Brevet FR2843832A1 — publié le 20040227

La présente invention concerne une antenne large bande constituée par un résonateur diélectrique monté sur un substrat avec un plan de masse. Dans le cadre du développement des antennes associées aux 5 produits grand public et utilisées dans les réseaux domestiques sans fils, les antennes constituées par un résonateur diélectrique ont été identifiées comme une solution intéressante. En effet, ce type d'antennes présente de bonnes propriétés en terme de bande passante et de rayonnement. De plus, elles se présentent facilement sous forme de composants discrets 1o qui peuvent être montés en surface. Ce type de composants est connu sous le terme de composants CMS. Les composants CMS sont intéressants, dans le domaine des communications sans fils pour le marché grand public, car ils permettent l'utilisation de substrats bas cot, ce qui entraîne une réduction des cots tout en assurant 15 I'intégration des équipements. D'autre part, lorsque des fonctions hyperfréquences sont.développées sous forme de composants CMS, de bonnes performances sont obtenues malgré la faible qualité du substrat et l'intégration en est souvent favorisée. De plus, les nouveaux besoins en terme de débit entraînent 20 I'utilisation de réseaux multimédia à fort débit tels que les réseaux Hyperlan2, IEEE 802.1 1A. Dans ce cas, I'antenne doit pouvoir assurer un fonctionnement sur une large bande de fréquence. Or, les antennes du type à résonateur diélectrique ou DRA (pour Dielectric Resonator Antenna en langue anglaise) sont constituées par un pavé diélectrique de 25 forme quelconque, caractérisé par sa permittivité relative. La bande passante est directement liée à la constante diélectrique qui conditionne donc la taille du résonateur. Ainsi, plus la permittivité est faible, plus l'antenne DRA est large bande, mais dans ce cas, le composant est gros. Toutefois, dans le cas d'une utilisation dans les réseaux de 30 communication sans fils, les contraintes d'encombrement demandent une réduction de la taille des antennes à résonateur diélectrique, ce qui peut entraîner une incompatibilité avec les largeurs de bande requises pour de telles applications. En conséquence, la présente invention a pour but de proposer 5 une solution aux problèmes mentionnés ci-dessus. Ainsi la présente invention définit une règle de conception relative au positionnement du résonateur diélectrique sur son substrat qui permet un élargissement de la bande passante sans détériorer son rayonnement. La présente invention a donc pour objet une antenne large 10 bande constituée par un résonateur diélectrique monté sur un substrat formant plan de masse, caractérisé en ce que le résonateur est positionné à une distance x d'au moins un des bords du plan de masse, x étant choisi tel que O avec;dielectric la longueur d'onde définie dans le diélectrique du 15 résonateur. Selon un mode de réalisation préférentiel, le substrat formant plan de masse est constitué par un élément en matériau diélectrique dont au moins une face est métallisée et constitue un plan de masse pour le résonateur ou DRA. Lorsque la face portant le résonateur est métallisée, le résonateur est alimenté par couplage électromagnétique à travers une fente réalisée dans la métallisation, par une ligne d'alimentation réalisée sur la face opposée, en général, en technologie microruban. Il peut également être excité par sonde coaxiale ou par une ligne coplanaire. 25 Lorsque la face opposée est métallisée, le résonateur est alimenté par contact direct par une ligne d'alimentation réalisée sur la face portant le résonateur ou bien par sonde coaxiale. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation préférentiel, cette description étant faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: La figure 1 est une vue de dessus schématique décrivant le montage d'un résonateur diélectrique sur un substrat. s Les figures 2A et 2B sont respectivement une vue en coupe et une vue de dessus d'une antenne à large à bande conforme à un mode de réalisation de la présente invention. La figure 3 représente différentes courbes donnant l'adaptation du résonateur en fonction de la distance x par rapport à au moins un io bord du plan de masse, et La figure 4 représente une courbe donnant le coefficient de réflexion d'un résonateur très large bande en fonction de la fréquence. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un résonateur diélectrique 1 de forme rectangulaire, monté sur un substrat 2 de forme rectangulaire, le substrat 2 étant muni d'un plan de masse constitué, par exemple, par une métallisation de sa face supérieure lorsque le substrat est un substrat diélectrique. Il a été observé que la position du résonateur 1 avait une influence sur sa bande passante dans la mesure o le résonateur était 20 positionné plus ou moins près des bords du plan de masse. Ainsi, il est apparu que lorsqu'une des distances Xtop ou Xright par exemple, entre le résonateur 1 et le bord du substrat 2 était suffisamment faible, la bande passante du résonateur augmente tout en conservant un rayonnement similaire. Cet élargissement de la bande passante peut s'expliquer par la 25 proximité des bords du plan de masse. Etant donné sa finitude, le fonctionnement intrinsèque du résonateur est quelque peu modifié car les côtés tronqués viennent contribuer au rayonnement et la structure résultante formée du résonateur et du plan de masse fini, présente une largeur de bande supérieure à celle d'un résonateur classique. Ainsi, conformément à la présente invention, on obtient une antenne large bande lorsque le résonateur est positionné à une distance x d'au moins un des bords du plan de masse choisie pour être comprise entre 0 une ligne d'alimentation en technologie microruban. La structure correspondante est représentée sur les figures 2. Dans ce cas, le résonateur 10 est constitué par un pavé rectangulaire en matériau diélectrique de permittivité sr. Le résonateur peut être réalisé en un matériau diélectrique à base de céramique ou un matériau plastique métallisable du type poly-éthérimide chargé en diélectrique ou polypropylène. De manière pratique, le résonateur est réalisé dans un diélectrique de permittivité sr = 12.6. Cette valeur correspond à la permittivité d'un matériau céramique de base, à savoir un matériau bas cot du constructeur NTK, et présente les dimensions suivantes 20 a = 10 mm b = 25.8 mm d = 4.8 mm. De manière connue, le résonateur 10 est monté sur un substrat diélectrique 1 1 de permittivité s'r, caractérisé par sa faible qualité hyper25 fréquence (à savoir, distorsion importante sur les caractéristiques diélectriques et perte diélectrique importante). Comme représenté sur la figure 2A, les faces externes du substrat 1 1 sont métallisées et présentent une couche métallique 12 formant plan de masse sur sa face supérieure. D'autre part, comme 30 représenté plus clairement sur la figure 2B, le résonateur 10 est alimenté de manière classique par couplage électromagnétique à travers une fente 13 réalisée dans le plan de masse 12 par l'intermédiaire d'une ligne microruban 14 gravée sur la face inférieure préalablement métallisée. Dans le mode de réalisation des figures 2, le substrat rectangulaire 11 5 utilisé est un substrat de type FR4 présentant un s'r d'environ 4.4 et une hauteur h égale à 0.8 mm. Il est de taille infinie, c'est-à-dire que les distances Xtop, Xleft, Xright et Xbottom sont grandes, à savoir supérieures à la longueur d'onde dans le vide. Le système d'alimentation fente/ligne est centré sur le résonateur, à savoir D1 = b/2 et D2 = a/2. i0 La ligne présente de manière classique une impédance caractéristique de n et les dimensions de la fente sont égales à WS = 2.4 mm et LS = 6 mm. La ligne microruban croise la fente de manière perpendiculaire avec un débordement m par rapport au centre de la fente égal à 3.3 mm. Dans ces conditions, le résonateur fonctionne à 5.25 et présente une 15 bande passante de 664 MHz (12.6 %) avec un rayonnement quasi omnidirectionnel. Conformément à la présente invention, la position du résonateur 10 a été modifiée pour se trouver à proximité d'un des coins du substrat 1 1, à savoir à proximité du coin droit supérieur du substrat. 20 Pour montrer l'élargissement de la bande passante, des simulations ont été effectuées en fonction des distances Xtop, Xright sur un logiciel de simulation électromagnétique 3D. Les résultats obtenus sont donnés dans le tableau ci-après. Tableau 1 X =Xtop=Xriht (mm) [Fmin-Fmax] (GHz) Bande (MHz) (%) S 1 (dB) 0 [4.95-5.5] 550, 10.7 -10.6 3 [5.45-5.981 935, 17.5 -15.5 6 [5.08-5.87] 790, 14.8 -22 9 [5.083-5.773] 690, 13 -37 12 [5.073-5.71] 637,12 -39 [5.058-5.687] 629, 11.95 -36 infini [5.04-5.704] 664, 12.6 -35.8 On voit donc, d'après les résultats du tableau 1, que plus la distance entre le résonateur et les bords du plan de masse diminue, plus la bande passante augmente. On voit toutefois, d'après la figure 3, que le niveau d'adaptation se dégrade pour les valeurs les plus faibles de x. D'autre part, à partir d'une distance x suffisamment grande, à savoir x > Xdiel/2 avec dans ce cas %diel = 3/(5.25 * 1 0*12.6)= 16mm), le positionnement du résonateur n'a plus d'influence sur la bande passante qui devient alors sensiblement égale à celle de la configuration avec un plan de masse infini. La présente invention a été décrite ci-dessus en se référant à un résonateur de forme rectangulaire. Toutefois, il est évident pour l'homme de l'art que le résonateur peut avoir d'autres formes, notamment carrée, cylindrique, hémisphérique ou similaire. D'autre part, le résonateur est alimenté en utilisant une ligne microruban et une fente, toutefois le résonateur peut aussi être alimenté par une sonde coaxiale ou par une ligne microruban avec contact direct ou par tout type de couplage électromagnétique. On donnera maintenant un autre exemple de réalisation permettant d'obtenir une antenne très large bande. En effet, les 20 simulations effectuées ont permis de démontrer que, dans certaines configurations précises conditionnées par le dimensionnement du résonateur diélectrique, le premier mode supérieur du résonateur TE21 x est proche du mode fondamental TEllx. Dans ce cas, le positionnement du résonateur à proximité d'un ou de plusieurs bords du plan de masse 25 permet de rapprocher les fréquences de fonctionnement de ces deux modes, ce qui a pour effet de donner une adaptation très large bande, comme représenté sur la figure 4. Le tableau 2 donne les dimensions caractéristiques d'un résonateur diélectrique pour obtenir une adaptation très large bande. Tableau 2 Fréquence 5.3 GHz a 10 mm b 25.8 mm d 4.8 mm sr 12.6 Xright =- Xtop 0 mm Ls 7 mm Ws 2.4 mm m 4.5 mm Dl 12.9 D2 5 Bande passante (GHz) (4.4 - 6.3) GHz Largeur de bande 1.9 GHz (35%) REVENDICATIONS 1 - Antenne large bande constituée par un résonateur (1, 10) diélectrique monté sur un substrat (2, 11) avec un plan de masse, 5 caractérisée en ce que le résonateur est positionné à une distance x d'a u moins un des bords du plan de masse, x étant choisie telle que O constitue un plan de masse. 3 - Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que la face (12) portant le résonateur est métallisée, et le résonateur est alimenté par couplage à travers une fente (13) réalisée dans la métallisation par une ligne d'alimentation (14) réalisée sur la face 20 opposée. 4 - Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que la face opposée à la face portant le résonateur est métallisée et le résonateur est alimenté par une ligne d'alimentation réalisée sur la face 25 portant le résonateur.