Brevet FR2866987A1 — publié le 20050902

La présente invention concerne une antenne planaire multibandes, plus particulièrement une antenne planaire multibandes adaptée aux réseaux sans fils fonctionnant avec des bandes de fréquences distinctes. Dans le cadre du déploiement des réseaux sans fils, la conception des antennes est confrontée à un problème particulier du à la manière dont les différentes fréquences sont allouées à ces réseaux. Ainsi, dans le cas des réseaux domestiques sans fils suivant les standards IEEE802.11b et IEEE802.11a, une bande de fréquences à 2.4 GHz et deux bandes de fréquences disjointes autour de 5 GHz ont été allouées pour le déploiement des réseaux sans fils selon ces standards. Dans ce cas, le spectre à couvrir est donc composé de trois sous-bandes disjointes. Le même phénomène se rencontre pour des antennes devant fonctionner sur deux bandes de fréquences disjointes telles que les antennes GSM, GPRS, UMTS, etc. D'autre part, il existe actuellement plusieurs standards pour les réseaux sans fils et les produits actuellement utilisés dans ces réseaux suivent l'un ou l'autre de ces standards. De ce fait, il est nécessaire d'avoir des antennes susceptibles de fonctionner sur des bandes de fréquences disjointes. Pour remédier à ce type de problème, la solution la plus évidente consiste à utiliser une antenne à large bande qui couvre en même temps l'ensemble des bandes de fréquences requises. II apparaît cependant que l'utilisation d'une antenne large bande n'est pas souhaitable pour une telle couverture. En effet, dans ce cas, la bande couverte est très grande par rapport à la bande nécessaire, ce qui présente divers inconvénients. Ainsi, l'utilisation d'une antenne à large bande peut favoriser la dégradation des performances du récepteur en raison de la présence de brouilleurs fonctionnant dans la bande couverte par l'antenne et, notamment, la bande non-allouée en son application. De plus, elle nécessite des contraintes de filtrage plus sévères au niveau de l'émetteur afin de respecter les masques de puissance d'émission hors- bandes. Cela entraîne en général un coût élevé pour la conception de l'antenne et de l'équipement la faisant fonctionner. Une autre solution consiste à utiliser une antenne fonctionnant sur une bande de fréquences plus faible mais capable d'agilité de fréquences afin de commuter sur l'une ou l'autre des bandes. Dans ce cas, il est nécessaire d'utiliser un ou plusieurs éléments actifs pour modifier la fréquence de fonctionnement de l'antenne résonante. Toutefois, une telle structure est plus complexe et donc plus chère. D'autre part, ce type io d'antennes ne permet pas de couvrir des bandes de fréquences éloignées. La présente invention propose une solution passive permettant d'assurer une couverture multi-standards tout en évitant l'utilisation d'une antenne large bande. La présente invention concerne une antenne planaire mufti- bandes constituée d'au moins un résonateur formé d'un élément ayant une forme fermée réalisé sur un substrat et dimensionné pour fonctionner sur son mode fondamental à la fréquence de résonance de la bande la plus basse, le résonateur étant alimenté par une ligne d'alimentation de manière à fonctionner sur tous les modes supérieurs. Le résonateur comporte, conformément à la présente invention, des moyens pour modifier les fréquences de résonance des différents modes de manière à couvrir les bandes concernées. Selon un mode de réalisation préférentiel, les moyens pour modifier les fréquences de résonance des différents modes sont constitués par des excroissances positionnées dans des zones de court-circuit du résonateur au mode de fonctionnement choisi. Dans ce cas, la modification de la fréquence de résonance du mode choisi est obtenue en ajustant la surface des excroissances. De préférence, la relation entre la fréquence de résonance d'un 30 mode et la surface des excroissances est du type: f; = a;k*Sk + b;k où i représente le mode, k représente l'excroissance sur laquelle on joue, Sk représente la surface de l'excroissance associée et (a;k, b;k) représentent les coefficients de la courbe obtenue pour chaque mode et pour chaque configuration. De préférence, les excroissances sont de forme polygonale ou cylindrique et sont prévues sur le profil intérieur du résonateur, sur le profil extérieur du résonateur ou des deux côtés. D'autre part, le résonateur est constitué par une fente de forme fermée gravée dans un substrat imprimé tel qu'une fente annulaire ou une io fente de forme polygonale. Selon un autre mode de réalisation, le résonateur est constitué par un anneau en technologie microruban réalisé sur un substrat. Selon une autre caractéristique de la présente invention, la ligne d'alimentation est réalisée en technologie microruban ou en technologie coplanaire, la ligne se terminant par un court-circuit après la transition ligne d'alimentation I résonateur. De préférence, le court-circuit est prévu à une distance Xm/16 de la transition avec Xm la longueur d'onde guidée dans la ligne d'alimentation. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, la ligne d'alimentation est constituée par un câble coaxial dont l'âme centrale est connectée à l'intérieur du résonateur et la masse à l'extérieur du résonateur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description faite ci-après de différents modes de réalisation, cette description étant faite avec référence aux dessins ci- annexés, dans lesquels: Fig. 1 est une vue schématique d'une antenne de type fente annulaire alimentée par une ligne microruban à laquelle peut s'appliquer la présente invention, Fig. 2 représente la courbe d'adaptation en fonction de la 30 fréquence pour l'antenne de la figure 1, Fig. 3 est une vue schématique représentant la répartition des champs dans l'antenne de la figure 1 pour le mode fondamental, le premier mode supérieur et le deuxième mode supérieur, Fig. 4 est une vue schématique en plan de dessus d'une fente annulaire avec deux excroissances conformément à la présente invention, Fig. 5 représente une courbe donnant la fréquence de résonance du mode fondamental en fonction de la surface des excroissances dans le cas d'une configuration selon la figure 4, Fig. 6 représente schématiquement une fente annulaire avec io quatre excroissances conformément à la présente invention, Fig. 7 représente une courbe donnant la fréquence de résonance en fonction de la surface des excroissances dans le cas de la configuration selon la figure 6, Fig. 8 représente schématiquement une fente annulaire avec six 15 excroissances conformément à la présente invention, Fig. 9 représente une courbe donnant la fréquence de résonance en fonction de la surface des excroissances dans le cas de la configuration selon la figure 8, Fig. 10 représente une vue en plan de dessus schématique d'une fente annulaire avec des excroissances conformément à la présente invention permettant un fonctionnement dans trois bandes de fréquences, Fig. 11 est une courbe donnant l'adaptation, à savoir le coefficient S11 en fonction de la fréquence pour la structure représentée à la figure 10, Fig. 12 représente des courbes donnant un pourcentage d'efficacité en fonction de la fréquence pour l'antenne représentée à la figure 10, Fig. 13 représente les diagrammes de rayonnement de l'antenne selon la figure 10, respectivement à 2.6 GHz, 5.2 GHz et 5.9 GHz, Fig. 14a, 14b et 14c représentent schématiquement différentes formes pour les excroissances, Fig. 15a, 15b représentent différentes positions pour les excroissances, conformément à la présente invention, Fig. 16 est une vue en plan de dessus schématique d'un autre mode de réalisation de la présente invention, Fig. 17 est une vue schématique en perspective d'un autre mode de réalisation de la présente invention. La présente invention sera décrite en se référant à une antenne du type fente annulaire permettant d'assurer une couverture des standards à 2.4 GHz et à 5GHz, à savoir, de couvrir les bandes de fréquences allouées io pour les standards Hyperlan2 et IEEE802.11a. Il est évident pour l'homme de l'art que la présente invention peut s'appliquer à d'autres types de standard et utiliser une antenne réalisée dans une technologie autre que la technologie fente telle que la technologie microruban. On décrira tout d'abord, avec référence aux figures 1 à 3, la structure et le fonctionnement d'une antenne planaire multibandes constituée par une fente annulaire alimentée par une ligne d'alimentation en technologie microruban, selon une transition ligne/fente. Comme représenté schématiquement sur la figure 1, l'antenne est constituée par une fente 1 réalisée par gravure d'un substrat métallisé sur ses deux faces. Dans le mode de réalisation représenté, la fente 1 forme un cercle de rayon moyen Rmo,, et de largeur Ws. Sur la face du substrat opposée à la face recevant la gravure est prévue une ligne d'alimentation 2 constituée par une ligne microruban. Cette ligne alimente la fente 1 en énergie par couplage électromagnétique. La ligne d'alimentation se prolonge au-delà de la transition ligne/fente sur une longueur Lm'. Lm' est choisie de préférence telle que Lm' = Xm/16 où Xm est la longueur d'onde sous la ligne microruban. D'autre part, l'extrémité de la ligne 2 se termine par un via formant court-circuit. De manière connue, le périmètre de la fente 1 est choisi tel que P = kXs où Xs est la longueur d'onde guidée dans la fente et k un entier positif. Dans le cas d'une structure de ce type, l'antenne résonne non seulement sur son mode fondamental mais aussi sur tous les modes supérieurs, comme montré sur la courbe de la figure 2 qui représente l'adaptation S11 en fonction de la fréquence. Cette courbe est le résultat d'une simulation faite sur une antenne fente annulaire présentant les caractéristiques suivantes: Rmoy = 15 mm, Ws = 0.4 mm, Wm = 0.47mm (largeur de la ligne d'alimentation), Lm = 8.5 mm (longueur de la ligne d'alimentation), Lm' = 2 mm (distance entre la transition et le via). Le substrat utilisé pour réaliser l'antenne du type fente annulaire est du Rogers 4003 présentant une permittivité relative Er = 3.38, une tangente de perte tan8 = io 0. 0022 et une épaisseur h = 0.81 mm. Dans ce cas, on obtient un fonctionnement à une fréquence fo = 2.8 GHz, f, = 5.2 GHz = 2fo et f2 = 7.4 GHz = 3fo. Sur la figure 3, on a représenté les répartitions de champs dans la fente de la figure 1 pour les fréquences f0 (mode fondamental), fi (premier 15 mode supérieur) et f2 (deuxième mode supérieur). Lorsque l'on examine les figures 3a, 3b et 3c, on s'aperçoit que pour le mode fondamental, on observe deux zones de court-circuit et deux zones de circuit ouvert. Pour le premier mode supérieur, on observe quatre zones de court-circuit et quatre zones de circuit ouvert et pour le second mode supérieur, on observe six zones de court-circuit et respectivement six zones de circuit ouvert. La présente invention consiste donc à modifier la fréquence de résonance de chacun des modes, indépendamment des autres, en ajoutant des excroissances dans des zones de court-circuit de la fente annulaire correspondant au mode choisi. De ce fait, il est possible d'ajuster, pour chacun des modes, la fréquence de résonance de sorte qu'elle se trouve sensiblement à la fréquence de résonance du standard choisi sous réserve que les différentes bandes de fréquence se trouvent approximativement à des multiples de la fréquence de résonance du standard le plus bas. On décrira maintenant avec référence aux figures 4 à 9, l'évolution des fréquences de résonance pour les trois premiers modes de fonctionnement d'une fente annulaire lorsque des excroissances sont ajoutées sur la fente. Sur la figure 4, on a représenté une fente annulaire 10 alimentée par une ligne d'alimentation 11 en technologie microruban, cette antenne de type fente annulaire étant de même type que celle de la figure 1, notamment en ce qui concerne l'alimentation. Dans le mode de réalisation de la figure 4, deux excroissances 12a, 12b ont été positionnées dans une zone de court-circuit pour le mode fondamental f0. Chaque excroissance est, dans le présent cas, constituée par un rectangle de dimension Wn X Ln et présente io une surface SO, l'excroissance étant réalisée par gravure du substrat imprimé, sur le profil interne de la fente. Sur la figure 5, on a représenté l'évolution de la fréquence de résonance du mode fondamental f0, du premier mode supérieur f1 et du second mode supérieur f2, en fonction des variations de la surface de l'excroissance SO, dans le cas de la configuration à deux excroissances de la figure 4. Les valeurs ont été obtenues dans le cas d'une antenne constituée d'une fente annulaire présentant un rayon moyen Rmoy = 15 mm, une largeur Ws = 0.4 mm, cette fente étant alimentée par une ligne d'alimentation 11 ayant une largeur Wm = 0.47 mm, une longueur Lm = 8.5 mm et une longueur Lm' = 2 mm. Les courbes représentées sur la figure 5 sont du type droite affine et répondent à l'équation fi = Sk + b;k où iE à (0;1;2) et représente le mode, k E à (0;1;2) et représente l'excroissance sur laquelle on joue avec Sk la surface de l'excroissance associée et le couple (a;k, b;k) représentent les coefficients de la courbe. Comme représenté sur les figures 6 et 7, la même étude a été réalisée dans le cas d'une fente annulaire 10 alimentée par une ligne microruban 11 de manière identique à ce qui a été décrit en relation avec la figure 1, cette fente étant munie de quatre excroissances 13a, 13b, 13c, 13d réalisées sur le profil interne de la fente et positionnées dans une zone de court-circuit pour le premier mode supérieur f1, chaque excroissance ayant une surface Si. Dans ce cas, la fréquence de résonance des différents modes fondamentaux, mode fondamental f0, premier mode supérieur f1 et second mode supérieur f2 en fonction de la surface de l'excroissance S1, est donnée sur la figure 7. De manière identique, comme représenté sur les figures 8 et 9, on a étudié une fente annulaire 10 alimentée par une ligne d'alimentation en technologie microruban 11 et munie dans ce cas de six excroissances 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f réalisées sur le profil interne de la fente et positionnées dans les zones de court-circuit correspondant au second mode io supérieur f2. Dans ce cas, la figure 9 représente la fréquence de résonance des différents modes, mode fondamental f0, premier mode supérieur f1 et second mode supérieur f2, en fonction de la surface de la perturbation S2 correspondant à une configuration à six excroissances. Les coefficients (ail, b;k) des courbes pour chacun des modes et pour chaque configuration sont donnés dans le tableau 1 ci-après: TABLEAU 1 2 encoches a b 4 encoches a b 6 encoches a b f0 -0.0190 2.5703 f0 -0. 0290 2.8867 f0 -0.0369 2.8810 f1 0.0073 5.1094 f1 -0.1254 5.5138 f1 -0. 1054 5.5905 f2 -0.0558 7.2160 f2 -0.1094 8.2171 f2 -0.2609 8.0276 Basé sur les éléments ci-dessus, si l'on suppose connues les fréquences de fonctionnement sur les trois modes, par exemple, f0 = 2.4GHz, f1 = 5. 25GHz et f2 = 5.8GHz pour un fonctionnement sur les bandes IEEE 802.11b à 2.4 GHz et IEEE 802.11a dans la bande 5-6 GHz, il est possible de regrouper tous les coefficients ci-dessus pour obtenir un système linéaire de trois équations à trois inconnues, dans lequel les inconnues sont les excroissances S , si et S2. Tout d'abord, on peut écrire pour chaque mode (1=0, 1 et 2) l'égalité suivante: f=a *S +b; =a; *S'+b;=a?*S2 +b? En additionnant 3 fois la même expression, on obtient pour chaque mode (i=0, 1 et 2) l'expression suivante 3*f - (bo+bi +b2) = ao*So+ar *Si+a2 *S2 qui est facilement manipulable sous la forme matricielle: F=A*S (3* fo (1'00 +b' +b21 lao a' a2\ /So' 0 0 0 0 avecF= 3* f (b +b; +b,A= a ai ai etS= S' 3*ÎZ (b2+b?+b2 a a2a2 S2 La théorie de l'algèbre montre que ce type de système a une solution unique si et seulement si le nombre d'équations est égal au nombre lo d'inconnues (ce qui est le cas: on a trois équations à trois inconnues) et si et seulement si le déterminant de la matrice A est non nul, ce qui est également le cas avec les valeurs présentées dans le Tableau 1. Comme expliqué ci-dessus, il est donc possible d'ajuster les fréquences de résonance en combinant les différentes configurations des figures 4,6 et 8 pour obtenir les fréquences de résonance voulues. On décrira maintenant avec référence aux figures 10, 11, 12 et 13, un mode de réalisation particulier d'une antenne du type fente annulaire conforme à la présente invention, permettant un fonctionnement efficace pour les standards IEEE802.1 la et IEEE802.11b. La figure 10 représente donc une fente annulaire 20 alimentée par une ligne d'alimentation 21 de structure semblable à celle représentée à la figure 1. Cette fente annulaire a été obtenue en gravant un substrat Rogers 4003 de permittivité relative Er = 3.38, de tangente de perte tan8 = 0.0022, d'épaisseur h = 0.81 mm. La fente gravée 20 présente un rayon moyen Rmo = 13 mm et une largeur Ws = 0.4 mm. Sur la surface du substrat opposée à la surface recevant la fente, est réalisée une ligne d'alimentation 21 en technologie microruban présentant une largeur Wm = 0. 47 mm et des dimensions Lm = 8.5 mm et Lm' entre la transition lignefente et le via 24 = Xm/16 = 2 mm. i0 Comme représenté sur la figure 10, la fente 20 est munie sur son profil interne, de deux excroissances 22a, 22b dans les zones de court-circuit du mode fondamental f0, ces excroissances 22a et 22b étant de forme rectangulaire et présentant une longueur Ln0 = 6.5 mm et une larguer Wn0 = 3 mm. D'autre part, quatre excroissances sont réalisées dans des zones de court-circuit pour le second mode supérieur F2. Ces excroissances 23a, 23b, 23c et 23d sont de forme rectangulaire et présentent une longueur Ln2 = 3.4 mm et une largeur Wn2 = 1.6 mm. Cette antenne de type fente annulaire a été simulée en utilisant le lo logiciel de simulation IE3D de Zeland. Les simulations ont donné comme courbe d'adaptation S11 en dB en fonction de la fréquence, celle représentée sur la figure 11. Cette courbe d'adaptation montre l'existence de trois pics d'adaptation aux fréquences 2.4GHz, 5.2GHz et 5. 8GHz qui sont très proches des fréquences de résonance des standards visés. La courbe d'adaptation représentée à la figure Il est corroborée par la courbe d'efficacité de la structure représentée à la figure 12. La figure 12 donne deux courbes d'efficacité, à savoir l'efficacité de l'antenne et l'efficacité du rayonnement, ces deux courbes présentant trois pics aux fréquences des trois pics d'adaptation. D'autre part, sur les figures 13a, 13b et 13c, on a représenté les différents diagrammes de rayonnement de la structure de la figure 10 à 2. 6 GHz pour la figure 13a, 5.2 GHz pour la figure 13b et 5.9 GHz pour la figure 13c. La différence dans la forme des diagrammes provient de la différence des modes excités, à savoir le mode fondamental, le premier mode supérieur et le second mode supérieur. Toutefois, la forme du rayonnement reste quasi-omnidirectionnelle. Sur les figures 14a, 14b et 14c, on a représenté différentes formes pour les excroissances. Les figures 14a, 14b et 14c correspondent aux cas de deux excroissances qui sont rectangulaires pour la figure 14a, semicylindriques pour la figure 14b et triangulaires pour la figure 14c. Dans 2866987 Il le cas de la présente invention, la surface de l'excroissance plutôt que sa forme a une importance pour l'ajustement de la fréquence. Sur les figures 15a et 15b, l'on a représenté différentes possibilités pour le positionnement des excroissances par rapport au profil de la fente annulaire. La figure 15a représente deux excroissances 30a, 30b placées sur le profil extérieur d'une fente annulaire 31 tandis que la figure 15b représente deux excroissances 40a, 40b de forme rectangulaire mais positionnées des deux côtés de la fente annulaire 41. Sur la figure 16, on a représenté un autre mode de réalisation io d'une antenne conforme à la présente invention. Dans ce cas, l'antenne comporte une première fente annulaire 50 munie de deux excroissances 51a, 51b sur le profil intérieur de la fente annulaire dans les zones de court-circuit correspondant à son mode fondamental. D'autre part, une seconde fente annulaire 60 concentrique à la première fente annulaire 50 est munie de quatre excroissances 61a, 61b, 61c, 61d prévues sur le profil externe de la fente 60 dans des zones de court-circuit correspondant au second mode supérieur. Dans le mode de réalisation de la figure 16, les excroissances 61a, 61b, 61c, 61d sont de forme semi-circulaires ou semi-cylindriques. Comme dans les autres modes de réalisation, les deux fentes annulaires 50 et 60 sont alimentées par l'intermédiaire d'une ligne d'alimentation 70 réalisée dans ce cas en technologie microruban. Cette réalisation permet d'élargir les bandes de fonctionnement. Sur la figure 17, on a représenté encore un autre mode de réalisation de la présente invention. Dans cette représentation en perspective schématique, la fente annulaire 80 est alimentée par un câble coaxial 90 dont l'âme interne 91 est connectée sur le substrat à l'intérieur de la fente annulaire tandis que la masse 92 du câble coaxial est connectée sur la métallisation externe de la fente annulaire 80. Il est évident pour l'homme de l'art que les modes de réalisation décrits ci-dessus ne sont donnés qu'à titre d'exemple et que d'autres modes de réalisation pourraient être utilisés dans le cadre de la présente invention. Notamment on peut imaginer des structures d'antennes du type fente annulaire où un nombre N quelconque de modes serait utilisé ainsi que des structures permettant la couverture d'un nombre M quelconque de sousbandes. D'autre part, dans le cadre de la présente invention, le résonateur utilisé pourrait être un résonateur de type anneau microruban à la place d'une fente annulaire gravée dans un substrat métallisé. REVENDICATIONS 1 Antenne planaire multibande constituée par au moins un résonateur formé d'un élément ayant une forme fermée réalisé sur un substrat et dimensionné pour fonctionner sur son mode fondamental à la fréquence de résonance de la bande la plus basse, le résonateur étant alimenté par une ligne d'alimentation de manière à fonctionner sur tous les modes supérieurs, caractérisée en ce que le résonateur comporte des moyens pour modifier les fréquences de résonance des différents modes de lo manière à couvrir les bandes concernées. 2 Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens pour modifier les fréquences de résonance des différents modes sont constitués par des excroissances positionnées dans des zones de courtcircuit du résonateur au mode de fonctionnement choisi. 3 Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que la modification de la fréquence de résonance du mode choisi est obtenue en ajustant la surface des excroissances. 4 Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que la relation entre la fréquence de résonance d'un mode et la surface des excroissances est du type fi = ak * Sk + bk où i représente le mode, k représente l'excroissance sur laquelle on joue, Sk représente la surface de l'excroissance associée et (ak,bk) les coefficients de la courbe obtenue pour chaque mode et pour chaque configuration. Antenne selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en 30 ce que les excroissances sont de forme polygonale ou cylindrique et sont prévues sur le profil intérieur du résonateur, sur le profil extérieur du résonateur ou des deux côtés. 6 Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le résonateur est constitué par une fente de forme fermée gravée sur un substrat imprimé telle qu'une fente annulaire ou une fente de forme polygonale. 7 Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, 10 caractérisée en ce que le résonateur est constitué par un anneau en technologie microruban réalisé sur un substrat. 8 Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la ligne d'alimentation est réalisée en technologie microruban ou en technologie coplanaire, la ligne se terminant par un court-circuit après la transition ligne d'alimentation/résonateur. 9 Antenne selon la revendication 8, caractérisée en ce que le courtcircuit est prévu à une distance Xm/16 de la transition avec Xm la 20 longueur d'onde guidée dans la ligne d'alimentation. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la ligne d'alimentation est constituée par un câble coaxial (90) dont l'âme centrale (91) est connectée à l'intérieur du résonateur et la masse (92) à l'extérieur du résonateur.