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CA 022~4263 1998-12-09
Antenne à court-circuit réalisée selon la technique des microrubans
et dispositif incluant cette antenne
La présente invention concerne les antennes réalisées selon la
technique des microrubans. Une telle antenne est typiquement utilisée dans un
domaine spectral incluant les radiofréquences et les hyperfréquences. Elle
comporte une pastille qui est typiquement constituée par gravure d'une couche
métallique. Elle est appelée en anglais par les spécialistes "microstrip patch
antenna" pour "antenne à pastille du type microruban".
La technique des microrubans est une technique planaire qui s'applique
10 à la fois à la réalisation de lignes transmettant des signaux et à celle d'antennes
réalisant un couplage entre de telles lignes et des ondes rayonnées. Elle utilise
des rubans et/ou pastilles conductrices formées sur la surface supérieure d'un
substrat diélectrique mince qui les sépare d'une couche de masse conductrice
s'étendant sur la surface inférieure de ce substrat. Une telle pastille est
15 typiquement plus large qu'un tel ruban et ses formes et dimensions constituent
des caractéristiques importantes de l'antenne. La forme du substrat est
typiquement celle d'une feuille plane rectangulaire d'épaisseur constante. Mais
cela n'est nullement une obligation. En particulier il est connu qu'une variation
de l'épaisseur du substrat selon une loi exponentielle permet d'élargir la bande20 passante d'une telle antenne et que la forme de la feuille peut s'écarter d'un
rectangle. Les lignes de champ électrique s'étendent entre le ruban ou la
pastille et la couche de masse en traversant le substrat. Cette technique se
distingue de diverses autres techniques utilisant elles aussi des éléments
conducteurs sur un substrat mince à savoir:
- celle des lignes triplaques qui est généralement connue sous
l'appellation anglaise "stripline" et dans laquelle un ruban est compris entre la
couche de masse inférieure et une couche de masse supérieure, cette dernière
devant dans le cas d'une antenne présenter une fente pour permettre un
couplage avec des ondes rayonnées,
- celle des lignes à fente dans laquelle le champ électrique s'établit
entre deux parties d'une couche conductrice formée sur la surface supérieure
du substrat et séparées l'une de l'autre par une fente, cette dernière devant,
dans le cas d'une antenne, déboucher typiquement sur un évidement plus large
facilitant un couplage avec des ondes rayonnées, par exemple en formant une
35 structure résonante, et
- celle des lignes coplanaires dans laquelle le champ électrique s'établit
sur la surface supérieure du substrat et d'une manière symétrique entre d'une
part un ruban conducteur central et d'autre part deux plages conductrices
situées de part et d'autre de ce ruban dont elles sont respectivement séparées
40 par deux fentes. Dans le cas d'une antenne, ce ruban se raccorde typiquement
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à une pastille plus large pour former une structure résonante permettant un
couplage avec les ondes rayonnées.
En ce qui concerne la réalisation des antennes, I'exposé sera parfois
limité ci-après dans un but de simplification au seul cas d'une antenne
émettrice raccordée à un émetteur. Mais il doit être compris que les dispositions
décrites pourraient aussi s'appliquer au cas d'antennes réceptrices raccordées àun récepteur. Dans le même but il sera admis que le substrat présente la forme
d'une feuille horizontale.
D'une manière d'abord schématique, une distinction peut être faite
entre deux types fondamentaux de structures résonantes pouvant être réalisées
selon la technique des microrubans. Un premier type peut être appelé "demi-
onde". L'antenne est alors dite "demi-onde" ou "électrique". Etant admis qu'une
dimension de sa pastille constitue une longueur et s'étend selon une direction
dite longitudinale, cette longueur est sensiblement égale à la moitié de la
longueur d'onde d'une onde électromagnétique se propageant dans cette
direction dans la ligne constituée par la masse, le substrat et la pastille. Le
couplage avec les ondes rayonnées se fait aux extrémités de cette longueur, ces
extrémités étant situées dans les régions où l'amplitude du champ électrique
régnant dans le substrat est maximale.
Un deuxième type de structure résonante pouvant être réalisée selon
cette même technique peut être appelé "quart d'onde". L'antenne est alors dite
"quart d'onde" ou "magnétique". Elle diffère d'une antenne demi-onde d'une
part par le fait que sa pastille a une longueur sensiblement égale au quart de
la longueur d'onde, cette longueur de la pastille et cette longueur d'onde étantdéfinies comme ci-dessus, d'autre part par le fait qu'un court-circuit importantest réalisé à une extrémité de cette longueur entre la masse et la pastille de
manière à imposer une résonance du type quart d'onde dont un noeud de
champ électrique est fixé par ce court-circuit. Le couplage avec les ondes
rayonnées se fait à l'autre extrémité de cette longueur, cette autre extrémité
étant située dans la région où l'amplitude du champ électrique à travers le
substrat est maximale.
Dans la pratique divers types de résonance peuvent s'établir dans de
telles antennes. Ces types dépendent notamment:
- de la configuration des pastilles, ces dernières pouvant notamment
présenter des fentes, éventuellement radiatives,
- de l'éventuelle présence et de la localisation de court-circuits ainsi que
des modèles électriques représentatifs de ces court-circuits, ces derniers n'étant
pas toujours assimilables, même approximativement, à des court-circuits
parfaits dont les impédances seraient nulles,
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-et des dispositifs de couplage qui ont été inclus dans ces antennes
pour permettre de coupler leurs structures résonantes à un organe de
traitement de signal tel qu'un émetteur, ainsi que de la localisation de ces
dispositifs.
De plus, pour une configuration d'antenne donnée, plusieurs modes de
résonance peuvent apparaître et permettre une utilisation de l'antenne à
plusieurs fréquences correspondant à ces modes.
Le couplage d'une telle antenne à un organe de traitement de signal tel
qu'un émetteur se fait typiquement par l'intermédiaire non seulement d'un
10 dispositif de couplage inclus dans cette antenne, mais aussi d'une ligne de
raccordement extérieure à cette antenne et raccordant le dispositif de couplage
à l'organe de traitement de signal. Si on considère une chaine fonctionnelle
globale incluant l'organe de traitement de signal, la ligne de raccordement, le
dispositif de couplage et la structure résonante, il convient que le dispositif de
15 couplage et la ligne de raccordement soient réalisés de manière que cette
chaine présente une impédance uniforme sur toute sa longueur, ce qui évite
des réflexions parasites s'opposant à un bon couplage.
Dans le cas d'une antenne émettrice à structure résonante les fonctions
respectives du dispositif de couplage, de la ligne de raccordement et de
20 I'antenne sont les suivantes: la fonction de la ligne de raccordement est de
transporter un signal de radiofréquence ou d'hyperfréquence de l'émetteur
jusqu'aux bornes de l'antenne. Tout au long d'une telle ligne le signal se
propage sous la forme d'une onde progressive sans subir, du moins en
principe, de modification notable de ses caractéristiques. La fonction du
25 dispositif de couplage est de transformer le signal fourni par la ligne de
raccordement de manière que ce signal excite une résonance de l'antenne, c'est
à dire que l'énergie de l'onde progressive portant ce signal soit transférée à une
onde stationnaire s'établissant dans l'antenne avec des caractéristiques définies
par cette dernière. Quant à l'antenne elle transfère l'énergie de cette onde
3û stationnaire à une onde rayonnée dans l'espace. Le signal fourni par l'émetteur
subit ainsi une première transformation pour passer de la forme d'une onde
progressive à celle d'une onde stationnaire, puis une deuxième transformation
qui lui donne la forme d'une onde rayonnée. Dans le cas d'une antenne
réceptrice le signal prend les mêmes formes dans les mêmes organes mais les
35 transformations se font dans l'ordre et dans le sens inverses.
Les lignes de raccordement peuvent être réalisées selon une technique
autre que planaire, par exemple sous la forme de lignes coaxiales.
Des antennes réalisées selon les techniques planaires sont incluses
dans divers types d'appareils. Ces appareils sont notamment des
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radiotéléphones portables, des stations de base pour ces derniers, des
automobiles et des avions ou des missiles aériens. Dans le cas d'un
radiotéléphone portable le caractère continu de la couche de masse inférieure
de cette antenne permet de limiter facilement la puissance de rayonnement
5 interceptée par le corps de l'utilisateur de l'appareil. Dans le cas des
automobiles et surtout dans celui des avions ou missiles dont la surface
extérieure est métallique et présente un profil incurvé permettant d'obtenir unefaible trainée aérodynamique, I'antenne peut être conformée à ce profil de
manière à ne pas faire apparaître de trainée aérodynamique supplémentaire
1 0 gênante.
La présente invention concerne plus particulièrement des antennes de
dimensions limitées du type quart d'onde.
Une première antenne quart d'onde réalisée selon la technique des
microrubans est connue par un article de T.D. Ormiston, P. Gardner, et P.S.
15 Hall "Microstrip Short-circuit Patch Design Equations", Microwave and Optical Technology Letters, vol. 16, N~ l, September 1997, page 12-14.
Sur la figure 1 de cet article le substrat et la masse de cette antenne ne
sont pas représentés mais la présence d'un substrat et d'une couche de masse
est implicite sous la pastille et le microruban représentés. Pour imposer une
20 résonance du type quart d'onde à cette antenne, un bord de sa pastille est muni
d'un court-circuit formé dans une couche conductrice s'étendant sur une surface
de tranche du substrat. Ce court-circuit est composite, c'est à dire qu'il est
constitué par deux conducteurs présentant la forme de bandes verticales. Ces
dernières s'étendent latéralement respectivement jusqu'aux deux extrémités de
25 la largeur de la pastille tout en laissant un intervalle axial libre entre elles.
Des moyens d'alimentation sont prévus par cet article pour permettre
d'alimenter l'antenne à partir d'un émetteur. Ils sont désignés par les termes
"microstrip feed", c'est à dire qu'ils sont réalisés selon la technique des
microrubans. Quoique cela ne soit nullement explicité dans cet article il est clair
30 que de tels moyens assurent les deux fonctions qui ont été précédemment
précisées pour le dispositif de couplage et la ligne de raccordement. De la
figure l de cet article il apparaît que la ligne de raccordement est une ligne àmicroruban de type classique. Un conducteur principal de cette ligne est un
ruban représenté situé dans le plan de la pastille. Un conducteur de masse de
35 cette ligne appartient à la couche de masse non représentée qui est commune
à cette ligne, au dispositif de couplage et à l'antenne.
Quant au dispositif de couplage, il présente la forme d'un ruban
longitudinal horizontal. Il est présenté comme appartenant à une ligne du type
microruban prolongeant le ruban de la ligne de raccordement. Ce ruban peut
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être appelé ruban de couplage. Il pénètre dans l'aire de la pastille à travers le
bord du court-circuit. Il s'étend ensuite dans cette aire à partir de ce bord entre
deux encoches et se raccorde à la pastille en un point de raccordement interne
de cette pastille c'est à dire en un point intérieur à cette aire. Ces deux encoches
sont prévues dans cet article pour permettre la pénétration du ruban de
couplage jusqu'au point de raccordement convenable. Elles correspondent aux
deux bords de l'intervalle axial du court-circuit.
Cette première antenne connue présente les inconvénients suivants:
Un premier inconvénient tient au fait que le ruban et la masse de la
10 ligne de raccordement sont situés dans le prolongement de la pastille et de la
masse de l'antenne, respectivement. Or, au moins dans certains appareils de
petites dimensions tels que certains radiotélëphones, les éléments constitutifs de
l'émetteur sont situés à l'intérieur de l'appareil incluant l'antenne alors que cette
dernière est située en surface de cet appareil, ces éléments étant typiquement
15 groupés sur une carte de circuit imprimé appelée "carte-mère". Il en résulte que
la ligne de raccordement décrite dans cet article ne peut suffire à assurer à elle
seule le raccordement de l'antenne à l'émetteur. Une ligne de raccordement
complémentaire doit être prévue et l'installation de deux telles lignes dans un tel
appareil accroît le coût de fabrication de ce dernier.
Un autre inconvénient de cette antenne est que son alimentation, ou
plus généralement son couplage à l'organe de traitement de signal, ne peut
être utilement obtenu que grâce à un ajustement précis de divers paramètres.
Ces paramètres sont notamment la largeur et la longueur des deux encoches
mentionnées ci-dessus et la largeur du ruban de couplage. Ils doivent être
25 ajustés pour donner une valeur convenable à l'impédance de l'antenne. Leurs
valeurs, et plus particulièrement celle de cette longueur, doivent être amenées
entre des limites de tolérances très proches les unes des autres et difficilement
prédéterminables. Dans le cas d'une fabricaticn industrielle de telles antennes
en série, cette difficulté d'ajustement peut accroitre les coûts de fabrication
30 d'une manière gênante.
Une deuxième antenne quart d'onde réalisée selon la technique des
microrubans est connue par le document de brevet WO 94/24723 (Wireless
Access, Inc). Sa pastille (316 sur la figure 3) présente une large fente
(rectangular ring 350) pour rendre son fonctionnement moins sensible à la
35 proximité de masses conductrices telles qu'un corps humain ou à celle de
circuits électriques tels que ceux d'un microordinateur. Son court-circuit (330)est partiel, c'est à dire qu'il est formé sur un segment seulement d'un bord de
cette pastille. Il est indiqué que ceci facilite une adaptation de l'impédance
d'entrée de l'antenne. La ligne de raccordement alimentant cette antenne est
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disposée verticalement sous le substrat. Elle est du type coaxial. Le dispositif de
couplage est constitué par un prolongement du conducteur central c'est à dire
du conducteur principal qui s'étend dans l'axe de cette ligne, ce prolongement
traversant le substrat pour venir se raccorder à la pastille. Quant au conducteur
5 de masse qui gaine cette ligne, il se raccorde directement à la masse de
l'antenne.
Cette deuxième antenne connue présente notamment l'inconvénient
que la réalisation d'un dispositif de couplage efficace par l'intermédiaire de la
partie terminale du conducteur central d'une ligne coaxiale se raccordant à la
10 pastille de l'antenne oblige à percer le substrat et présente des difficultés pratiques, notamment pour l'ajustement de la position du point de
raccordement. Ces difficultés accroissent le coût de la fabrication, surtout s'il
s'agit d'une fabrication en série.
La demande de brevet EP 0.795.926 décrit une antenne comportant:
-deux couches diélectriques parallèles, chacune présentant.une surface
inférieure, une surface supérieure et une surface de tranche,
-un plan conducteur de masse s'étendant sous la surface inférieure de
la couche diélectrique inférieure,
-une pastille conductrice s'étendant entre les deux couches de
20 diélectriques et comportant deux extrémités qui sont repliées sur la face
supérieure de la couche diélectrique supérieure, cette antenne s'apparentant à
une cavité rayonnant par deux ouvertures latérales;
-deux conducteurs de court-circuit s'étendant sur la surface de tranche
de la couche diélectrique inférieure et raccordant cette pastille à ce plan de
25 masse,
- et des conducteurs de raccordement pour transmettre un signal entre
cette antenne et un organe de traitement de signal.
Les conducteurs de raccordements comportent un premier guide
d'onde à ruban s'étendant sur la face supérieure de la couche diélectrique
30 inférieure, car il est découpé dans la pastille. Selon un premier mode de
réalisation, le premier guide à ruban est relié à un câble coaxial situé en
dessous du plan de masse, par une bande conductrice de largeur trés
inférieure à celle du premier guide, et s'étendant sur la tranche de la couche
diélectrique inférieure.
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Selon un second mode de réalisation, le câble coaxial est remplacé par
un second guide d'onde à ruban s'étendant dans le plan de masse, sur la
surface inférieure de la couche diélectrique inférieure, si elle est conçue comme
une plaquette de circuit imprimé.
Cette antenne présente l'inconvénient d'une discontinuité d'impédance
non négligeable, au niveau de la liaison entre le premier guide et le câble
coaxial ou le second guide à ruban.
La présente invention a notamment les buts suivants:
-faciliter la réalisation d'un couplage entre une antenne à court-circuit
1û du genre ci-dessus et un organe de traitement de signal tel qu'un émetteur
devant coopérer avec cette antenne, et
-limiter le coût de fabrication d'un dispositif de communication incluant
une telle antenne et un organe de traitement de signal, ceci en général, et plusparticulièrement dans le cas de la fabrication en série d'un tel dispositif.
Et dans ces buts elle a notamment pour objet une antenne réalisée
selon la technique des microrubans, cette antenne comportant:
-un substrat diélectrique présentant une surface inférieure, une surface
supérieure et une surface de tranche,
-un plan conducteur de masse s'étendant sur cette surface inférieure,
-une pastille conductrice s'étendant sur cette surface supérieure,
-deux conducteurs de court-circuit s'étendant sur cette surface de
tranche et raccordant cette pastille à cette masse conductrice, et
-des conducteurs de raccordement pour transmettre un signal entre
cette antenne et un organe de traitement de signal; cette antenne étant
25 caractérisée en ce que les conducteurs de raccordements comportent une ligne
dite coplanaire ayant un premier tronçon s'étendant sur la face supérieure du
substrat, et un second tronçon s'étendant sur la surface de tranche, et
prolongeant le premier tronçon sans discontinuité sensible d'impédance.
Divers aspects de la présente invention seront mieux compris avec
30 I'aide de la description ci-après et des figures schématiques ci-jointes. Lorsqu'un
même élément est représenté sur plusieurs de ces figures il y est désigné par les
mêmes chiffres et/ou lettres de référence.
La figure l représente une vue en pespective d'un dispositif de
communication incluant une première antenne réalisée selon cette invention.
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La figure 2 représente une vue de dessus de l'antenne de la figure l .
La figure 3 représente une vue de face de cette même antenne.
La figure 4 représente un diagramme de la variation d'un coefficient de
réflexion en décibels en entrée de cette même antenne en fonction de la
5 fréquence exprimée en MHz.
La figure 5 représente une vue partielle d'une deuxième antenne
réalisée selon cette invention, en coupe par un plan vertical axial.
La figure 6 représente une vue partielle en perspective de l'antenne de
la figure 5.
1 û De même que la première antenne connue précédemment
mentionnée, une antenne selon la présente invention comporte une structure
résonante constituée par les éléments suivants:
- Un substrat diélectrique 2 présentant deux surfaces principales
mutuellement opposées s'étendant selon des directions définies dans cette
15 antenne et constituant des directions horizontales DL et DT, ces directions
pouvant dépendre de la zone considérée de l'antenne. Ce substrat peut
présenter des formes diverses comme précédemment exposé. Ses deux surfaces
principales constituent respectivement une surface inférieure Sl et une surface
supérieure 52. Une autre direction est également définie dans cette antenne.
20 Elle forme un angle avec chacune de ces directions horizontales et constitue
une direction verticale DV. L'angle formé est typiquement un angle droit. Mais
cette direction verticale peut aussi faire des angles différents avec ces directions
horizontales et elle peut elle aussi dépendre de la zone considérée. Le substratprésente plusieurs surfaces de tranches, telles que la surface S3, qui relient
25 chacune un bord de la surface inférieure à un bord correspondant de la
surface supérieure et qui contiennent cette direction verticale.
- Une couche conductrice inférieure s'étendant sur cette surface
inférieure et constituant une masse 4 de cette antenne.
- Une couche conductrice supérieure s'étendant sur une aire de cette
30 surface supérieure au dessus de la masse 4 de manière à constituer une pastille
6 du type désigné mondialement par le mot anglais patch. Cette pastille a une
configuration spécifique à cette antenne. Elle a aussi une longueur et une
largeur s'étendant selon deux dites directions horizontales constituant une
direction longitudinale DL et une direction transversale DT, respectivement,
35 cette dernière direction étant parallèle à la surface de tranche S3. Quoique les
mots longueur et largeur s'appliquent usuellement aux deux dimensions
mutuellement perpendiculaires d'un objet rectangulaire, la longueur étant plus
grande que la largeur, il doit être compris que la pastille 6 pourrait s'écarterd'une telle forme sans sortir du cadre de cette invention. Plus particulièrement
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les directions DL et DT peuvent former un angle différent de 90 degrés, les
bords de cette pastille peuvent ne pas être rectilignes et sa dite longueur peutêtre plus courte que sa dite largeur. L'un de ces bords se situe à l'intersection de
la surface supérieure S2 et de la surface de tranche 53. Il s'étend donc selon la
direction transversale DT. Il constitue un bord arrière lO et définit selon la
direction longitudinale DL un sens vers l'arrière DB dirigé vers ce bord arrière et
un sens vers l'avant DF opposé à ce sens vers l'arrière.
- Enfin un court-circuit C2 raccordant électriquement la pastille 6 à la
masse 4. Ce court-circuit est formé dans la surface de tranche S3 qui est
10 typiquement plane et constitue alors un plan de court-circuit. Il impose à des
résonances de l'antenne d'être au moins approximativement du type quart
d'onde.
L'antenne comporte de plus un dispositif de couplage présentant plus
particulièrement la forme d'une ligne de couplage. Ce dispositif comporte d'une
15 part un conducteur principal constitué de deux tronçons Cl et C3 et raccordé à
la pastille 6 en un point de raccordement interne 18. Il comporte d'autre part
un conducteur de masse également composite qui coopére avec ce conducteur
principal et qui sera décrit plus loin. Il constitue tout ou partie d'un ensemble de
raccordement qui raccorde la structure résonante de l'antenne à un organe de
2û traitement de signal 8, par exemple pour exciter une ou plusieurs résonancesde l'antenne à partir de cet organe dans le cas où il s'agit d'une antenne
émettrice. En plus de ce dispositif l'ensemble de raccordement comporte,
typiquement, une ligne de raccordement telle que C4, C5, qui est externe à
l'antenne et qui comporte deux conducteurs. A une extrémité de cette ligne du
Z5 côté de l'antenne ces deux conducteurs sont connectés respectivement à deux
conducteurs de raccordement qui appartiennent au dispositif de couplage et
qui, peuvent être considérés comme constituant deux bornes de l'antenne. A
l'autre extrémité de cette ligne, les deux conducteurs de cette dernière sont
connectés respectivement à deux bornes de l'organe de traitement de signal.
30 Cette ligne peut notamment être du type coaxial, du type à microruban ou du
type coplanaire. Dans le cas où l'antenne considérée constitue une antenne
réceptrice, ce même ensemble transmet les signaux rec,us par cette antenne à
l'organe de traitement de signal. Les divers éléments de cet ensemble ont les
fonctions précédemment définies.
La présente invention a également pour objet un dispositif de
communication incluant une antenne selon cette invention et un dit organe de
traitement de signal raccordé à cette antenne par un dit ensemble de
raccordement.
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L'antenne selon la présente invention peut être une antenne
monofréquence ou une antenne multifréquence. L'antenne donnée en exemple
est une antenne bi-fréquence, c'est à dire qu'elle doit pouvoir donner lieu à aumoins deux résonances de manière à pouvoir fonctionner selon deux modes
correspondant à deux fréquences de fonctionnement. Dans ce but une fente a
été formée dans la pastille 6 et débouche vers l'avant à l'extérieur de cette
dernière. Elle constitue une fente séparatrice longitudinale Fl. L'étendue
longitudinale occupée par cette fente définit dans cette pastille une région avant
Z2, Zl, Zl 2, la fente elle-même séparant dans cette région une zone primaire
10 Zl d'une zone secondaire Z2. Une région arrière ZA s'étend entre cette régionavant et le bord arrière l O. Cette région arrière est beaucoup plus courte selon
la direction longitudinale DL que cette région avant.
Le point de raccordement interne 18 est situé dans la zone primaire Zl .
Un mode de fonctionnement de l'antenne constitue alors un mode primaire
15 dans lequel une onde stationnaire s'établit grâce à une propagation d'ondes
progressives dans les deux sens de cette direction longitudinale ou d'une
direction voisine de cette dernière, ces ondes se propageant dans une aire
incluant cette zone primaire et cette région arrière en excluant sensiblement lazone secondaire Z2. Un autre mode de fonctionnement constitue un mode
20 secondaire dans lequel une onde stationnaire s'établit grâce à une propagation
d'ondes progressives dans les deux mêmes sens, ces ondes se propageant dans
une autre aire incluant les zones primaire et secondaire et la région arrière.
Dans le cadre de cette disposition la région arrière ZA a une première
fonction qui est de coupler la zone secondaire à la zone primaire pour
25 permettre l'établissement du mode secondaire. Elle a une seconde fonction quiest de permettre au court-circuit présent sur le bord arrière de jouer son rôle
dans chacune de ces deux zones. L'antenne est alors, au moins
approximativement, pour chaque fréquence de fonctionnement, du type quart
d'onde.
Les configurations de la pastille et de la ligne de couplage et plus
particulièrement la position longitudinale du point de raccordement interne 18
sont choisies de manière à faire apparaître une valeur souhaitée prédéterminée
de l'impédance présentée par l'antenne pour l'organe de traitement de signal
ou plus typiquement pour une ligne de raccordement reliant cet organe à ce
dispositif. Cette impédance sera appelée ci-après impédance de l'antenne.
Dans le cas d'une antenne émettrice elle est usuellement appelée impédance
d'entrée. Sa valeur souhaitée est avantageusement égale à l'impédance de la
ligne de raccordement. C'est pourquoi, de préférence, la position du point de
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raccordement donne à l'impédance de l'antenne sensiblement une même
valeur pour les diverses fréquences de fonctionnement.
Il est généralement utile que les fréquences de fonctionnement aient
des valeurs souhaitées prédéterminées. Ces valeurs peuvent être
avantageusement obtenues par un choix convenable des dimensions
longitudinales respectives des zones primaire Zl et secondaire Z2. C'est
pourquoi ces deux dimensions sont typiquement différentes.
Dans le cas plus particulièrement décrit la configuration de la pastille
6 forme en outre une fente s'étendant selon la direction transversale DT. Cette
1 û fente constitue une fente séparatrice transversale F2 séparant partiellement
cette zone primaire de la région arrière ZA. Elle se raccorde à l'extrémité arrière
de la fente séparatrice longitudinale Fl. Une autre fente F3 s'étend dans la
zone primaire Zl vers l'avant à partir de la fente séparatrice transversale F2.
Elle peut être appelée fente d'abaissement de fréquence car son rôle est
d'abaisser les fréquences de fonctionnement dans une mesure croissant avec sa
longueur. Elle permet ainsi non seulement de limiter la longueur de la pastille
nécessaire pour obtenir des valeurs souhaitées prédéterminées des fréquences
de fonctionnement, mais aussi d'ajuster ces fréquences grâce à un réglage
convenable de sa longueur.
De préférence l'antenne présente un plan de symétrie s'étendant selon
les directions longitudinale DL et verticale DV, la trace de ce plan dans la
surface supérieure du substrat constituant un axe de symétrie A pour la pastille6. Lorsque deux éléments sont symétriques l'un de l'autre par rapport à l'axe ouau plan de symétrie le nombre inclus dans les signes de référence de celui qui
est à droite sur les figures est égal au nombre correspondant de celui de
gauche augmenté de lO. Le dispositif de couplage et la zone primaire Zl
s'étendent au voisinage de l'axe A et la configuration de la pastille forme deuxdites fentes séparatrices longitudinales Fl, Fl l de part et d'autre de cette zone
primaire. La zone secondaire comporte alors deux parties Z2, Z 12 situées
3û respectivement au delà de ces deux fentes.
Dans ces conditions l'ensemble des fentes séparatrices Fl, F2, Fl l,
Fl 2 présente la forme d'un U. Les branches et la base de ce U sont
respectivement longitudinales et transversales. Cette base présente un intervalle
axial 20 s'étendant de part et d'autre de l'axe pour connecter la zone primaire
Zl au court-circuit C2, Cl 2 par l'intermédiaire d'une partie axiale de la région
arrière ZA.
Selon une disposition avantageuse qui était déjà appliquée dans la
première antenne connue précédemment mentionnée, la ligne de couplage qui
constitue le dispositif de couplage de l'antenne comporte un conducteur
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appartenant à la couche conductrice supérieure. Plus précisément un tronçon
Cl du dit conducteur principal pénétre selon la direction longitudinale DL dans
l'aire de la pastille 6. Il s'étend entre une extrémité arrière voisine du bord
arrière lO et une extrémité avant constituant le point de raccordement interne
5 18. Ce tronçon de conducteur principal Cl présente la forme d'un ruban et
peut être appelé ruban de couplage horizontal.
Comme dans le cas de la première antenne connue précédemment
mentionnée ce ruban est limité latéralement par deux encoches F4 et Fl4.
Mais, dans l'antenne de la présente invention, ces deux encoches F4 et Fl4
10 sont suffisamment étroites selon la direction DT et suffisamment longues selon
la direction DL pour pouvoir être respectivement considérées comme deux
fentes longitudinales F4 et Fl4. Ces deux fentes séparent ce ruban de la pastille
6 et seront appelées ci-après fentes de couplage. Le choix de leur largeur tientau fait que les paramètres de la ligne dont ce ruban de couplage constitue le
15 conducteur principal peuvent avantageusement être déterminés en concevant
cette ligne comme une ligne coplanaire apte à exciter l'antenne d'une manière
distribuée selon la longueur de cette ligne plutôt que comme une ligne du type
microruban destinée à exciter l'antenne seulement à l'extrémité de cette ligne.
Le conducteur de masse de cette ligne coplanaire est principalement
20 constitué à la manière d'une ligne coplanaire par les parties de la pastille 6
situées latéralement de part et d'autre de ce ruban Cl au delà des deux fentes
F4 et Fl 4, et non par la masse de l'antenne comme dans une ligne à
microruban. Cette ligne sera appelée ci-après ligne coplanaire horizontale.
Elle permettrait de coupler l'antenne par l'intermédiaire d'un signal
25 électromagnétique appliqué ou recueilli par la ligne de raccordement externe à
l'extrémité arrière de cette ligne coplanaire horizontale entre deux bornes
communes à cette ligne coplanaire horizontale et à l'antenne, ces deux bornes
étant respectivement constituées par ce conducteur de masse 4 de cette ligne et
l'extrémité arrière de ce ruban Cl. Mais, au moins dans le cas d'appareils tels
30 que certains radiotéléphones, la réalisation de la connexion entre le dispositif
de couplage et cette ligne externe par l'intermédiaire de tels conducteurs situés
dans le plan de la pastille compliquerait la fabrication de ces appareils.
Plus particulièrement la ligne coplanaire horizontale en question s'étend
selon l'axe A. Elle passe dans l'intervalle axial 20 de la base du U, cet intervalle
35 étant délimité par les deux fentes de couplage F4 et Fl 4. Comme
précédemment indiqué la position de l'extrémité avant 18 de son conducteur
principal est déterminée pour donner une valeur souhaitée à l'impédance de
l'antenne. Mais cette impédance dépend aussi d'autres paramètres tels que les
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largeurs du ruban de couplage Cl et des fentes de couplage, F4 et Fl4, ainsi
que de la nature du substrat.
Selon une autre disposition avantageuse précédemment appliquée
dans la première antenne connue, ledit court-circuit est un court-circuit
5 composite comportant deux conducteurs de court-circuit C2 et Cl2. Ces deux
conducteurs s'étendent selon la direction verticale DV en laissant entre eux un
intervalle libre. Chacun d'eux raccorde la masse 4 de l'antenne à la pastille 6.Selon une disposition propre à la présente invention la ligne de
couplage d'antenne comporte en outre des conducteurs de raccordement qui
1û sont formés sur la surface de tranche S3 et qui peuvent former une ligne
coplanaire verticale. Une telle ligne est plus particulièrement constituée par les
conducteurs suivants:
-Un conducteur principal C3 s'étendant selon la direction verticale DV
entre une extrémité inférieure et une extrémité supérieure dans l'intervalle laissé
15 entre les deux conducteurs de court-circuit C2 et C 12. Cette extrémité
supérieure se raccorde à l'extrémité arrière du conducteur principal Cl de la
ligne coplanaire horizontale. Ce conducteur principal de la ligne coplanaire
verticale constitue en même temps ledit premier conducteur de raccordement,
une première borne de l'antenne et un tronçon vertical du conducteur principal
20 de la ligne de couplage.
-et deux conducteurs de masse de cette ligne, coopérant avec le
conducteur C3, et constitués par les deux conducteurs de court-circuit C2 et
Cl2.
Ces deux conducteurs de court-circuit C2 et Cl 2 constituent en même
25 temps conjointement une deuxième borne de l'antenne. Le conducteur vertical
C3 de la ligne de couplage a la même largeur que le conducteur horizontal
Cl, et il est séparé des conducteurs de court-circuit C2 et Cl2 respectivement
par des fentes F5 et Fl5 qui ont la même larseur que les fentes F4 et Fl4, de
manière que le tronçon de ligne vertical constitue une ligne coplanaire verticale
30 se raccordant à la ligne coplanaire horizontale sans discontinuité sensible
d'impédance.
Dans le cas d'un appareil de dimensions limitées, le fait que ces
conducteurs de raccordement soient formés sur la surface de tranche S3 facilite
sensiblement la réalisation d'un raccordement entre d'une part le dispositif de
35 couplage appartenant à l'antenne formée en surface de l'appareil et d'autre
part, une ligne de raccordement reliant ce dispositif à un organe de traitement
de signal. Si cet organe est situé à l'intérieur de cet appareil cette ligne peut
prendre la forme d'une ligne coaxiale qui, au voisinage de l'antenne, est
perpendiculaire au plan de celle-ci. Dans d'autres cas cette disposition des
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conducteurs de raccordement facilite le raccordement de l'antenne à des
conducteurs portés par une carte-mère sur une face de laquelle le substrat de
l'antenne a été préalablement fixé, la ligne de raccordement étant alors
typiquement, au moins au voisinage de l'antenne, parallèle à la direction
longitudinale de celle-ci.
Par ailleurs la réalisation de tels conducteurs de raccordement aptes à
former des bornes de l'antenne sur la surface de tranche du substrat ne
complique la fabrication de l'antenne que d'une manière négligeable. En effet
d'une part la réalisation des conducteurs de court-circuit est nécessaire pour
10 que l'antenne fabriquée soit du type quart d'onde. D'autre part le premier
conducteur de raccordement peut être réalisé par un processus au moins
analogue à celui de la réalisation des conducteurs de court-circuit et, dans la
plupart des cas, au cours d'une même étape de fabrication.
Plus particulièrement, selon une disposition avantageuse propre à la
15 première antenne donnée en exemple, I'ensemble des conducteurs de
raccordement du dispositif de couplage est réalisé collectivement par les étapessuivantes:
- Formation d'une couche conductrice verticale sur la surface de
tranche S3, et
- gravure de cette couche pour réaliser à la fois les deux conducteurs
de court-circuit C2 et Cl2 et le premier conducteur de raccordement C3. Ces
conducteurs constituent alors respectivement deux bandes de court-circuit et un
ruban de couplage vertical.
De préférence les conducteurs de raccordement occupent seulement
25 une fraction du bord arrière lO. Dans l'antenne donnée en exemple il s'agit
sensiblement de la même fraction que celle de la zone primaire Zl .
De préférence les largeurs des rubans de couplage et des fentes telles
que les fentes de couplage situées de part et d'autre de ces rubans sont choisies
de manière à donner une impédance uniforme et convenable, qui est
30 typiquement de 50 ohms, à la ligne de couplage constituée par les lignes
coplanaires verticale et horizontale. L'impédance de l'antenne est par ailleurs
ajustée par le choix de la position du point de raccordement interne 18. La
petite valeur des largeurs des fentes de couplage et l'effet de couplage latéralqui en résulte permet d'élargir la marge de fabrication concernant ces divers
35 paramètres, et cela en conservant une bonne qualité de couplage.
Dans le cas de la première antenne donnée en exemple qui est
destinée à être incluse dans un appareil de petites dimensions, la ligne de
raccordement externe à l'antenne est une ligne coaxiale. Au moins au voisinage
de l'antenne elle s'étend typiquement selon une direction sensiblement
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perpendiculaire à la surface de cette antenne, c'est à dire par exemple selon ladirection verticale DV. Elle comporte un conducteur axial C4. A une première
extrémité de la ligne ce conducteur axial est raccordé au conducteur C3. A
l'autre extrémité de la ligne il est raccordé à une première borne de l'organe de
traitement de signal 8. Sur la longueur de la ligne il est entouré par une gaineconductrice C5. A la première extrémité de la ligne cette gaine est raccordée à
la fois aux deux conducteurs de court-circuit C2 et Cl2. A l'autre extrémité de
la ligne elle est raccordée à l'autre borne de l'organe de traitement de signal 8
qui est constitué par exemple par un émetteur.
Dans le cadre d'un mode de réalisation de cette première antenne,
diverses compositions et valeurs vont être indiquées ci-après à titre d'exemple
chiffré. Les longueurs et largeurs sont respectivement indiquées selon les
directions longitudinale DL et transversale DT.
-fréquence de fonctionnement primaire 940 MHz,
-fréquence de fonctionnement secondaire 870 MHz,
-impédance d'entrée: 50 Ohms,
-composition et épaisseur du substrat: résine époxy ayant une
permittivité relative er = 4,3 et un facteur de dissipation tg d =0,02, épaisseur
l ,6 mm,
-composition et épaisseur des couches conductrices :cuivre, 17
microns,
-longueur de la zone primaire Zl: 26 mm,
-largeur de la zone Zl: 29 mm,
-longueur des zones secondaires Z2 et Zl 2: 30 mm,
-largeur de chacune de ces zones: 5,5 mm,
- longueur de la région arrière Z3: 2,5 mm,
- longueur du conducteur Cl de la ligne coplanaire horizontale: 25
mm,
- largeur du conducteur Cl et du conducteur principal C3 de la ligne
30 coplanaireverticale: 2,1 mm,
- hauteur du conducteur C3: 0,8 mm,
-largeur commune à toutes les fentes, cette largeur étant indiquée
selon la direction horizontale pour les fentes transversales F2 et Fl 2: 0,5 mm,- longueur des fentes d'abaissement de fréquence F3 et Fl 3: 5 mm,
- largeur de l'intervalle axial 20: 7 mm
- largeur de chacun des conducteurs de court-cicuit C2 et C 12: 5mm.
Les figures 5 et 6 montrent comment la connexion nécessaire entre une
ligne de raccordement externe et un dispositif de couplage d'antenne est
réalisée dans le cas d'une deuxième antenne conforme à la présente invention.
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Divers éléments de cette deuxième antenne sont respectivement
analogues, au moins quant à leurs fonctions, à divers éléments de la première
antenne qui a été précédemment décrite. De tels éléments sont désignés par les
mêmes lettres et/ou numéros de référence que les éléments analogues de la
5 première antenne, sauf que les numéros sont augmentés de 50, le conducteur
de masse C5 de la ligne de raccordement externe de la première antenne étant
par exemple analogue à un conducteur C55 de la deuxième antenne.
Cette deuxième antenne diffère de la première sur les points suivants:
Le conducteur principal C54 et la masse C55 de la ligne de
10 raccordement externe sont formés sur les surfaces inférieure et supérieure d'une
feuille diélectrique 30 constituant une carte-mère et portant les composants nonreprésentés d'un organe de traitement de signal également non représenté.
Cette ligne est du type microruban. Une couche constituant sa masse et celle de
la carte-mère est le prolongement de la masse 54 de l'antenne. Le substrat 52
15 de cette dernière est fixé sur la surface supérieure de la carte-mère 30. Le
conducteur principal de la ligne de couplage verticale, c'est à dire ledit premier
conducteur de raccordement, présente la forme d'un cylindre métallique C53
traversant la carte-mère 30. Il est raccordé par deux soudures 32 et 34 d'une
part au ruban de couplage horizontal C51, d'autre part au ruban 54 de la
20 ligne de raccordement externe. Les deux conducteurs de court-circuit C52 et
C62 sont réalisés sous la forme de deux bandes métalliques préconstituées et
plaquées à la fois sur la face supérieure du substrat 52, sur sa surface de
tranche S53 et sur la masse C55 de la carte-mère 30.
D'autres modalités sont bien entendu possibles pour le raccordement
25 d'une antenne fixée à plat sur une carte-mère.
