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WO 00/14825 PCT/FR99/02123
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ANTENNE
La présente invention concerne le domaine des antennes.
Plus précisément encore la présente invention concerne le domaine
des antennes fonctionnant sur un mode particulier comprenant
. une première surface électriquement conductrice, généralement
dénommée « toit capacitif
une deuxième surface électriquement conductrice formant plan de masse,
parallèle à la première,
. un premier fil ou ruban d'alimentation électriquement conducteur qui relie
une première borne d'un générateur/récepteur à la première surface et un
deuxième fil ou ruban d'alimentation qui relie une seconde borne du
générateurlrécepteur à la seconde surtace, et
. au moins un ~I ou ruban électriquement conducteur qui relie les deux
surfaces précitées.
De exemples de telles antennes sont décrits par exemple dans les
documents FR-A-2 668 859 et EP-A-667 984.
On a ainsi décrit dans le document FR-A-2 668 859 une antenne du
type précité comprenant un seul fil ou ruban reliant les deux surfaces, lequel
fil ou ruban est disposé pour être parcouru par un courant à la fréquence de
travail et pour ëtre couplé par couplage inductif au fil ou ruban
d'alimentation reliant le générateur à la première surface. II a été montré
que cette antenne génère, sous certaines conditions d'agencement des
éléments, un rayonnement de type monopole, c'est â dire comprenant un
lobe à symétrie de révolution, avec rayonnement maximal parallèlement au
plan de masse et rayonnement nul perpendiculairement à l'antenne,
polarisation linéaire avec champ électrique dans un plan perpendiculaire à
l'antenne et couverture presque hémisphérique sauf dans l'axe.
Le document EP-A-667 984 décrit une variante de cette antenne
comprenant plusieurs fils ou rubans parallèles reliant les deux surfaces.
Cette disposition permet notamment de faciliter l'adaptation de l'antenne sur
le générateur.
Les antennes du type précité ont déjà rendu de grands services.
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Le but de la présente invention est cependant de proposer une
nouvelle antenne pouvant prendre des dimensions réduites par rapport à la
longueur d'onde de travail non seulement dans le plan horizontal comme les
antennes décrites dans les documents FR-A-2 668 859 et EP-A-667 984,
mais également dans la direction verticale où la hauteur est très faible de
l'ordre de 71200.
Ce but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à une
antenne du type précité, caractérisée par le fait que les deux surfaces et le
ou les fils) ou rubans) de liaison entre celles-ci sont tous coplanaires.
Le cas échéant au moins le fil ou ruban assurant la liaison entre le
générateur/récepteur et la première surface est également coplanaire des
éléments précités.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention
apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en
regard
des dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif, et sur lesquels
la figure 1 représente schématiquement la structure générale d'une
antenne conforme à la présente invention,
. la figure 2 représente le schéma équivalent de cette antenne,
. la figure 3 représente la réponse de cette antenne en fonction de la
fréquence et situe le point de fonctionnement,
. la figure 4 représente un mode de réalisation particulier de la présente
invention,
. la figure 5 représente l'évolution de la partie réelle de l'impédance
d'entrée, en fonction de la fréquence, relevée sur une antenne conforme au
mode de réalisation illustré sur la figure 4,
. la figure 6 représente l'évolution de la partie imaginaire de l'impédance
d'entrée, en fonction de la fréquence, relevée sur une antenne conforme au
mode de réalisation illustré sur la figure 4,
. la figure 7 représente l'évolution du coefficient de réflexion qui en
résulte,
en fonction de la fréquence, pour une antenne conforme au mode de
réalisation illustré sur la figure 4, (on notera que sur les figures 5, 6 et
7, les
valeurs théoriques sont illustrées en traits pleins, tandis que les valeurs
mesurées sont illustrées en traits interrompus), et
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. les figures 8, 9 et 10 représentent le gain intrinsèque de l'antenne en dB
selon différents plans.
On aperçoit sur la figure 1 annexée, l'architecture générale d'une
antenne 10 conforme à la présente invention, comprenant
. une première surface 12 électriquement conductrice, généralement
dénommée « toit capacitif »
une deuxième surface 14 électriquement conductrice formant plan de
masse, parallèle à la première,
. un premier fil ou ruban d'alimentation 16 électriquement conducteur qui
relie une première borne d'un générateur/récepteur 20 à la première surface
12 et un deuxième fil ou ruban d'alimentation 17 qui relie une seconde
borne du générateurlrécepteur 20 à la seconde surface 14, et
. au moins deux fils ou rubans électriquement conducteurs 18, 19 qui relient
les deux surfaces précitées 12 et 14,
les deux surfaces 12, 14 et les fils ou rubans de liaison 16, 17, 18 et 19
assurant la liaison entre ces surfaces 12, 14 et le générateurlrécepteur 20
d'une part et entre ces surfaces 12, 14 d'autre part, étant tous coplanaires
selon la caractéristique essentielle de la présente invention.
La première surface 12 peut prendre une géométrie quelconque.
Cette géométrie et la grandeur de cette surface 12 sont cependant
caractéristique du fonctionnement de l'antenne.
La deuxième surface 14 formant plan de masse, entoure
partiellement ou complètement la première sûrface 12. Selon la
représentation schématique donnée sur la figure 1, le plan de masse 14 a la
forme d'un anneau ouvert qui entoure quasi totalement la surface 12.
L'ouverture 15 ménagée dans le plan de masse 14 sert de passage au
ruban 16.
Selon la représentation donnée sur la figure 1 annexée, il est prévu
deux rubans 18 et 19 reliant entre elfes les surfaces 12 et 14. Comme
indiqué dans le document EP-A-667 984 dans ce cas les rubans 18 et 19
sont de préférence symétriques par rapport au ruban d'alimentation 16, et
par exemple parallèles à celui-ci.
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En variante cependant on peut prévoir un seul ruban pour assurer la
liaison entre les surtaces 12 et 14. On décrira un mode de réalisation
comprenant ainsi un seul ruban d'alimentation pour relier entre elles les
surfaces 12 et 14, en regard de la figure 4
Selon encore d'autres variantes, l'antenne conforme à l'invention
peut comprendre plus de deux rubans 18, 19 pour assurer la liaison entre
les surfaces 12 et 14.
Une telle antenne peut être obtenue par différents processus de
fabrication.
A titre d'exemples non limitatifs, cette antenne 10 peut être découpée
dans un plan conducteur, une plaque métallique de préférence, par
exemple par gravure de la métallisation d'un circuit imprimé simple face, ou
encore par sérigraphie sur un support électriquement isolant, dépôt sur un
tel support électriquement isolant, ou réalisation à partir d'un clinquant
métallique de géométrie adaptée.
Les antennes conformes à la présente invention peuvent fonctionner
à toutes les fréquences.
Les dimensions de l'antenne dans le plan métallique sont de l'ordre
de ~,/6 à ~,IS où ~, représente la longueur d'onde de travail.
L'homme de l'art comprendra que l'épaisseur de l'antenne est quant
à elle, extrêmement petite. Cette épaisseur correspond à l'épaisseur des
éléments 12 à 19 et du support de ceux-ci.
L'antenne est adaptée à l'impédance du générateur 20 (en général
de 50 S2) sur la bande de fréquence de travail pour obtenir un T.O.S.
acceptable, de préférence compris entre 1,5 et 2.
On a illustré sur la figure 2 le schéma équivalent de cette antenne.
Ce schéma équivalent comprend une cellule comportant une
capacité Cfond, une self Lfond et une résistance Rfond, connectées entre
elles en parallèle et correspondant au mode fondamental, une autre cellule
comportant une capacité Ctoit et une self Lmasse connectées entre elles en
parallèle et une self de liaison Lalim assurant une liaison série entre les
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deux cellules précitées, la self Lalim étant couplée avec la self Limasse par
une mutuelle inductance M.
Ctoit représente la capacité entre les deux surfaces 12 et 14
mesurable en régime statique.
5 Lmasse représente l'inductance liée aulx) rubans) 18, 19.
Lalim représente l'inductance liée au ruban d'alimentation 16.
La mutuelle inductance M est fe résultat de l'interaction des rubans
16, 18 et 19 entre eux.
La courbe de réponse de cette antenne modélisée, en fonction de la
fréquence, partie réelle R(f) et partie imaginaire X(f), est illustrée sur la
figure 3.
On a référencé sur cette figure 3, d'une part l'évolution de la réponse
sur le mode fondamental et d'autre part l'évolution de la réponse au niveau
de la résonance parallèle liée au principe de fonctionnement original de
telles antennes. Cette dernière se traduit par un pic de résonance pour la
partie réelle R(f) et par une oscillation pour la partie imaginaire X(f).
Ce pic de résonance de l'impédance d'entrée de l'antenne est la
conséquence de l'effet capacitif des deux plaques 12 et 14 et des effets
d'induction selfique et mutuelle des rubans 16, 18 et 19. L'homme de l'art
saura évaluer ces éléments en faisant l'approximation de l'état quasi-
statique.
La bande de fonctionnement de l'antenne se situe autour des
fréquences d'annulation de la partie imaginaire X(f) de l'impédance d'entrée
et correspond à une partie réelle R(f) autour de celle du générateur 20.
L'essentiel du rayonnement émis par l'antenne provient du ou des
rubans) 18, 19 et correspond à un rayonnement de type dipolaire quasi
omnidirectionnel dans le plan perpendiculaire aux rubans et dont la
polarisation dans ce plan est parallèle aux rubans. C'est le rayonnement
classique d'un dipôle électrique dans un plan qui lui est perpendiculaire. Ce
dipôle serait parallèle aux fils 16 et 18.
Comme on l'a suggéré précédemment un substrat diélectrique peut
être ajouté sur et/ou sous le plan métallique défini par les éléments 12 à 19,
pour solidifier la structure, pour diminuer les dimensions de l'antenne par
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rapport à la longueur d'onde de fonctionnement, pour générer un
rayonnement dans le diélectrique, etc...
Par ailleurs un réflecteur de proximité peut être associé à l'antenne
pour conformer le rayonnement, par exemple pour concentrer le
rayonnement dans une direction voulue.
On va maintenant décrire le mode de réalisation particulier illustré sur
la figure 4.
L'antenne 10 illustrée sur cette figure 4 est formée par découpe dans
une feuille métallique d'une épaisseur de 0,4 mm.
Elle comprend un toit 12 de géométrie carrée de 25 mm x 25 mm,
soit de l'ordre de x./12 x ~,I12.
Le plan de masse 14 est formé d'un ruban d'une largeur de 6 mm,
soit de l'ordre de 7./50, et de géométrie carrée qui entoure quasi totalement
le toit 12.
Ainsi le plan de masse 14 est formé de quatre tronçons rectilignes de
ruban, perpendiculaires et parallèles entre eux deux à deux, possèdant
typiquement chacun une longueur extérieure de 65 mm, soit de l'ordre de
7,15, et une largeur de 6 mm, soit de l'ordre de 7~,I50.
Le toit 12 est de préférence centré sur le plan de masse 14 et a ses
côtés parallèles aux tronçons du ruban formant ce plan de masse 14. Ainsi
la distance séparant le bord interne du plan de masse 14 et le bord externe
du toit 12, est de l'ordre de 14 mm.
L'un des tronçons précités formant le plan de masse 14 possède une
découpe transversale 15 d'une largeur de l'ordre de 5 à 8 mm.
Cette découpe 15 est formée de préférence à environ 37 mm d'une
extrémité de ce tronçon et environ 23 mm de l'autre extrémité du même
tronçon de plan de masse.
Un ruban de masse rectiligne 18 d'une largeur de 8mm et d'une
longueur de l'ordre de 14 mm relie le bord interne du tronçon 14 possédant
la découpe 15 et le toit 12. Ce ruban de masse 18 s'étend ainsi
perpendiculairement au tronçon 14 et au bord du toit 12. Ce ruban de
masse 18 se raccorde de préférence sur le plus long élément du ruban 14
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possédant la découpe 15 et se raccorde de préférence sur le toit à une
distance de l'ordre de 4 mm de l'un des angles de celui-ci.
Le ruban d'alimentation 16 est formé d'un ruban rectiligne, centré sur
la découpe 15, d'une largeur de l'ordre 3 mm et qui se raccorde
perpendiculairement sur un côté du toit 12, de préférence à une distance
d'un angle de celui-ci de l'ordre de 4 mm.
On voit sur la figure 4 que le tronçon de ruban de masse 14
possédant la découpe 15 est muni d'un connecteur 30 dont le blindage
externe est raccordé électriquement au ruban de masse 14 et dont le brin
conducteur central est raccordé par tout moyen approprié à l'extrémité
extérieure du ruban d'alimentation 16.
La figure 5 représente la partie réelle R(f] de l'impédance d'entrée de
l'antenne 10 illustrée sur la figure 4, en S2, en fonction de la fréquence.
La figure 6 représente la partie imaginaire X(f) de l'impédance
d'entrée de la même antenne 10 illustrée sur la figure 4, en S2, en fonction
de la fréquence.
Et la figure 7 représente le coefficient de réflexion I S11 ~ en résultant.
Plus précisément sur les figures 5 à 7 on a illustré en traits continus
les courbes théoriques et en traits interrompus les courbes réelles
mesurées sur une antenne conforme à la figure 4.
Le coefficient de réflexion ~ S~~ ~ théorique est minimal (- 28 dB) à
1,057 GHz et le coefficient de réflexion ~ S» ~ réel mesuré est minimal (-
21,3
dB) à 1,07 GHz.
Les dimensions hors tout du dispositif 10: antenne plus plan de
masse, illustrée sur la figure 4, sont de l'ordre de 7,16 à a,l5 où ~, est la
longueur d'onde de travail.
Le gain intrinsèque à la fréquence de 1,06 GHz illustré sur les figures
8 à 10 traduit un rayonnement quasi omnidirectionnel dans le plan
orthogonal aux rubans 18, 19, conformément au principe de rayonnement
du dipôle.
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La figure 8 représente le gain en fonction de l'angle 6 entre la
direction d'observation et une perpendiculaire au plan métallique, dans le
plan du ruban 16 (soit cp = 0°).
La figure 9 représente le gain en fonction de l'angle A entre la
direction d'observation et une perpendiculaire au plan métallique, dans un
plan perpendiculaire au ruban 16 (soit cp = 90°).
La figure 10 représente le gain dans le plan de l'antenne (8 =
90°) en
fonction de l'azimuth cp d'observation dans ce plan.
II existe un grand nombre d'antennes connues, y compris d'antennes
planaires.
A titre d'exemples non limitatifs on peut citer
1 ) les structures résonantes planaires type « microrubans » composées
d'éléments empilés avec au moins deux niveaux de métallisation par
exemple un plan de masse, un substrat diélectrique qui peut être de l'air et
un élément rayonnant métallique ; appartiennent à cette famille par exemple
. les antennes « patch » rayonnantes basées sur le principe des cavités
résonantes à fuites générant des bandes de fonctionnement étroites (dont
la dimension est au moins de l'ordre de ~,g12, ~,g représentant la longueur
d'onde dans le diélectrique) et
. les antennes « fil-plaque » microruban, telles que décrites dans le
document EP-A-667 984 de même structure que les antennes patch
précédentes mais qui travaillent sur un principe différent et qui permettent
une adaptation à des fréquences voisines de ~,IB, et
2) les structures « planaires » qui ne comportent qu'un élément plan
métallique qui constitue l'antenne, associé généralement à un substrat
diélectrique pour rigidifier l'ensemble ; ces antennes ne nécessitent à priori
pas de plan de masse, mais sont la plupart du temps disposées
parallèlement à un tel plan pour permettre une alimentation correcte.
Apparïiennent à cette seconde famille par exemple
. les dipôles électriques et magnétiques résonants dans leur version
imprimée sur substrat , qui ne diffèrent des antennes « patch » que par le
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mode de résonance qui est celui d'une plaque métallique et ion d'une
cavité,
. les antennes à fentes résonantes, et
. les structures planaires à ondes progressives constituées de tronçons de
lignes microruban ou coplanaires adaptées aux extrémités, la
caractéristique principale de ces antennes est leur grande dimension par
rapport à la longueur d'onde pour obtenir un bon rendement.
Ainsi les inventeurs ne connaissent pas d'antenne existante
répondant à la structure conforme à la présente invention précédemment
définie et présentant notamment les avantages suivants
. dimension d'antenne petite par rapport à la longueur d'onde, soit de l'ordre
de 7~,/6 à a,15, plan de masse compris,
. antenne planaire et ne possédant qu'une très faible épaisseur,
large bande de fréquences par rapport aux antennes résonantes
classiques,
. rayonnement dipolaire dans l'espace,
. association facile de plans de masse et de substrats.
On notera également que la présente invention permet la réalisation
d'antennes à très faible coüt, avec une grande facilité de réalisation.
La présente invention peut trouver application dans un grand nombre
de domaines. On citera à titre d'exemples non limitatifs les antennes pour
automobiles, les antennes pour liaison sans fil, les antennes millimétriques
pour distribution sectorielle, les sources d'anténnes « lentilles » et
« paraboles », les antennes pour téléphonie sans fils, etc...
Bien entendu la présente invention n'est pas limitée au mode de
réalisation particulier qui vient d'être décrit, mais s'étend à toutes
variantes
conformes à son esprit. Avantageusement, pour certaines applications où le
rayonnement est souhaité directif dans le plan cp - 0 et non plus
omnidirectionnel, on peut adjoindre à l'antenne un plan réflecteur qui lui est
parallèle et situé à une distance de l'ordre de x,/20.
Selon le mode de réalisation schématisé sur la figure 1, les deux
rubans 16, 17 assurant la liaison entre le générateurlrécepteur 20 et
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respectivement la première surface 12 et la deuxième surfacé 14, sont
coplanaires de ces dernières. Selon le mode de réalisation schématisé sur
la figure 4, seul le ruban 16 assurant la liaison entre le
générateur/récepteur
et la première surface 12 est coplanaire des surfaces 12 et 14, la liaison
5 entre le générateur/récepteur 20 et la deuxième surtace 14 étant assurée
directement par l'intermédiaire de la masse d'une prise coaxiale. En
variante cependant, on peut envisager que ni le ruban 16, ni le ruban 17 ne
soit coplanaire des surfaces 12 et 14. Pour cela, on peut par exemple
prévoir une alimentation desdites surfaces 12, 14, par le dessus.
10 Selon encore une autre variante, la surface 12 formant toit peut être
scindée en plusieurs éléments coplanaires, ou même être ajourée, comme
indiqué dans le document EP-A-667984.
