Brevet FR2649542A1 — publié le 19910111

La présente invention concerne une antenne destinée à etre fixée sur une paroi diélectrique, c'est-8-dire pouvant fonctionner à travers cette paroi diélectrique sans qu'il soit nécessaire de la percer. L'invention vise en par ticul ier les antennes de pare-brise de véhicule, mais peut être étendue à toute paroi diélectrique de véhicule terrestre, maritime ou aérien. Des antennes du genre précité sont déja connues. Il s'agit de placer de part et d'autre d'un diélectrique supposé plan (s'il ne l'est pas, une adaptation mécanique est à prévoir), des surfaces métal I iques en regard permettant de réaliser un condensateur ou une capacité, cette capacité ayant une valeur qui dépend de l'épaisseur du diélectrique (environ 4 mm), de son indice diélectrique (2-5) et de l'aire desdites surfaces métalliques en regard. On peut ainsi obtenir par courant de déplacement, I'alimntation d'une antenne située de port et d'agir de la paroi didlectrique. Dans de telles antennes, toutefois, la capacité précitée perturbe le fonctionnement du brin d'antenne aérien. Dans les antennes connues, la compensation de cette perturbation est obtenue au moyen de composants discrets (self-inductances, capacités). Ces composants compliquent la réalisation de l'antenne et en angmentent le coût. Par ailleurs, la circulation des courants de retour par l'extérieur de l'antenne est mal contrôlée. Les dispositifs connus mettent en oeuvre des solutions de ferrite ou stub radioélectrique sur le câble coaxial d'antenne d'amenée d'énergie. A nouveau, ces composants sont volumineux, chers, compliquent la conception de l'antenne et en augmentent le temps de montage. Des antennes connues presentant les inconvénients précités sont décrites en particulier par le GB-A-2172148, le EP-A-0137391 et le US-A-4764773. Le but de la présente invention est de proposer une antenne qui ne présente pas les inconvénients des dispositifs connus, c'est-à-dire en particulier qui ne comporte pas les composants électroniques discrets de correction ou de compensation, et qui prenne en compte les contraintes décrites dans le choix de la conception et la longueur des brins d'antenne. D'autres buts de I'invention consistent à proposer une antenne qui rayonne en polarisation verticale, favorise le rayonnement du brin extérieur par rapport à ceux des brins intérieurs, dans laquelle la circulation de courant sur la surface extérieure de le gaine du cible coaxial d'antenne soit limitée au maximum, qui permette d'obtenir une bonne adaptation, c'est-à-dire un rapport d'onde stationnaire (ROS) inférieur ou égal à 1,5, dans une gamne de fréquence compatible avec un matériel de radio-communication du type radio-téléphone, et qui procure un réglage simple par ajustement de la longueur du brin rayonnant et des brins formant contre-ps.os sJio-electri qJe. L'antenne conforme à l'invention, qui est du type comportant au moins un brin rayonnant extérieur et au moins deux brins intérieurs forment contre-poids radio-électrique, est ainsi caractérisée en ce que la longueur des brins rayonnants est déterminée de manière qu'aucun composant sup plémentaire ne soit nécessaire pour obtenir une adaptation d'impédance de cette antenne. De préférence, la longueur des brins rayonnants est ajustée au moyen de capuchons d'extrémité en matière synthétique. Selon une variante de réalisation de l'invention, le cible coaxial intérieur de raccordement d'antenne est di rectemeat raccordé b la surface nétallique intérieure for. ment la premiers électrode du condensateur d'antenne. L'antenne selon l'invention comprend également un boltier intérieur de fixation dont l'une des faces extérieur res est constituée par une plaque de circuit imprime ayant une surface métallique extérieure formant la première électrode du condensateur d'antenne, et à Isquelle sont raccordés le câble coaxial d'entenne et les brins intérieurs; De préférence, le boltier précité est réalisé en matière plastique. D'autres caractéristiques et avantages de 1' invention ressortiront encore de la description qui va suivre et des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs, auxquels: La Figure I est une vue en perspective éclatée, avec arrachement partiel, de l'antenne conforme à l'invention, Les Figures 2e et 2b sont des schémas électriques équivalents de l'antenne de la Figure I, et Les Figures 3e et 3b sont des courbes donnant, à fréquence variable, la résistance des brins d'antenne en fonction de leur longueur. L'antenne représentée é la Figure 1 comprend es - sentiel lement un brin rayonnant extérieur vertical 1 et au moins deux brins intérieurs 2, 3 formant contre-poids ra dioélectr'ique, qui s'étendent perpendiculaireme-nt au brin extérieur 1. Le brin extérieur 1 est relié à une première suface métallique , de forme rectangula:re ou circulaire et destinée à être fixée, par exemple par collage, sur le pare- brise d'un véhicule (non représenté).La liaison électrique entre le brin rayonnant extérieur 1 et ladite première surface métallique 7 est reliée b des moyens supports 8 qui permettent, le cas échéant, le pivotement du brin rayonnant 1 dens un plan perpendiculaire aux brins Intérieurs 2 et 3. Dans l'exemple représenté b le Figure 1, le plan de la premitre surface métallique 7 est parallèle au plan dans lequel s'étendent les brins Intérieurs 2 et 3. Un élénent rectangulaire 9 en matériau électrique~ ment isolant, qui comprend ea perçage adapté à entourer solidement la surface 7, permet d'augmenter la surface de collage de celle-ci, et de fait la tenue mécanique de l'antenne sans en modifier le comportement électrique. La surface métallique 7 précitée forme l'une des électrodes du condensateur d'antenne 10 (voir Figure 2a) dont le diélectrique est constitué par le pare-brise du véhicule équipé de l'antenne de l'invention. L'antenne comprend également un boîtier intérieur de fixation 5 (voir Figure I), de forme parallçlipipédique, dont la face extérieure adjacente au pare-brise, c'est-h- dire en regard de la première surface métallique 7, est constituée par une plaque de circuit imprimé 6 dont la surface externe métallique, adjacente au pare-brise, forme l'autre électrode du condensateur d'antenne 10 et est électriquement reliée (par soudage ou analogue) au conducteur central 12 du câble coaxial d'antenne 4 qui traverse un orifice 12a du circuit 6. La face interne du circuit 6 comprend une région médiane isolante 6a et deux bandes --upérieure 6c et inférieu- re 6b imprimées métalliques. La bande supérieure 6c est électriquement réliée au conducteur extérieur 13 du câble 4 au moyen d'un manchon métallique 15 entourant partiellement ce dernier et en contact avec la bande 6c. La bande infe- rieure 6b est electriquement reliée aux brins intérieurs 2 et 3 qui sont rendus solidaires du circuit 6 par l'intermédiaire d'un ergot-support Il faisant saillie perpendiculairement par rapport b ladite face du boltier 5. Les brins intérieurs 2 et 3 pénètrent dans le boltier 5 par l'intermédiaire d'orifices latéraux qui sont situés à l'opposé de l'orifice du boltier 5 qui permet la pénétration du cible coaxial 4 b l'intérieur de ce bottier 5. Quand le boitier 5 est métallique, les bandes 6b et 6c sont électriquement reliées par les parois de ce boltier 5. Quand celui-ci est en matériau isolant (par exemple matière plastique), le circuit imprime 6 est muni, sur sa face interne, de bandes latérales métalliques d'extrémité qui assurent cette liaison. Les bandes 6b et 6c peuvent, le cas échéant, permettre de réduire la longueur des brins in térieurs 2 et 3, ainsi que la suppression du brin de liaison 11a interne au boîtier 5, en se comportant en contre-poids radioélectriques complémentaires. Les surfaces métalliques 6 et 7 sont suffisamment grandes pour que la tenue mécanique par collage de ces sur faces contre le pare-brise du véhicule soit satisfaisante (1 cm2 de surface collée résiste à une traction sensiblement égale à I daN). Toutefois, lesdites surfaces doivent être suffisamment faibles pour ne pas limiter la vision dans le cas d'un diélectrique transparent. Ainsi, le surface pré férentielle de l'invention est comprise entre 10 et 25 cm2. Les brins, intérieurs forment contre-poids radioé lectrique servent en particulier à reduire la circulation du courant sur la surface extérieure 4a de la gaine du câble coaxial 4, qui tend à perturber l'impédance d'antenne et éventuellement. le rayonnement du bin utile extérieur. Conf*zLmdment a l'invention. la Longueur des brins rayonnants 1 a 3 est déterminée de manière qu'aucun composant discret supplémentaire ne soit nécessaire pour obtenir une adaptation d'impédance de l'antenne. Ainsi, le réglage de cette impédance est réalisé par ajustement de la longueur des brins rsy3nnants 1 a 3, une réduction de longueur étant obtenue en coupant les brins, tendis qu'un allongement est obtenu par la mise en place de capuchons d'extrémité reali- sés en PVC ou néoprène la, 2a, 3a, qui allongent artificiellement la longueur des brins rayonnants. L'allongement obtenu dépend du type du matériau utilisé et du volume du capuchon correspondant.Un réglage préalable est effectué au montage de l'antenne afin que la fluctuation des épaisseurs de pare-brise soit acceptable pour le rapport d'onde stationnaire (ROS) de l'antenne. Il convient de noter que plus la fréquence d'utilisation de l'antenne est élevée, plus l'influence de la capacité du condensateur d'antenne est faible, et de ce fait plus l'influence de la fluctuation des épaisseurs de diélectrique est négligeable, étant entendu que l'antenne conforme à l'invention est utilisable dans une large gamme de fréquences mais est plus particuliârement adaptée aux antennes F (antennes de pare-brise fonctionnant entre 400 et 900 MHz). Le raccordement du cible coaxial 4 a la surface métallique externe du circuit imprimé 6 s'effectue, dans l'exemple représenté, directement, mais bien entendu la mise en place d'un connecteur de raccordement est envisageable. Le boltier intérieur de fixation 5 peut être réalisé en matière plastique ou métallique. Dans le cas d'un boîtier métallique, I'influence de la capacité parasite introduite sur l'adaptation d'impédance est à prendre en compte d'une manière que l'on décrira plus loin. Le foncticnnement Je l'antenne conforme à l'invention est le suivant (voir Figure 2a et 2b). Le courant ii circulant dans l'âme 12 du cible coaxial 4, traverse le condensateur 10 et circule sur le brin rayonnant extérieur I (courant il). Le courant i r circulant dans la tresse 13 du chable coaxial 4, est la somme des courants i2 circulant sur les deux brins 2 et 3 et du courant i3 circulant sur l'extérieur du cible coaxial 4.On en déduit ainsi le schéma équivalent donné à la Figure 2b où : Z5 est l'impédance de l'élément rayonnant extérieur 1, Zcp est l'impédance du condensateur de pare-brise 10, Zcpl et Zcp2 sont les impédances des brins intérieurs 2 et 3, Zg est l'impédance présentée par l'extérieur de la gaine 4a du câble coaxial 4, et Zc est l'impédance caractéristique de la ligne coaxiale d'alimentation. Le schéma équivalent précité permet de définir les critères de bon fonctionnement de l'antenne. Ainsi, l'adaptation d'impédance de cette antenne est obtenue lorsque les relations suivantes sont vérifiées: a cp +Zcp + (Zcp2 Il Zcpl Il Z9) # Zc et LQ i2 > > i3 (par exemple i2 > Si3). Si Zc1 = Zcp2, c'est-à-dire si les brins intérieurs 2 et 3 ont des longueurs identiques, on obtient alors: Les valeurs des impédances Za, Zcpl et Zcp2 sont données par les courbes des Figures 3a et 3b dans lesquelles A représente la longueur du brin rayonnant correspondant et D son diamètre. Ces courbes sont issues du livre "Antenna Engineering Hand book" par Mr. JASIK, édition Mac GRAW-HILL, pages 34 et 35. L'impédance de la capacité du condensateur d'antenne 10 est donnée par la relation: dans laquelle: est la permitivité relative du diélectrique, S(m2) est la surface des plaques métalliques 6 et 7, c(m) est l'épaisseur du diélectrique, # = 2 # F, F étant la fréquence exprimée en Hz. Zg est l'impédance d'une ligne qui, dans le cas de l'invention, est longue devant la longueur d'onde d'utilisation. Cette impédance est donc équivalente b l'impédance caractéristique du câble et de la carrosserie du véhicule (environ 400 à 600 ohms) ou du brin d'antenne infiniment long équivalent, ctest-b-dire 800 à 1200 ohms. Des équations précédentes, on déduit que si: I'effet de la gaine du câble coaxial 4 devient négligeable sur le rayonnement du brin extérieur I et sur l'impédance globale d'antenne. Les brins intérieurs parcourus par des courants égaux et opposés rayonnent très peu, seul le brin extérieur 1 intervenant dans le rayonnement. Par ail leurs, les relations précitées donnent également: On va maintenant décrire un exemple particulier de réalisation d'une antenne centrée sur 447 MHz. Dans cette antenne, la longueur du brin rayonnant extérieur 1 est égale à 180 rrrn. la longueur des brins intérieurs 2 et 3 est égale à 130 mm. On en déduit une capacité de condensateur d'antenne l0 sensiblement égale à 14,1 pF. Les performances de cette antenne contrée sur 447 MHz sont résumées dans les tableaux I et II ci-apres. Dans le tableau I, > est la longueur d'onde de fonctionnement, 11 la longueur en mn du brin extérieur I et 12 la longueur en rrrn des brins intérieurs 2 et 3. Les résultats obtenus sont compris dans la limite de précision des appareils de mesure et de l'abaque de calcul. TABLEAU I F X g 3 3601 3601 1 Z1 Zc Z ROS (tz) (m) jcw 441 680 95,3 68,82 -j 25,5 52+j60 Is.iê, 60-jlO 11,3 447 671 96,6 69,7 -j 25,2154+j70l8-j42 62+j3 t1,2 I - I 454 661 98,03 70,8 -j 20.8 j40 64ij15 f 24,8156+j I +j l4 TABLEAU 1 1 Fréquence Coefficient Réflexion R.O.S.Impédance 440 -0,074 + ( -0,089 j) 1,26 42,4 + (- 7,7 j) 441 -0,063 + ( -0,077 j) I,22 43,6 + (- 6,8 j) 442 -0,051 + ( -0,076 j) 1,20 44,6 + (- 6,8 j) 443 -0,032 + ( -0,061 j) 1,15 46,6 + (- 5,7 j) 444 -0,021 + ( -0,055 j) 1,13 47,6 + (- 5,3 j) 445 -0,001 + ( -0,047 j) 1,10 49,7 + (- 4,7 j) 446 0,020 + ( -0,035 j) 1,08 51,9 + (- 3,7 j) 447 0,037 , ( -0,029 j) 1,10 53,7 + (- 3,1 j) 448 0,065 + ( -0,024 j) 1,15 56,8 + (- 2,8 j) 449 0,084 + ( -0,018 j) 1,19 59,1 + (- 2,1 j) 450 0,104 + ( -0,032 j) 1,24 61,4 + (- 4,0 j) 451 0,120 + ( -0,046 j) 1,29 63,3 + (- 6,0 j) 452 0,139 + ( -0,050 j) 1,35 65,7 + (- 6,7 j) 453 0.157 + ( -0,063 j) 1,41 68,0 + (- 8.8 j) 454 0,170 - ( -0,062 j) 1,44 69.8 - (- 9.3 j) 455 0,184 + ( -0,069 j) 1,49 71,7 + (-10,3 j) 456 0,198 + ( -0,068 j) 1,53 73,8 + (-10,6 j) 457 0,217 + ( -0,072 j) 1,59 76,6 + (-11,7 j) 458 0,227 + ( -0,074 j > l,63 78,2 + (-12,3 j) 459 0,236 + ( -0,073 j) 1,65 79,7 + (-12,3 j) 460 0,240 + ( -0,084 ;;) 1,68 80,1 + (-14,3 j) Le boltier de fixation et de raccordement 5 est de préférence réalise en matière plastique et dans ce cas il est sans Influence sur l'adaptation d'antenne. Si ce boîtier 5 est métallique, il forme une capacité parasite avec la plaque interne du condensateur 10 de pare-brise, entre l'ame 12 et la messe 13 du cibla coaxial 4. Cette capacité entrain la réduction de la partie réelle de l'impédance Zc de l'antenne et rend négative la partie imaginaire de cette impédance Zc Une compensation est obtenue en augmentant la longueur du brin extérieur I, ce qui tend à produire les effets inverses aux conséquences précitées. Selon d'autres variantes de réalisation, le brin rayonnant extérieur I peut être avantageusement réalisé sous forme orientable ou coudée, ou encore multiple en forme de V ou U ce qui tend à améliorer la bande passante d'adaptation d'impédance. Le brin extérieur í peut être également de longueur supérieure àet dans ce cas, il convient de prévoir des moyens de compensation selfique en pied d'antenne. Cette dernière variante de réalisation permet d'obtenir une directivité accrue et par conséquent un gain supérieur de l'antenne. La présente invention propose donc une antenne, en particulier de pare-brise de véhicule, dont l'adaptation d'impédance est uniquement obtenue en réglant la longueur de ses brins rayonnants, de sorte qu'aucun composant électronique discret supplémentaire ne soit nécessaire. Les signes de référence insérés après les carac té- ristiques techniques mentionnées dans les revendications, ont pour seul but de faciliter la compréhension de ces der nières, et n'en limitent aucunement la portée. REVENDICATIONS 1. Antenne destinée å etre fixée sur une paroi aielectrique, du type comportant au moins un brin rayonnant extérieur (I) et au moins deux brins intérieurs (2, 3) formant contre-poids radioélectrique, caractérisée en ce que la longueur dés brins rayonnants est déterminée de manibre qu'aucun composant supplémentaire ne soit nécessaire pour obtenir une adaptation d'impédance de l'antenne. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la longueur des brins rayonnants (1-3) est ajustée eu moyen de capuchons d'extrémité (la, 2a, 3a) en matière synthétique. 3. Antenne selon l'une quelconque des revendications I et 2, caractérisée en ce que le cabale coaxial (4) intérieur de raccordement de l'antenne est directement raccordé a la surface métallique intérieure formant la première électrode du condensateur d'antenne (10). . Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par un boltier intérieur de fixation (5) dont l'une des faces extérieures est constituée par une plaque de circuit imprimé (6) ayant une surface métallique extérieure formant la première électrode du condensateur d'antenne (10), et à laquelle sont raccordés le câble coaxial (4) d'antenne et les brins Intérieurs (2, 3). 5. Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que le boîtier (5) est en matière plastique. 6. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'adaptation d'impédance de cette antenne est obtenue lorsque les relations suivantes son vérifiées: Z a + Zcp + (Zp2 Il Zcpl Il Zg) z.Zc et 12 i3, dans lesquelles: Za est l'impédance de l'élément rayonnant exté- rieur cri), Zcp est l'impédance du condensateur d'antenne (10), Zcpl et Zcp2 sont les impédances des brins intérieurs (2, 3), Zg est l'impédance d'antenne présentée par la surface extérieure (4e) de la gaine de câble coaxial d'antenne (4), i2 est l'intensité du courant circulant dans les brins intérieurs (2, 3), et i3 est l'intensité du courant circulant dans la gaine du câble coaxial (4). 7. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelles les brins intérieurs (2, 3) sont de longueur identique, caractérisée par la relation suivante: dans laquelle: Zg est l'impédance d'antenne présentée par la surface extérieure (4a) de la gaine du câble coaxial d'antenne (4), et Zcpl est l'impédance des brins intérieurs (2, 3). 8. Antenne selon l'une quelconque des revendications 4, 6 et 7, caractérisée en ce que le boîtier est métallique et en ce que la longueur du brin rayonnant extérieur (1) est déterminée ou ajustée pour compenser la capacité parasite inroduite par le boîtier (5). 9. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le brin rayonnant extérieur (1) est orientable ou coudé, ou multiple conformé en V ou en U. 10. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée on ce que le brin rayonnant extérieur (1) est de longueur supérieure b et an ce que l'antenne comprend des moyens de compensation relique.