Brevet FR2879355A1 — publié le 20060616

La présente invention concerne une antenne planaire portée par un substrat comportant une fente en forme de courbe fermée dimensionnée pour fonctionner à une fréquence donnée, alimentée par une ligne d'alimentation intersectant la fente en un point dit d'e xcitation. De telles antennes sont adaptées aux réseaux locaux sans fil. Classiquement, la fente, par exemple annulaire, est excitée par couplage électromagnétique à une ligne micro -ruban selon les règles de dimensionnement de KNORR. Avec une telle excitation, l'impédance dans le plan électrique correspondant au point d'excitation se situe typiquement entre 300 et 400 Ohms selon les paramètres du substrat et de la fente. Aussi, ce type d'alimentation nécessite un transformateur d'impédance permettant de ré duire l'impédance pour une adaptation sur 50 Ohms ou sur des valeurs plus courantes d'impédance. Cette transformation d'impédance, par exemple à base de quart d'onde, est encombrante, génère des pertes en ligne et entraîne une diminution de la bande passante. Par ailleurs, avec ce type d'excitation, la polarisation est linéaire et sa direction est imposée par le point d'excitation. Ainsi il est nécessaire de changer de point d'excitation pour modifier la direction de polarisation. La présente invention prop ose une antenne planaire permettant de faire varier l'impédance au point d'excitation et/ou de modifier la direction de polarisation. La présente invention concerne une antenne telle qu'au moins deux courts-circuits, en parallèle sur la fente, sont positio nnés par rapport au point 25 d'excitation de manière à adapter l'impédance au point d'excitation et/ou la polarisation de l'antenne. En effet, selon l'invention, on remarque que choisir la position relative de la ligne d'alimentation et de deux courts -circuits placés sur la fente permet de modifier la valeur de l'impédance au point d'excitation de la fente et/ou de 30 modifier la direction de polarisation d'une antenne. Dans un premier mode de réalisation, les courts -circuits restent fixes et la position du point d'excitation est modifiée pour adapter l'impédance au point d'excitation. En effet, on note que modifier la position du point d'excitation permet de modifier l'impédance au point d'excitation. Lorsque les courts - circuits sont fixes, on note de plus que cette modification de l'impédance n'entraîne pas de modification de la polarisation de l'antenne. Effectivement, ce sont les courts - circuits qui imposent la polarisation. Dans un second mode de réalisation, le point d'excitation reste fixe et les positions des courts-circuits sont modifiées pour modifier la polarisation. Dans ce cas, on peut modifier la polarisation de l'antenne. Cependant, il faut noter que cela engendre en général une modification de l'impédance au point d'excitation. Dans un mode de réa lisation particulier, la fente présentant un axe de symétrie perpendiculaire au plan dans lequel elle se trouve, quatre courts -circuits disposés, autour de l'axe, à 90 l'un de l'autre sur la fente, sont activés par paires de courts-circuits diamétralement opposés, de manière à munir l'antenne de deux polarisations distinctes. Avantageusement, la ligne d'alimentation est alors disposée à 45 20 d'un des courts-circuits. En effet, dans ce cas, l'impédance est la même pour les deux polarisations, ne nécessitant pas de transformateur d'impédance supplémentaire. Dans une réalisation, la fente présentant un axe de symétrie perpendiculaire au plan dans lequel elle se trouve, les deux courts circuits sont géométriquement opposés sur la fente par rapport à cet axe, déf inissant ainsi un plan de court-circuit. Selon l'invention, la fente peut être annulaire ou carrée ou rectangulaire ou polygonale et les courts -circuits peuvent être réalisés à l'aide de dispositifs de commutation, par exemple des diodes. L'invention concerne en outre un procédé de fabrication d'une antenne planaire comprenant l'étape de positionner au moins deux courts - circuits (CC), en parallèle sur la fente (F), la position par rapport au point d'excitation (E) des courts-circuits étant choisie de manière à adapter l'impédance au point d'excitation (E) et/ou la polarisation de l'antenne. 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 d'une antenne planaire selon l'invention et illustre une première application de l'invention. Fig. 2a et 2b présentent l'orientation de la polarisation, respectivement dans une antenne selon l'invention et dans une antenne selon l'art antérieur. Fig. 3a, 3b, 3c, 3d, 3e présentent diverses positions de point d'excitation de la fente par rapport aux courts -circuits. Fig. 4 représentent l'impédance présentée par la fente en fonction de la position du point d'excitation ainsi que représentées sur les figures 3a à 3e. Fig. 5 représente les niveaux de copolarisation et de crosspolarisation de la fente annulaire en fonction du point d'excitation. Fig. 6 représente la bande passante pour u ne réalisation particulière d'une antenne selon l'invention représentée sur la figure 2a(i) et pour une 20 antenne selon l'art antérieur, représentée sur la figure 2b. Fig. 7 représente les diagrammes de rayonnement pour une réalisation particulière d'une an tenne selon l'invention représentée sur la figure 2a(i) et pour une antenne selon l'art antérieur, représentée sur la figure 2b. Fig. 8 est un schéma d'une antenne planaire selon l'invention et 25 illustre une seconde application de l'invention. Fig. 9 représente une réalisation particulière de l'invention, dans laquelle l'antenne présente deux configurations, chacune présentant une polarisation distincte. Fig. 10a et 10b représente les diagrammes de rayonnement obtenus 30 pour les deux configurations de l'antenn e de la figure 9. Sur la figure 1 est représentée une antenne planaire selon l'invention. Cette antenne est placée sur un substrat correspondant au plan de la feuille. Elle comporte une fente F en forme de courbe fermée, ici un anneau. Elle est dimensionnée pour fonctionner à une fréquence donnée et alimentée par une ligne d'alimentation L intersectant la fente F en un point d'excitation E. Selon l'invention, la fente comporte deux courts -circuits CC, disposés en parallèle et diamétralement opposés sur la fente annulaire F. Ils sont positionnés par rapport au point d'excitation de manière à ajuster l'impédance au point d'excitation. Cet ajustement est expliqué dans la suite. On sait que, dans de telles antennes, les conditions de couplage sont optimales Io rsque la ligne est perpendiculaire au plan défini par les courts -circuits car dans ce cas les courts -circuits physiques coïncident avec les courts -circuits induits par la ligne. Sur la figure 1, lorsque le point d'excitation est déplacé par déplacement d'un angle 0 de la ligne d'alimentation relativement aux deux courts-circuits, l'impédance au point d'excitation est modifiée. Le déplacement de la ligne d'alimentation est, par exemple, mis en oeuvre simplement par une pluralité de lignes d'alimentation dispo sées autour d'un des demi cercles de la fente F et activées au besoin lorsque l'on veut modifier l'impédance. L'invention peut également être mise en oeuvre pour des applications où l'impédance désirée est fixe et où, par conséquent une seule ligne est disposée avec un angle 0 adapté selon l'impédance souhaitée. Selon l'invention les conditions de couplage entre la fente et la ligne obtenues sont donc dégradées par rapport aux conditions optimales. Cependant l'équation de couplage C=E AH n'est pas nulle tant que le point d'excitation n'est pas sur un point de court -circuit imposé de la fente. En effet le champ E résulte de la configuration de la fente F et le champ H résulte de la configuration de la ligne L. En déplaçant la ligne L d'un angle 0, on diminue donc la valeur de C sans l'annuler et en permettant une adaptation de l'impédance. Il est ainsi possible d'avoir des impédances variables sur le demi -anneau excité en fonction de la position du point d'excitation. Le maximum de cette impédance est rencontrée lorsque les conditions de couplage sont maximum, c'est -à-dire, lorsque la ligne est placée au milieu du demi -anneau. La distribution de champ dans les demi -anneaux est imposée par les courts-circuits. La figure 2 montre la répartition des courants et la polarisation résultante dans les fentes de diverses réalisations d'antennes planaires selon l'invention (Fig. 2a) et selon l'art antérieur (Fig. 2b). On note, sur la figure 2a, que la polarisation reste stable en modifiant la position du point d'exc itation alors qu'elle tourne avec la ligne d'alimentation lorsque la fente ne comporte pas de court-circuit, ainsi que représenté sur la figure 2b. Ainsi, l'usage d'au moins deux courts -circuits sur la fente permet que la fente impose la polarisation. En e flet, contrairement à ce qui se passe pour une fente classique ne comportant pas de court -circuit ou comportant un unique court-circuit, la direction de polarisation linéaire ne tourne pas en fonction de la position du point d'excitation et est imposée par les courts-circuits. La polarisation est alors perpendiculaire au plan des courts -circuits, où que soit le point d'excitation. Sur la figure 3 sont représentées des antennes présentant cinq positions distinctes du point d'excitation selon le principe de r éalisation exposé sur la figure 1. Sur ces antennes, deux courts - circuits diamétralement opposés sont disposés sur la fente annulaire. Deux demi -anneaux de longueur Ls/2 sont alors en vis-à-vis. Pratiquement ces antennes ont été simulées avec un dimensionnement pour fonctionner à 5,8 GHz sur un substrat diélectrique de type Rogers4003 (Er=3,38, h=0,81 mm). Le périmètre de la fente annulaire doit être de l'ordre de la longueur d'onde guidée dans la fente (Ls) soit un rayon de 6,65 mm. Les impédances des différentes réalisations d'antenne sont représentées sur la figure 4. Les valeurs des impédances vont de 350 Ohms pour la position de la ligne à 90 des courts -circuits jusqu'à des valeurs inférieures à 70 Ohms pour la position à 60 par exemple. Ces résultat s confirment l'intérêt de l'invention pour adapter l'impédance de l'antenne et montre l'ampleur possible de l'adaptation d'impédance. La figure 5 présente les quatre composantes du champ E dans les plans H et V, définis respectivement par le plan des court s-circuits et le plan perpendiculaire au plan des courts -circuits, pour les réalisations de la figure 3. On note que quelle que soit la position du point d'excitation, la composante principale reste omnidirectionnelle (directivité de l'ordre de 3 dB) et le s niveaux de crosspolarisation sont très inférieurs aux niveaux de copolarisation (au moins 10 dB). Cette figure confirme que l'on conserve une polarisation linéaire dans le cas où l'on se décale de la position classique de couplage maximum. Une réalisation particulière a été plus précisément étudiée. Dans cette réalisation représentée sur la figure 6, l'antenne 2 comporte deux courts -circuits diamétralement opposés et un point d'excitation à 51 de la position de référence. L'impédance présentée est alors autour de 50 Ohms et est donc directement adaptable sur cette valeur d'impédance. Cela signifie qu'il n'est pas utile de prolonger la ligne loin à l'extérieur de la fente, comme c'est le cas pour l'antenne classique 1 aussi représentée sur la figure 6. Ai nsi on note qu'avec une antenne classique 1 où la ligne est à 90 du plan des courts -circuits, la taille du plan de masse, hachuré , nécessaire pour avoir une telle impédance est de 30x35 mm2 alors qu'avec l'invention, comme l'adaptation en impédance est ré alisée par d'autres moyens qu'une longueur de ligne plus longue, la taille nécessaire n'est que de 30x27 mm2. L'invention permet donc un gain en compacité. La figure 6 montre aussi que la bande passante à -10 dB est élargie. La bande passante est alors de 23,1% pour l'antenne 2 contre 7% pour l'antenne classique 1. La figure 7, représentant les diagrammes de rayonnement, montre que le diagramme de rayonnement n'est en revanche que peu modifié lorsqu'on déplace le point d'excitation. Sur la figure 8, est re présentée une antenne planaire selon l'invention dans laquelle le point d'excitation E est maintenu fixe alors que les emplacements des courts -circuits CC1 et CC2 sont modifiés. Dans ce cas, on fait tourner la polarisation avec le plan des courts -circuits. Les courts-circuits sont par exemple mis en oeuvre à l'aide de diodes. Les diodes peuvent avantageusement fonctionner par paires diamétralement opposées. La figure 9 présente une réalisation d'une antenne planaire présentant une diversité de polarisation obtenue selon le principe de l'invention. Dans cette réalisation, quatre diodes sont disposées sur la fente à 90 les unes des autres. En commutant les diodes en vis -à-vis deux à deux, deux états de polarisation linéaires sont accessibles en utilisant un p oint d'excitation unique. La position du point d'excitation est choisie à 45 d'un des plans de courts -circuits pour présenter la même impédance dans les deux états de polarisation. Un premier état de polarisation correspondant à une première configuration où les diodes Dl et D3 sont bloquées, et les diodes D2 et D4 passantes. La polarisation est alors horizontale ainsi que représenté sur le diagramme de rayonnement de la figure 10a. Inversement, le second état de polarisation correspond à une seconde configuration où les diodes Dl et D3 sont passantes et les diodes D2 et D4 sont bloquées. La polarisation est alors verticale ainsi que représenté sur le diagramme de rayonnement de la figure 10b. La description ici proposée ne comprend que deux paires de diod es mais l'invention permet de réaliser une antenne à diversité de polarisation d'ordre n, n étant le nombre de plans de courts -circuits imposés dans la fente. Ainsi l'invention permet d'obtenir des antennes permettant une adaptation directe sur toute impéd ance. Cela signifie que l'antenne est plus compacte puisque aucun transformateur d'impédance n'est requis, que la bande passante est élargie, et que la structure présente des pertes en ligne diminuées. L'invention permet aussi d'obtenir des structures d'an tenne à diversité de polarisation. La polarisation peut être permutée en modifiant les positions des courts-circuits sans changer le point d'excitation. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et l'homme du métier reconnaîtra l'exist ence de diverses variantes de réalisation comme par exemple l'utilisation d'autres forme de fente en courbe fermée (carrées, polygonales...), l'utilisation de diverses technologies d'alimentation de la fente (ligne d'alimentation en technologie micro -ruban, tri-plaque, coplanaire, coaxiale...), l'utilisation de divers éléments actifs permettant la commutation d'un état à l'autre (diodes, transistors, MEMs...), l'utilisation de la fente dans son mode fondamental ou dans ses modes supérieurs, l'utilisation d'une pi uralité de courts-circuits pas nécessairement placés de manière à définir un plan de court - circuit diamétral, de paires de courts - circuits... REVENDICATIONS 1 Antenne planaire portée par un substrat comportant une fente (F) en forme de courbe fermée dim ensionnée pour fonctionner à une fréquence donnée, alimentée par une ligne d'alimentation (L) intersectant la fente (F) en un point dit d'excitation (E) , caractérisée en ce qu'au moins deux courts -circuits (CC), en parallèle sur la fente (F) , sont positionnés par rapport au point d'excitation (E) de manière à adapter l'impédance au point d'excitation (E) et/ou la polarisation de l'antenne. 2 Antenne planaire selon la revendication 1, dans laquelle, les courts-circuits (CC) restant fixes, la position du p oint d'excitation (E) est modifiée pour modifier l'impédance. 3 Antenne planaire selon la revendication 1, dans laquelle le point d'excitation (E) restant fixe, les positions des courts -circuits (CC) sont modifiées pour modifier la polarisation. 4 Antenne planaire selon la revendication 3, dans laquelle, la fente (F) présentant un axe de symétrie perpendiculaire au plan dans lequel elle se trouve, quatre courts -circuits disposés, autour de l'axe, à 90 l'un de l'autre sur la fente, sont activés par p aires de courts- circuits diamétralement opposés, de manière à munir l'antenne de deux polarisations distinctes. 5 Antenne planaire selon la revendication 4, dans laquelle la ligne d'alimentation (L) est disposée à 45 d'un des courts -circuits (CC) . 6 Antenne planaire selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle, la fente présentant un axe de symétrie perpendiculaire au plan dans lequel elle se trouve, les deux courts -circuits (CC) sont géométriquement opposés sur la fente (F) par rapport à cet axe définissant ainsi un plan de court - circuit. 7 - Antenne planaire selon la revendication 6, dans laquelle les deux 5 courts-circuits sont situés autour de l'axe à un angle différent de 90 par rapport au point d'excitation. 8 Antenne planaire selo n l'une des revendications 1 à 7, dans laquelle la fente (F) est annulaire ou carrée ou rectangulaire ou polygonale. 9 Antenne planaire selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les courts-circuits (CC) sont réalisés à l'aide de dispositifs de commutation. 10 Antenne planaire selon la revendication 9, dans laquelle les dispositifs de commutation sont des diodes. 11 Procédé de fabrication d'une antenne planaire portée par un substrat comportant une fente (F) en forme de courbe fermée di mensionnée pour fonctionner à une fréquence donnée, alimentée par une ligne d'alimentation (L) intersectant la fente (F) en un point dit d'excitation (E), caractérisée en ce qu'il inclut l'étape de positionner au moins deux courts -circuits (CC), en parallè le sur la fente (F), la position par rapport au point d'excitation (E) des courts -circuits étant choisie de manière à adapter l'impédance au point d'excitation (E) et/ou la polarisation de l'antenne.