Brevet FR2833764A1 — publié le 20030620

La présente invention concerne un dispositif pour la réception et/ou l'émission de signaux électromagnétiques, plus particulièrement un dispositif comportant des moyens de réception et/ou d'émission constitués par une antenne de type fente, qui peut être utilisé dans le domaine des transmissions sans fils, notamment dans les réseaux domestiques, mais aussi comme élément de base d'une antenne à polarisation circulaire présentant une bande de fréquence large. En effet, dans les réseaux domestiques sans fils, il est bien connu de l'homme de l'art, qu'à cause des réflexions multiples subies par le signal avant d'atteindre le récepteur, la polarisation de l'onde émise n'est pas conservée. De ce fait, les antennes n'ont pas besoin de présenter une haute pureté de polarisation. Toutefois, la largeur de bande de fréquence demandée peut être importante. En effet, pour les réseaux sans fils domestiques à 5 GHz, deux bandes de fréquence disjointes ont été allouées en Europe selon le standard BRAN/HIPERLAN2 et aux EtatsUnis, selon le standard IEEE-802. 11 A. De ce fait, pour couvrir complètement ces bandes de fréquence, l'antenne doit fonctionner sur une largeur de bande d'au moins 575 MHz pour l'Europe et d'au moins 675 MHz pour les Etats-Unis. En conséquence, la bande de fréquence doit être respectivement d'environ 11 % et d'environ 12, 3 % de la fréquence de fonctionnement. D'autre part, si l'on souhaite produire des équipements à bas coût et en nombre important utilisant ces antennes, des marges supplémentaires sont nécessaires pour tenir compte de l'influence des variations sur les paramètres du substrat et des tolérances de fabrication sur la fréquence centrale de l'antenne. De ce fait, les largeurs de bande relative recherchées sont de l'ordre de 15 à 20 % D'autre part, pour réaliser des antennes à bas coût et de faible encombrement, il est connu d'utiliser des antennes du type antennes imprimées. Toutefois, les antennes imprimées présentent un fonctionnement dans une bande de fréquence étroite. Plus particulièrement, les performances en terme de largeur de bande, à savoir la bande de fréquence pour laquelle le coefficient de réflexion S 11 au point d'excitation de l'antenne est inférieur à -10dB, sont fixées principalement par les paramètres du substrat utilisé tel que la permittivité relative, l'épaisseur ou similaire et le choix de l'élément rayonnant, qui peut être une pastille ou patch , une fente ou similaire. Toutefois, parmi les antennes imprimées, il est connu que les antennes du type fente permettent d'obtenir des structures d'antenne simples à coût réduit et présentant des largeurs de bande relativement plus importantes que les autres structures imprimées. Il est aussi connu que les antennes du type fente, plus particulièrement les antennes constituées par une fente annulaire ou polygonale, peuvent rayonner selon une polarisation circulaire. Dans ce cas, la polarisation circulaire peut être obtenue de deux manières : 1/par excitation en deux points de deux ondes à polarisation linéaire orthogonale de même amplitude et présentant un déphasage de 900, comme décrit par exemple dans le brevet W094/19842 au nom de THOMSON multimedia. 2/par une excitation en un point, la génération de la polarisation circulaire étant obtenue par l'introduction d'une perturbation telle qu'une encoche ou une protubérance dans un plan situé à 450 du point d'excitation. Une antenne de ce type est représentée sur les figures ta et 1 b qui concernent respectivement une vue en plan de dessus et une vue en coupe d'une antenne de type fente annulaire, alimentée par ligne micro-ruban, munie d'encoches pour obtenir une polarisation circulaire. De manière plus précise, l'antenne est formée par un substrat 1 sur une face duquel a été déposée une couche métallique 3 dans laquelle a été réalisé un élément rayonnant du type fente annulaire 2. Cette fente annulaire est alimentée par une ligne d'alimentation 3 réalisée par dépôt métallique sur l'autre face du substrat 1. Cette ligne d'alimentation alimente l'élément rayonnant 2 par couplage électromagnétique au point A entre la ligne 3 et la fente 2. La dimension de la ligne entre le point A et l'extrémité de la ligne est d'environ Xm/4 où Àm est la longueur d'onde guidée pour la ligne. Comme représenté sur la figure 1, la fente 2 présente deux encoches 4 diamétralement opposées et se trouvant dans un plan situé sensiblement à 450 du point d'excitation A. Ainsi, cette perturbation permet de séparer, dans le domaine fréquentiel, les deux modes orthogonaux initialement dégénérés. Si l'on compare les deux méthodes décrites ci-dessus, permettant d'obtenir une polarisation circulaire, l'on s'aperçoit que, lorsque la polarisation circulaire est obtenue par excitation en deux points, on obtient une meilleure qualité de polarisation circulaire sur une bande de fréquence plus large que lorsque la polarisation circulaire est générée par des perturbations dans la fente annulaire. La méthode utilisant une excitation en deux points permet d'obtenir un bon taux d'ellipticité ou ARBW (pour Axial Ratio Bandwidth en langue anglaise) avec une bande d'adaptation élargie. La présente invention a donc pour but de proposer un nouveau dispositif pour la réception et/ou l'émission de signaux électromagnétiques comportant un élément rayonnant constitué par une antenne fente annulaire et une ligne d'alimentation qui permettent d'obtenir une polarisation circulaire sur des largeurs de bande d'adaptation bien supérieures aux largeurs de bande obtenues avec les dispositifs de l'art antérieur. En conséquence, la présente invention a pour objet un dispositif pour la réception et/ou l'émission de signaux électromagnétiques comportant au moins un moyen de réception et/ou d'émission de signaux électromagnétiques constitué par une antenne fente et une ligne d'alimentation couplée électromagnétiquement avec la fente pour connecter le moyen de réception et/ou d'émission de signaux électromagnétiques à des moyens d'exploitation des signaux, caractérisé en ce que la ligne d'alimentation est couplée électromagnétiquement avec l'antenne de type fente, en deux points choisis tels que les ondes électromagnétiques présentent une polarisation circulaire. Selon un mode de réalisation préférentiel : - la longueur de la fente entre les deux points de couplage est de l'ordre de As/4 avec AS la longueur d'onde guidée dans la fente, dans le cas d'une fente de périmètre AS, soit le quart du périmètre de la fente, - la longueur de la ligne entre les deux points de couplage est de l'ordre de k'. m/4 avec Am la longueur d'onde guidée sous la ligne d'alimentation et k'un entier impair et, - la longueur entre l'extrémité de la ligne d'alimentation et le premier point de couplage est de l'ordre de Xm/8 modulo Am/2 avec Am la longueur d'onde guidée sous la ligne d'alimentation et se termine par un circuit ouvert. Ainsi, avec une structure telle que décrite ci-dessus, du fait de la distribution des champs électromagnétiques le long de la ligne d'alimentation terminée par un circuit ouvert et des configurations géométriques identiques au point d'intersection de la fente avec la ligne d'alimentation, la fente est excitée aux points A 1 et A2 par des signaux ayant des amplitudes identiques et un déphasage de 90 . Ces conditions permettent l'obtention d'une polarisation circulaire pour le moyen de réception et/ou d'émission de signaux électromagnétiques. Selon une autre caractéristique de la présente invention, le dispositif comporte plusieurs moyens de réception et/ou d'émission de signaux électromagnétiques constitué par une antenne fente imbriqués les uns dans les autres et une ligne d'alimentation couplée électromagnétiquement avec la fente de chaque moyen en deux points choisis tels que les ondes électromagnétiques émises par chaque moyen présentent une polarisation circulaire. D'autre part, la ligne d'alimentation est une ligne microruban ou une ligne coplanaire et les moyens de réception et/ou d'émission d'ondes électromagnétiques constitué par une antenne de type fente incluent les fentes de forme annulaire ou polygonale telles que carrée, rectangulaire, en forme de losange ou similaire. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description de divers modes de réalisations, cette description étant faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels : figures 1 a et 1 b représentent respectivement une vue en plan de dessus et une vue en coupe d'un dispositif selon l'art antérieur, figures 2a et 2b représentent respectivement une vue en plan de dessus et une vue en coupe d'un premier mode de réalisation d'un dispositif selon la présente invention, figure 3 est une courbe donnant le module du coefficient de réflexion S11 exprimé en dB en fonction de la fréquence du dispositif de la figure 2 figure 4 est une courbe donnant le taux d'ellipticité pour les dispositifs des figures 1 et 2, et figures 5 et 6 sont des vues en plan de dessus de deux variantes de réalisation de la présente invention. On décrira tout d'abord, avec référence aux figures 2 à 4, un premier mode de réalisation de la présente invention. Comme représenté sur les figures 2a et 2b, un dispositif pour la réception et/ou l'émission de signaux électromagnétiques polarisés circulairement conforme à la présente invention est constitué d'une antenne du type fente annulaire 12, qui est alimentée par couplage électromagnétique par une ligne d'alimentation 13 reliée au niveau du port 1 à des moyens d'exploitation des signaux bien connus de l'homme de l'art. De manière plus spécifique, sur un substrat 10 constitué par exemple par un substrat Rogers 4003 présentant une hauteur H = 0,81 mm, une permittivité Er = 3,38, une TanD = 0, 0027, a été déposée une métallisation 11, présentant une épaisseur t = 17, 5E- 3mm. Comme représenté sur la figure 2b, une fente annulaire 12 a été réalisée dans cette métallisation. La fente annulaire 12, comme représenté sur la figure 2a, présente une périmètre de l'ordre de is. Cette fente annulaire fonctionne donc sur son mode fondamental. Dans le mode de réalisation représenté, Is est choisi de telle sorte que la fréquence de fonctionnement centrale se trouve autour de 5,8 GHz. Comme représenté sur les figures, sur la face du substrat 10 opposée à la face comportant la métallisation 11, une ligne d'alimentation a été réalisée par dépôt d'une métallisation. Cette ligne d'alimentation 13 est positionnée de manière à être couplée électromagnétiquement avec la fente 12 en deux points Al, A2 qui se trouvent à 90 l'un de l'autre. De ce fait, la longueur de la fente entre les deux points A 1 et A2 est de l'ordre de Is/4 avec Is la longueur d'onde guidée dans la fente, dans le cas d'une fente de périmètre Is, soit le quart du périmètre de la fente. D'autre part, conformément à la présente invention, la longueur de la ligne d'excitation 13 entre les deux points de couplage A 1 et A2 est de l'ordre de k'Àm/4 où km est la longueur d'onde guidée de la ligne d'alimentation 13 et k'est un entier impair. La ligne d'alimentation 13 est constituée par une ligne microruban, dans le mode de réalisation représenté Pour obtenir cette valeur, la largeur de la ligne microruban est optimisée. Ensuite, conformément à la présente invention, la longueur d'onde entre l'extrémité de la ligne d'alimentation 13 et le point de couplage A 1 est de l'ordre de Im/8 modulo km/2 avec Xm la longueur d'onde guidée de la ligne d'alimentation 13. Cette ligne d'alimentation 13 se termine par un circuit ouvert. De plus, le débordement de la ligne au- delà du point A2 permet d'adapter la fente annulaire aux appareils de mesure utilisés. Une structure du type ci-dessus a été réalisée pour simulation. Elle a été réalisée sur un substrat Rogers 4003 tel que décrit ci-dessus avec les caractéristiques suivantes : la fente annulaire présente un diamètre intérieur yin = 1 2, 6 et un diamètre extérieur feux = 1 3 et une impédance Zs = 108, 5 Q. La ligne d'alimentation 13 réalisée en technique microruban, présente une impédance caractéristique Zm = 134,5 ohms, une largeur de 0,2 mm et coupe la fente annulaire à une distance du point de tangence parallèle à la ligne de 1,895 mm. Dans ce cas, les résultats de simulation sont donnés pour le coefficient de réflexion S 11 par la courbe représentée sur la figure 3. On s'aperçoit qu'à-10dB, on obtient une bande de fréquence correspondant à 19,8 % de la fréquence de fonctionnement, à savoir une bande de fréquence plus importante qu'avec les systèmes classiques et permettant de répondre aux contraintes des standards européens et américains. D'autre part, sur la figure 4, on a représenté le taux d'ellipticité, à savoir le AR-BW pour un dispositif classique tel que représenté sur les figures 1, constitué par une fente avec encoche et pour un dispositif selon la présente invention, tel que représenté sur les figures 2, constitué par une fente couplée à une ligne d'alimentation placée de manière spécifique. Les résultats obtenus sur la figure 4 montrent que les AR-BW des deux antennes sont équivalents avec un léger déplacement de la fréquence de fonctionnement. Ainsi, avec la structure conforme à la présente invention, on obtient un fonctionnement en large bande tout en conservant une polarisation circulaire tout à fait satisfaisante. On décrira maintenant avec référence aux figures 5 et 6, d'autres modes de réalisation de la présente invention. Sur la figure 5, on a représenté une vue en plan de dessus d'un autre mode de réalisation comportant deux moyens de réception et/ou d'émission d'ondes électromagnétiques à polarisation circulaire imbriqués l'un dans l'autre. De manière plus spécifique, on a représenté une première fente annulaire 20 et une seconde fente annulaire 21, les deux fentes étant alimentées par une ligne d'alimentation commune 22 réalisée en technique microruban. Cette ligne d'alimentation 22 est couplée électromagnétiquement avec les fentes 20 et 21 selon les critères permettant d'obtenir des ondes polarisées circulairement. De manière plus spécifique, la ligne 22 est couplée avec la fente annulaire 20 aux points P1 et P2, de telle sorte que la longueur entre P1 et P2 soit de l'ordre de k'Am/4 où km est la longueur guidée de la ligne. La longueur de la fente 20 entre P2 et P1 est choisie pour être de l'ordre de As/4 où AS est fonction de la fréquence f1 de fonctionnement de l'antenne 20 dans son mode fondamental et la ligne d'alimentation 22 entre P2 et l'extrémité de la ligne 22 en circuit ouvert est de l'ordre de . m/8 moduto . m/2 où km est la longueur d'onde guidée sous la ligne 22. D'autre part, la ligne 22 est aussi couplée électromagnétiquement avec la fente 21 en deux points P3 et P4 choisis de telle sorte que la longueur de ligne entre P4 et P3 soit de l'ordre de k"Am/4, la longueur de la fente entre P4 et P3 soit de l'ordre de A's/4, où 's est fonction de la fréquence f2 de fonctionnement de l'antenne 21 dans son mode fondamental et la longueur de ligne entre P4 et l'extrémité de la ligne 22 soit de l'ordre de Am/8 modulo Am/2. Dans ce cas, les périmètres des deux fentes 20,21 donnent les deux fréquences de fonctionnement des deux antennes et le couplage spécifique de la ligne d'alimentation 22 avec les deux fentes permet d'obtenir un fonctionnement en polarisation circulaire aux deux fréquences différentes telles que f1 et f2.. Dans le mode de réalisation ci-dessus, les deux fentes 20,21 sont imbriquées de telle sorte que la longueur L 1 de la ligne microruban à la fréquence f1 entre le circuit ouvert et le milieu des deux points d'intersection P2-P1 avec la fente 20 soit égale à la longueur L2 de la ligne microruban à la fréquence f2 entre le circuit ouvert et le milieu des deux points d'intersection P3-P4 avec la fente 21. De plus, L 1 est de l'ordre de kkm1/4 (k entier impair) et L2 est de l'ordre de kkm2/4 (k entier impair). De ce fait, selon les rapports entre L 1 et L2 et le choix des valeurs k'et k", différentes configurations peuvent être envisagées pour les fentes imbriquées qui peuvent être par exemple tangentes en un point ou présenter une structure de ligne d'alimentation en créneau. On décrira maintenant, avec référence à la figure 6, un autre mode de réalisation de la présente invention. Dans ce cas, la fente 30 est constituée par un polygone tel qu'un losange, qui est alimenté par une ligne d'alimentation 31 qui coupe le losange de manière à répondre aux critères de construction conformes à la présente invention. La présente invention a été décrite en se référant à des modes de réalisation particuliers. Toutefois, il est évident pour l'homme de l'art que la forme de l'antenne de type fente peut être modifiée de nombreuses manières, notamment la fente peut être constituée par un carré, un rectangle ou tout autre polygone similaire et que la ligne d'alimentation peut être aussi réalisée en une technologie différente telle que la technologie coplanaire. REVENDICATIONS 1-Dispositif pour la réception et/ou l'émission de signaux électromagnétiques comportant au moins un moyen de réception et/ou d'émission de signaux électromagnétiques constitué par une antenne du type fente annulaire et une ligne d'alimentation (13,22, 31, 12 ; 20,21, 30) couplée électromagnétiquement avec la fente de l'antenne pour connecter le moyen de réception et/ou d'émission de signaux électromagnétiques à des moyens d'exploitation des signaux, caractérisé en ce que la ligne d'alimentation est couplée électromagnétiquement avec la fente en deux points (A 1, A2 ; P1, P2, P3, P4) choisis tels que les ondes électromagnétiques présentent une polarisation circulaire. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux points (A 1, A2 ; P1, P2, P3, P4) de couplage électromagnétiques entre la fente de l'antenne du type fente et la ligne d'alimentation sont choisis tels que : - la longueur de la fente entre les deux points de couplage est de l'ordre de As/4 avec As la longueur d'onde guidée dans la fente, dans le cas d'une fente de périmètre As, - la longueur de la ligne d'alimentation entre les deux points de couplage est de l'ordre de k'Am/4 avec Am la longueur d'onde guidée sous la ligne d'alimentation et k'un entier impair et, - la longueur entre l'extrémité de la ligne d'alimentation et le premier point de couplage est de l'ordre de Am/8 modulo À, m/2 avec lm la longueur d'onde guidée pour la ligne d'alimentation et se termine par un circuit ouvert. 3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs moyens de réception et/ou d'émission de signaux électromagnétiques constitués par une antenne du type fente imbriqués les uns dans les autres et une ligne d'alimentation couplée électromagnétiquement avec la fente de chaque moyen en deux points (P1, P2 ; P3, P4) choisis tels que les ondes électromagnétiques émises par chaque moyen présentent une polarisation circulaire. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la ligne d'alimentation est une ligne microruban ou une ligne coplanaire. 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de réception et/ou d'émission de signaux électromagnétiques constitués par une antenne du type fente sont constituée par des fentes de forme annulaire ou polygonale.