Antenne imprimée plane à éléments superposés court-circuités

Abstract

 L'invention concerne une antenne imprimée plane d'émission et/ou de réception de signaux hyperfréquences, du type comprenant notamment : un premier élément conducteur (ou "patch") (2) sensiblement parallèle à un plan de masse (1) ; un premier substrat diéléctrique séparant ledit premier élément conducteur dudit plan de masse ; des moyens d'alimentation de ladite antenne ; au moins un second élément conducteur (3) sensiblement identique audit premier élément conducteur, ledit second élément conducteur étant superposé audit premier élément conducteur et sensiblement parallèle audit plan de masse ; un second substrat diéléctrique séparant lesdits premier et second éléments conducteurs ; au moins un premier court-circuit (8) reliant lesdits premier et second éléments conducteurs.
Selon l'invention, au moins un desdits premier et second éléments conducteurs comporte au moins une fente.

Description

[0001] Le domaine de l'invention est celui des antennes électromagnétiques de faibles dimensions susceptibles de fonctionner, selon leur géométrie, de quelques centaines de MHz à quelques GHz.

[0002] Plus précisément, l'invention concerne une antenne imprimée plane de faibles dimensions.

[0003] Les antennes de faibles dimensions ont de nombreuses applications, telles que par exemple les communications avec des mobiles (les antennes sont dans ce cas placées dans des terminaux radiomobiles portatifs coopérant avec des réseaux de radiocommunication terrestres ou par satellites), les communications de proximité (entre ordinateurs ou à l'intérieur d'un bâtiment par exemple), pour des dispositifs d'identification, etc.

[0004] On connaît, dans l'état de la technique, deux principaux types d'antennes de petites dimensions, à savoir :

• les antennes filaires, de type dipôle ou dérivé, qui fonctionnent généralement au-dessous de 1 GHz ;
• les antennes planaires (ou imprimées), qui fonctionnent au-dessus de 0,5 GHz. Elles sont constituées d'un élément conducteur métallique parallèle à un plan de masse. L'élément conducteur est également appelé "patch".

[0005] On connaît notamment, comme exemples d'antennes planaires de faibles dimensions, l'antenne quart d'onde, l'antenne en F inversé (ou PIFA, pour "Planar Inverted F Antenna" en langue anglaise), l'antenne de type C monocouche et l'antenne en H.

[0006] Deux principaux inconvénients existent pour la plupart des antennes proposées antérieurement : des dimensions trop grandes et une bande passante trop faible. En d'autres termes, l'encombrement des antennes connues est encore trop important et leur bande passante trop limitée pour des terminaux de plus en plus compacts.

[0007] L'invention a notamment pour objectif de pallier ces différents inconvénients de l'état de la technique.

[0008] Plus précisément, l'un des objectifs de la présente invention est de fournir une antenne imprimée plane de très faible encombrement, c'est-à-dire de dimensions très faibles devant la longueur d'onde de fonctionnement.

[0009] L'invention a également pour objectif de fournir une telle antenne de faibles dimensions qui possède une large bande passante.

[0010] Un autre objectif de l'invention est de fournir une antenne bibande de faibles dimensions.

[0011] Ces différents objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints selon l'invention à l'aide d'une antenne imprimée plane d'émission et/ou de réception de signaux hyperfréquences, du type comprenant notamment :

• un premier élément conducteur (ou "patch") sensiblement parallèle à un plan de masse ;
• un premier substrat diéléctrique séparant ledit premier élément conducteur dudit plan de masse ;
• des moyens d'alimentation de ladite antenne ;
• au moins un second élément conducteur sensiblement identique audit premier élément conducteur, ledit second élément conducteur étant superposé audit premier élément conducteur et sensiblement parallèle audit plan de masse ;
• un second substrat diéléctrique séparant lesdits premier et second éléments conducteurs ;
• au moins un premier court-circuit reliant lesdits premier et second éléments conducteurs,

caractérisée en ce qu'au moins un desdits premier et second éléments conducteurs comporte au moins une fente.

[0012] Le principe général de l'invention consiste donc à introduire un court-circuit entre deux éléments conducteurs (ou "patches") superposés, dont au moins un comporte une fente.

[0013] En d'autres termes, l'invention concerne l'introduction de fentes dans la géométrie des éléments conducteurs. En effet, la présence de fentes (ou ouvertures) convenablement placées est suceptible de rallonger les lignes de courant électriques et permet ainsi :

• soit un fonctionnement à plus basse fréquence pour une antenne d'encombrement donné,
• soit une diminution de la taille de l'antenne pour un fonctionnement à fréquence donnée.

[0014] La réduction des dimensions de l'antenne résulte aussi de la présence de plans de courts-circuits partiels entre éléments superposés (ou entre éléments et masse) qui rallong également les lignes de courant.

[0015] Par ailleurs, l'élargissement de la bande passante est obtenue par superposition d'éléments métalliques.

[0016] La présente invention permet d'obtenir différentes structures d'antennes de très petites dimensions (typiquement 35 mm x 35 mm) pouvant fonctionner autour de 2 GHz. Il est clair qu'avec des dimensions encore plus petites, elles peuvent fonctionner à des fréquences plus élevées.

[0017] Avantageusement, au moins un second court-circuit relie ledit premier élément conducteur et ledit plan de masse.

[0018] Préférentiellement, ledit premier substrat diéléctrique et/ou ledit second substrat diéléctrique appartiennent au groupe comprenant l'air et les autres diélectriques.

[0019] Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, chacun desdits premier et second éléments conducteurs possède une forme en "C" et comporte une fente définissant une première et une seconde extrémités libres,
   et les premières extrémités libres des premier et second éléments conducteurs sont reliées par ledit premier court-circuit.

[0020] On appelle ce mode de réalisation avantageux de l'invention, antenne de type C multicouche court-circuitée. Le terme multicouche indique la présence de deux éléments conducteurs superposés.

[0021] Avantageusement, dans le cas de ce mode de réalisation avantageux de l'invention, chacun desdits premier et second éléments conducteurs possède une forme identique à celle d'un élément conducteur d'une antenne de type C monocouche.

[0022] En effet, on connaît dans l'état de la technique, une antenne de type C monocouche (comprenant donc un seul élément conducteur). Cette antenne a été obtenue à partir du dipôle replié en le coupant suivant son axe de symétrie et en n'en conservant que la moitié, après avoir constaté que le courant était très faible dans la bande métallique reliant les deux parties de l'antenne.

[0023] L'antenne de type C multicouche court-circuitée de l'invention est quant à elle obtenue en "pliant" le dipôle replié autour de son plan de symétrie. En d'autres termes, on va complètement à l'encontre de la technique précédemment utilisée puisqu'on conserve les deux moitiés d'antenne, et non pas seulement une des deux. Selon l'invention, ces deux moitiés d'antenne, qui sont identiques et superposées, constituent les deux éléments conducteurs. La bande métallique qui les relie constitue le premier court-circuit entre les deux éléments conducteurs.

[0024] L'antenne de type C multicouche court-circuitée semble utiliser le premier mode (habituellement non rayonnant) du dipôle replié. En supposant maintenue la distribution de courant du premier mode du dipôle replié, les deux moitiés d'antenne, maintenant superposées, ont des distributions de courant semblables et leurs rayonnements s'ajoutent. On crée ainsi le rayonnement tout en diminuant dans un rapport 2 la surface de l'antenne.

[0025] De façon avantageuse, chacun desdits premier et second éléments conducteurs possède, si l'on excepte ladite fente, une forme essentiellement carrée, de longueur de côté 1 = λ/12 environ, avec λ la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne.

[0026] Ainsi, on obtient une antenne planaire ayant des dimensions latérales exceptionnellement petites. En effet, à la connaissance du déposant, il n'existe actuellement aucune antenne de si petites dimensions. On rappelle notamment que l'antenne classique est de forme générale carrée, avec une longueur de côté 1 = λ/2.

[0027] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, donné à titre d'exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels :

• la figure 1 présente une vue de dessus d'un dipôle replié connu de l'état de la technique ;
• les figures 2, 3 et 4 présentent chacune une vue, en perspective, de côté et de dessus respectivement, d'un premier mode de réalisation de l'antenne selon l'invention, dite antenne de type C multicouche court-circuitée ;
• la figure 5 permet de comparer les dimensions des antennes selon les différents modes de réalisation de l'invention avec celles des antennes classiques ;
• les figures 6(a) et 6(b) présentent chacune un diagramme de rayonnement d'un exemple d'antenne de type C multicouche court-circuitée telle que présentée sur les figures 2, 3 et 4, pour la polarisation principale (fig.6(a)) et la polarisation croisée (fig.6(b)) respectivement ;
• la figure 6(c) présente un tableau de correspondance des références des courbes de niveaux des figures 6(a) et 6(b).

[0028] L'invention concerne donc une antenne planaire de faibles dimensions comprenant notamment deux éléments conducteurs (ou "patches") superposés (de façon parallèle à un plan de masse) et court-cicuités entre eux. L'élément conducteur inférieur et le plan de masse peuvent également être court-circuités. Les deux éléments conducteurs peuvent comporter une ou plusieurs fentes.

[0029] Dans la suite de la description, on présente un mode de réalisation particulier de l'antenne de l'invention. On l'appelle : antenne de type C multicouche court-circuitée.

[0030] On présente maintenant, en relation avec les figures 2, 3 et 4, ce mode de réalisation particulier de l'antenne de l'invention, à savoir l'antenne de type C multicouche court-circuitée. Les figures 2, 3 et 4 présentent chacune une vue, en perspective, de côté et de dessus respectivement, de cette antenne de type C multicouche court-circuitée selon l'invention.

[0031] Cette antenne comprend un plan de masse 1 et deux éléments conducteurs superposés 2, 3 (dits éléments conducteurs inférieur 2 et supérieur 3). Elle comprend également une alimentation coaxiale 4.

[0032] Les éléments conducteurs inférieur 2 et supérieur 3 sont identiques. Chacun possède une forme en "C", une fente 5, 5' réalisée dans une forme initialement carrée définissant une première 6, 6' et une seconde 7, 7' extrémités libres. Les premières extrémités libres 6, 6' des deux éléments conducteurs 2, 3 sont reliées par un court-circuit 8.

[0033] La figure 1 présente une vue de dessus d'un dipôle replié connu de l'état de la technique. L'antenne de type C multicouche court-circuitée de l'invention est obtenue en "pliant" ce dipôle replié autour de son axe de symétrie xx'. Ce sont les deux moitiés d'antenne, identiques et superposées, qui constituent les éléments conducteurs inférieur 2 et supérieur 3. La bande métallique qui les relie constitue le court-circuit 8 entre ces deux éléments conducteurs 2, 3.

[0034] L'antenne de type C multicouche court-circuitée semble utiliser le premier mode (habituellement non rayonnant) du dipôle replié. En supposant maintenue la distribution de courant du premier mode du dipôle replié, les deux moitiés d'antenne, maintenant superposées, ont des distributions de courant semblables et leurs rayonnements s'ajoutent. On crée ainsi le rayonnement tout en diminuant dans un rapport 2 la surface de l'antenne.

[0035] On présente ci-dessous les résultats obtenus avec deux exemples d'antennes de type C multicouche court-circuitée selon l'invention. Le tableau I ci-dessous présente les dimensions précises de ces deux exemples d'antenne.

[0036] Dans ces deux exemples, si l'on excepte la présence de la fente 5, 5', les deux éléments conducteurs 2, 3 sont de forme carrée (l₁ + l₂ + l₃ = w₁ + w₂).

[0037] Dans le premier exemple (première ligne du tableau I), l'antenne est entièrement métallique. L'espace situé entre le plan de masse 1 et l'élément conducteur inférieur 2, et celui situé entre les éléments conducteurs inférieur 2 et supérieur 3 sont tous les deux remplis d'air (ε_r1 = ε_r2 = 1). L'antenne présente une épaisseur de 6 mm (h₁ + h₂), et un encombrement total de 20 x 20 x 6 mm.

[0038] Dans le second exemple (seconde ligne du tableau I), l'espace situé entre le plan de masse 1 et l'élément conducteur inférieur 2 est rempli d'air (ε_r1 = 1), tandis que celui situé entre les éléments conducteurs inférieur 2 et supérieur 3 est rempli de substrat (ε_r2 = 2,2). L'antenne présente une épaisseur de 3 mm (h₁ + h₂), et un encombrement total de 13,5 x 13,5 x 6 mm.

[0039] Sur le tableau I, on a noté :

• h₁ l'espacement entre le plan de masse 1 et l'élément conducteur inférieur 2 ;
• h₂ l'espacement entre les éléments conducteurs inférieur 2 et supérieur 3 ;
• εr₁ la permittivité relative de l'élément diélectrique situé entre le plan de masse 1 et l'élément conducteur inférieur 2 ;
• ε_r2 la permittivité relative de l'élément diélectrique situé entre les éléments conducteurs inférieur 2 et supérieur 3 ;
• l₁ la largeur de chaque seconde 7, 7' extrémité libre ;
• l₂ la largeur de chaque fente 5, 5' ;
• l₃ la largeur de chaque première 6, 6' extrémité libre ;
• w₁ la largeur de la zone reliant les premières 6, 6' et secondes 7, 7' extrémités libres ;
• w₂ la longueur de chaque fente 5, 5'.

TABLEAU I

Type d'antenne	h1 (mm)	h2 (mm)	εr1	εr2	l1 (mm)	l2 (mm)	l3 (mm)	w1 (mm)	w2 (mm)
sans substrat	3	3	1	1	12	4	4	4	16
avec substrat	1,5	1,5	1	2,2	7	3,5	3	3,5	10

[0040] Avec l'antenne du premier exemple (entièrement métallique), on obtient une résonance à une fréquence de 1,2 GHz. Par comparaison, un élément carré classique à la même fréquence aurait des dimensions 6 fois plus grandes. La bande passante obtenue est de 2,5 % pour un R.O.S. inférieur à 2.

[0041] Les figures 6(a) et 6(b) présentent chacune un diagramme de rayonnement de ce premier exemple d'antenne de type C multicouche court-circuitée, pour la polarisation principale (fig.6(a)) et la polarisation croisée (fig.6(b)) respectivement. La figure 6(c) présente un tableau de correspondance des références des courbes de niveaux des figures 6(a) et 6(b).

[0042] Ces diagrammes de rayonnement font apparaître le caractère relativement omnidirectionnel du rayonnement, dû à la faible taille des éléments conducteurs, ainsi que l'absence de pureté de polarisation, due à la géométrie complexe de ces éléments conducteurs.

[0043] L'antenne du second exemple (comportant du substrat), présente une résonance à une fréquence de 1,47 GHz, avec une bande passante de 0,3 % à R.O.S. égal à 2. Les dimensions des éléments conducteurs ont donc encore été réduites au prix d'une diminution de la bande passante par l'utilisation d'un substrat diélectrique (dans cet exemple un substrat de type Duroïd (marque déposée), avec ε_r2 = 2,2) entre les deux éléments conducteurs superposés.

[0044] La figure 5 permet de comparer les dimensions des antennes selon les différents modes de réalisation de l'invention avec celles des antennes classiques.

[0045] Le carré 91 de côté λ/12, avec λ la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne, correspond aux dimensions des éléments conducteurs superposés et court-circuités de l'antenne de type C multicouche de l'invention. Cette antenne de type C multicouche est, à la connaissance des déposants, la plus petite qui ait été réalisée. Sa bande passante réduite (2,5 %) pourrait être augmentée par l'optimisation de sa géométrie.

[0046] Le carré 93 de côté λ/2 rappelle les dimensions de l'unique élément conducteur des antennes classiques.

[0047] Il est clair que la présente invention peut être mise en oeuvre avec différents types de fente et de court-circuit.

[0048] D'une façon générale, la position et la forme de la ou des fentes et du ou des courts-circuits peuvent être déterminées par :

• analyse (par le calcul ou le raisonnement physique) de la distribution du courant avant introduction de la ou des fentes et/ou du ou des plans de courts-circuits, pour décider de l'emplacement de ceux-ci ;
• étude (par le calcul ou le raisonnement physique) de la distribution du courant après introduction de la ou des fentes et/ou du ou des plans de courts-circuits, pour prévoir les répercussions sur le diagramme de rayonnement, l'impédance d'entrée et le rendement de l'antenne.

Revendications

1. Antenne imprimée plane d'émission et/ou de réception de signaux hyperfréquences, du type comprenant notamment :

- un premier élément conducteur (ou "patch") (2 ; 12 ; 22) sensiblement parallèle à un plan de masse (1 ; 11 ; 21);

- un premier substrat diéléctrique séparant ledit premier élément conducteur dudit plan de masse ;

- des moyens (4 ; 14 ; 24) d'alimentation de ladite antenne ;

- au moins un second élément conducteur (3 ; 13 ; 23) sensiblement identique audit premier élément conducteur, ledit second élément conducteur étant superposé audit premier élément conducteur et sensiblement parallèle audit plan de masse ;

- un second substrat diéléctrique séparant lesdits premier et second éléments conducteurs ;

- au moins un premier court-circuit (8 ; 18 ; 28) reliant lesdits premier et second éléments conducteurs,

caractérisée en ce qu'au moins un desdits premier et second éléments conducteurs comporte au moins une fente (5').

2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'au moins un second court-circuit (19 ; 29) relie ledit premier élément conducteur (12 ; 22) et ledit plan de masse (11 ; 21).

3. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que ledit premier substrat diéléctrique et/ou ledit second substrat diéléctrique appartiennent au groupe comprenant l'air et les autres diélectriques.

4. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que chacun desdits premier et second éléments conducteurs (2, 3) possède une forme en "C" et comporte une fente (5') définissant une première (6') et une seconde (7') extrémités libres,
   et en ce que les premières extrémités libres (7') des premier et second éléments conducteurs (2, 3) sont reliées par ledit premier court-circuit (8).

5. Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que chacun desdits premier et second éléments conducteurs (2, 3) possède une forme identique à celle d'un élément conducteur d'une antenne de type C monocouche.

6. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que chacun desdits premier et second éléments conducteurs (2, 3) possède, si l'on excepte ladite fente (5'), une forme essentiellement carrée (91), de longueur de côté 1 = λ/12 environ, avec λ la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne.

Dessins