Dispositif émetteur ou récepteur comportant une antenne (10) directive selon l’une des revendications 1 à 6.
8. Dispositif émetteur ou récepteur comportant une antenne (10) directive selon l’une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu’un circuit électronique dudit dispositif est positionné en regard du plan de masse (22) de l’élément radiateur (20) de l’antenne (10).
PCT/EP2020/057049 2019-03-19 2020-03-16 Antenne directive compacte, dispositif comportant une telle antenne WO2020187821A1 (fr)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ES20710525T ES2966228T3 (es) 2019-03-19 2020-03-16 Antena directiva compacta, dispositivo que comprende dicha antena
US17/431,417 US20220336949A1 (en) 2019-03-19 2020-03-16 Compact directional antenna, device comprising such an antenna
EP20710525.5A EP3942649B1 (fr) 2019-03-19 2020-03-16 Antenne directive compacte, dispositif comportant une telle antenne

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1902798A FR3094142B1 (fr) 2019-03-19 2019-03-19 antenne directive compacte, dispositif comportant une telle antenne
FRFR1902798 2019-03-19

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020187821A1 true WO2020187821A1 (fr) 2020-09-24

Family

ID=67956890

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2020/057049 WO2020187821A1 (fr) 2019-03-19 2020-03-16 Antenne directive compacte, dispositif comportant une telle antenne

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20220336949A1 (fr)
EP (1) EP3942649B1 (fr)
ES (1) ES2966228T3 (fr)
FR (1) FR3094142B1 (fr)
WO (1) WO2020187821A1 (fr)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015220738A (ja) * 2014-05-21 2015-12-07 株式会社日本自動車部品総合研究所 アンテナ装置
WO2018021353A1 (fr) * 2016-07-26 2018-02-01 株式会社村田製作所 Antenne et module sans fil
US20190044239A1 (en) * 2016-04-15 2019-02-07 AGC Inc. Antenna

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6839038B2 (en) * 2002-06-17 2005-01-04 Lockheed Martin Corporation Dual-band directional/omnidirectional antenna
US20110063181A1 (en) * 2009-09-16 2011-03-17 Michael Clyde Walker Passive repeater for wireless communications
KR20130090770A (ko) * 2010-06-09 2013-08-14 갈트로닉스 코포레이션 리미티드 절연 특성을 가진 지향성 안테나
US10116063B2 (en) * 2016-05-13 2018-10-30 Laird Technologies, Inc. Internally fed directional folded yagi antenna assemblies
JP6927293B2 (ja) * 2017-04-27 2021-08-25 Ａｇｃ株式会社 アンテナ及びｍｉｍｏアンテナ
KR102573221B1 (ko) * 2018-10-25 2023-08-31 현대자동차주식회사 안테나 및 이를 포함하는 차량

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015220738A (ja) * 2014-05-21 2015-12-07 株式会社日本自動車部品総合研究所 アンテナ装置
US20190044239A1 (en) * 2016-04-15 2019-02-07 AGC Inc. Antenna
WO2018021353A1 (fr) * 2016-07-26 2018-02-01 株式会社村田製作所 Antenne et module sans fil

Also Published As

Publication number Publication date
EP3942649C0 (fr) 2023-09-27
EP3942649B1 (fr) 2023-09-27
ES2966228T3 (es) 2024-04-19
FR3094142B1 (fr) 2022-04-01
FR3094142A1 (fr) 2020-09-25
US20220336949A1 (en) 2022-10-20
EP3942649A1 (fr) 2022-01-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0575211B1 (fr) Motif élémentaire d'antenne à large bande passante et antenne-réseau le comportant
EP3669422B1 (fr) Antenne plaquée présentant deux modes de rayonnement différents à deux fréquences de travail distinctes, dispositif utilisant une telle antenne
EP0924797B1 (fr) Antenne multifréquence réalisée selon la technique des microrubans, et dispositif incluant cette antenne
EP2047558B1 (fr) Antenne isotrope et capteur de mesure associe
EP1407512B1 (fr) Antenne
EP1145379B1 (fr) Antenne pourvue d'un assemblage de materiaux filtrant
CA2254263A1 (fr) Antenne a court-circuit realisee selon la technique des microrubans et dispositif incluant cette antenne
FR2778272A1 (fr) Dispositif de radiocommunication et antenne bifrequence realisee selon la technique des microrubans
WO2008065311A2 (fr) Antenne multi secteurs
EP3602689B1 (fr) Antenne electromagnetique
EP2921873B1 (fr) Émetteur-récepteur à polarisations circulaires pour l'imagerie par resonance magnetique
FR2751471A1 (fr) Dispositif rayonnant a large bande susceptible de plusieurs polarisations
EP3179557B1 (fr) Cellule rayonnante elementaire multi-bande
EP3175509B1 (fr) Antenne log-periodique a large bande de frequences
EP3942649B1 (fr) Antenne directive compacte, dispositif comportant une telle antenne
EP2432072B1 (fr) Symétriseur large bande sur circuit multicouche pour antenne réseau
FR2736212A1 (fr) Coupleur balun hyperfrequence integre, en particulier pour antenne dipole
EP3605734B1 (fr) Dispositif d'antenne comportant au moins deux antennes à même substrat de raccordement électrique
EP3671955B1 (fr) Antenne fil-plaque monopolaire pour connexion differentielle
EP3900113A1 (fr) Antenne microruban élémentaire et antenne réseau
EP3605730B1 (fr) Dispositif d'antenne à deux substrats plans différents et sécants
FR2980291A1 (fr) Identification electronique radiofrequence uhf en environnement metallique avec couche mediane a meandres d'adaptation d'impedance
Bizan Ultra Wideband Stacked Rectangular Dielectric Resonator Antenna
EP4167378A1 (fr) Dispositif d'antennes radiofrequences isolees
FR2721757A1 (fr) Antenne omnidirectionnelle en azimut et directive en site et répondeur maritime ainsi équipé.

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20710525

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2020710525

Country of ref document: EP

Effective date: 20211019