Brevet FR2844399A1 — publié le 20040312

La présente invention concerne les antennes de type résonateur diélectrique compact, plus particulièrement les antennes de ce type destinées à être utilisées dans des circuits hyperfréquences pour les communications sans fil, notamment pour le marché grand public. Dans le cadre du développement des antennes associées aux produits grand public pour les réseaux domestiques sans fil, les antennes de type résonateur diélectrique ou DRA (Dielectric Resonator Antenna) présentent des propriétés intéressantes en terme de bande passante et de rayonnement. D'autre part, ce type d'antenne s'adapte parfaitement à une utilisation sous 10 forme de composants discrets montés en surface ou composants CMS. En effet, une antenne de type résonateur diélectrique est constituée essentiellement par un pavé en matériau diélectrique de forme quelconque qui est caractérisé par sa permittivité relative sr. Comme mentionné notamment dans l'article " Dielectric Resonator Antenna - A Review And General Design 15 Relations For Resonant Frequency And Bandwidth" publié dans l'International Journal of Microwave and Millimeter- Wave ComputerAided Engineering volume 4, N0 3, pages 230-247 en 1994, la bande passante et la taille d'une antenne de type résonateur diélectrique sont inversement proportionnelles à la constante diélectrique sr du matériau constituant le résonateur. Ainsi plus la 20 constante diélectrique est faible, plus le DRA est large bande mais plus il est gros; de manière réciproque, plus la constante diélectrique sr du matériau formant le DRA est élevée et plus le DRA est de petite taille mais dans ce cas, il présente une bande passante étroite. Ainsi, pour pouvoir utiliser ce type d'antennes dans les réseaux domestiques sans fil répondant au standard 25 WLAN, il est nécessaire de trouver un compromis entre la taille du résonateur diélectrique et la bande passante, tout en proposant un encombrement minimal permettant l'intégration dans des équipements. Concernant diverses solutions permettant de réduire la taille des 30 résonateurs diélectriques, une solution classiquement utilisée consiste à exploiter la symétrie des champs à l'intérieur du résonateur pour définir des plans de coupe o l'on peut appliquer des conditions de murs électriques ou magnétiques. Une solution de ce type est décrite notamment dans l'article intitulé " Half volume dielectric resonator antenna designs " publié dans 35 Electronic Letters du 06 novembre 1997, volume 33, N023 pages 1914 à 1916. En utilisant le fait que, dans les plans définis à x et z constants, le champ électrique à l'intérieur d'une antenne de type résonateur diélectrique en mode TEY111 présente une orientation uniforme et un axe de symétrie par rapport à une droite perpendiculaire à cette orientation, on peut appliquer la théorie des images et réduire de moitié la taille du DRA en opérant une coupe dans le plan de symétrie et en remplaçant la moitié du DRA tronquée par un mur électrique infini, à savoir une métallisation. Ainsi on passe d'une forme de DRA 5 rectangulaire représentée à la figure 1 aux formes représentées sur les figures 2 et 3. De manière plus spécifique, l'antenne de type résonateur diélectrique rectangulaire de la figure 1 présente des dimensions a, b et 2*d qui ont été estimées pour un diélectrique de permittivité sr=12.6 fonctionnant suivant le mode TEY111 à 5.25 GHz de fréquence et qui sont telles que a=10mm, 10 b=25,8mm et 2*d=9,6mm. Si on réalise un premier mur électrique dans le plan z=0 comme représenté dans la figure 2, dans ce cas le DRA rectangulaire présente des dimensions b et a identiques à celles du DRA de la figure 1 mais une hauteur d réduite de moitié. D'autre part, une métallisation représentée par la référence 1 permet de réaliser un mur électrique dans le plan z=0. Selon le 15 mode de réalisation de la figure 3, une deuxième découpe peut être réalisée en utilisant la symétrie du plan z=d, on obtient dans ce cas un mur électrique réalisé en x=0 par la métallisation 2. Alors, le résonateur diélectrique présente des dimensions égales à b/2, a, d. On a ainsi réduit d'un facteur 4 la taille de l'antenne de type résonateur diélectrique par rapport à sa topologie de base. 20 La présente invention permet de réduire encore plus les dimensions de l'antenne de type résonateur diélectrique sans dégrader son rayonnement. En conséquence la présence invention a pour objet une antenne à 25 résonateur diélectrique comprenant un pavé en matériau diélectrique dont une première face destinée à être montée sur un plan de masse est recouverte d'une couche métallique, caractérisée en ce qu'au moins une seconde face perpendiculaire à la première face est recouverte d'une couche métallique sur une largeur inférieure à la largeur de la seconde face et sur une hauteur 30 inférieure ou égale à la hauteur de la seconde face. De préférence pour obtenir de bons résultats, la couche métallique recouvrant la seconde face est centrée par rapport à la largeur de ladite seconde face. Selon une autre caractéristique de la présente invention, la couche métallique recouvrant la seconde face se prolonge par une couche 35 métallique recouvrant une troisième face parallèle à la première face. De préférence, la couche métallique recouvrant la troisième face s'étend sur une longueur inférieure à la longueur de la troisième face. Selon une autre caractéristique, la largeur de la couche métallique recouvrant la troisième face est différente de la largeur de la couche métallique couvrant la seconde face. Dans ce cas, comme décrit ci-après, on obtient un DRA encore plus compact que les DRA décrits ci-dessus. L'effet de réduction de la taille peut 5 s'expliquer par le rallongement des lignes de champs à l'intérieur de l'antenne de type résonateur diélectrique. En effet, les métallisations partielles imposent sur le champ électrique de nouvelles conditions aux limites qui déforment les lignes de champs en les rallongeant. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention 10 apparaîtront à la lecture de la description de différents modes de réalisation, cette description étant faite avec référence aux figures ci-annexées dans lesquelles: - La figure 1 déjà décrite est une vue en perspective schématique d'une antenne de base de type résonateur diélectrique formé par un pavé 15 rectangulaire; - La figure 2 déjà décrite représente un DRA en perspective de forme rectangulaire muni d'une face métallisée montée sur un large plan de masse; - La figure 3 déjà décrite est une vue en perspective schématique 20 d'une antenne de type résonateur diélectrique compact sur un plan de masse; - La figure 4 est une vue en perspective schématique d'une antenne de type résonateur diélectrique selon un premier mode de réalisation de la présente invention. - La figure 5 est une vue similaire à celle de la figure 4 selon un 25 autre mode de réalisation de la présente invention. - Les figures 6a, 6b et 6c représentent une antenne à résonateur diélectrique alimentée par ligne microruban. - La figure 7 représente une courbe donnant le coefficient de réflexion S11 en fonction de la fréquence pour différentes topologies de DRA 30 compact. Sur la figure 4, on a représenté schématiquement en perspective un premier mode de réalisation d'une antenne de type résonateur diélectrique compact conforme à la présente invention. Le résonateur diélectrique est constitué essentiellement par un pavé 10 en matériau diélectrique. Le matériau 35 diélectrique qui présente une permittivité r spécifique peut être un matériau à base de céramique ou un plastique métallisable du type polyéthérimide (PEI) chargé en diélectrique ou polypropylène (PP). Dans le mode de réalisation représenté le pavé est de forme rectangulaire mais il est évident pour l'homme de l'art que le pavé pourrait avoir toute forme quelconque, notamment une forme carrée ou même une forme cylindrique ou polygonale. De manière connue, pour diminuer la taille du pavé, la surface inférieure destinée à être reportée sur un substrat avec plan de masse est recouverte d'une couche 5 métallique 11. Conformément à la présente invention, une des faces perpendiculaires à la face recouverte de la couche métallique 11 est aussi recouverte d'une couche métallique 12 partielle. Les couches métalliques sont réalisées par exemple en argent, en chrome, en nickel ou avec des multicouches cuivre/nickel ou cuivre/étain, le dépôt pouvant être effectué soit 10 par sérigraphie d'encre conductrice dans le cas d'une base céramique telle que de l'alumine soit par dépôt électrochimique dans le cas d'un plastique métallisable. Dans ce cas, on utilise de préférence un multicouche, à savoir une couche de cuivre chimique pour l'accrochage sur le plastique suivi d'un cuivre électrolytique pour améliorer l'état de surface recouvert d'un dépôt de nickel ou 15 d'étain pour éviter tout phénomène de corrosion. La métallisation peut aussi être réalisée par dépôt sous vide de métaux du type argent, chrome, nickel. Dans ce cas, l'épaisseur des dépôts est voisine du micron. Dans le cas du pavé de la figure 4, la couche de métallisation 12 a été déposée sur toute la hauteur du pavé. On décrira maintenant avec référence à la figure 5, un autre mode de réalisation de la présente invention. Dans ce cas l'antenne de type résonateur diélectrique est constituée par un pavé rectangulaire 20 réalisé en un matériau diélectrique de permittivité sr. Comme pour l'antenne de la figure 4, une couche métallique 21 a été déposée sur la face 20 du pavé. Cette face est montée sur 25 le substrat avec plan de masse. De même, conformément à la présente invention, une couche métallique 22 de largeur inférieure à la largeur d'une des faces verticales du pavé 20 a été déposée sur ladite face et conformément à une autre caractéristique de la présente invention, cette couche 22 se prolonge par une couche métallique 23 déposée sur la face 20 du pavé parallèle à la 30 face portant la couche métallique 21. Comme représenté sur la figure 5, la couche 23 présente une longueur mh inférieure à la longueur de la face sur laquelle elle est déposée. Pour mettre en évidence la réduction de taille d'une l'antenne de type résonateur diélectrique telle que réalisée selon les figures 4 et 5, un 35 dimensionnement des différentes topologies a été effectué à partir d'un logiciel de simulation électromagnétique 3D basé sur la méthode FDTD " Finite Différence Time Domain ". On a donc simulé une antenne de type résonateur diélectrique rectangulaire alimenté à travers une fente par une ligne microruban. Cette structure est représentée sur les figures 6a, 6b, 6c. Dans ce cas, le pavé 30 muni de métallisations comme dans le cas de la figure 5 est monté sur un substrat 31. Le substrat 31 est un substrat diélectrique de permittivité s'r caractérisé par ses faibles qualités hyperfréquences à savoir 5 présentant une dispersion importante sur ses caractéristiques diélectriques et des pertes diélectriques importantes. Comme représenté sur la figure 6a, les deux faces externes du substrat 31 ont été métallisées, à savoir la face supérieure par une couche 32 formant plan de masse et la face inférieure par une couche dans laquelle a été gravée la ligne microruban 33. Le DRA est 10 alimenté de manière classique à travers une fente 34 réalisée dans le plan de masse situé sur la surface supérieure, par la ligne microruban 33 gravée sur la face inférieure. Le DRA a été dimensionné suivant les différentes topologies décrites aux figures 1, 2, 3, 4 et 5 de manière à fonctionner à 5.25GHz sur un substrat de type FR4 (8'r=4,4, h=0,8mm). Le DRA est réalisé dans un 15 diélectrique de permittivité sr=12,6. Comme représenté sur la figure 6b, le système d'alimentation (fente et ligne) est centré sur la largeur a du DRA: D2=a/2. Dans ce cas, la ligne d'alimentation présente une impédance caractéristique 50n (wm=1.5mm) et les dimensions de la fente 34 sont égales à Ws et Ls. La ligne microruban 33 croise la fente 34 perpendiculairement, comme 20 représenté clairement sur la figure 6c, avec un débordement m par rapport au centre de la fente. La position de la fente est repérée par la dimension Dl. Pour les configurations correspondantes aux figures 2 et 3, le DRA est posé sur un plan de masse infini tandis que pour la configuration correspondant à la figure 5, à savoir à un des modes de réalisation de la présente invention, le DRA est 25 placé en bordure du plan de masse comme représenté sur la figure 6b. Les dimensions obtenues pour les différentes configurations de DRA sont données dans le tableau 1 ci-après. Tableau 1 úr=12.6 a b Hauteur L, wS m mMh Dl (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm ) DRA de base 10 25.8 2*d=9.6 6 2.4 3.3 O 0 O DRA sur plan 10 25.8 d=4.8 6 2.4 3.3 O 0 O de masse /2 DRA 10 12.9 d=4.8 7.5 1.2 3.6 10 O 9 DRA 8.5 6 d=4.8 8 1.2 3 5 1.8 5.1 Figure 6 Comme on le voit clairement le DRA de la figure 6 présente une longueur a de 8.5 à la place d'une longueur de 10 pour les autres DRA, une largeur b de 6 à la place de largeurs variant entre 12.9 et 25.8 et une hauteur d égale à 4.8 à la place d'une hauteur variant entre 4.8 et 9. 6. De ce fait, avec un 5 DRA conforme à la présente invention on obtient un facteur de réduction supplémentaire de 3 par rapport au 1/2 DRA. De manière plus générale, l'antenne de type résonateur diélectrique est tout d'abord dimensionnée en utilisant le principe de découpe suivant deux plans de symétrie, comme décrit dans l'article d'Electronic Letters mentionné 10 ci-dessus. Des métallisations partielles sont déposées comme décrit ci-dessus. Les métallisations partielles dont les dimensions sont fonction notamment du matériau utilisé, entraîne une diminution de la fréquence de fonctionnement du DRA. En conséquence, les dimensions a et b sont adaptées pour se ramener à la fréquence désirée. D'autre part, comme représenté sur la figure 7 donnant le coefficient de réflexion S 1I en fonction de la fréquence, on voit que le DRA de la figure 5 donne un niveau d'adaptation comparable aux DRA des figures 3 et 4. Des variantes de réalisations peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci-dessus. Notamment, la largeur de la couche de 20 métallisation partielle de la seconde face peut être différente de la largeur de la couche de métallisation de la troisième face. Avec la configuration de la présente invention, on réduit donc la taille du DRA de manière importante tout en obtenant des performances comparables. REVENDICATIONS 1. Antenne à résonateur diélectrique comprenant un pavé (10, 20) en 5 matériau diélectrique dont une première face destinée à être montée sur un plan de masse est recouverte d'une couche métallique (11, 21), caractérisée en ce qu'au moins une seconde face perpendiculaire à la première face est recouverte d'une couche métallique (12, 22) sur une largeur inférieure ou égale à la largeur de la seconde face et sur une hauteur inférieure ou égale à la 10 hauteur de la seconde face. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche métallique recouvrant la seconde face est centrée par rapport à la largeur de ladite seconde face. 3. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la couche métallique recouvrant la seconde face se prolonge par une couche métallique (13, 23) recouvrant une troisième face parallèle à la première face. 4. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que la couche métallique recouvrant la troisième face s'étend sur une largeur inférieure à la longueur de la troisième face. 5. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la largeur de la couche métallique recouvrant la troisième face est différente de la largeur de la couche métallique recouvrant la seconde face.