Brevet FR2818811A1 — publié le 20020628

Antenne imprimée pastille compacte La présente invention concerne une antenne imprimée du type "pastille" en technologie plaquée, à polarisation linéaire ou circulaire, pour fonctionner à des fréquences de l'ordre de quelques Gigahertz. En particulier, cette antenne est destinée à être reproduite pour être intégrée dans un réseau de réception et/ou d'émission de signaux de télécommunications, embarqué dans un engin, tel qu'un satellite à orbite basse, ou installée dans une station de base en liaison avec un satellite de télécommunication, ou installée dans une station de base pour des radiocommunications avec des terminaux mobiles. Plus particulièrement, l'invention est dirigée vers une antenne imprimée "pastille" comprenant un substrat diélectrique et deux couches conductrices respectivement sur les faces du substrat. L'une des couches constitue un plan de masse. L'autre couche est une plaque conductrice rectangulaire ou carrée, appelée "pastille" (patch en anglais). Une telle antenne imprimée élémentaire est facilement intégrable et présente un faible coût de fabrication grâce à un procédé d'usinage simple. Cependant, les caractéristiques électriques de l'antenne dépendent considérablement de la matière diélectrique du substrat sur lequel les deux couches conductrices sont gravées. Lorsque le substrat diélectrique est mince et présente une permittivité diélectrique élevée, l'antenne est peu efficace et sa bande passante est faible. 2 2818811 Pour obtenir une antenne plus efficace, le substrat diélectrique doit être épais et être constitué en une matière de faible permittivité diélectrique. Toutefois la taille de l'antenne ainsi obtenue est nettement plus grande, ce qui rend difficile l'intégration de celle-ci dans un réseau. En outre, l'ouverture du diagramme du rayonnement de l'antenne est diminuée. La présente invention a pour but de fournir une antenne imprimée de type "pastille" à efficacité élevée, ayant une taille plus petite que celle selon la technique antérieure évoquée ci-dessus, et présentant un diagramme de rayonnement plus ouvert. A cette fin, une antenne imprimée comprenant un substrat diélectrique et deux couches conductrices respectivement sur les faces du substrat, est caractérisée en ce que l'une des faces du substrat comporte un ressaut et l'une des couches conductrices s'étend sur et le long du ressaut. Pour une antenne à polarisation linéaire, la couche conductrice de l'antenne qui s'étend sur et le long du ressaut peut avoir un contour rectangulaire et constituer un élément rayonnant, et l'autre couche conductrice peut constituer un plan de masse. Selon une autre réalisation, la couche conductrice qui s'étend sur et le long du ressaut peut constituer un plan de masse, et l'autre couche conductrice peut être plane et rectangulaire et constituer un élément rayonnant. Le ressaut est alors de préférence sensiblement parallélépipédique avec une hauteur sensiblement égale à la demi-différence des longueurs des grands et petits côtés de la couche rectangulaire s'étendant 3 2818811 sur et le long du ressaut. Toutefois, la hauteur du ressaut est de manière générale choisie en fonction du niveau de compacité visé de l'antenne; plus la hauteur du ressaut est grande, plus la taille de l'antenne est réduite. Pour une antenne à polarisation circulaire, l'antenne comprend deux ressauts perpendiculaires formant une croix saillante. La couche conductrice de l'antenne qui s'étend sur et le long des ressauts peut occuper une surface carrée sur le substrat diélectrique dont les côtés ont la longueur des deux ressauts. L'antenne à polarisation circulaire comprend de préférence un coupleur hybride qui est réalisé sur un support diélectrique et logé dans le substrat diélectrique et qui a au moins un accès connecté à l'extrémité du conducteur interne d'une sonde coaxiale, et au moins un autre accès relié par une traversée métallique à la couche conductrice s'étendant sur et le long des ressauts. L'invention concerne également un procédé de fabrication de l'antenne imprimée "pastille", qui comprend un usinage d'une face d'un bloc de substrat diélectrique pour former des cavités séparées par au moins une bande ayant la section du ressaut, une métallisation au moins de la face du bloc diélectrique usiné, et un découpage de l'antenne imprimée sensiblement au centre du bloc usiné30 métallisé suivant le contour de l'antenne. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de plusieurs 4 2818811 réalisations préférées de l'invention en référence aux dessins annexés dans lesquels: - les figures 1 et 2 sont respectivement une vue en coupe prise suivant la ligne I-I dans la figure 2 et une vue de dessus d'une antenne imprimée de type "pastille" à polarisation linéaire selon une première réalisation préférée de l'invention; - les figures 3 et 4 sont respectivement une vue en coupe prise suivant la ligne III-III dans la figure 4 et une vue de dessus d'une antenne imprimée de type "pastille" à polarisation linéaire selon une deuxième réalisation préférée de l'invention; - la figure 5 montre deux diagrammes de rayonnement de champ électrique relatifs respectivement à une antenne "pastille" selon la technique antérieure et une antenne "pastille" selon la première réalisation; - les figures 6 et 7 sont respectivement des vues de dessus et en perspective d'un bloc de mousse diélectrique brut lors d'une première étape de fabrication d'une antenne selon l'invention; - les figures 8 et 9 sont respectivement des vues de dessus et en perspective du bloc de mousse diélectrique usiné lors d'une deuxième étape du procédé de fabrication; - les figures 10 et 11 sont respectivement des vues de dessus et en perspective du bloc de mousse usiné et métallisé lors d'une troisième étape du procédé de fabrication; - les figures 12 et 13 sont respectivement des vues de dessus et en perspective du bloc de mousse usiné et métallisé après une autre étape d'usinage selon le procédé de fabrication; - la figure 14 est une vue en perspective d'une antenne imprimée du type "pastille" à polarisation 2818811 circulaire avec coupleur hybride, selon une troisième réalisation de l'invention, un quart de secteur d'antenne ayant été arraché; - les figures 15 et 16 sont des vues de dessus et en coupe prises le long de la ligne XVI-XVI de l'antenne montrée à la figure 14; et - la figure 17 montre des variations d'adaptation et de transmission en fonction de la fréquence pour l'antenne selon la troisième10 réalisation. En référence aux figures 1 et 2, une antenne imprimée de type "pastille" à polarisation linéaire la selon la première réalisation de l'invention comprend un substrat diélectrique 2a, une première couche conductrice électriquement 3a s'étendant sur une première face du substrat et constituant un plan de masse, et une deuxième couche rectangulaire conductrice électriquement 4a s'étendant au centre de la deuxième face du substrat et présentant un ressaut central parallélépipédique 5a. La deuxième couche conductrice 4a a un contour rectangulaire et recouvre le dessus et les côtés longitudinaux du ressaut 5a. La couche 4a présente une section en U à extrémité potencée, comme montré à la figure 1, avec des ailes s'étendant sur la deuxième face du substrat 2a et ayant une largeur Ll beaucoup plus grande que la largeur L2 du ressaut 5a. En général, la hauteur h du ressaut 5a est égale ou supérieure à l'épaisseur e du substrat 2a. Comparativement à un élément rayonnant plat (patch) selon la technique antérieure ayant une largeur W et une longueur L bien souvent égale à W, comme montré en traits pointillés à la figure 2, la 6 2818811 longueur La de l'antenne la selon l'invention est réduite à: La = 2L1 + L2 = L - 2h. Grâce au ressaut 5a sur toute la largeur W de l'antenne, la longueur de l'élément rayonnant constitué par la deuxième couche conductrice 4a est réduite de manière significative. Cette réduction de longueur rapproche les fentes rayonnantes 6a de l'antenne "pastille" la, ce qui ouvre le diagramme de rayonnement dans le plan de champ électrique perpendiculaire au ressaut 5a. Dans la figure 2 est également représentée une ligne microruban 7a présentant une largeur W7 nettement plus petite que la largeur W de l'élément rayonnant 4a et s'étendant perpendiculairement à celui-ci, jusqu'au milieu du long côté d'une aile de largeur Ll. Cette ligne microruban correspond à un transformateur quart d'onde, et joue le rôle d'adaptateur d'impédance par rapport à l'impédance caractéristique, typiquement 50 Q. de la ligne d'alimentation de l'antenne. Pour alimenter l'antenne, une autre solution consiste à utiliser une sonde coaxiale, dont le conducteur interne est connecté en un point de l'antenne, telle qu'une aile de la couche 4a, présentant une impédance d'entrée égale à l'impédance caractéristique. Dans les figures 3 et 4 concernant une deuxième réalisation d'antenne imprimée lb de type "pastille" selon l'invention, des éléments similaires à ceux dans l'antenne la selon la première réalisation sont désignés par le même repère numérique suivi de la lettre b à la place de la lettre a. L'antenne imprimée de type "pastille" lb est une variante duale de la première réalisation en 7 2818811 ménageant le ressaut 5a, non pas sur la deuxième face du substrat diélectrique 2a supportant l'élément rayonnant rectangulaire 4a, mais sur la première face du substrat 2b supportant la première couche conductrice 3b constituant le plan de masse de l'antenne lb. L'élément rayonnant lb est une plaque conductrice rectangulaire 4b complètement plane, s'étendant suivant l'axe du ressaut 5b au-dessus de celui-ci. La longueur Lb de la couche conductrice 4b est encore conservée selon la relation précédente: Lb = L - 2h, o h dénote la hauteur du ressaut 5b de largeur L2. A titre d'exemple, le tableau I ci-après indique la fréquence de résonance correspondant à une longueur d'onde X, la bande passante centrée sur la fréquence de résonance en pourcentage par rapport à celle- ci, et la directivité pour une antenne TA selon la technique antérieure comprenant une plaque plane carrée de largeur W = L = 50 mm = 1/(2 4 r) et un substrat ayant une épaisseur e = 2 mm et réalisé en mousse de permittivité relative gr = 1,07, sensiblement équivalent à une lame d'air, et pour des antennes conformées à polarisation linéaire lal à la4 selon la première réalisation (figures 1 et 2), avec une longueur La = L - 2h 8 2818811 TABLEAU 1 TA lal la2 la3 la4 h (mm) 0 2 4 6 8 Fréquence de 2,63 2,43 2,28 2,21 2 résonance (GHz) Bande 1,7% 1,9% 2% 2,2% 2,4% passante Directivité 9,4 8, 47 7,68 7,14 6,64 (dB) Selon le tableau 1 précédent, plus la hauteur h du ressaut 5a est grande, ou plus précisément plus le rapport h/e est grand, et dans une moindre mesure, plus la largeur L2 du ressaut 5a est grande, plus la bande passante de l'antenne croît et plus la directivité de l'antenne diminue. Comme montré à la figure 5, le diagramme de rayonnement dans le plan de champ électrique perpendiculaire au ressaut 5a présente une ouverture proportionnelle à la hauteur h du ressaut, beaucoup plus large, par exemple pour l'antenne la4, que l'ouverture du diagramme du rayonnement de l'antenne TA selon la technique antérieure. L'ouverture à demi- puissance rayonnée (3 dB) atteint 120 environ pour l'antenne la4. Ces propriétés offrent plus de liberté sur les positions relatives des antennes selon l'invention mises dans un réseau à cause de la réduction relative des dimensions de l'antenne. De plus, le faisceau d'un réseau avec des antennes selon l'invention peut être plus largement dépointé puisque le diagramme de rayonnement de l'antenne est plus ouvert. 9 2818811 Ainsi en adaptant de manière appropriée la hauteur h du ressaut 5a, les ouvertures du diagramme de rayonnement à 3 dB peuvent varier de 60 à au moins 120 environ. L'efficacité de rayonnement reste5 supérieure à 90% pour toutes les antennes selon l'invention. Des résultats similaires ont été observés pour des antennes lbl à lb4 selon la deuxième réalisation de l'invention, avec un plan de masse 3b conformé10 avec un ressaut 5b, comme montré dans le tableau 2 ci-après pour des antennes toujours avec les dimensions Lb = L = 50 mm et e = 2 mm. TABLEAU 2 Test TA lbl lb2 lb3 lb4 h (mm) 0 2 4 6 8 Fréquence de 2,63 2,3 2,09 1,95 1,82 résonance (GHz) Bande 1,7% 1,9% 2,1% 2,3% 2,5% passante Directivité 9,4 7,9 7 6,4 6,1 (dB) Un procédé de fabrication préféré d'une antenne imprimée à polarisation linéaire la selon l'invention comprend principalement quatre étapes El, E2, E3 et E4 respectivement illustrées aux figures 6-7, 8-9, -11 et 12-13. A l'étape initiale El, la fabrication part d'un bloc de mousse mince BL d'épaisseur h+e, de largeur supérieure à W et de longueur supérieure à La. La 2818811 matière diélectrique du bloc BL dans lequel sera usiné le substrat diélectrique 2a présente une permittivité relative typiquement de l'ordre de 1,07 en correspondance avec une longueur L = 50 mm correspondant à une fréquence de l'ordre de 2 GHz. A l'étape E2, deux cavités rectangulaires C avec un fond d'épaisseur e, sont usinées symétriquement par rapport à l'axe transversal dans une face du bloc10 BL afin que les cavités soient séparées par une bande transversale BA ayant la section (h.L2) du ressaut Sa. Les cavités C ont une largeur supérieure à L1 et une longueur supérieure à W. Puis à l'étape E3, la face supérieure du bloc BL avec les cavités est métallisée en déposant une couche de peinture métallique pour constituer la couche conductrice 4a. En particulier, la peinture métallique recouvre la bande BA et le fond des cavités C. La peinture métallique recouvre également la face inférieure du bloc de manière à constituer le plan de masse 3a. En variante, à la place de la métallisation de la face inférieure, le plan de masse 3a est constitué par un support métallique sur lequel le bloc de mousse usiné est fixe. Finalement à l'étape E4, l'antenne la est découpée en D par un deuxième usinage dans le bloc métallisé suivant le contour rectangulaire (W.La) de la couche conductrice 4a et le contour rectangulaire allongé de la ligne d'alimentation à microruban 7a. Par des étapes analogues aux étapes précédentes El à E4, une antenne lb avec un plan de masse 3b conformé avec un ressaut 5b peut être également usinée dans un bloc de mousse diélectrique BL. il 2818811 En référence maintenant aux figures 14, 15 et 16, une antenne imprimée à polarisation circulaire lc selon l'invention comprend sur une première face d'un substrat diélectrique mince 2c d'épaisseur e une5 couche métallique 3c, qui peut être un socle métallique, pour constituer le plan de masse de l'antenne lc, et au centre d'une deuxième face du substrat 2c, une couche conductrice 4c recouvrant deux ressauts 5c de dimension identique10 perpendiculaires entre eux pour former une croix centrale à quatre branches égales. Comme les ressauts a et 5b, les ressauts 5c ont une hauteur h en général supérieure à l'épaisseur e du substrat 2c et une longueur Lc telle que:15 Lc = L2 + 2.L1 = L - 2h, o L2 désigne la largeur de chaque ressaut, L1 la largeur des quatre surfaces carrées de la couche métallique 4c situées à la base de la croix formée par les ressauts 5c et disposées sur la deuxième face du substrat 2c, et L la longueur correspondante d'une pastille carrée plane d'une antenne selon la technique antérieure. L'antenne lc présente ainsi deux axes de symétrie perpendiculaires le long des deux ressauts croisés 5c et une couche conductrice 4c formant un élément rayonnant ayant une surface carrée réduite (Lc.Lc) sur le substrat 2c. En pratique, le substrat diélectrique 2c est composé d'un substrat 2c en mousse diélectrique de permittivité faible Er = 1,07, dont la face supérieure est usinée d'une manière analogue au substrat 2a, 2b pour obtenir les ressauts croisés 5c, et d'un petit support diélectrique carré 21c encastré dans une cavité centrale de la première face du substrat 2c et recouvert par la couche métallique 3c. 12 2818811 La permittivité relative du support 21c est plus élevée, comme le diélectrique AR1000 de la société ARLON avec une permittivité Er = 10,2. Comme montré en détail aux figures 14 à 16, l'antenne lc est alimentée par une sonde coaxiale 7c dont l'embase conductrice externe est fixée sur le plan de masse 3c et dont le conducteur interne traverse seulement le support diélectrique 21c. L'extrémité du conducteur interne de la sonde coaxiale 7c est soudée à l'extrémité d'une branche 81c formant un accès à un sommet d'un coupleur hybride 8c à 3dB-90 . Le coupleur 8c est configuré sensiblement suivant le contour d'un carré et photogravé sur la face supérieure du support 21c. Un autre sommet, situé devant dans les figures 14 et 15, peut être relié au conducteur interne d'une deuxième sonde coaxiale (non représentée). Les deux autres sommets 82c du coupleur 8c sont prolongés par des traversées métalliques 83c qui sont ménagées à travers des extrémités des deux ressauts 5c et dont les extrémités sont en contact métallique par soudure 84c avec la couche conductrice 4c s'étendant sur les dessus des ressauts 5c. La permittivité relative du support diélectrique 21c est nettement plus élevée que celle du substrat 2c afin que pour les fréquences de fonctionnement de l'antenne de l'ordre du gigahertz, les dimensions du coupleur 8c soient petites et donc compatibles avec la compacité de l'antenne. L'antenne 2c est fabriquée, sensiblement selon des étapes analogues aux étapes E1 à E4, pour ce qui concerne le bloc de mousse diélectrique 21c, en creusant par usinage quatre cavités pour former deux bandes en croix formant après découpe les deux ressauts perpendiculaires 5c, et en creusant une 13 2818811 cavité sous-jacente pour recevoir le support diélectrique 21c supportant le coupleur hybride 8c. Par exemple, le substrat diélectrique 21c a une épaisseur globale e de 10 mm avec une cavité d'épaisseur de 635 gm pour recevoir le support diélectrique 21c ayant une épaisseur de 635 m. La couche conductrice 4c recouvrant les ressauts croisés c a une largeur Lc = 25 mm, pour des ressauts 5c ayant une hauteur h = 8 mm par rapport à une épaisseur utile e = 2 mm du substrat 2c. Pour l'antenne lc telle que dimensionnée ci- dessus, la figure 17 montre l'adaptation A et la transmission TC pour une polarisation circulaire préférée tournant suivant le sens contraire des aiguilles d'une montre, comparativement à une transmission TD tournant suivant le sens direct des aiguilles d'une montre, en fonction de la fréquence. L'antenne résonne autour d'une fréquence de 2 GHz avec une adaptation à 10 dB de 20% environ pour la bande passante, ce qui correspond à une largeur de bande de 410 MHz. La bande passante effective en transmission est plus faible, de l'ordre de 13%. 14 2818811 REVENDICATIONS 1 - Antenne imprimée (la; lb) comprenant un substrat diélectrique (2a; 2b) et deux couches conductrices (3a, 4a; 3b, 4b) s'étendant respectivement sur les faces du substrat, caractérisée en ce que l'une des faces du substrat (2a; 2b) comporte un ressaut (5a; 5b) et l'une (4a 3b) des couches conductrices s'étend sur et le long du ressaut. 2 - Antenne conforme à la revendication 1, dans laquelle la couche conductrice (4a) qui s'étend sur et le long du ressaut (5a) a un contour rectangulaire et constitue un élément rayonnant, et l'autre couche conductrice (3a) constitue un plan de masse. 3 - Antenne conforme à la revendication 1, dans laquelle la couche conductrice (3b) qui s'étend sur et le long du ressaut (5b) constitue un plan de masse, et l'autre couche conductrice (4b) est plane et rectangulaire et constitue un élément rayonnant. 4 - Antenne conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le ressaut (5a; b) est sensiblement parallélépipédique avec une hauteur (h) sensiblement égale à la demi-différence des longueurs des grands et petits côtés de la couche rectangulaire (4a; 4b) s'étendant sur et le long du ressaut. - Antenne (lc) conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant deux ressauts perpendiculaires (5c). 2818811 6 - Antenne conforme à la revendication 5, dans laquelle la couche conductrice (4c) qui s'étend sur et le long des ressauts occupe une surface carrée sur le substrat diélectrique (2c) dont les côtés ont la longueur des deux ressauts (5c). 7 - Antenne conforme à la revendication 5 ou 6, comprenant un coupleur hybride (8c) qui est réalisé sur un support diélectrique (21c) et logé dans le substrat diélectrique (2c) et qui a au moins un accès (81c) connecté à l'extrémité du conducteur interne d'une sonde coaxiale (7c), et au moins un autre accès (81c) relié par une traversée métallique (83c) à la couche conductrice (4c) s'étendant sur et le long des ressauts (5c). 8 - Procédé de fabrication de l'antenne imprimée (la; lb; lc) conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un usinage d'une face (E2) d'un bloc de substrat diélectrique (BL) pour former des cavités (C) séparées par au moins une bande (BA) ayant la section du ressaut (5a; 5b; 5c), une métallisation (E3) au moins de la face du bloc avec ressaut diélectrique usiné, et un découpage (E4) de l'antenne imprimée sensiblement au centre du bloc usiné métallisé suivant le contour de l'antenne.