Brevet FR2840456A1 — publié le 20031205

(w). La presente invention concerne une antenne planaire, plus pa rticul ierement u ne a nten ne planaire mu ltibandes de type fente ada ptee aux reseaux sans flls, notamment aux reseaux sans fils fonctionnant dans des bandes de frequence distinctes. Dans le cadre du deplolement des reseaux sans fils mobiles ou domestiques, la conception des antennes est confrontee a un probleme particulier qu i d ecou le de la man iere dont les d ifferentes frequences vent allouees a ces reseaux. Ainsi, dans le cas des reseaux sans fils domestiques au standard IEEE802.11a ou Hiperlan2, deux blocs de frequence distincts o fonctionnant dans la bande des 5 GHz ont ete alloues aux differents operateurs, comme on peut le voir sur le tableau ci-apres. Tableau A Technologie Application Bande de frequences (GHz) Europe BRAN/ Reseaux domestiques (5,15-5,35) (5,47-5,725) HYPERLAN2 US-IEEE 802.11 a Reseaux domestiques (5,15-5,35) (5,725-5,825) s Pour couvrir les deux bandes de frequence, que ce soit pour un seul standard ou pour les deux standards simultanement, differentes solutions ont ete proposees. La solution la plus evidente consiste a utiliser une antenne a large bande de frequence qui couvre les deux bandes de frequence en meme temps. Ce type d'antenne a large bande de frequence o est en general de structure complexe et d'un coOt eleve. L'utilisation d'une antenne a large bande presente aussi d'autres inconvenients tels que la degradation des performances du recepteur due a la largeur de bande de bruit et au brouilleur pouvant fonctionner dans toute la bande couverte par l'antenne, cette bande comportant aussi la bande non-allouee aux s applications specifiques comprises entre 5,35 GHz et 5,47 GHz. L'utilisation d'une antenne a large bande de frequence implique des contraintes de filtrage plus severes pour l'emetteur afin de respecter les masques ou profile de puissance d'emission hors-bande, a savoir les puissances maxima que 2 2840456 I'on peut emettre a l'interieur de la bande allouee, mais egalement a l'exterieur de cette bande. Cela induit des pertes supplementaires et un surcout pour l'equipement. D'autre part, dans les reseaux sans firs, a un instant donne s l'antenne couvre un canal ayant une largeur d'environ 20 MHz, situe dans l'une ou l'autre des deux bandes. Une solution permettant d'eviter les inconvenients lies aux antennes a large bande de frequence, serait d'utiliser une antenne dont on peut ajuster electroniquement la bande de frequence. On conna^'t aussi des antennes planaires constituees, comme o represente sur la figure 1, par une fente annulaire 1 fonctionnant a une frequence f donnee, cette fente etant alimentee par une ligne d'alimentation 2. De maniere plus precise, sur un substrat constitue par un circuit imprime usuel, metallise sur ses deux faces, la fente annulaire 1, qui peut etre de forme circulaire mais presenter aussi tout autre forme fermee, est realisee s classiquement par gravure du cote destine a constituer le plan de masse de l'antenne. La ligne d'alimentation 2 est prevue pour alimenter la fente 1 en energie par couplage electromagnetique. Wile est. par exemple, constituee par une ligne realisee en technologie microruban positionnee de l'autre cote du substrat par rapport a la fente 1 et orientee radialement par rapport au o cercle que forme cette fente, dans le mode de realisation represente. Dans ce mode de realisation, la transition ligne microruban-fente annulaire de l'antenne est realisee de maniere connue pour que la fente 1 se trouve dans un plan de court-circuit de ligne, c'est-a-dire dans une zone ou les courants vent les plus importants. Ainsi Im = km/4 ou m est la longueur d'onde guidee dans la ligne et k un entier impair. La longueur I'm est choisie pour realiser une adaptation de la ligne 2 a 50Q. Dans ce cas, le perimetre p de la fente 1 est choisi pour etre egal a un multiple m de la longueur d'onde guidee dans la fente, m etant un nombre entier positif. Ainsi, P = 2nR= ml ou,1 est la longueur guidee dans la fente. Dans ce cas, so les frequences de resonance des divers modes vent pratiquement des multiples de la frequence f, ces modes correspondent au mode fondamental, au mode superieur etc. 3 2840456 Ainsi, une antenne de ce type peut etre modelisee aux alentours de sa frequence de resonance f par un circuit RLC parallele, tel que represente sur la figure 2. A la frequence de resonance, on obtient done ia relation LCw2 = 1 avec w= 2f, f etant egal a la frequence de resonance. L'antenne decrite ci-dessus presente notamment comme avantage, d'avoir une structure compacte et d'etre facile a realiser. D'autre part, il est connu de l'homme de l'art que le circuit equivalent d'une diode, notamment une diode PIN, est un circuit capacitif quand la diode est a l'etat bloque ou un circuit inductif quand la diode est a l'etat passant. to La presente invention a done pour objet un perfectionnement aux antennes planaires de type fente annulaire qui permet d'assurer la couverture de plusieurs bandes de frequence tout en evitant les inconvenients et difficultes lies aux antennes a large bande de frequence. Ainsi, la presente invention a pour objet une antenne planaire s portee par un substrat comportant une fente constituee par une courbe fermee dimensionnee pour fonctionner a une frequence donnee et alimentee par une ligne d'alimentation positionnee de sorte que la fente se trouve dans - un plan de court-circuit de la ligne d'alimentation, caracterisee en ce qu'elle comporte en parallele sur la fente, au moins un moyen de commutation o pouvant prendre un etat ferme ou un etat ouvert de maniere a modifier la bande de frequence de fonctionnement de l'antenne planaire. Selon un mode de realisation de la presente invention, plusieurs moyens de commutation vent montes en pa rallele su r la fente de man iere a modifier la frequence centrale de fonctionnement de l'antenne planaire. Les s moyens de commutation sont, de preference, constitues par une diode ou par un varactor permettant un reglage en continu de la frequence. Selon une variante de realisation, une diode est au moins mise en parallele avec un varactor. D'autre part, le ou les moyens de commutation vent montes en parallele en fonction de la frequence de resonance voulue pour l'antenne, o entre le plan de court-circuit electrique pour la fente donnant une valeur minimale et le plan de circuit ouvert electrique pour la fente donnant une valeur maximale. 4 2840456 D'autres caracteristiques et avantages de la presente invention apparaA'tront a la lecture de la description faite ci-apres, d'un mode de realisation preferential dans lesquels: La figure 1 deja decrite represente une antenne planaire du type fente annulaire selon l'art anterieur. La figure 2 est un schema electrique equivalent de l'antenne de la figure 1. La figure 3 est une vue de dessus d'un mode de realisation de la presente invention. o Les figures 4a et 4b vent des schemes electriques equivalents de l'antenne de la figure 3. La figure 5 represente le coefficient de reflexion en fonction de la frequence de l'antenne de la figure 3, lorsque la diode est dans un plan de circuit ouvert pour la fente, pour les deux etats de la diode: passante ou bloquee. La figure 6 est une vue de dessus schematique d'une antenne conforme a la presente invention montrant differentes positions possibles pour la diode. La figure 7 represente une courbe donnant le coefficient de o reflexion en fonction de la frequence pour les differentes positions possibles pour la diode. La figure 8 est une vue de dessus schematique d'une antenne de type fente annulaire munie de deux diodes de part et d'autre du court-circuit conforme a un autre mode de realisation de la presente invention. La figure 9 est un diagramme donnant le coefficient de reflexion en fonction de la frequence pour l'antenne de la figure 8 pour les deux etats de la diode. Pour simplifier la description dans les figures, les memes elements portent les memes references. so On decrira tout d'abord, avec reference aux figures 3 a 5, un premier mode de realisation de la presente invention. Ainsi, comme represente sur la figure 3, I'antenne planaire conforme a la presente 2840456 invention est constituee par une fente annulaire 11 realisee de maniere connue sur un substrat 10. Cette fente annulaire 11 est alimentee par une ligne d'alimentation 12, plus particulierement une ligne microruban connectee a une alimentation radio-frequences. D'autre part, comme represente sur la figure 3, une ligne d'alimentation 14 terminee par un trou metallise realise la commande continue de l'antenne. Une antenne de ce type a ete realisee pour mesures. Dans ce cas, I'antenne est realisee sur un substrat RO4003 presentant une hauteur h = 0,81 mm, une constante dielectrique sr = 3,38 et une tangente = 0,0022. Dans ce cas, le substrat to qui est metallise de maniere connue forme un plan de masse de longueur L = 35 mm et de largeur W = 30 mm. La fente annulaire presente un rayon R = 6,7 mm, une largeur Ws = 0,4 mm. La ligne microruban 12 est placee de sorte que la fente 11 se trouve dans un plan de court-circuit de la ligne d'alimentation. De ce fait, la ligne d'alimentation 12 deborde la fente 11 d'une longueur Im = km/4 ou m est la longueur d'onde guidee dans la ligne et k un entier impair. Dans le present cas, I'm = Im = 8,5 mm. La largeur de la ligne 12 Wm=0,3 mm. D'autre part, la ligne d'alimentation 12 se termine par une longueur de ligne d'impedance 50 ohms adaptee a ['impedance standard d'un connecteur, telle que L50Q=4,8 mm et W50Q = 1,85 mm. Conformement a la presente invention, une diode 13, a savoir une diode PIN telle que les diodes HP Ref: HSMP-489B dans le mode de realisation represente, est positionnee en parallele sur la fente 11. Dans le mode de realisation de la figure 3, la diode 13 est placee dans un plan de circuit ouvert de la fente 11. Cette diode 13 est connectee a un circuit de commande non-represente permettant de la mettre soit dans un etat bloque soit dans un etat passant. On expliquera maintenant le fonctionnement d'une antenne de type fente annulaire munie d'une diode en parallele, plus particulierement o avec reference aux figures 4a et 4b. Sachant que lorsqu'une diode est a l'etat bloque, son fonctionnement est un fonctionnement capacitif, on obtient done dans ce cas 6 2840456 un circuit equivalent a celui de la figure 4a, a savoir deux capacites Ce et Cd en parallele donnant une capacite Ce dont la valeur est telle que Ce = C + Cd. De maniere connue, la frequence de resonance f de ce circuit est donnee par la condition LCew'2 = 1 avec ' = 2nf'. Comme Ce a une valeur s superieure a la valeur C correspondent a la fente sans diode, on en deduit que la frequence f' est inferieure a la frequence f de la fente sans diode. Sachant qutune diode a l'etat passant a un fonctionnement inductif, on obtient alors un schema equivalent a celui de la figure 4b, dans laquelle deux inductances L et Ld vent en parallele. Dans ce cas, la valeur o Le de ['inductance equivalente est egale a Le = LLd/ (L+Ld). Dans ce circuit, la frequence de fonctionnement f' est donnee par la nouvelle condition de resonance LeCco"2 = 1 avec co" = 2nf". Le etant inferieur a L, on peut en deduire que la frequence f" est superieure a- la frequence f de la fente sans diode. Ainsi, en contrGiant l'etat de la diode 13, on peut controler la frequence de resonance de l'antenne de la figure 3. - La mise en parallelede plusieurs diodes va done avoir pour effet: 11 d'augmenter l'ecart entre la frequence basse f' obtenue pour des diodes a l'etat bloque et la frequence f en ['absence de diode, 2/ d'augmenter ltecart entre la frequence haute f" obtenue pour o des diodes a l'etat passant et la frequence centrale f en ['absence de diode. II est done possible de controler sur des bandes plus ou moins larges et plus ou moins symetriques par rapport a la frequence de resonance d'une fente sans diode, la frequence de resonance de l'antenne de la figure 3. s La courbe de la figure 5 montre clairement pour la structure d'antenne de la figure 3, que la commutation de la diode PIN 13 d'un etat OFF (bloque) a un etat ON (passant) permet de passer d'une frequence d'environ 4,8 GHz pour la diode a l'etat OFF a une frequence d'environ 7,1 GHz pour une diode a l'etat ON. o On montrera maintenant avec reference aux figures 6 et 7, I'effet produit par ['emplacement de la ou des diodes dans la fente, cet effet entranant une influence sur la frequence de fonctionnement de la fente. 7 2840456 Ainsi, sur la figure 6, on a represente schematiquement une fente annulaire 11 alimentee par exemple par une ligne microruban 12. Sur cette figure, la diode est montee en parallele dans la fente en differentes positions entre une position correspondent a un plan de circuit ouvert comme pour la diode 13 et une position correspondent a un plan de courtcircuit comme pour la diode 13'. Les autres diodes vent positionnees par exemple a 22 , 45 et 60 du plan de court-circuit. Dans ce cas, le couplage de la diode avec la fente 11 resonnante est modifiee, ce qui modifie la valeur exacte de la capacite equivalente dans le cas d'un etat OFF ou de ['inductance dans le cas d'un o etat ON. Ainsi, quand la diode 13' est placee dans un plan de court-circuit electrique, celle-ci apporte une impedance (inductive ou capacitive selon l'etat) en parallele avec une impedance nulle. Son effet est done minimal. Au contraire, quand la diode 13 est placeedans un plan de circuit ouvert, elle apporte une impedance paralleie avec une impedance infinie et son effet est maximum. Les differents resultats obtenus vent representes sur la figure 7 qui donne le coefficient de reflexion S11 en dB en fonction de la frequence en GHz.: Sur les figures 8 et 9j on a represente une variante de realisation de la presente invention. Sur!a figure 8, on a represente une antenne o planaire constituee, comme pour la figure 3, d'une fente annulaire 11 alimentee par une ligne d'alimentation microruban 12, une ligne microruban 14 controlant la valeur continue de l'antenne. Dans ce cas, comme represente sur la figure 8, deux diodes 15A, 15B vent montees en parallele sur la fente de part et d'autre du plan de court-circuit pour la fente reference s SC plane. Dans le mode de realisation, I'ecart d entre les deux diodes 15A, B est egal a 2,8 mm. Dans ce cas, lorsque les diodes passent de l'etat OFF a l'etat ON, la frequence de fonctionnement passe de 5,54 GHz a 5,94 GHz, comme represente sur la figure 9, qui donne le coeffficient de reflexion S11 en dB en fonction de la frequence en GHz. On observe done un so decalage de frequence de 500 MHz. D'autre part, des mesures de diagramme de rayonnement ont ete faites en chambre anechode avec une maquette d'antenne telle que 8 2840456 representee sur la figure 8 et presentant les dimensions donnees cidessus. Dans ce cas, on s'aper,coit que les diodes ne perturbent pas le rayonnement de base de la fente annulaire. La presente invention a ete decrite en se referent a des diodes s PIN comme moyen de commutation. II est evident pour l'homme de d'art que d'autres moyens de commutation peuvent etre utilises, notamment des varactors qui permettent un controle quasi-continu de la frequence de resonance dans une plage de frequence donnee. En effet, un varactor est un composant electronique (typiquement une diode polarisee en inverse) qui o permet de controler la capacite de jonction (diode bloquee) qui diminue en fonction de la tension appliquee a ses bornes. On peut ainsi modifier de maniere continue la frequence de resonance de l'antenne en modifiant la tension de polarisation du varactor. Les varactors peuvent etre associes a au moins une des diodes PIN de maniere a permettre un controle quasi-continu s de frequence sur une ou plusieurs plages. D'autre part, la fente peut presenter une autre forme: fermee qu'une forme annulaire. Wile peut avoir une forme polygonale telle que carree, triangulaire, rectangulaire. Avec ['invention decrite ci-dessus, on obtient done une antenne planaire compacte et peu onereuse qui peut fonctionner sur des bandes de frequence multiples o correspondent, notamment, au standard IEEE802.11 et Hyperlan2. 9 2840456 REVENDICATIONS 1 - Antenne planaire portee par un substrat comportant une fente (11) constituee par une courbe fermee dimensionnee pour fonctionner a une s frequence donnee et alimentee par une ligne d'alimentation (12) positionnee de sorte que la fente se trouve dans un plan de court-circuit de la ligne d'alimentation, caracterisee en ce qu tel le com porte, en parallele su r la fente, au moins un moyen de commutation (13; 13,13'; 15A,15B) pouvant prendre un etat ferme ou un etat ouvert de maniere a modifier la bande de frequence o de fonctionnement de l'antenne planaire. 2 - Antenne selon la revendication 1, caracterisee en ce que plusieurs moyens de commutation (13,13'; 15A,15B) vent montes en - - parallele sur la fente de maniere a modifier la largeur de la bande de s frequence de fonctionnement de l'antenne planaire: .-^, -. 3 - Antenne selon les revendications 1- et 2, caracterisee en ce - que le ou les moyens de commutation vent montes en parallele en fonction - de la frequence de resonance de l'antenne voulue entre le plan de court circuit electrique pour la fente donnant une valeur minimale et le plan de circuit ouvert electrique pour la fente donnant une valeur maximale. 4 - Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 a 3, caracterisee en ce que le moyen de commutation est constitue par une diode. - Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 a 3, caracterisee en ce que le moyen de commutation est constitue par un varactor. so 6 - Antenne selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caracterisee en ce qu'au moins une diode est mise en parallele avec un varactor. 7 - Antenne sewn [une quelconque des vendadons pcAdentes, caraAdsde en ce qua la Dante em de Irma annulake ou polygonele. is. -.,,