Brevet FR2826512A1 — publié le 20021227

L:\Salle\F103735\PREMDEP\ADMIN\Depot.doc 1 2826512 L'invention concerne une antenne planaire, à fente annulaire, se présentant sous une forme compacte qui est plus particulièrement destinée à être intogrée dans des terminaux d'usagers de réseau radiotéléphoniques mobiles. Ces réseaux peuvent être accessibles au public ou encore être des réseaux privés et éventuellement des réseaux domestiques. Les terminaux d'usager prévus pour de tels réseaux radiomobiles sont de poids et d'encombrement de plus en plus réduits pour répondre aux souhaits des utilisateurs désireux de pouvoir facilement les transporter sur eux ou avec eux. Les antennes prévues pour de tels terminaux doivent donc être de taille réduite tout en offrant des performances élevées. Il est avantageux d'intégrer dans des terminaux d'usager des antennes planaires réalisées sur des supports de type circuit imprimé, car ceux-ci présentent un profil bas. Dans ces conditions elles s'intègrent aisément au sein des circuits de traitement analogique qui sont nécessaires au fonctionnement des terminaux et avec lesquels elles présentent une bonne conformabilité. Une solution connue prévoit d'utiliser un substrat d'antenne planaire qui présente une forte permittivité permettant de réduire la longueur d'onde guidée de l'antenne et donc la taille de l'élément rayonnant. Cette réduction de taille est particulièrement intéressante dans le cas o un terminal exploite des fréquences basses, comme cela est prévu pour les terminaux des réseaux existants et en cours de développement et en particulier dans le cas des réseaux GSM, WAP, GPRS, UMTS,... Toutefois les antennes de taille réduite réalisées en exploitant de tels substrats à forte permittivité ont généralement des performances qui peuvent être considérées comme insuffisantes en raison d'un mauvais rendement d'origine structurelle et elles sont par ailleurs relativement coûteuses. L'invention propose donc une nouvelle topologie d'antenne planaire à fente annulaire permettant d'obtenir une réduction de taille appréciable avec un substrat imprimé usuel qui ne présente pas les inconvénients en matière de rendement et de coût affectant généralement les antennes réalisées sur un substrat à haute permittivité. 2 2826512 L'invention a donc pour objet une antenne planaire portée par un substrat comportant une fente annulaire qui est dimensionnée pour fonctionner à une fréquence donnée et qui est alimentée par une ligne d'alimentation dans un plan de court-circuit de laquelle elle est située. Selon une caractéristique de l'invention, I'anneau que forme cette fente, d'allure annulaire, est déformé en creux dans au moins une zone du plan de court-circuit pour laquelle le champ électrique est minimal pour la fréquence et un mode donnés, afin de présenter un allongement du périmètre de fente par rapport à une fente annulaire de forme circulaire correspondante, sans extension en surface de la zone de substrat o la fente est réalisée. Selon une caractéristique de l'invention, I'anneau de fente est déformé en creux, dans au moins une zone o le champ électrique est minimal, par un nombre déterminé d'éléments de déformation et notamment de creux concernant tout ou partie de cette zone. L'invention, ses caractéristiques et ses avantages sont précisés dans la description qui suit en liaison avec les figures évoquées ci- dessous. La figure 1 présente un schéma de principe relatif à un exemple connu d'antenne incluant une fente annulaire de forme circulaire qui est prévue pour fonctionner en mode fondamental et pour être alimentée par une ligne d'alimentation dans un plan de court-circuit de laquelle la fente est située. La figure 2 présente un premier exemple d'antenne à fente annulaire, déformée selon l'invention, qui est prévue pour fonctionner en mode fondamental. La figure 3 présente un ensemble de courbes montrant l'influence de la déformation de fente réalisée pour une antenne selon la figure 2 sur l'impédance d'entrée par rapport à une antenne classique selon la figure 1. Les figures 4 et 5 présentent deux ensembles de courbes illustrant l'influence de la déformation de fente réalisée pour une antenne selon la figure 2 sur les diagrammes de directivité COE et COH, selon les plans xOz et yOz du trièdre de référence, par rapport à une antenne selon la figure 1. 3 2826512 La figure 6 présente un ensemble de deux courbes illustrant l'influence de la déformation de fente en matière d'efficacité de rayonnement pour une antenne selon la figure 2, par rapport à une antenne selon la figure 1. Les figures 7A, 7B, 7C présentent trois schémas relatifs à des variantes d'orientation d'une fente annulaire déformée prévues pour fonctionner en mode fondamental. La figure 8 un ensemble de courbes montrant l'influence de l'orientation de l'orientation d'une fente annulaire déformée sur I'impédance d'entrée de cette antenne, dans les divers cas préalablement , envlsages. La figure 9 présente un schéma de principe relatif à une variante de déformation de fente destinée à une antenne à fente annulaire déformée supposée prévue pour fonctionner selon un premier mode supérieur. La figure 10 présente un schéma comparatif montrant la réduction d'encombrement en surface obtenu avec une antenne à fente annulaire déformée, telle que présentée sur la figure 9, par rapport à une antenne à fente annulaire classique fonctionnant dans les mêmes conditions de fréquence et de mode. La figure 11 présente un ensemble de courbes représentatives des impédances d'entrée des deux antennes à fente annulaire, respectivement présentées sur les figures 1 et 9, dans le cadre d'un fonctionnement selon un premier mode supérieur. L'antenne planaire, connue, présentée sur la figure 1 est supposée réalisse sur un substrat constitué par un circuit imprimé usuel, métallisé sur ses deux faces. Une fente annulaire 1, de forme circulaire, est réalisée, classiquement par gravure, du côté destiné à constituer le plan de masse de l'antenne. Une ligne d'alimentation 2, représentée en pointillé, est prévue pour alimenter la fente 1 en énergie. Elle est ici supposée constituée par une ligne microruban positionnée de l'autre côté du substrat par rapport à la fente 1 et radialement orientée par rapport au cercle que forme cette fente, comme illustré. Dans la réalisation envisagée, la transition ligne microruban/fente annulaire de l'antenne est réalisée de manière connue, pour que la fente 1 se trouve dans un plan de court-circuit de ligne, c'est 4 2826512 à-dire dans une zone o les courants sont les plus importants. Le périmètre de la fente 1 est choisie pour être égal à un multiple "m" de la longueur d'onde à guider, "m" étant un nombre entier positif. Les fréquences de résonance des divers modes sont pratiquement des multiples entiers de la fréquence fo, ces modes correspondant notamment au mode fondamental, au premier mode supérieur, etc. Les diagrammes de rayonnement sont déterminés par la distribution du champ électrique dans la fente et, comme il est connu, ils sont choisis pour répondre aux besoins propres aux applications visées. Le champ électrique d'une antenne à fente annulaire de forme circulaire, supposée exploitée en mode fondamental et dont le périmètre est choisi pour être égal à la longueur d'onde s de l'onde à guider, est de valeur maximale EM au niveau du point de croisement X de la fente 1 et de la ligne 2 et au point diamétralement opposé, comme schématisé par les flèches longues au niveau de la figure 1. Ce champ est par contre de valeur minimale Em, faible ou nulle, aux deux points de la fente, diamétralement opposés l'un à l'autre selon un diamètre qui est perpendiculaire au diamètre unissant les deux points o le champ est maximum, ce champ minimal est schématisé par une flèche courte pour le point situé en haut de figure. Selon l'invention, il est prévu de déformer l'anneau que forme la fente d'une antenne de manière à en allonger le périmètre tout en réduisant la surface occupée par l'antenne sur le substrat. Une telle réduction peut être exploitée pour permettre de positionner des fentes annulaires dans une même zone de substrat et par exemple deux fentes de tailles différentes qui fonctionnent avec une même fréquence et chacune pour un mode différent. Une antenne ayant une fente d'un périmètre donné, relativement petit, peut être prévue, par exemple, pour un mode fondamental, une antenne ayant un périmètre déterminé, plus grand, étant alors prévue, par exemple pour le premier mode supérieur. Les deux fentes peuvent alors être réalisées au niveau d'une même zone du substrat qui les portent et o l'une est située à l'intérieur de l'autre. Etant entendu qu'une antenne est conçue de manière à présenter des caractéristiques déterminées en particulier en matière de rayonnement, il est préférablement prévu de réaliser une déformation qui 2826512 ne crée pas de distorsion significative du diagramme de rayonnement de l'antenne déformée par rapport au diagramme d'une antenne comparable, à fente annulaire de forme circulaire. Un exemple de déformation d'une fente annulaire fonctionnant à la même fréquence et selon le même mode que la fente annulaire présentée sur la figure 1, est illustré sur la figure 2. Cette déformation est réalisée en tenant compte du fait que le champ électrique est nul ou très faible dans certaines zones de fente, ici dites zones o le champ électrique est minimal. Il est donc possible de déformer la fente dans ces zones en y créant un ou plusieurs éléments de déformation, par exemple un ou plusieurs creux, de manière à obtenir un allongement de la fente, sans conséquence préjudiciable sur le fonctionnement de l'antenne dont cette fente constitue l'élément rayonnant. Dans l'exemple illustré sur la figure 2, la fente annulaire déformée 1a s'inscrit dans la zone de substrat prévue pour une fente annulaire de forme circulaire 1, à laquelle elle se substitue. Cette fente annulaire déformée 1a est prévue pour pouvoir être alimentée en énergie par une ligne d'alimentation 2, dans les mêmes conditions que l'est la fente annulaire 1, les deux fentes 1 et 1a étant supposces prévues pour une même fréquence, par exemple de l'ordre de 2,4 GHz et pour un même mode, ici le mode fondamental. La déformation réalisée porte sur les deux zones de champ électrique minimal qui ont été définies plus haut, elle se traduit par deux creux symétriquement réalisés, d'une part, selon le diamètre de la fente qui joint les points o le champ électrique est maximal dans cette configuration de fente, I'un de ces points étant le point d'excitation de fente X situé au croisement de la fente 1a et de sa ligne d'alimentation 2, et, d'autre part, selon un diamètre de fente qui est perpendiculaire au précédent. D'une manière plus générale, I'anneau d'une fente, selon I'invention, est réalisé de manière à être symétriquement déformé en creux par rapport à un point central S dans un nombre pair de zones o le champ électrique est minimal pour une fréquence et un mode donnés. Dans le cas d'une fente annulaire 1, de forme circulaire, prévue pour fonctionner en mode fondamental à 2,4 GHz, I'encombrement présenté par la fente est susceptible d'être délimité par un cercle de rayon de 16,4 mm. Une fente annulaire déformée correspondante, 6 2826512 supposée symétrique par rapport au point S constituant son centre de symétrie, sera inscrite dans le cercle de rayon 16,4 mm qu'elle viendra tangenter dans les zones diamétralement opposées o le champ électrique est maximum, par contre la dimension de la fente selon un diamètre perpendiculaire au précédent peut être fortement diminuée, comme schématisé par les deux creux 3, 3'. Une simulation des deux structures d'antenne illustrées sur les figures 1 et 2 permet de vérifier qu'une telle déformation autorise un allongement de fente sans inconvénient significatif, comme le montre les figures 3, 4 et 5. La figure 3 permet d'apprécier l'influence de la déformation de fente annulaire envisagée ci-dessus sur l'impédance d'entrée de l'antenne qui comporte cette fente. L'impédance d'entrée "Zin" de la fente déformée illustrée sur la figure 2 est donnée par les deux courbes référencées FD qui correspondent, I'une à la variation de la partie imaginaire de cette impédance de fente et l'autre à celle de la partie réelle, en fonction de la fréquence. Les échelles en ohms relatives à la partie réelle et à la partie imaginaire y sont respectivement présentées, la première nommée à gauche et l'autre à droite du diagramme et il en est de même pour les deux courbes référencées F réalisées pour la fente non déformée illustrée sur la figure 1. Il apparat clairement à l'examen des courbes F et FD qu'il y a un décalage de l'annulation de la partie imaginaire de l'impédance d'entrée de la fente déformée vers les fréquences basses. Ce décalage équivaut à une réduction de la fréquence de résonance de fente qui passe de 2,4 GHz pour la fente annulaire de forme circulaire à 2,3 GHz pour la fente annulaire déformoe. Par contre les figures 4 et 5, o figurent les diagrammes de directivité référencés F et FD, respectivement relatifs à la fente illustrée sur la figure 1 et à celle illustrée sur la figure 2, montrent le peu de conséquence de la déformation de fente au niveau de ces diagrammes. La composante E-theta dans le plan phi égal à zéro degré correspond au diagramme de copolar dans le plan E (COE) représenté figure 4. La composante E-phi dans le plan p égal à quatre vingt dix degrés correspond au diagramme de copolar dans le plan H (COH) illustré sur la figure 5. Les représentations en élévation de la directivité d'antenne COE et COH sont obtenues avec une fréquence de 2,4Ghz 7 2826512 dans le cas de l'antenne à fente annulaire, de forme circulaire, telle qu'envisagée ci-dessus et schématisée sur la figure 1, et avec une fréquence de 2,3 GHz dans le cas de l'antenne à fente annulaire déformée, selon la figure 2. L'efficacité de rayonnement de l'antenne à fente annulaire déformée est équivalente à celle de l'antenne à fente annulaire de forme circulaire, comme le montrent les courbes F et FD sur le diagramme de la figure 6 o, en abscisse, figure la fréquence et o, en ordonnée, figure l'efficacité de rayonnement, graduée en %. Il apparat, sans ambiguté, que les deux antennes ont pratiquement une même efficacité de rayonnement, de l'ordre de 81% lorsque la fréquence de l'onde guidée est de 2,4 Ghz, pour l'antenne à fente annulaire de forme circulaire et pour une fréquence plus basse de 2,3 GHz pour l'antenne à fente annulaire déformée. Ceci montre l'avantage qu'apporte l'allongement de périmètre de la fente annulaire déformée qui permet d'exploiter une fréquence d'onde guidée sur une surface de substrat moindre que celle nscessaire à l'implantation d'une antenne à fente annulaire de forme circulaire fonctionnant à la même fréquence et dans le même mode. La figure 3 qui illustre la variation de l'impédance d'entrée des deux fentes annulaires en fonction de la fréquence, montre que l'impédance de la fente annulaire déformée pour une fréquence donnée diffère de celle de la fente annulaire de forme circulaire, tant pour sa partie imaginaire que pour sa partie réelle, avec un décalage vers les fréquences basses pour les valeurs maximales relatives à la fente annulaire déformée. Ces valeurs maximales sont par ailleurs supérieures à celles obtenues pour la fente annulaire de forme circulaire. Une augmentation significative de la partie réelle de l'impédance d'entrée est constatée, elle peut atteindre des valeurs élevées, de l'ordre de 700 ohms en mode fondamental et ceci constituerait un inconvénient en matière d'adaptation, s'il n'était pas possible de faire varier l'impédance d'entrée de la fente annulaire déformée. Selon l'invention, une variation de cette impédance d'entrée est obtenue en décalant le plan d'alimentation de la fente déformée, ce décalage correspondant à un déplacement de la fente par rapport à la ligne d'alimentation de manière que le plan d'alimentation de cette fente soit confondu avec un plan pour lequel l'impédance est moins élevée. 8 2826512 Ceci se traduit donc par une modification de la position du point d'excitation de fente X au long de la fente. Comme illustré sur les figures 7A, 7B, 7C, il est prévu de faire tourner la fente déformée autour de son centre de symétrie S. par rapport à la ligne d'alimentation et dans un plan sur le substrat qui la comporte. Les rotations ici prévues sont de 30 degrés par rapport à la position illustrée sur la figure 1, dans le cas de la fente 1b présentée sur la figure 7A et de respectivement 45 et 60 degrés dans le cas des fentes 1c et 1d présentées sur les figures 7B et 7C. Elles conduisent à I'obtention de trois positions différentes Xb, Xc, Xd de point d'excitation de fente au long des fentes qui se différencient par leurs orientations respectives, vis-à-vis des lignes qui les alimentent sur leurs substrats respectifs. L'ensemble de courbes présentées sur la figure 8 montre que la rotation imposée à la fente déformée entrane une réduction de son impédance d'entrée et plus particulièrement de la partie réelle de cette impédance. Les courbes référencées 1 et 1' correspondent respectivement à la partie réel le et à la partie imaginai re de l'impéda nce d 'entrée d' u ne fente annulaire de forme circulaire telle qu'envisagée sur la figure 1. Les courbes référencées 2 et 2' correspondent respectivement à la partie réelle et à la partie imaginaire de l'impédance d'entrée de la fente annulaire déformée présentée sur la figure 2. Les courbes respectivement référencées 3 et 3', 4 et 4', 5 et 5' correspondent aux parties réelles et imaginaires respectives des fentes déformées et décalées qui sont illustrées sur les figures 7A, 7B et 7C. Il apparat clairement que l'amplitude de la variation de ces parties tant réelles qu'imaginaires d'impédance d'entrée, en fonction de la fréquence d'onde guidée décro'^t lorsque l'angle de rotation de fente augmente et qu'une adaptation d'impédance peut être obtenue par sélection d'une valeur déterminée pour cet angle, dans des conditions de fréquence et de mode données. Selon l'invention, il est également prévu de réaliser une déformation d'une fente annulaire destinée à fonctionner à une fréquence donnée de manière à lui permettre d'occuper une zone de substrat encore plus réduite que celle envisagée ci-dessus, lorsqu'il est prévu de faire fonctionner cette fente déformée en un mode supérieur au mode 9 2826512 fondamental. Un gain en surface sensiblement supérieur au gain obtenu avec les fentes annulaires déformées envisagées en liaison avec les figures 1 à 8 peut être obtenu, le gain en surface attendu avec ces fentes destinées à fonctionner en mode fondamental étant de l'ordre de 10%. La figure 9 présente un exemple, non limitatif, d'une fente déformée 1e prévue pour fonctionner au premier mode supérieur, à une fréquence correspondant à celle prévue pour une fente annulaire de forme circulaire référencée 1f. Selon le principe défini plus haut, il est prévu de réaliser une fente déformée dont le périmètre soit égal au double de la longueur d'onde s de l'onde à guider. L'allongement est obtenu par déformation de la fente par rapport à la fente annulaire de forme circulaire correspondante 1f, en exploitant le fait que le champ électrique varie périodiquement au long d'un anneau de fente et qu'il est nul ou très faible dans certaines zones et maximal dans d'autres. Dans le cas présenté en figure 9, le champ électrique est de valeur maximale EM, d'une part, au niveau du point de croisement X de la fente 1e et de la ligne 2, et du point diamétralement opposé de cette fente, d'autre part, au niveau des deux points qui sont diamétralement opposés l'un à l'autre selon un diamètre qui est perpendiculaire au diamètre unissant les deux points alignés précédemment considérés o le champ est maximum. Ceci correspond donc à une variation angulaire de périodicité égale à 90 degrés autour du point central Se qui constitue le centre de symétrie S de l'anneau de fente. Le champ électrique est par contre de valeur minimale pour quatre points périodiquement disposés à 90 degrés l'un de l'autre, à partir d'un premier d'entre eux disposé à 30 degrés par rapport au point de croisement de la fente et de la ligne d'alimentation, sur la figure 9. Une représentation de la variation du champ électrique dans le cas de la fente 1e est donnée par un ensemble de flèches dont la longueur symbolise la valeur du champ. La déformation réalisée au niveau de la fente annulaire déformée 1e porte sur les quatre zones de champ électrique minimal définies ci-dessus, elle se traduit par quatre éléments de déformation constitués chacun par un creux, ces creux étant symétriquement réalisés deux à deux par rapport au point central Se. 1 0 2826512 La figure 10 illustre les tailles respectives d'une fente à anneau circulaire 1f et de la fente déformée 1e envisagée ci-dessus fonctionnant au premier mode supérieur et à une même fréquence, par exemple de l'ordre de 4,8 GHz, il montre le gain de place obtenu qui est proche de 60%, dans ce cas. La figure 11 permet d'apprécier l'influence de la déformation de fente annulaire, telle que prévue au niveau de la fente annulaire déformée 1e sur l'impédance d'entrée de l'antenne qui comporte cette fente. L'impédance d'entrée de la fente déformée 1e illustrée sur la figure 10 est donnée par les deux courbes référencées FD qui correspondent, I'une à la variation de la partie imaginaire de cette impédance de fente et l'autre à celle de la partie réelle, en fonction de la fréquence, les échelles en ohms relatives à la partie réelle et à la partie imaginaire étant respectivement présentées, la première nommée à gauche et l'autre à droite du diagramme. Il en est de méme pour les deux courbes référencées F réalisées pour la fente non déformée 1 e. Il appara'^t une relativement forte augmentation de l'impédance d'entrée de la fente annulaire déformée 1e par rapport à la fente annulaire de forme circulaire 1f à l'examen des courbes F et FD présentées en figure 10. De même que précédemment, il est prévu de réduire cette impédance d'entrée par une modification de l'emplacement du point d'excitation de fente, comme décrit plus haut en liaison avec les figures 7 dans le cas de la fente annulaire déformée fonctionnant en mode fondamental. Comme dans le cas de la fente annulaire déformée 1a, n'y a pas une grande influence de la fente annulaire déformée, 1e, au niveau des diagrammes de directivité COE et COH qui, en conséquence, ne sont pas produits ici. Il a été supposé ici que l'alimentation de fente était réalisoe au moyen d'une ligne microruban, elle peut bien entendu étre constituce de man ière d ifférente, par exemple par une liaison coaxiale, comme con nu. REVENDICATIONS 1/ Antenne planaire portée par un substrat comportant une fente annulaire, dimensionnée pour fonctionner à une fréquence donnée, qui est alimentée par une ligne d'alimentation (2) dans un plan de court-circuit de laquelle elle est située, caractérisée en ce que l'anneau que forme cette fente (1a), d'allure annulaire, est déformé en creux dans au moins une zone du plan, o le champ électrique est minimal pour la fréquence et un mode donnés, afin de présenter un allongement du périmètre de fente par rapport à une fente annulaire (1) de forme circulaire correspondante, sans extension en surface de la zone de substrat o la fente s'étend. 2/ Antenne, selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'anneau de fente qu'elle comporte est déformé en creux, dans au moins une zone o le champ électrique est minimal, par un nombre déterminé d'éléments de déformation concernant tout ou partie de cette zone. 3/ Antenne, selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comporte une fente annulaire dont l'anneau est symétriquement déformé en creux par rapport à un point central (S) dans un nombre pair de zones o le champ électrique est minimal pour une fréquence et un mode donnés. 4/ Antenne, selon l'une des revendications 1, 2, 3, caractérisée en ce qu'elle comporte un point d'excitation de fente, situé au point de croisement (X) de la fente et de la ligne d'alimentation, qui est placé sur un axe de symétrie de l'anneau de fente reliant ce point de croisement à un autre point o le champ électrique est maximum pour une fréquence et un mode donnés. / Antenne, selon l'une des revendications 1, 2, 3, caractérisée en ce qu'elle comporte un point d'excitation de fente, situé au point de croisement (X) de la fente et de la ligne d'alimentation, qui est décalé au long de la fente par rapport aux points de la fente qui sont situés sur un axe de symétrie de cette fente. 6/ Antenne, selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte une fente (1a), destinée à fonctionner à une fréquence donnée et en mode fondamental, dont l'anneau, comporte deux creux symétriquement disposés de part et d'autre d'un axe de l'anneau situé entre à eux. 7 Antenne, selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisse en ce qu'elle comporte une fente (1e), destinée à fonctionner à une fréquence donnée et à un premier mode supérieur, dont l'anneau, comporte quatre creux symétriquement