Brevet FR2871619A1 — publié le 20051216

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 à haut débit sans fils, plus particulièrement dans le cas des transmissions en régime impulsionnel large bande de type UWB (Ultra Wide Band). De telles communications sont, par exemple, de type WLAN, WPAN, WBAN. En régime impulsionnel, l'information est envoyée dans un train d'impulsions, par exemple des imp ulsions très courtes, de l'ordre de la nanoseconde. Cela se traduit par une très large bande de fréquences. Les transmissions Ultra Large Bande, à l'origine réservées aux applications militaires, sont progressivement introduites dans le domaine des télécommunications civiles. Ainsi, la bande de fréquence [3.1; 10.6] GHz a récemment été adoptée par l'organisme américain FCC pour permettre le développement des applications de communications UWB dont le standard est en cours d'élaboration. Pour de nombreuses a pplications, des antennes à caractère isotrope, c'est-à-dire avec une symétrie de révolution dans le diagramme de rayonnement, sont nécessaires. C'est notamment le cas pour des applications dans lesquelles sont utilisés des produits portatifs qui n'ont à p riori pas de position fixe privilégiée et qui doivent communiquer via un lien sans fil UWB avec un point d'accès. Sont ici concernés, par exemple les produits de type Video Lyra, les PC portables.. . C'est également le cas pour des applications point à poin t fixe pour lesquelles on veut assurer une liaison en permanence afin d'assurer un certain niveau de qualité de service (QoS). En effet, un mouvement de personne(s) peut couper le faisceau entre deux antennes très directives et il est préférable d'utiliser des antennes omnidirectionnelles à l'émission et/ou à la réception. Est ici concerné, par exemple, un serveur video communiquant avec un récepteur de télévision Haute Définition. Une des antennes omnidirectionnelles les plus connues est le dipôle. Ainsi que représenté sur la figure 1, il comprend deux bras 101 et 102 identiques de longueur X/4 placés en vis-à-vis et alimentés en différentiel par un générateur 103. Ce type d'élément rayonnant a été beaucoup étudié et utilisé depuis les débuts de l'électromagnétisme, principalement pour sa simplicité de mise en oeuvre mais surtout pour la simplicité des expressions mathématiques régissant son mécanisme électromagnétique. On trouve dans le chapitre 5 de Antennas de J.D. Kraus, Second Edition, Mac Graw Hi Il, 1988, les expressions mathématiques expliquant le mécanisme de ce genre d'éléments rayonnants. En particulier, le champ rayonné à grande distance est maximal dans le plan médiateur du dipôle (plan xOz dans la Figure 1), et son impédance théorique est aux alentours de 75Q. A l'origine en technologie filaire, il a été utilisé pour diverses applications comme les radio amateurs, la réception UHF et même plus récemment dans les réseaux sans fil de type WLAN. Depuis l'avènement des circuits imprimés, sa réal isation s'est encore trouvé simplifiée, l'antenne faisant maintenant partie à part entière du circuit. Le problème lié à ce type d'élément rayonnant est d'une part sa faible largeur de bande et d'autre part son alimentation, qui vient généralement perturber la symétrie de la structure. Cela entraîne une disymétrisation des champs proches et se traduit par une dégradation du diagramme en champ lointain. Celui-ci n'est par conséquent plus aussi omnidirectionnel. Des structures à large bande basées sur I'ass ociation de deux cercles conducteurs alimentés de façon différentielle sont déjà connues. Le brevet US 6,642,903 donne une description d'une telle structure. Une structure complexe est proposée pour l'alimentation des cercles conducteurs afin de permettre à l'élément rayonnant de présenter un diagramme de rayonnement isotrope. La présente invention propose une antenne large bande et à rayonnement omnidirectionnel ayant une alimentation intégrée simple ne perturbant pas le diagramme de rayonnement. De plus, cette antenne permet une communication sans fil en régime impulsionnel. La présente invention concerne une antenne large bande et à 30 rayonnement omnidirectionnel comprenant deux bras conducteurs placés sur un substrat, caractérisé en ce qu'un des deux bras, dit second bras, est alimenté par une ligne blindée à l'aide de l'autre bras, dit premier bras. En effet, le premier bras étant réalisé en matériau conducteur, il permet, en ayant une structure adaptée de réaliser un blindage d'une ligne d'alimentation. Le blindage réalise une isolation électromagnétique des lignes de champs générés par la ligne. Ainsi le rayonnement de l'antenne n'est pas perturbé par l'alimentation. Dans un mode de réalisation, les deux bras sont placés sur un substrat présentant deux faces, au moins le premier bras comprenant deux éléments conducteurs de même géométrie placés face à face sur les deux faces du substrat, le second bras est alimenté par une ligne placée dans le substrat sous le premier bras. En effet, la ligne passant ent re les deux éléments conducteurs est ainsi cachée vis-à-vis de l'antenne. On évite ainsi tout courant parasite induit sur les bras. Cela se traduit par une symétrie au niveau des champs proches et lointains et donc par des diagrammes omnidirectionnels dans le plan médiateur passant entre les bras. Selon une réalisation de l'invention, les deux éléments conducteurs sont reliés par des trous pratiqués au travers du substrat et remplis de matériau 20 conducteur. Cette caractéristique permet d'éviter les fuite s générées par la ligne d'alimentation sous forme d'onde de surface dans le substrat. Selon une réalisation de l'invention, les trous sont pratiqués à la périphérie des éléments conducteurs. Cette caractéristique permet d'assurer le fait d'avoir un même potentiel sur les deux parties des éléments conducteurs qui se font face. Dans un mode de réalisation, le second bras comprenant deux éléments conducteurs de même géométrie placés face à face sur les deux faces du substrat. La fabrication d'un tel second bra s est faite de manière simultanée à la fabrication du premier bras et procure une structure symétrique par rapport au plan médiateur à l'antenne. Bien entendu, des trous conducteurs, notamment en périphérie des éléments conducteurs peuvent également être p ratiqués sur le second bras. Dans un mode de réalisation, au moins un des bras inclut un élément 5 conducteur circulaire. Les éléments conducteurs circulaires sont connus dans l'art antérieur pour permettre de réaliser des antennes large bande. D'autres géo métries, notamment elliptique, peuvent être utilisées ainsi que représenté sur la figure 9. Dans un mode de réalisation avantageux, un circuit est intégré sous au moins un bras. 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 ci annexés dans lesquels: Fig. 1 est un schéma conceptuel d'un dipôle. Fig. 2 est une vue en perspective d'une antenne selon un mode de réalisation de la présente invention. Fig. 3 présente une courbe donnant le coefficient de réflexion en fonction de la fréquence du signal alimentant l'antenne présentée sur la figure 2. Fig. 4a à Fig. 4i représentent les diagrammes de rayonnement en 3D 20 de l'antenne de la figure 3. Fig.5 présentent deux courbes donnant l'efficacité de l'antenne représentée à la figure 2. Fig. 6 est une vue de dessus schématique d'une antenne selon un mode de réalisation avantageux de l'invention. Fig. 7 présente une coupe selon le plan (xz) passant par le centre de l'élément conducteur 202 de l'antenne représentée sur la figure 2. Fig. 8 présente une coupe selon l'équivalent du plan (xz) passant par le centre d'un élément conducteur d'une antenne selon une variante de l'invention. Fig. 9 donne des variantes de géométries pour une antenne selon l'invention. On décrira tout d'abord avec référence aux figures 2 à 5, un mode de réalisation d'une antenne large bande à rayonnement omnidirectionnel conforme à la présente invention. Comme représenté sur la figure 2, l'antenne comprend deux bras 202 et 203 qui constituent un dipôle. Ces bras, respectivement 202 et 203, incluent chacun deux éléments conducteurs circulaires, respectivement 204 et 205 et 208 et 209. Les éléments conduct eurs circulaires sont placés face à face par paire sur un substrat 201. Par exemple, ils peuvent être gravés, déposés, collés, imprimés sur le substrat 201. Les éléments conducteurs sont réalisés avec des matériaux métalliques. Ils peuvent être par exemple en cuivre. On peut aussi 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. Le substrat 201 peut être réalisé en divers matériaux flexibles ou rigides. Par exemple, il peut être constitué par une plaque de circuit imprimé flexible ou rigide ou par tout autre matériau diélectrique: une plaque de verre, une plaque de plastique.... Une antenne plate et ayant des propriétés mécaniques avantageuses es t donc aisément réalisée selon l'invention. Selon le mode de réalisation de la figure 2, les éléments conducteurs sont reliés par des trous métallisés, par exemple 207 et 210. L'alimentation du dipôle est réalisée par un premier contact 211 au niveau du premier bras 202 et par un second contact 212 au niveau du second bras 203. Le second contact 212 est relié à un générateur à l'aide d'une ligne 206 enterrée passant sous le premier bras 202. Le générateur appartient généralement à un circuit RF duquel est a menée l'énergie vers l'antenne. La ligne 206 est donc une ligne triplaque. Cela permet de cacher cette ligne vis -à-vis de l'antenne. Cela permet également d'éviter tout courant parasite induit sur les bras. Le fonctionnement de l'antenne n'est donc pas per turbé par l'alimentation. Cela se traduit par une symétrie au niveau des champs proches et lointains et donc par des diagrammes de rayonnement omnidirectionnels dans le plan médiateur. L'alimentation qui, dans l'art antérieur, vient casser la symétrie de révolution des diagrammes de rayonnement, est ainsi rendue symétrique selon l'invention. La figure 7 présente une coupe selon le plan (xz) passant par le centre de l'élément conducteur 202 de l'antenne représentée sur la figure 2. On voit que l'ensemble des éléments conducteurs 204, 205 et des trous métallisés 207 schématiquement représentés, représentant un premier conducteur, et de la ligne d'alimentation 206, représentant un second conducteur, forme une ligne triplaque. Les lignes de champ électrique en tre les deux conducteurs sont représentées par des flèches sur cette figure. Le milieu diélectrique dans lequel se propagent ces champs électriques est homogène. La ligne triplaque est une ligne de transmission propageant un mode dit TEM (Transverse Electr ique Magnétique) pour lequel les champs électriques et magnétiques n'ont qu'une composante transversale (i.e dans le plan de coupe). La ligne est donc blindée car les ondes électriques et magnétiques sont guidées et ne rayonnent pas. Elles ne perturbent donc pas le diagramme de rayonnement. Pour simuler les résultats obtenus, une antenne telle que représentée à la figure 2, a été réalisée en utilisant deux bras chacun comprenant deux éléments conducteurs circulaires de diamètre 19.5mm gravés face à face sur les deux faces d'un substrat de type FR4 de permittivité relative Er=4.4 et de hauteur h=1 mm. Ces bras sont séparés d'une distance d=1 mm. Les éléments conducteurs face à face sont reliés deux à deux par des trous métallisés. La largeur de la ligne 206 est de 0.4mm. Cette ligne passe à l'intérieur du premier bras et se termine par un via métallisé qui la relie au second bras. Cette structure a été simulée à l'aide des logiciels électromagnétiques HFSS (Ansoft) et IE3D (Zeland). Les résultats de la simul ation sont donnés sur les figures 3 à 5. Ainsi que représenté sur la courbe 301 sur la figure 3, on obtient une adaptation directe sur une impédance de 50 52. Cette impédance est plus faible que pour la courbe 302 réalisée pour un dipôle incluant deux bras c hacun comprenant un élément conducteur sur une seule face du substrat. Cette diminution d'impédance provient d'une mise en parallèle des impédances provoquée par l'épaississement des métallisations. Ainsi que démontré par la courbe 301 sur la figure 3, cette propriété permet d'obtenir une antenne ayant une adaptation inférieure à -10dB sur une très large bande puisque la bande 2.65-12GHz est couverte. La plus grande dimension de l'antenne fait donc (19.5*2+1)=40mm, soit 0. 35X à 2.65GHz. Un des avantages de l'antenne selon l'invention, observé sur la courbe 301, est donc que la fréquence basse est plus faible que pour un dipôle incluant deux bras chacun comprenant un élément conducteur sur une seule face du substrat pour une adaptation de 75 Q. On arrive à un décalage en fréquence de -8.6% (passage de 2.9GHz à 2.65GHz). Un autre avantage concerne l'adaptation directe à 50 SI puisque aucun transformateur d'impédance de 75 S2 vers 50n n'est nécessaire entre l'antenne et les circuits d'alimentation RF. Les pertes en lignes sont donc limitées. Cela est d'autant plus avantageux que ce genre de transformateur est délicat à réaliser sur une telle largeur de bande sans engendrer des distorsions en fréquence. Sur la figure 4 sont représentés les diagrammes de rayonnement à différentes fréquences 2,65 GHz (4a), 3 GHz(4b), 4 GHz(4c), 5 GHz(4d), 6 GHz(4e), 7 GHz(4f), 8 GHz(4g), 9 GHz(4h), 10 GHz(4i). On vérifie le caractère omnidirectionnel de ces diagrammes sur une très large bande de fréquence. Pour les fréquences hautes de la bande (f>9GHz), une ondulation du diagramme dans le plan azimuthal d'environ 8dB est observée. Cette ondulation va dégrader très légèrement la forme du signal émis, uniquement les composantes à hautes fréquences (variations rapides du signal) qui ne ser ont pas émises de façon isotrope dans le plan azimuthal. Pour compenser cette ondulation, il suffit de redimensionner l'ensemble de la structure un peu plus haut en fréquence en réduisant ces dimensions par un facteur 3.1 GHz / 2.65GHz = 1.17. L'ondulation qui apparaît à 9GHz apparaîtra alors à 1.17*9 = 10.5GHz, soit quasiment en dehors de la bande utile. La table ci-dessous montre que la valeur du gain est quasiment 30 constante sur toute la bande de fréquence. Fréquence (GHz) Gain (dBi) 2.65 2.3 3 2.2 4 2.5 2.9 6 3.7 7 3.7 8 2.5 9 2. 7 2.6 11 2.8 Sur la figure 5, sont représentés l'efficacité de rayonnement 502 du dipôle et l'efficacité globale 501 de l'antenne. Cette efficacité est supérieure à 91% sur toute la bande 3.1 -10.6GHz. Ce point est particulièrement intéressant pour la technologie UWB où il s'agit de transmettre des puissances minimes sans utiliser d'étage d'amplification. L'invention répond particulièrement bien aux contraintes temporelles imposées par les systèmes impulsionnels gr âce à sa forme géométrique et à son système d'alimentation intégré. De plus, cette antenne est adaptée à une impédance de 5052 qui est le standard d'impédance pour les circuits radio - fréquence. On décrira maintenant avec référence à la figure 6, un autre mo de de réalisation avantageux de la présente invention. Sur cette figure est représentée un dipôle ayant des bras non symétriques par rapport au plan azimutal. En effet, selon l'invention, les deux bras peuvent avoir des formes différentes. En particulier, selon la figure 6, le premier bras 602 sous lequel passe la ligne d'alimentation 606 du second bras 603 est plus grand et sert de plan de masse pour un ou plusieurs circuit(s) 611 situés derrière l'antenne. De tels circuits 611 peuvent par exemple être un circuit RF et/ou un circuit numérique. Comme représenté par les résultats de simulation, une antenne selon l'invention présentent les avantages suivants: É Caractère omnidirectionnel du diagramme de rayonnement dans un plan azimutal sur une large bande de f réquence. É Bon niveau d'adaptation sur une large bande de fréquence. É Facilité d'intégration de ce type d'antenne à des produits grands publics grâce à un profil plat. É Intégration du circuit radio -fréquence sur la même carte que l'antenne (technologie imprim ée). É Solution bas-coût car en technologie imprimée sur un substrat bas - coût quelconque. É Structure de petites dimensions: la plus grande dimension fait 0.35, à la fréquence la plus basse. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et l'homme du métier reconnaîtra l'existence de diverses variantes de réalisation comme par exemple la réalisation d'une ligne blindée réalisée à l'aide d'un câble coaxial solidaire du premier bras. Dans ce cas, le câble coaxial est par exemple soudé à un élément conducteur placé sur une face d'un substrat. Un tel élément conducteur est par exemple similaire à celui 204 représenté sur la figure 2. Avantageusement, ainsi que représenté sur la figure 8, le câble coaxial 813 est soudé le long du diamètre perpendic ulaire au plan (xz) azimutal et appartenant à l'élément conducteur 804. En outre, comme représenté sur la figure 9, les éléments conducteurs 20 peuvent être non seulement circulaires (comme sur la figure 2), mais également de forme elliptique de grand axe ve rtical ou horizontal. REVENDICATIONS 1 Antenne large bande et à rayonnement omnidirectionnel comprenant deux bras conducteurs (202,203) placés sur un substrat (201), caractérisé en ce qu'un des deux bras, dit second bras (203), est alimenté par une ligne (206) blindée à l'aide de l'autre bras, dit premier bras (202). 2 Antenne selon la revendication 1, dans laquelle les deux bras (202, 203) étant placés sur un substrat (201) présentant deux faces, au moins le premier bras (202) comprend deux éléments conducteurs (204,205) de même géométrie placés face à face sur les deux faces du substrat (201) et le second bras (203) est alimenté par une ligne (206) placée dans le substrat (201) sous le premier bras (202). 3 Antenne selon la revendication 2, carac térisée en ce que les deux éléments conducteurs (204,205) sont reliés par des trous (207) pratiqués au travers du substrat (201) et remplis de matériau conducteur. 4 Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que les trous (207) sont pratiqués à la périphérie des éléments conducteurs (204,205). Antenne selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que le second bras (203) comprend deux éléments conducteurs (208, 209) de même géométrie placés face à face sur les deux faces du substrat (201). 6 Antenne selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce qu'un circuit (611) est intégré sous au moins un bras (602). 7 Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'au moin s un des bras (202,203) inclut un élément conducteur circulaire.