Brevet FR2850794A1 — publié le 20040806

La présente invention concerne une antenne large bande et à rayonnement omnidirectionnel destinée à recevoir et/ou à émettre des signaux électromagnétiques utilisables dans le domaine des communications sans fils, plus particulièrement dans le cas des transmissions pour la télévision numérique terrestre. La télévision numérique terrestre est amenée à remplacer à terme la télévision analogique. Dans le cadre de cette évolution, il est nécessaire de pouvoir proposer une réception de qualité, même à l'intérieur des maisons ou des appartements. Cette obligation de réception intérieure entraîne des 10 contraintes sur la taille de l'antenne de réception qui ne doit pas être encombrante. Actuellement, les antennes utilisées pour la réception des signaux de télévision en analogique sont constituées, dans le cas d'une réception terrestre, par une antenne dite " râteau " ou antenne de type Yagi qui se pose 15 traditionnellement sur le toit de la maison. Ce type d'antennes peut atteindre jusqu'à 1 mètre de longueur. Dans le cas d'antennes pour la réception intérieure, celles-ci sont en général composées de deux éléments rayonnants, l'un pour la VHF et l'autre pour l'UHF et peuvent être combinées avec une partie active d'amplification. D'autre part, la norme utilisée dans le cadre de la télévision 20 numérique terrestre est la norme DVBT. Cette norme prévoit l'utilisation de tous les canaux dans la bande UHF, ce qui nécessite une antenne large bande. La présente invention propose une antenne large bande qui puisse, notamment, couvrir toute la bande UHF, à savoir la bande comprise entre 470 MHz et 862 MHz et qui possède un niveau d'adaptation correcte sur toute cette 25 bande. La présente invention concerne une antenne large bande et à rayonnement omnidirectionnel comprenant un premier monopole circulaire ou semicirculaire perpendiculaire à un plan de masse, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un second monopole circulaire ou semi-circulaire, les 30 monopoles étant positionnés les uns par rapport aux autres de manière à avoir un diamètre commun. En effet, si les monopoles circulaires ou CDM (pour Circular Disk Monopole) sont connus comme étant des éléments rayonnants sur une large bande de fréquences et de façon omnidirectionnelle, ces éléments ne présentent pas une adaptation satisfaisante sur toute la bande de fonctionnement. Or, on 5 s'est aperçu que l'utilisation de deux monopoles circulaires ou semi-circulaires, conformément à la présente invention, permettait d'améliorer nettement les performances de l'antenne en terme d'adaptation, sans modifier les performances en terme de rayonnement Selon une caractéristique de l'invention, l'antenne comporte N 10 monopoles circulaires, N > 2, les N monopoles étant positionnés les uns par rapport aux autres de manière à présenter un diamètre commun. Selon un premier mode de réalisation, l'antenne comporte deux monopoles faisant entre eux un angle de 900. De manière plus générale, la valeur de l'angle entre deux demi-monopoles est égale à 180'/N o N est le 15 nombre de monopoles. Selon une variante, les deux monopoles font entre eux des angles non-identiques, notamment des angles de 450/1350 ou de tout autre ensemble de valeurs dont la somme égale 1800 Cette configuration entraîne une diminution de l'impédance de l'ensemble ce qui donne aussi une moindre dispersion et un niveau d'adaptation meilleure sur une large bande de fréquence. 20. Selon une autre caractéristique de la présente invention, les monopoles sont montés avec un plan réflecteur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description de différents modes de réalisation, la description étant faite avec référence aux dessins ciannexés dans lesquels: Fig. 1 est une vue en perspective d'une antenne large bande à double CDM conforme à la présente invention. Fig. 2 est une courbe donnant le coefficient d'adaptation en fonction de la fréquence de l'antenne représentée à la figure 1. Fig. 3 représente respectivement un diagramme de rayonnement de 30 l'antenne de la figure 1 en 3D et dans un plan de coupe en polarisation parallèle et croisée. Fig. 4 est une vue en perspective d'une antenne selon un autre mode de réalisation de la présente invention, utilisant 4 CDM. Fig. 5 est une courbe donnant le coefficient d'adaptation en fonction de la fréquence de l'antenne représentée à la figure 3. Fig. 6 représente respectivement le diagramme de rayonnement de l'antenne de la figure 3 en 3D et dans un plan de coupe en polarisation parallèle et croisée. Fig. 7 représente en perspective, encore un autre mode de réalisation d'une antenne conforme à la présente invention avec deux CDM présentant des 10 angles différents. Fig. 8 est une courbe donnant le coefficient d'adaptation en fonction de la fréquence de l'antenne de la figure 7. Fig. 9 représente le diagramme de rayonnement de l'antenne de la figure 7 respectivement en 3D et dans un plan de coupe en polarisation parallèle 15 et croisée. On décrira tout d'abord avec référence aux figures 1 à 3, un premier mode de réalisation d'une antenne large bande à rayonnement omnidirectionnel conforme à la présente invention. Comme représenté sur la figure 1, sur un plan de masse métallique 1, on a positionné perpendiculairement à celui-ci deux disques 3, 4 circulaires formant deux éléments CDM pour " Circular Disk Monopole ". Comme représenté sur la figure 1, les deux disques circulaires 3, 4 sont imbriqués l'un dans l'autre selon un diamètre commun z et sont perpendiculaires au plan de 25 masse 1 qui se trouve dans le plan xoy. Ces deux disques 3 et 4 sont réalisés de manière connue par un élément métallique. Dans le mode de réalisation de la figure 1, les deux disques 3 et 4 se croisent de manière à former entre eux un angle droit. Pour simuler les résultats obtenus, une antenne telle que représentée 30 à la figure 1, a été réalisée en utilisant deux disques métalliques identiques présentant chacun un rayon a = 90 mm et une épaisseur e = 4 mm. Ces deux disques sont imbriqués l'un dans l'autre, comme représenté sur la figure 1 et ils ont été montés sur un plan de masse métallique présentant un rayon R = 150 mm, les deux disques se trouvant à une distance h = 2 mm du plan de masse Les disques et le plan de masse sont réalisés en des matériaux métalliques. Ils 5 peuvent être par exemple en aluminium. Pour réduire le poids de la structure, on peut utiliser un matériau plastique (comme le "dibbon") avec une métallisation sur ses faces (avec une feuille d'aluminium par exemple) ou bien de la mousse métallisée. La structure décrite ci-dessus a été simulée en utilisant le logiciel 10 Ansoft HFSS et une ligne d'impédance de 35 Q présentant une largeur de 3, 16 mm et une longueur de 67 mm dessinée sur un substrat Rogers 4003 de permittivité relative Fr = 3.38 et de hauteur 0,81 mm. La ligne d'impédance à 35 ohms réalise un transformateur qui permet d'obtenir en sortie une impédance de 50 ohms à partir de l'impédance de la structure qui, dans le présent cas, est de 15 25 ohms, comme expliqué ci-après. Les résultats de la simulation sont donnés sur les figures 2 et 3. Dans ce cas, la courbe de la figure 2 montre qu'avec l'antenne de la figure 1, on obtient un niveau d'adaptation important pouvant atteindre jusqu'à 30 dB sur toute la bande UHF, à savoir la bande comprise entre 470 MHz et 20 860 MHz. Les résultats obtenus peuvent s'expliquer par le fait que l'imbrication des deux disques telle que décrite ci-dessus revient d'un point de vue électrique à les mettre en parallèle. L'impédance de la structure est égale à la moitié de l'impédance d'une structure avec un seul CDM. D'autre part, les courbes représentées sur la figure 3 donnent un diagramme de rayonnement de l'antenne 25 sensiblement omnidirectionnel pour une fréquence de fonctionnement de 650 MHz, comme représenté par le diagramme en 3D sur la partie gauche de la figure et le plan de coupe en polarisation parallèle et croisée sur la partie droite de la figure. De manière plus spécifique, la figure de gauche représente un diagramme de rayonnement 3D de la structure, en champ total (Etotal) et la 30 figure de droite, un diagramme de rayonnement 2D dans le plan de coupe Phi=00, en composantes parallèle (Ethéta) et croisée (Ephi). On décrira maintenant avec référence aux figures 4 à 6, un autre mode de réalisation de la présente invention. Dans ce cas, l'antenne conforme à l'invention est constituée par quatre CDM, à savoir quatre disques circulaires monopoles 11,12,13,14 qui sont positionnés les uns par rapport aux autres de 5 manière à avoir un diamètre commun zl, ces disques monopoles étant montés perpendiculairement à un plan de masse 10 se trouvant dans le plan xl ol yl. Dans le mode de réalisation représenté, les angles entre chaque demidisque 11,12, 12,13, 13,14, 14,11 sont équivalents et égaux à 450.11 est évident pour l'homme de l'art que l'on peut aussi imaginer des angles autres que 450 Une 10 antenne de ce type a été réalisée en utilisant les mêmes matériaux et les mêmes dimensions que l'antenne de la figure 1 et cette antenne a été simulée d'une manière identique à l'antenne de la figure 1. Dans ce cas, les résultats de la simulation sont représentés sur la figure 5 en ce qui concerne la très large bande d'adaptation et sur la figure 6, en ce qui concerne le diagramme de rayonnement 15, de l'antenne. D'après la figure 5, on obtient encore une bonne adaptation sur une bande de fréquence correspondant à la bande UHF pouvant aller jusqu'à -27dB. D'autre part, le diagramme de rayonnement représenté à la figure 5 respectivement en 3D sur la partie gauche de la figure et dans un plan de coupe 20 en polarisation parallèle et croisée sur la partie droite montre l'obtention d'un rayonnement omnidirectionnel à la fréquence de fonctionnement de 650 MHz. On décrira enfin un troisième mode de réalisation avec référence aux figures 7 à 9. Dans ce cas, l'antenne conforme à la présente invention est 25 constituée de deux CDM (Circular Disk Monopole), les deux disques 21, 22 sont positionnés l'un par rapport à l'autre de manière à avoir un diamètre commun selon z2 et sont montés perpendiculairement à un plan de masse 20 se trouvant dans le plan x2 o2 y2. Dans ce cas, les angles que font les deux disques monopoles entre 30 eux ne sont pas équivalents mais par exemple choisis de telle sorte que l'une des deux branches des disques 22 et 21 fassent un angle de 45 tandis que l'autre branche fait un angle de 135 . L'antenne représentée à la figure 7 a été simulée de manière identique aux antennes des figures 1 et 3. Les résultats des simulations sont 5 représentés sur la figure 8 qui donnent l'adaptation de l'antenne de la figure 7 sur une impédance de normalisation de 25 ohms montrant que dans ce cas, on obtient encore une adaptation pouvant aller jusqu'à - 19dB, dans la bande de fréquence UHF comprise entre 470 MHz et 862 MHz ainsi qu'un diagramme de rayonnement omnidirectionnel, comme représenté sur la partie gauche en 3D de 10 la figure 9 et par le plan de coupe en polarisation parallèle et croisée sur la partie droite de la figure. Comme représenté par les résultats de simulation, les différentes antennes décrites ci-dessus présentent les avantages suivants: - Une large bande passante, - Un niveau d'adaptation amélioré par rapport à celui d'une antenne 15 constituée par un simple CDM, - Un diagramme omnidirectionnel dans un plan azimutal et, - Un faible niveau de polarisation croisée. La structure décrite ci-dessus présente aussi l'avantage d'être simple à réaliser et la directivité de son rayonnement peut être améliorée en ajoutant un 20 plan réflecteur comme représenté par la référence 5 sur la figure 1. le réflecteur n'a pas de position particulière puisque le rayonnement de la structure sans réflecteur est omnidirectionnel. REVENDICATIONS 1 - Antenne large bande et à rayonnement omnidirectionnel comprenant un premier monopole (3, 21) circulaire ou semi-circulaire 5 perpendiculaire à un plan de masse (1, 20), caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un second monopole (4, 22) circulaire ou semi-circulaire, les monopoles étant positionnés l'un par rapport à l'autre de manière à avoir un diamètre commun (z, z2). -2 - Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte N monopoles (11, 12, 13, 14) circulaires N > 2, les N monopoles étant positionnés les uns par rapport aux autres de manière à présenter un diamètre commun (zl). 3 - Antenne selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les monopoles font entre eux des angles égaux. 4 - Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que la valeur de l'angle entre deux demi-monopoles est égale à 180'/N o N est le nombre de 20 monopoles. - Antenne selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les monopoles sont imbriqués de manière à ce que les angles entre deux demidisques soient inégaux. 6 - Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un plan réflecteur (5).