ANTENNE PLANAIRE MULTIBANDES

Description

[0001] La présente invention concerne une antenne planaire multibandes et/ou large bande, plus particulièrement une antenne adaptée aux réseaux sans fils mobiles ou domestiques.

[0002] Dans le cadre du déploiement des réseaux sans fils mobiles ou domestiques, la conception d'antennes est confrontée à un problème particulier qui découle des différentes fréquences allouées à ces réseaux. En effet, comme le montre la liste non-exhaustive ci-après, les technologies sans fils sont nombreuses et les fréquences sur lesquelles est réalisée leur exploitation le sont plus encore.

Technologie	Application	Bande de fréquences (GHz)
GSM	Téléphone mobile	0,9
DCS 1800	Téléphone mobile	1,8
UMTS	Système mobile universel	1,9 - 2,0 - 2,1
DECT - PHS	Réseaux domestiques	1,8
Bluetooth	Réseaux domestiques	2,4 - 2,48
Home RF	Réseaux domestiques	2,4 ISM
Europe BRAN / HYPERLAN2	Réseaux domestiques	(5,15-5,35) (5,47-5,725)
US-IEEE 802.11	Réseaux domestiques	2,4
US-IEEE 802.11a	Réseaux domestiques	(5,15-5,35) (5,725-5,825)

[0003] Ces 20 dernières années ont ainsi vu se mettre en place différents systèmes de téléphones mobiles portés sur des bandes de fréquences dépendant à la fois de l'opérateur et du pays d'exploitation. Plus récemment, on assiste au développement des réseaux domestiques sans fil avec, pour certaines technologies, une spécification toujours en cours et des bandes de fréquences qui diffèrent d'un continent à l'autre.

[0004] Du point de vue de l'usager, cette multitude de bandes peut constituer un obstacle à l'obtention de leurs services dans la mesure où elle implique l'utilisation de dispositifs de connexion différents pour chaque réseau. C'est pourquoi la tendance actuelle du côté des constructeurs vise à réduire le parc des dispositifs en les rendant compatibles avec plusieurs technologies ou standards. C'est ainsi qu'on a vu apparaître, il y a maintenant quelques années, des téléphones bi-bandes qui assurent la connexion aussi bien au GSM 900 MHz qu'au DCS 1,8 GHz. D'autre part, la multiplication des standards dans le domaine des réseaux domestiques sans fils débouche sur une répartition des bandes de fréquences qui sont, soit très éloignées, soit adjacentes, suivant les standards que l'on considère.

[0005] Dans le futur, la demande de plus en plus importante de spectre de fréquences liée à l'explosion des débits numériques, d'une part, et à la rareté des fréquences d'autre part, donneront naissance à des équipements capables de fonctionner dans plusieurs bandes de fréquences et/ou sur une large bande de fréquences.

[0006] Par ailleurs, il serait intéressant de développer des équipements portables qui peuvent être utilisés comme un téléphone mobile quand on est à l'extérieur de chez soi et comme un équipement domestique faisant partie du réseau domestique quand on rentre chez soi, à savoir des équipements compatibles réseau cellulaire / réseau domestique.

[0007] Il apparaît alors nécessaire de développer des antennes fonctionnant sur plusieurs bandes de fréquences pour permettre cette compatibilité et qui soient de plus d'un encombrement réduit.

[0008] On connaît actuellement une antenne planaire constituée, comme représenté sur la figure 1, d'une fente annulaire 1 fonctionnant à une fréquence f donnée. Cette fente annulaire 1 est alimentée par une ligne microruban 2.

[0009] Il est apparu, suite à des simulations et à des essais, que si la transition ligne microruban / fente rayonnante est réalisée de telle sorte que la fente se trouve dans un plan de court-circuit de ligne, c'est-à-dire dans la zone où les courants sont les plus importants, alors la fente annulaire présentera des résonances à tous les multiples impairs de cette fréquence, ceci contrairement à des structures de type « patch » alimentées par ligne pour lesquelles les résonances apparaissent tous les multiples pairs de la fréquence fondamentale. Ce fonctionnement justifie les règles de conception suivantes qui sont utilisées pour réaliser une antenne telle que représentée à la figure 1.

[0010] Dans ce cas,





   avec λ_s et λ_m les longueurs d'onde dans la fente et sous la ligne microruban et Zant l'impédance d'entrée de l'antenne. D'autre part, I'm représente la longueur de ligne microruban nécessaire pour réaliser une adaptation à 50 Ω, W_s et W_m étant respectivement la largeur de la fente et la largeur de la ligne microruban.

[0011] Ainsi, dans le cas d'une antenne du type de celle de la figure 1 réalisée sur un substrat « CHUKOH FLO » εr = 2,6 tanδ = 0,002 - h = 0,8 mm - ep cuivre = 15 µm avec R = 7 mm, W_s = 0,25 mm, Im = 9,26 mm et fonctionnant à une fréquence fondamentale f de 5,8 GHz, on observe un fonctionnement en fréquences tel que représenté sur la figure 2. On observe donc une résonance à 5,8 GHz (f) puis une seconde résonance autour de 17 GHz à savoir à 3f, l'allure du coefficient de réflexion restant plate dans la région des 11 GHz.

[0012] Une antenne de même type est décrite notamment dans le document « STRIPLINE-FED ARBITRARILY SHAPED PRINTED APERTURE ANTENNAS » de CHEN - et al dans IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, vol. 45 n° 7 - Juillet 1997, pages 1186-1198 XP000694428.

[0013] Basée sur les propriétés décrites ci-dessus, la présente invention propose une nouvelle structure d'antenne planaire multibandes et/ou large bande de conception simple et peu encombrante.
Ainsi la présente invention, a pour objet une antenne planaire du type comportant une première fente dimensionnée pour fonctionner à une première fréquence f1 et alimentée par une ligne d'alimentation positionnée de sorte que la fente se trouve dans un plan de court-circuit de la ligne d'alimentation, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une deuxième fente dimensionnée pour fonctionner à une deuxième fréquence f2, la deuxième fente étant alimentée par ladite ligne d'alimentation.

[0014] Selon une caractéristique de l'invention permettant un fonctionnement en multibandes, la deuxième fente se trouve dans un plan de court-circuit de la ligne d'alimentation.

[0015] De préférence, cette antenne comporte N fentes, chacune dimensionnée pour fonctionner à une fréquence f_i avec i variant de 1 à N, chaque fente étant alimentée par ladite ligne d'alimentation de manière à se trouver dans un plan de court-circuit de la ligne d'alimentation.

[0016] Selon une autre caractéristique de l'invention permettant un fonctionnement en large bande, les deux fentes sont cotangentes en un point, la ligne d'alimentation étant située soit au niveau de ce point, soit à l'opposé de ce point où les deux fentes sont concentriques.

[0017] Selon un mode de réalisation, la longueur de chaque fente est choisie pour que la fente résonne à ladite fréquence f_i. Chaque fente peut être de forme identique ou non, symétrique par rapport à un point. De préférence, chaque fente est circulaire ou carrée. La fente peut être munie de moyens permettant le rayonnement d'une onde polarisée circulairement. Ces moyens sont constitués, par exemple, par des encoches. Dans ce cas, selon la position de la ligne d'alimentation, on générera une onde à polarisation circulaire droite ou gauche.

[0018] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description de divers modes de réalisation, cette description étant faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels :

figure 1 déjà décrite représente une vue de dessus schématique d'une antenne à fente annulaire connue,

figure 2 est une courbe donnant le coefficient de réflexion en fonction de la fréquence dans le cas d'une antenne telle que représentée à la figure 1,

figure 3 est une vue de dessus schématique d'une antenne planaire bi-fréquences conforme à la présente invention,

figure 4 est une courbe donnant le coefficient de réflexion en fonction de la fréquence dans le cas d'une antenne selon la figure 3,

figure 5 est une vue de dessus schématique d'une antenne planaire tri-fréquences conforme à la présente invention,

figures 6a à 6c sont des vues de dessus schématiques d'antennes planaires large-bande selon un autre mode de réalisation de la présente invention,

figure 7 représente différentes courbes donnant la bande passante des antennes des figures 1, 3, 5 et 6

figures 8a, 8b et 8c représentent schématiquement différentes formes de fente utilisables dans les antennes de la présente invention.

[0019] Pour simplifier la description dans les figures, les mêmes éléments portent les mêmes références.

[0020] Comme représenté sur la figure 3, une antenne bi-fréquences conforme à la présente invention comporte une première fente annulaire 10 dont le rayon R1 est choisi pour fonctionner à une première fréquence fondamentale f1. De ce fait, le rayon R1 est égal à λ_s1/2Π où λ_s1 est la longueur d'onde dans la fente 10. La fente 10 présente une largeur W_S1. L'antenne comporte aussi une deuxième fente annulaire 11 dont le rayon R2 est choisi pour fonctionner à une deuxième fréquence fondamentale f2, le rayon R2 étant égal à λ_s2/2Π. Dans le mode de réalisation, on choisit f2 proche de 2f1 mais d'autres rapports peuvent être envisagés.

[0021] Conformément à la présente invention, les deux fentes annulaires 10 et 11 sont alimentées par une seule ligne microruban 12. Cette ligne microruban est placée de sorte que les fentes se trouvent dans un plan de court-circuit de la ligne d'alimentation. De ce fait, la ligne d'alimentation 12 déborde la fente 11 d'une longueur Im2 égale à k(λm2/4) et la fente 10 d'une longueur Im1 égale à k(3λm2/4) = k(λm1/4) où λm2 est la longueur d'onde sous la ligne microruban à la fréquence f2 et λm1 à la fréquence f1 et k est un entier impair. D'autre part, la longueur Im' représente la longueur de ligne nécessaire pour adapter à 50Ω l'impédance Zant qui est d'environ 300Ω. Cette ligne présente une largeur Wm. De manière générale, la longueur de la ligne pour que la fente se trouve dans un plan de court-circuit est égale à kλm/4 avec λm la longueur d'onde sous la ligne microruban à la fréquence de fonctionnement définie pour la fente et k un nombre entier impair.

[0022] Sur la figure 4, on a représenté le coefficient de réflexion d'une structure telle que représentée sur la figure 3 avec les caractéristiques suivantes :
R1 = 16,4 mm   W_S1 = 0,4 mm   Im1 = 20 mm   f1 = 2,4 GHz
R2 = 7,4 mm   W_S2 = 0,4 mm   Im2 = 9,25 mm   f2 = 5,2 GHz

[0023] Dans ce cas, la ligne microruban présente une largeur Wm = 0,3 mm et une longueur l'm = 20 mm. L'ensemble a été réalisé sur un substrat R4003 (εr = 3,38, h = 0,81 mm).

[0024] Les résultats de la simulation obtenus avec la structure ci-dessus sont représentés sur la figure 4. On note ainsi le fonctionnement bi-fréquences de la nouvelle topologie avec une très bonne adaptation à 2,4 GHz (S11 = -22dB) et un S11 tout à fait correct à 5,2 GHz (S11 = -12dB).

[0025] D'autre part, avec la structure ci-dessus, on observe ainsi que le rayonnement à 2,4 GHz est semblable à celui de la fente seule et parfaitement symétrique. A 5,2 GHz, on note une légère dissymétrie du rayonnement mais qui reste très limitée.

[0026] Sur la figure 5, on a représenté un mode de réalisation fonctionnant en tribandes. Dans ce cas, trois fentes annulaires 21, 22, 23 fonctionnant à des fréquences fondamentales f1, f2, f3 sont alimentées par une même ligne microruban 20. Les fentes sont réalisées en utilisant les règles de conception données ci-dessus. Ainsi le rayon de chaque fente annulaire est tel que Ri ( i= 1,2,3) =λsi/2Π où λsi est la longueur d'onde de chaque fente. De même, les plans de court-circuit sont positionnés de telle sorte que Im3= k(λ3/4), Im2=k(λ2/4) et Im1=k(λ1//4) où λ1, λ2, λ3 sont respectivement les longueurs d'onde sous la ligne microruban aux fréquences f1, f2 et f3 et où k est un entier impair. La longueur l'm est utilisée pour l'adaptation à 50Ω.

[0027] Sur les figures 6a, 6b et 6c, on a représenté un autre mode de réalisation d'une antenne planaire conforme à la présente invention. Dans le cas des figures 6a et 6b, les deux fentes annulaires R'1 et R'2 viennent se confondre en un point. Elles sont dimensionnées pour fonctionner à des fréquences voisines. Ainsi, comme représenté sur la figure 6a, l'antenne comporte deux fentes annulaires R'1 et R'2 cotangentes au point A.

[0028] Dans ce mode de réalisation, les deux fentes R'1 et R'2 sont alimentées par une ligne commune sur le côté du point A. Les deux fentes se trouvent sensiblement dans un plan de court-circuit de la ligne d'alimentation et les longueurs l'm et I'm' sont choisies de tette sorte que l'm égale à kλ'm/4 où λ'm est la longueur d'onde sous la ligne microruban et k un nombre entier impair et l'm' permet l'adaptation à 50Ω.

[0029] Selon le mode de réalisation de la figure 6b, les deux fentes annulaires sont cotangentes au point B et sont alimentées par une ligne d'alimentation du côté opposé au point B.

[0030] Dans ce cas, les longueurs I"m2 et I"m1 sont choisies pour que les fentes R'1 et R'2 se trouvent sensiblement dans un plan de court-circuit de la ligne d'alimentation. La longueur I"m' est choisie pour réaliser l'adaptation à 50Ω. Dans le cas de la figure 6c, les deux fentes annulaires R'1 et R'2 sont concentriques. Elles sont alimentées par une ligne d'alimentation commune en technologie microruban par exemple. Dans ce cas, les longueurs Im1 et Im2 sont choisies pour que les fentes R'1 et R'2 se trouvent proche d'un plan de court-circuit de la ligne et lm' permet l'adaptation à 50Ω.

[0031] L'étude des différentes topologies décrites ci-dessus a été réalisée à l'aide d'un logiciel de simulation connu sous la référence IE3D. Dans tous les cas, la taille du plan de masse et du substrat est supposée infinie. Les caractéristiques géométriques des différentes configurations testées sont présentées dans le tableau ci-après. On note ainsi que l'utilisation des topologies multi-fentes s'accompagne d'une augmentation notable de la bande passante. Celle-ci passe en effet de 380MHz pour la fente simple, à 470MHz et 450MHz pour les structures doubles fentes concentriques et imbriquées.

Tableau II :

Caractéristiques géométriques et électromagnétiques des antennes
Type d'antenne	Dimension des fentes (mm)	Caractéristiques de la ligne microruban (mm)	Fréquence (GHz)	Bande passante -10dB (MHz)
Fente simple	R=6,5	Im=8,25	5,88	380 (6,55%)
2 fentes concentriques	R'1=7,1 R'2=6,5	Im1=9,1 - Im2=8,25-Im'=8,8	5,84	470 (8%)
3 fentes concentriques	R1=7,1 R2=6,5 R3=7,7	I'm1=9,15 - I'm2=8,55 I'm3=9,75 I"m=8,8	5,8	550 (9,8%)
2 fentes imbriquées côté opposé à la ligne d'alimentation	R'1=7,1 R'2 = 6,5	I"m1=9,15 - I"m2=7,95-I"m'=8,25	5,72	450 (7,8%)
3 fentes imbriquées	R1=7,1 R2=6,5 R3=7,7	I"m1=9,15 - I"m2=7,95 I"m3=10,34 I"m'=8,25	5,59	500 (8,9%)

[0032] Elle peut être encore augmentée par addition d'une troisième fente. On obtient alors une bande de l'ordre de 9% contre 6,55% pour la fente seule. Dans tous les cas, le maximum de bande est obtenu avec la configuration de fentes concentriques. Cette topologie fait toutefois apparaître une résonance parasite à 1 GHz en dessous de la fréquence de fonctionnement de la structure (voir Figure 7). Ce n'est pas le cas pour la configuration en fentes imbriquées qui pourrait alors être préférée aux fentes concentriques suivant les contraintes spectrales imposées par l'application. Du point de vue du rayonnement, les différentes topologies conservent des diagrammes et des rendements classiquement obtenus avec une fente annulaire simple.

[0033] Ainsi, le caractère large bande des structures multi-fentes a été validé sur les nouvelles topologies décrites ci-dessus. Le rayonnement n'est pas perturbé par les agencements proposés. La topologie la plus efficace en terme de bande correspond à une configuration de fentes concentriques. Cette dernière fait cependant apparaître une fréquence de résonance parasite. Ce n'est pas le cas pour la topologie multi-fentes imbriquées. Bien que celle-ci ne soit pas aussi large bande que la solution concentrique, elle permet tout de même d'obtenir des bandes de fréquences appréciables par rapport à la fente seule.

[0034] On décrira maintenant avec référence aux figures 8a,8b,8c, différents modes de réalisation des fentes. Sur la figure 8a, la fente est constituée par un carré 30 alimenté par une ligne 31. Sur la figure 8b, la fente 1 est circulaire. Elle est alimentée par une ligne 2 et elle rayonne une onde polarisée linéairement. Sur la figure 8c, la fente circulaire 1' est munie d'encoches 1". Elle est alimentée par une ligne 2. Dans ce cas, la fente rayonne une polarisation circulaire qui peut être gauche ou droite suivant le positionnement de la ligne d'alimentation. Il est évident pour l'homme de l'art que quelle que soit la forme de la fente, elle doit respecter les règles de conception données ci-dessus. De manière générale, la fente doit être symétrique par rapport à un point et présenter une longueur telle qu'elle rayonne à la fréquence fondamentale choisie.
La présente invention a été décrite avec des lignes d'alimentation réalisées en technologie microruban, toutefois les lignes peuvent être réalisées en technologie coplanaire.

Revendications

1. Antenne planaire multibandes comportant sur un substrat une première fente (10) du type fente annulaire ou de forme symétrique par rapport à un point dont le périmètre est dimensionné (R1,R'1) pour fonctionner à une première fréquence f1, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une deuxième fente (11) du type fente annulaire ou de forme symétrique par rapport à un point dont le périmètre est dimensionné (R2,R'2) pour fonctionner à une deuxième fréquence f2 et imbriquée dans la première fente (10), la première et la deuxième fente étant alimentées par une ligne d'alimentation (12) (Im1,Im2 ; I'm ; I'm1,I'm2) commune positionnée de manière à croiser chacune des fentes dans un plan de court-circuit de la ligne d'alimentation.

2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte N fentes imbriquées (21,22,23) du type fente annulaire ou de forme symétrique par rapport à un point, le périmètre de chaque fente étant dimensionné pour fonctionner à une fréquence f_i avec i variant de 1 à N, chaque fente étant alimentée par ladite ligne d'alimentation (20) de manière à se trouver dans un plan de court-circuit de la ligne d'alimentation.

3. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les fentes (R'1,R'2) sont cotangentes en un point avec la ligne d'alimentation croisant les fentes en ce point ou bien au point diamétralement opposé.

4. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les fentes sont concentriques.

5. Antenne selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les fentes sont munies de moyens (1") permettant le rayonnement d'une onde polarisée circulairement.

6. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens sont constitués par des encoches réalisées dans la fente.

7. Antenne selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la ligne d'alimentation est une ligne microruban ou une ligne réalisée en technologie coplanaire.

Ansprüche

1. Mehrband-Planarantenne mit einem ersten Schlitz (10) vom Typ mit einem ringförmigen Schlitz oder mit einer zu einem Punkt symmetrischen Form auf einem Substrat, dessen Umfang für die Funktion bei einer ersten Frequenz f1 bemessen ist (R1, R'1);
gekennzeichnet durch
wenigstens einen zweiten Schlitz (11) vom Typ mit einem ringförmigen Schlitz oder mit einer zu einem Punkt symmetrischen Form, dessen Umfang (R2, R'2) für die Funktion bei einer zweiten Frequenz f2 bemessen und mit dem ersten Schlitz (10) verschachtelt ist, wobei der erste und der zweite Schlitz durch eine gemeinsame Speiseleitung (12) (Im1, Im2; I'm; I'm1, I'm2) gespeist werden, die derart positioniert ist, dass sie jeden Schlitz in einer Kurzschlussebene der Speiseleitung kreuzt.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie N verschachtelte Schlitze (21, 22, 23) vom Typ mit einem ringförmigen Schlitz oder mit einer zu einem Punkt symmetrischen Form enthält, dass der Umfang jedes Schlitzes bemessen ist für eine Arbeit bei einer Frequenz f_i , wobei sich i von 1 bis N ändert, dass jeder Schlitz durch die Speiseleitung (20) derart gespeist wird, dass er sich in der Kurzschlussebene der Speiseleitung befindet.

3. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (R'1, R'2) cotangent sind in einem Punkt mit der Speiseleitung, die die Schlitze in diesem Punkt oder auch in einem diametral gegenüberliegenden Punkt kreuzt.

4. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze konzentrisch sind.

5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze mit Mitteln (1") versehen sind, die die Strahlung einer zirkularpolarisierten Welle ermöglichen.

6. Antenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel durch in dem Schlitz ausgebildete Kerben gebildet sind.

7. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Speiseleitung eine Mikrostreifenleitung oder eine in Coplanartechnologie ausgebildete Leitung ist.

Claims

1. Multiband planar antenna of the type comprising on a substrate a first slot (10) of the slot annular type or of symmetrical shape with respect to a point, the perimeter of which is dimensioned (R1,R'1) to operate at a first frequency f1, characterized in that it comprises at least one second slot (11) of the slot annular type or of symmetrical shape with respect to a point, the perimeter of which is dimensioned (R2,R'2) to operate at a second frequency f2, and overlapped in said first slot (10), the first and the second slot being fed by a common feed line (12) (Im1,Im2 ; I'm; I'm1,I'm2) positioned in a way that it crosses each slot in a short-circuit plane of the feed line.

2. Antenna according to Claim 1, characterized in that it comprises N overlapped slots (21,22,23) of the slot annular type or of symmetrical shape with respect to a point, the perimeter of each slot being dimensioned to operate at a frequency f_i with i varying from 1 to N, each slot being fed by the said feed line (20) in such a way as to lie in a short-circuit plane of the feed line.

3. Antenna according to Claim 1, characterized in that the slots (R'1,R'2) are cotangent at a point with a feed situated at this point or at the diametrically opposite point.

4. Antenna according to Claim 1, characterized in that the slots are concentric.

5. Antenna according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the slots are furnished with means (1") allowing the radiation of a circularly polarized wave.

6. Antenna according to Claim 5, characterized in that the means consist of notches made in the slot.

7. Antenna according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the feed line is a microstrip line or a line made in coplanar technology.

Dessins