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CA 02451097 2003-12-17
WO 02/103843 PCT/FR02/02090
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Antenne fil-plaque multifréquences »
L'invention concerne le domaine des antennes, et plus précisément le
domaine des antennes fil-plaque.
On connaît les antennes fil-plaque constituées, comme représenté à la
figure 1, d'une pastille métallique 120 (toit capacitif de l'antenne) de forme
à
priori arbitraire, d'une lame diélectrique 130 portant cette pastille sur sa
face
supérieure et d'un plan de masse 140 réalisé par métallisation inférieure de
la lame diélectrique.
L'alimentation d'unë telle antenne est typiquement réalisée par une
sonde coaxiale 150 qui traverse le plan de masse 140, dont un conducteur
interne 152 est connecté au toit métallique 120 et dont un connecteur
externe 154 est relié au plan de masse 140. La particularité d'une telle
antenne est de posséder un fil 160 qui relie le toit capacitif 120 et le plan
de
masse 140, formant retour métallique actif à la masse.
Le fil de retour à la masse 160 provoque une résonance dite parallèle
à une fréquence inférieure à celle d'une fréquence dite fondamentale d'un
patch.
Cette résonance parallèle est due à un échange d'énergie entre la self
inductance L et la capacitance C d'un résonateur formé par le fil de retour à
la masse (effet Selfique ~,) et le toit capacitif.
On obtient alors une fréquence de résonance, donnant ainsi une plage
d'adaptation de l'antenne, du type
1
2~c LC
Les paramètres physiques influant sur cette fréquence sont la
permittivité du substrat diélectrique sr, sa hauteur (distance entre toit et
plan
de masse), le rayon de la sonde d'alimentation 150, le rayon du fil de retour
à
la masse 140, la distance entre sonde d'alimentation 150 et fil de retour à la
3o masse 160, ainsi que les dimensions du toit 120 et du plan de masse 140.
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Ce grand nombre de paramètres multiplie par autant le nombre de
configurations possibles, permettant d'optimiser au mieux les antennes pour
qu'elles répondent aux cahiers des charges.
Le rayonnement de l'antenne fil-plaque s'effectue principalement par
les fils de retour 160, et présente les caractéristiques typiques du
rayonnement d'un monopole perpendiculaire au plan de masse, le
rayonnement caractéristique étant un rayonnement omnidirectionnel en
azimuth par rapport au plan de masse et quasiment nul perpendiculairement
à ce plan.
Ainsi, une telle antenne présente un diagramme de rayonnement à
lobe à symétrie de révolution, un rayonnement maximal dirigé
approximativement parallèlement au plan de masse et un rayonnement
minimal dans l'axe des fils d'alimentation et de retour. Conformément au
rayonnement typique d'un monopôle perpendiculaire au plan de masse. On
notera que dans le cas des plans de masse finis, des effets de diffraction par
les arêtes du plan de masse 140 introduisent des déformations du
diagramme du rayonnement ainsi qu'un rayonnement arrière.
Le fonctionnement d'une antenne fil-plaque est donc très différent du
fonctionnement d'un autre type d'antenne connu sous le nom d'« antenne
résonante ». En effet, la résonance dont on parle pour ces « antennes
résonantes » est une résonance de type électromagnétique (modes de
résonance) et non une résonance de type électrique comme pour les fil-
plaques. En effet, dans les fil-plaques, les éléments résonants sont
localisés,
assimilables à des composants électriques.
Le fonctionnement par résonance électrique et l'utilisation des
structures comme composants électriques confèrent aux antennes fil-plaque
une dimension très inférieure à la longueur d'onde, et en tous les cas des
dimensions inférieures aux dimensions de la plus petite des
« antennes résonantes ».
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Le fonctionnement des antennes fil-plaque est donc très différent du
fonctionnement en résonance électromagnétique qui régit les antennes dites
« antennes résonantes ».
Le fonctionnement des fils-plaques les distingue notamment des
antennes « microruban » ou « microslot » (microfente) connues de l'homme
de l'art.
Malgré l'existence de nombreuses possibilités de choix des
paramètres physiques pour adapter au mieux l'antenne connue aux cahiers
des charges, il s'avère souhaitable de disposer d'une antenne qui soit encore
l0 plus aisément configurable, au stade de sa construction, en conformité au
comportement multibandes, multifonction souhaité.
Ce but est atteint selon l'invention grâce à une antenne du type
comprenant
- une première surface électriquement conductrice ;
- 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 ;
- la deuxième surface étant reliée à une seconde borne du
2o générateur/récepteur ; et
- au moins un second fil ou ruban électriquement conducteur qui relie
les deux surfaces précitées,
caractérisée en ce que la première surface présente une découpe ou
une série de découpes, chaque découpe étant éventuellement formée de
tronçons se prolongeant mutuellement, cette ou ces découpes s'étendant au
voisinage et le long d'une partie de bordure de cette première surface, cette
partie de bordure étant suffisamment étendue pour que la ou les découpes)
délimitent une zone interne de la première surface en formant sensiblement
une majorité du pourtour de cette zone, permettant d'obtenir un
3 o fonctionnement fil-plaque multifréquences.
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Ces découpes génèrent des capacités différentes conduisant à des
fréquences de résonances de l'antenne fil-plaque différentes conformément
à la formule précédemment rapportée.
Le fait de garder le rayonnement fil-plaque (c'est à dire
omnidirectionnel en azimuth) distingue également cette antenne de celles
rencontrées dans la littérature pour lesquelles c'est la découpe dans la
surface qui rayonne avec un maximum dans l'axe perpendiculaire à cette
surface et non un rayonnement très faible dans cette direction comme c'est
le cas avec une antenne fil-plaque et notamment dans l'invention.
1o Avantageusement, la première surface présente une découpe, de
largeur très faible par rapport à sa longueur et à la longueur d'onde
principale
captée (préférentiellement un dixième de cette longueur). Les découpes
peuvent être multiples, par exemple en nombre supérieur à 2.
Selon des dispositions avantageuses mais non limitatives
- la ou les découpes) de la première surface sont de largeurs très
faibles par rapport à sa longueur et aux longueurs d'onde de
fonctionnement ;
- ledit au moins un second fil ou ruban électriquement conducteur qui
relie les première et deuxième surfaces rejoint la première surface à
l'intérieur de ladite zone, et préférentiellement au milieu de l'antenne,
entourée dans sa majorité par la ou les découpes) ;
- ledit premier fil ou ruban d'alimentation électriquement conducteur
qui relie une première borne d'un générateur/récepteur à la première surface
rejoint cette première surface à l'intérieur de ladite zone entourée dans sa
2 5 majorité par la ou les découpes) ;
- les première et deuxième surfaces sont disposées en vis à vis et
parallèles l'une à l'autre, en ce que les premier et second fils ou rubans
électriquement conducteurs s'étendent parallèlement l'un à l'autre et
perpendiculairement aux plans des deux surfaces, et en ce que la découpe
ou les séries de découpes forme deux motifs parfaitement symétriques par
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rapport à un plan géométrique passant par ces deux fils ou rubans
conducteurs ;
- la première surface présente une découpe formée de deux tronçons
ayant chacune la forme d'un C, ouverts en vis à vis l'un de l'autre ;
5 - les deux tronçons sont symétriques l'un de l'autre par rapport à un
premier plan géométrique passant entre ces deux tronçons et en ce que
chaque tronçon est symétrique de lui-même par rapport à un second plan
géométrique qui passe par les centres de ces deux découpes ;
- la première surface comporte au moins deux découpes ayant des
1o formes respectives qui sont suffisamment semblables pour que ces deux
découpes génèrent deux pics d'efficacité électromagnétique sur le mode fil
plaque, confondus à une même fréquence ;
- la première surface présente au moins deux découpes et en ce que
ces deux découpes présentent des formes respectives suffisamment proche
de sorte que ces deux découpes génèrent deux pics d'efficacité
électromagnétique sur le mode fil-plaque, qui se chevauchent en fréquence,
formant ainsi une bande d'efficacité élargie en fréquence ;
- la première surface présente au moins deux découpes ayant des
formes suffisamment différentes pour que ces découpes génèrent au moins
deux zones de fréquences d'efficacité, sur le mode fil-plaque, de l'antenne
qui ne se recouvrent pas l'une avec l'autre ;
- la première surface est délimitée par un contour quelconque, et en
ce que la ou les découpes restent parallèles au bord ce contour ;
- une des surfaces formant plan de masse comprend une ou plusieurs
découpes du même type que la première surface ;
- les surfaces sont sensiblement identiques et on obtient le même
fonctionnement du fait que les découpes sont présentes dans le plan de
masse ;
- le plan de masse est nettement plus grand que la première surface,
les fréquences générées étant les mêmes, mais les diagrammes de
rayonnement étant différents, dus à la présence du plan de masse ;
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- elle comporte une ou plusieurs lames diélectriques ou magnétiques
entre la surface formant plan de masse et la première surface et également
au-dessus des deux surfaces (radôme) ;
- l'antenne comprend des toits superposés et des plans
intermédiaires, les découpes étant faites dans n'importe quel plan
intermédiaire, et des matériaux diélectriques ou magnétiques étant
interposés pour la rigidité ou l'accordabilité.ou la miniaturisation
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaîtront
à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référence aux
figures annexées sur lesquelles
- la figure 1 est une vue en perspective d'une antenne de type connu ;
- la figure 2 est une vue en perspective d'une antenne selon un
premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 3 est une vue de dessus d'une antenne selon un second
mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 4 représente l'évolution, en fonction de la fréquence, de la
partie réelle et de la partie imaginaire d'une impédance équivalente de
l'antenne de la figure 3 ;
- la figure 5 représente l'évolution en fonction de la fréquence d'un
2 o coefficient de réflexion de l'antenne de la figure 3 ou l'on peut compter
deux
zones d'adaptation ;
- la figure 6 est un diagramme de rayonnement en site à une première
fréquence de résonance de l'antenne de la figure 3 ;
- la figure 7 est un diagramme de rayonnement en azimut à une
première fréquence de résonance de l'antenne de la figure 3 ;
- la figure 8 est un diagramme de rayonnement en site à une seconde
fréquence de résonance de l'antenne de la figure 3 ;
- la figure 9 est un diagramme de rayonnement en azimut à une
seconde fréquence de résonance de l'antenne de la figure 3 ;
- la figure 10 est une vue de dessus d'un toit capacitif d'une antenne
selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
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L'antenne de la figure 2 reprend les éléments principaux de l'antenne
connue de la figure 1.
Elle présente un toit 12 qui est délimité par une série de segments
rectilignes de forme quelconque (polyèdre ou circulaire...).
Le toit capacitif 120 présente toutefois ici une découpe 122 qui s'étend
le long des bordures de ce toit capacitif, formant ainsi une limite entre une
zone de bordure 124 du toit et une zone centrale 126 du toit 120.
Cette découpe présente une forme arrondie sur elle-même, mais
s'interrompt sur une courte partie de la bordure du toit, de sorte qu'elle
décrit
l0 la forme générale d'un C. Plus précisément, le C qu'elle décrit est
constitué
par une série de portions rectilignes, chacune parallèle à un bord rectiligne
correspondant du toit capacitif, la découpe ne devant pas se refermer pour
garder une bande de métal excitant l'antenne externe.
L'antenne présente un fil de masse 160 et une sonde d'alimentation
150 qui s'étendent transversalement à l'antenne, et qui rejoignent le toit 120
au niveau de sa partie 126 qui est interne à la découpe en C.
Le fait d'adopter une telle découpe ou fiente 122 génère deux effets
capacitifs, l'un au niveau de la bordure du toit 124 (partie externe à la
fente)
l'autre au niveau de la partie interne 126 du toit.
2 o L'ajout d'une telle découpe 122 créé typiquement une résonance
supplémentaire de l'antenne à une longueur d'onde voisine de ~,f/2, où ~,f
correspond à la longueur totale de la fente.
Ainsi la présente antenne génère deux résonances, l'une à la longueur
d'onde ~, correspondant à celle de l'antenne fil-plaque ayant pour toit
capacitif la zone 126 interne à la découpe 122, l'autre résonance se trouvant
à une longueur d'onde plus petite 7~f/2, générée par la présence de la
découpe 122.
Cette antenne présente un rayonnement de type fil-plaque à ces deux
fréquences de résonance.
Plus précisément, la présence de la découpe 122 introduit de
nouveaux paramètres physiques qui influent sur le comportement
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électromagnétique, à savoir la largeur de la découpe 122, mesurée
parallèlement au plan du toit capacitif et transversalement à la découpe 122,
la position de la découpe 122 sur le toit, la position de la découpe 122 par
rapport au fil d'alimentation 150 et par rapport au fil de retour 160, ainsi
que
la longueur de la découpe.
Ces paramètres physiques viennent s'ajouter aux paramètres
physiques influant habituellement sur le comportement des antennes, et
multiplie le nombre de configurations possibles de l'antenne, permettant de
mieux adapter l'antenne à l'utilisation visée, en particulier par la double
1 o résonance.
Comme on le verra par la suite, la fente résonne (permettant
l'adaptation de l'antenne) mais ne rayonne pas de façon significative puisque
le rayonnement reste celui d'une fil-plaque.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, l'antenne présente un plan
de masse 140 en forme de disque, de diamètre ~,/3, ou 7~ correspond à la
longueur d'onde qui serait obtenue avec une même antenne mais dont le toit
serait plein . Une plaque supérieure de forme carré forme le toit capacitif
120.
Elle présente, elle, une largeur totale de ~,/6. La découpe 122 longe
entièrement trois des côtés de ce carré, et se prolonge par ses extrémités
2 o sur le quatrième côté, à chaque fois par une courte portion.
Cette deuxième antenne à découpe résonante présente elle aussi une
découpe en forme de C, ce C étant ici parfaitement symétrique par rapport à
un plan transversal et médian au toit carré. Cette découpe en C présente une
longueur totale approximativement de ~,f/2.
La découpe 122 longe les bords du toit capacitif 120 en conservant,
par rapport à ces bords, une distance constante. Ainsi, elle délimite
intérieurement un carré, et extérieurement une bande 124 de largeur
constante.
Le fil de masse 160 et le fil d'alimentation 150 sont tous deux placés
sensiblement au centre du carré interne 126, dans un plan de symétrie de la
découpe 122, transversal à l'antenne.
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Une telle antenne présente une résonance à la longueur d'onde ~,, et
présente en outre une résonance approximativement à la longueur d'onde
~,f12 qui est spécifiquement due à la découpe 122. L'antenne a donc deux
résonances.
Le fil de masse 160 et le fil d'alimentation 150 sont ici placés sur un
plan médian formant plan de symétrie de la découpe 122 pour garder une
bonne symétrie au diagramme.
Une telle antenne présente, comme illustré à la figure 4, une
impédance équivalente qui présente chacune deux pics à deux fréquences.
Plus précisément, comme représenté à la figure 4, à la fois la partie
réelle et la partie imaginaire de l'impédance d'entrée présentent chacune
deux pics placés respectivement à ces deux fréquences.
Comme illustré à la figure 5, l'antenne présente un coefficient de
réflexion qui décrit lui aussi deux pics à ces deux mêmes fréquences.
L'antenne présente un bon coefFicient de réflexion, de l'ordre de -16dB, à
ces deux fréquences. Elle est donc bi-bande.
Comme illustré aux figures 6 à 9, l'antenne à découpe de Ia figure 3
présente bien un diagramme de rayonnement monopolaire à chacune des
deux résonances. La valeur maximale du gain est d'environ 1,7dB.
On remarque une légère dissymétrie au niveau du diagramme de
rayonnement en site de la deuxième résonance, qui est due à la dissymétrie
de la fente par rapport à un axe orthogonal aux fils 150 et 160 (plus
précisément par rapport à un plan perpendiculaire au plan des fils,
perpendiculaire à l'antenne, et médian au carré formé par la plaque
supérieure 120).
Une telle dissymétrie peut être corrigée, par exemple en adoptant, à la
place de ia découpe 122 précédemment proposée, une paire de découpes
ou plus.
Ainsi, sur la figure 10, on a représenté une plaque supérieure 120
formant un toit capacitif et qui comporte deux encoches 122, chacune en
forme de C, ouvertes l'une vers l'autre. Ces deux C en vis à vis délimitent là
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encore une zone capacitive intérieure 126 qu'elles entourent à elles deux
quasi totalement. Elles délimitent en outre un ruban externe 124 de largeur
constante.
Chacune de ces découpes en C est formée de trois branches
5 rectilignes, chacune parallèle à un côté du carré formé par la plaque 120.
Ainsi, les deux découpes 122 sont parfaitement symétriques l'une à l'autre,
chacune étant en outre symétrique par rapport à elle-même de sorte qu'on
obtient une plaque supérieure 120 physiquement symétrique par rapport à
deux plans transversaux et médians au carré.
10 On peut placer le fil d'alimentation 150 et le fil de retour 160 dans l'un
de ces plans médian et obtenir un comportement électrique symétrique par
rapport au plan de ces deux fils.
En d'autres termes, découper sur le toit 120 deux découpes 122 de
mêmes dimensions permet de symétriser le diagramme de rayonnement,
tout en gardant deux bandes de fréquences de travail.
Une première bande de travail correspond sensiblement à la longueur
d'onde ~, d'une antenne dont le toit capacitif serait formé par la zone
intérieure 126 aux découpes 122, l'autre fréquence de travail correspond à
une résonance proche de ~,f/2 (fréquence moitié de celle précédemment
citée) due aux découpes 122 de mêmes dimensions.
Selon une variante, on adopte deux (ou plus) découpes ayant des
dimensions voisines mais non égales et/ou ayant des positionnements
voisins mais non égaux. Dans cette variante, on obtient deux (ou plus) pics
de résonance en plus de la résonance fil-plaque. Ces deux pics sont
rapprochés mais non égaux se chevauchant partiellement, ce qui génère en
pratique une bande de fréquence élargie, supplémentaire à la fréquence
d'efficacité de la zone intérieure 126.
Selon une autre variante encore, on adopte deux ou plus découpes
qui se prolongent les unes des autres et qui ont des dimensions
suffisamment différentes pour obtenir deux ou plus résonances bien
différentes, supplémentaires par rapport à la résonance fil-plaque.
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On obtient des diagrammes de rayonnement similaires à ceux des
antennes connues, mais plusieurs bandes de fréquences différentes.
Le rôle des découpes est de créer plusieurs antennes fil-plaque
imbriquées, antennes fil-plaque formées chacune sensiblement de la zone
limitée par la découpe et du retour de masse collectif ou non de l'antenne.
Les découpes ne changent pas le mode de rayonnement de chaque
antenne fil-plaque considérée, qui reste omnidirectionnel en azimut, car les
fentes ne sont pas le siège de résonances électromagnétiques aux
fréquences considérées.
l0 Les différentes antennes présentées précédemment ont des
polarisations similaires à leurs différentes fréquences de résonance.
Les différentes antennes proposées ici fournissent, en plus des
avantages de l'antenne fil-plaque classique, l'avantage de présenter une ou
plusieurs nouvelles résonances, avec un encombrement similaire aux
antennes connues.
Ces antennes permettent de réaliser par exemple un aérien adapté,
elles constituent avantageusement des antennes multi-bandes (par exemple
pour l'émission et la réception), par exemple avec des pics rapprochés en
fréquence ou encore des antennes à bandes élargies en adoptant des pics
2 o suffisamment resserrés les uns par rapport aux autres.
Ces antennes permettent l'utilisation de plusieurs bandes de
fréquences pour la téléphonie mobile, par exemple : GSM, DCS, DECT, ou
pour des utilisations intérieures aux bâtiments (utilisations indoor).
Les différentes bandes de fréquences obtenues peuvent être utilisées
pour des voies montantes et descendantes, par exemple pour faire
l'émission et la réception dans des balises ARGOS. De telles antennes
peuvent également servir pour des utilisations AMPS-PCS 1900.
