Brevet FR2859315A1 — publié le 20050304

La présente invention concerne une antenne fonctionnant dans plusieurs bandes de fréquences, plus particulièrement dans deux bandes de fréquences mais comportant un seul accès. Elle concerne notamment les antennes pour réseaux locaux sans fils connus comme réseaux WLAN (pour Wireless Local Area Networks) qui peuvent fonctionner sur deux modes correspondant à deux standards opérant à deux fréquences différentes. En fait, le développement des réseaux sans fils à large bande connaît un tel succès que plusieurs standards cohabitent. Parmi les différents standards, on peut citer les normes HYPERLAN ou IEEE802.11A qui fonctionnent dans des bandes de fréquences situées aux alentours de 5 GHz mais aussi les normes IEEE802.11B et IEEE802.11G qui fonctionnent dans des bandes de fréquences situées aux alentours de 2,4 GHz. Dans le domaine des dispositifs portables, il est intéressant de pouvoir disposer de produits à faible coût et à faible encombrement qui peuvent fonctionner sur l'une ou l'autre des fréquences avec des interfaces et des circuits de traitement du signal ayant le maximum de fonctionnalités communes aux deux fréquences. Ces produits doivent présenter un accès antenne commun aux deux fréquences. Dans ce cas, l'antenne utilisée peut être une antenne à très large bande de fréquence, incluant les fréquences 2,4 GHz et 5 GHz ou à double bande de fréquences, à savoir couvrant séparément deux bandes séparées à 2,4 GHz et à 5 GHz. Toutefois, un tel système qui permet de minimiser l'encombrement et surtout le coût de l'équipement, peut souffrir du bruit et des interférences provenant de la bande non-utilisée. En conséquence, la présente invention propose une antenne permettant de commuter d'une bande de fonctionnement à l'autre selon le mode de fonctionnement utilisé par l'équipement et de minimiser les effets du bruit et des interférences provenant de l'autre bande. Ainsi, l'invention concerne une antenne planaire multibandes comportant sur un substrat muni d'un plan de masse au moins une première fente dimensionnée pour fonctionner à une première fréquence et une deuxième fente dimensionnée pour fonctionner à une deuxième fréquence, les deux fentes étant excitées par une ligne d'alimentation commune et présentant une forme fermée. Selon l'invention, les fentes sont couplées à la ligne d'alimentation de telle sorte que le couplage avec la première fente est réalisé au niveau d'un plan électrique de la ligne d'alimentation d'un premier type et le couplage avec la seconde fente est réalisé au niveau d'un plan électrique de la ligne d'alimentation d'un second type, la ligne d'alimentation présentant à son extrémité libre un élément de contrôle comprenant deux io états permettant de modifier le type du plan électrique au point de couplage de la ligne avec les première et deuxième fentes positionnées par rapport à la ligne d'alimentation de sorte qu'une seule des fentes rayonne pour un état donné de l'élément de contrôle. De préférence, les premier et second types de plan électrique sont constitués par un plan de court-circuit ou un plan de circuit ouvert à la fréquence de fonctionnement de la fente. L'élément de contrôle est constitué par une diode, un transistor, un circuit de commutation ou MEMs (pour MicroElectroMechanical System) et la forme fermée est un cercle, un polygone ou une autre forme fermée dont le diamètre est tel que Pi = k'2, si où k' est une entier positif et ksi la longueur d'onde dans la fente i, avec i représentant le numéro de la fente. Ainsi, la présente invention concerne une antenne comportant, de préférence, des fentes annulaires qui fonctionnent sur leur mode fondamental autour d'une ligne d'alimentation excitatrice et qui sont susceptibles d'être couplées ou non à cette ligne. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description de différents modes de réalisation, cette description étant faite avec référence aux dessins ciannexés dans lesquels: Figure 1 est une vue de dessus schématique d'un premier mode de réalisation d'une antenne conforme à la présente invention. Figure 2a et Figure 2b sont des schémas expliquant le fonctionnement de l'antenne de figure 1. Figure 3a et Figure 3b sont des schémas expliquant le fonctionnement d'une antenne conforme à la présente invention, selon un 5 autre mode de réalisation, et Les figures 4 à 6 sont des vues schématiques d'autres modes de réalisation. Dans les figures, les mêmes éléments portent les mêmes références. io On décrira tout d'abord, avec référence aux figures 1 et 2, un premier mode de réalisation d'une antenne conforme à la présente invention. Comme représenté sur la figure 1, sur un substrat non-représenté muni d'un plan de masse, l'antenne conforme à la présente invention comporte une première fente 1 constituée par une fente annulaire obtenue en gravant le plan de masse et une seconde fente annulaire 2 obtenue de manière identique à la première fente 1. Conformément à la présente invention, les deux fentes annulaires 1 et 2 présentent un périmètre P1, P2 tel qu'elles fonctionnent chacune sur leur mode fondamental. De manière plus particulière, la fente annulaire 1 présente un périmètre P1 = Xsl où Xsl est la longueur d'onde dans la fente 1 et la fente annulaire 2 présente un périmètre P2 = ? s2 où ? s2 est la longueur d'onde dans la fente 2. Les deux fentes sont, de fait, dimensionnées pour fonctionner l'une à 2,4 GHz et l'autre à 5 GHz. Conformément à la présente invention et comme représenté sur la figure 1, les deux fentes annulaires 1 et 2 sont excitées par l'intermédiaire d'une seule ligne d'alimentation 3 qui, dans le mode de réalisation représenté, est tangentielle à chacune des fentes annulaires 1 et 2 et réalise l'excitation de l'une ou l'autre des fentes par couplage électromagnétique. D'autre part, comme représenté sur la figure 1, à l'extrémité 1 ibre de la ligne d'alimentation 3 est prévu un élément de contrôle permettant d'obtenir au bout de la ligne d'alimentation 3, un circuit ouvert ou un court-circuit. Dans le mode de réalisation de la figure 1, cet élément de contrôle est constitué par une diode PIN4 dont une des extrémités est connectée à la ligne d'alimentation et l'autre extrémité au plan de masse par l'intermédiaire, par exemple, d'un trou métallisé, via ou autre moyen permettant de ramener la masse à cette extrémité. Cette diode est contrôlée pour être soit dans l'état passant ou dans l'état bloqué, comme cela sera expliqué plus en détail ci-après. Pour obtenir un fonctionnement en mode commuté de l'une ou io l'autre des deux fentes annulaires 1 ou 2, les fentes annulaires 1 ou 2 sont positionnées le long de la ligne d'alimentation unique 3 de telle sorte que le couplage de la ligne 3 avec la première fente 1 est réalisé au niveau d'un plan électrique de la ligne d'alimentation 3 d'un premier type, à savoir un plan de court-circuit ou un plan de circuit ouvert et le couplage avec la seconde fente 2 est réalisé au niveau d'un plan électrique de la ligne d'alimentation 3 d'un second type, à savoir un plan de circuit ouvert ou un plan de court-circuit. Les plans de couplage sont symbolisés par T1 et T2 sur la figure 1. Ainsi, pour un état donné de la diode, par exemple une diode à l'état bloqué, si la condition de court-circuit au point de couplage est assurée pour une fente annulaire fonctionnant à la fréquence f1, une condition de non-court-circuit, plus particulièrement une condition de circuit ouvert, doit être assurée pour l'autre fente annulaire fonctionnant à la fréquence f2. Afin d'assurer un fonctionnement alternatif à l'une ou l'autre des fréquences pour le système d'antenne, ces conditions doivent s'inverser au point de couplage T2, T1 quand la diode change d'état, à savoir passe dans un état ouvert. Si l'on suppose que l'antenne fonctionne à la fréquence f2 quand la diode est à l'état bloqué et qu'elle fonctionne à la fréquence f1 quand la diode est à l'état passant, dans le mode de réalisation de la figure 1 dans lequel la fente 2 de plus petit diamètre est plus proche de la diode PIN 4 que la fente 1 de plus grand diamètre, on doit avoir les conditions nécessaires suivantes pour les dimensions 12 et I1 concernant la longueur de ligne entre la diode et le point de couplage: 12 = X2/4 + k2X2/2 Il = XI/2 + k1 2.1/2 avec l'indice 1 relatif à la fréquence f1 et l'indice 2 relatif à la fréquence f2 et la fréquence f1 étant inférieure à la fréquence f2, 2i étant la longueur d'onde guidée à la fréquence fi dans la ligne d'alimentation 3 et ki étant un entier positif ou nul. Selon une autre caractéristique de la présente invention, pour io éviter les interférences, quand la diode 4 est à l'état bloqué, la distance 11 est telle que le plan électrique passant par le point de couplage T2 avec la fente 2 à la fréquence f2 n'est pas un plan de court-circuit. Différentes solutions peuvent être adoptées pour éviter les interférences si le plan électrique passant par le point de couplage T1 est un plan de court-circuit à la fréquence f2. Ainsi, on fait en sorte que la fente annulaire 1 ne possède pas un mode supérieur qui coïncide avec la fréquence f2. Pour obtenir ce résultat, les largeurs du tronçon de ligne entre la diode 4 et le point de couplage T2 ainsi que du tronçon de ligne entre les points de couplage T2 et Ti ou du tronçon de ligne entre le point de couplage et j ont des largeurs Wj qui sont adaptées, comme représenté par 3a, 3b, 3c sur la figure 1. De même, ce résultat peut être obtenu en modifiant la largeur Ws de la fente constituant la fente annulaire 1. Ainsi, en ajustant les largeurs de la ligne d'alimentation et des fentes annulaires à la fréquence i, on s'assure d'un fonctionnement de la fente i uniquement à la fréquence i et pas à la fréquence j. Pour qu'il y ait un couplage correct, il faut assurer non seulement les conditions de court-circuit sur la ligne, mais aussi ajuster les rapports d'impédance entre la ligne et la fente pour un fonctionnement correct à la fréquence de travail, ce qui revient à ajuster les largeurs de la ligne et de la fente annulaire. Selon une autre caractéristique de la présente invention, le tronçon de ligne 3c, entre le point de couplage Ti et la ligne d'adaptation j, est ajusté en longueur et en impédance caractéristique de telle manière qu'une bonne adaptation de l'antenne soit obtenue dans les deux états de fonctionnement bloqué ou passant de la diode et pour les deux fréquences de fonctionnement de l'antenne. Plusieurs tronçons de ligne ou toute autre technique d'adaptation peuvent être utilisés pour assurer les conditions d'adaptation d'impédance recherchées. Le fonctionnement de l'antenne représenté à la figure 1 est io symbolisé sur les figures 2a et 2b. Comme représenté sur la figure 2a, lorsque la diode 4 est dans son état bloqué, on obtient un plan de circuit ouvert au niveau de l'extrémité de la ligne d'alimentation 3. Dans ce cas, le point de couplage de l'antenne 2 fonctionnant à la fréquence f2 se trouve dans un plan de court-circuit lorsque les dimensions ont été choisies, comme mentionné ci-dessus, tandis que le plan de couplage de la fente circulaire 1 avec la ligne d'alimentation 3 se trouve dans un plan de circuit ouvert, cette configuration donnant un fonctionnement à 5 GHz. Pour un fonctionnement à 2,4 GHz, le point de couplage de la fente annulaire 2 ne se trouve dans aucun plan particulier tandis que le point de couplage de la fente annulaire 1 se trouve dans un plan de circuit ouvert. Ainsi, avec la diode 4 dans un état bloqué, la structure rayonne à 5 GHz. Comme représenté sur la figure 2b, dans le cas où la diode 4 est passante, l'extrémité de la ligne 3 se trouve dans un plan de court-circuit. De ce fait, le point de couplage de la fente 2 se trouve pour 5 GHz dans un plan de circuit ouvert tandis que le point de couplage de la fente 1 pour 5 GHz se trouve dans un plan de court-circuit. De même pour 2,4 GHz, le plan de couplage de la fente 2 n'est pas significatif tandis que le plan de couplage de la fente 1 se trouve dans un plan de court-circuit. Ainsi, quand la diode 4 est dans un état passant, l'ensemble fonctionne à 2,4 GHz. Comme représenté sur les figures 3a et 3b, on observe un fonctionnement similaire mais inversé lorsque la fente annulaire 1' de plus grand diamètre est positionnée tangentiellement à la ligne d'alimentation 3 près de la diode 4, tandis que la fente annulaire 2', de plus petit diamètre, est positionnée plus loin, les distances entre la diode 4 et le point de couplage des deux fentes annulaires étant calculées de la manière ci-après. Dans ce cas, 12, _ X2'12 + k212'12 Il, = X1'14 + k1 1'I2 io avec l'indice 1 relatif à la fréquence f1' de la fente 1' et l'indice 2 relatif à la fréquence f2' de la fente 2', Xi' étant la longueur d'onde guidée à la fréquence fi' dans la ligne d'alimentation 3 et ki étant un entier positif ou nul. Dans ce cas, lorsque la diode 4 est à l'état bloqué, l'extrémité de la ligne d'alimentation 3 se trouve dans un plan de circuit ouvert et le point de couplage de la fente 1', de plus grand diamètre, se trouve dans un plan de circuit ouvert pour 5 GHz, respectivement de court-circuit pour 2,4 GHz, tandis que le point de couplage de la fente 2' de plus petit diamètre, se trouve dans un plan de circuit ouvert pour les deux fréquences 5 GHz et 2,4 GHz. De ce fait, l'antenne assure un fonctionnement à 2,4 GHz. De même, lorsque la diode 4 est passante, l'extrémité de la ligne d'alimentation 3 est dans un plan de court-circuit et le point de couplage de la fente annulaire 2' de plus grand diamètre se trouve respectivement dans un plan de court-circuit pour 5 GHz et de circuit ouvert pour 2,4 GHz, tandis que le point de couplage de la fente 1' de petit diamètre se trouve dans un plan de court-circuit pour, respectivement, 5 GHz et 2,4 GHz. Dans ce cas, on assure donc un fonctionnement d'antenne à 5 GHz.. En résumé, pour la structure décrite aux figures 3a et 3b, 3o l'antenne assure un fonctionnement à 2.4GHz lorsque la diode est dans l'état bloqué, et un fonctionnement à 5GHz lorsque la diode est dans l'état passant. La présente invention a été décrite en se référant à des fentes s annulaires positionnées tangentiellement à la ligne d'alimentation 3 de chaque côté de cette ligne d'alimentation, de manière à réaliser un couplage électromagnétique. Toutefois, d'autres modes de couplage peuvent être utilisés, notamment comme représenté sur la figure 4. Dans ce cas, l'une des fentes annulaires peut être couplée tangentiellement à la ligne io d'alimentation 3, à savoir la fente 5 de plus petit diamètre tandis que la fente 6 est alimentée par un couplage électromagnétique selon la méthode Knorr, la ligne d'alimentation 3 dépassant le point de croisement et de couplage avec la fente 6 sur une distance lm = ccXmI4 où lm est la longueur d'onde guidée sous la fente et oc un entier positif nul, la ligne d'alimentation 3 se terminant par une diode 4, comme pour les modes de réalisation précédents. Selon une autre variante représentée à la figure 5, en tenant compte du rapport des diamètres des deux fentes annulaires, il est possible de placer la fente 5' de petit diamètre dans la fente 6'. Dans ce mode de réalisation, l'alimentation par la ligne 3 est une alimentation de type Knorr avec, par exemple, 16' = 16'12 et 15' = 15'14. Selon une variante du mode de réalisation de la figure 5 représentée sur la figure 6, les deux fentes 5", 6" sont placées l'une à l'intérieur de l'autre en étant cotangentes. Dans ce cas, les deux fentes sont alimentées tangentiellement au point de tangence T avec, par exemple, 15" = 15"I2 16" = 26"I4 où 15" et 16" représentent la longueur de ligne entre le point de couplage des fentes 5" et 6" avec la ligne d'alimentation et la diode 4. Les solutions des figures 5 et 6 donnent une antenne plus 30 compacte. D'autres variantes peuvent être utilisées au niveau des couplages. De même, la présente invention a été décrite en se référant à des fentes annulaires. Toutefois, des fentes présentant d'autres formes fermées peuvent être utilisées, telles que des fentes carrées, des fentes polygonales, ou toute autre forme fermée symétrique. Le moyen de contrôle de la commutation est représenté dans les figures par une diode. Toutefois on peut aussi utiliser d'autres moyens de commutation tels que les MEMs (pour Micro Electro Mechanical System), les transistors ou dispositifs similaires. La ligne d'alimentation 3 est, dans le mode de réalisation représenté, constituée par une ligne microruban mais d'autres types de lignes d'alimentation peuvent être utilisées, notamment des câbles coaxiaux. Il est aussi possible d'utiliser plusieurs fentes annulaires concentriques pour élargir la bande passante autour des deux fréquences de fonctionnement. io REVENDICATIONS 1 Antenne planaire multibandes comportant, sur un substrat muni d'un plan de masse, au moins une première fente (1,1',6,6',6") dimensionnée pour fonctionner à une première fréquence (fi) et une deuxième fente (2, 2',5,5',5") dimensionnée pour fonctionner à une deuxième fréquence (f2), les deux fentes étant excitées par une ligne d'alimentation (3,3',3") commune et ayant une forme fermée, caractérisée en ce que les fentes sont couplées à la ligne d'alimentation de telle sorte que le couplage io avec la première fente est réalisé au niveau d'un plan électrique (Ti) de la ligne d'alimentation d'un premier type et le couplage avec la seconde fente est réalisé au niveau d'un plan électrique (T2) de la ligne d'alimentation d'un second type, la ligne d'alimentation présentant à son extrémité libre un élément de contrôle (4) comprenant deux états permettant de modifier le type du plan électrique aux points de couplage de la ligne avec les première et deuxième fentes positionnées par rapport à la ligne d'alimentation de sorte qu'une seule des fentes rayonne pour un état donné de l'élément de contrôle. 2 Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les premier et second types de plan électrique sont constitués par un plan de courtcircuit ou un plan de circuit ouvert à la fréquence de fonctionnement de la fente. 3 Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'élément de contrôle est constitué par une diode, un transistor, un circuit de commutation ou MEMs (Micro Electro Mechanical System). 4 Antenne selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la courbe fermée est un cercle, un polygone ou une autre forme 2859315 Il fermée dont le diamètre est tel que Pi = k'? si où k' est une entier positif et Xsi la longueur d'onde dans la fente (i). Antenne selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que, lorsque la première fréquence f1 étant inférieure à la seconde fréquence f2, elle fonctionne à la seconde fréquence f2 quand l'élément de contrôle est dans l'état bloqué et à la première fréquence f1 quand l'élément de contrôle est dans l'état passant, les longueurs entre l'élément de contrôle et les points de couplage entre la ligne d'alimentation et les fentes sont io données par les équations suivantes: 12 = x,2/4 + k22 212 11=X112+k12112 ou 2) étant la longueur d'onde guidée à la fréquence fi dans la ligne d'alimentation et ki (i=1 ou 2) étant un entier positif ou nul. 6 Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que, lorsque la première fréquence f1 étant inférieure à la seconde fréquence f2, elle fonctionne à la première fréquence f1 quand l'élément de contrôle est dans l'état bloqué et à la seconde fréquence f2 quand l'élément de contrôle est dans l'état passant, les longueurs entre l'élément de contrôle et les points de couplage entre la ligne d'alimentation et les fentes sont données par les équations suivantes: I1 =2iI4+k121/2 12 = X2/2 + k222/2 Xi(i=1 ou 2) étant la longueur d'onde guidée à la fréquence fi dans la ligne d'alimentation et ki (i=1 ou 2) étant un entier positif ou nul. 7 Antenne selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en 30 ce que la largeur de la fente est choisie pour que les modes supérieurs de la fente fonctionnant à la fréquence la plus basse ne correspondent pas à la fréquence la plus haute. 8 Antenne selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la largeur des tronçons de la ligne d'alimentation entre l'élément de contrôle et la fente est choisie pour que les modes supérieurs de la fente fonctionnant à la fréquence la plus basse ne correspondent pas à la fréquence la plus haute.