Brevet FR2887078A1 — publié le 20061215

ANTENNE PLANE DE TELEVISION L'invention concerne une antenne de réception et/ou d'émission d'ondes électromagnétiques décimétriques de télévision terrestre numérique et/ou analogique. Elle concerne plus particulièrement une antenne, dite antenne plane, de type "patch", comprenant: - un plan conducteur dit plan de masse, - un élément rayonnant plan, agencé parallèlement au plan de masse et séparé de celui-ci par une épaisseur d'un milieu diélectrique. FR 2 841 688 décrit une antenne plane de type patch pour l'émission et/ou la réception de signaux de télévision terrestres UHF/SHF numériques et/ou analogiques. L'antenne comprend une plaque de substrat diélectrique de 2, 6 cm d'épaisseur, sur laquelle sont formés, d'un côté, un réflecteur (ou plan de masse) accordé à la fréquence basse de la bande passante de l'antenne et, de l'autre côté, un radiateur (ou élément rayonnant) raccordé à une alimentation spécifique et rayonnant selon une fréquence F1. Le radiateur présente une première fente accordée à une fréquence F2, une deuxième fente accordée à une fréquence F3 et une fente de liaison réalisant une ligne de couplage entre les deux fentes précédentes. Les première et deuxième fentes, qui rayonnent à des fréquences centrales de résonance supérieures à celle du radiateur, permettent d'augmenter la bande passante de l'antenne vers le haut, de façon à couvrir une plage de fréquences allant de 470 MHz à 870 MHz. Une telle antenne présente cependant un gain trop faible et/ou un coût trop important. En effet, pour pouvoir obtenir un gain élevé, il convient d'employer un substrat de faible permittivité et/ou d'augmenter l'épaisseur dudit substrat, ce qui, dans les deux cas, grève le coût de l'antenne. En outre, l'épaisseur du substrat est limitée par l'apparition d'ondes de surface indésirables. Finalement, pour augmenter le gain, l'antenne est généralement associée à un boîtier amplificateur extérieur à l'antenne, qui est installé entre le téléviseur et l'antenne et est relié à cette dernière au moyen d'un câble. Un autre inconvénient d'une telle antenne réside dans le fait que sa polarisation est unidirectionnelle; l'antenne doit donc être orientée vers la source d'émission ou de réception des ondes électromagnétiques à recevoir ou transmettre. Une telle antenne ne peut pas recevoir les ondes émises par deux sources situées dans des directions différentes. L'invention vise à pallier ces inconvénients en proposant une antenne simple, peu onéreuse et plus performante en terme de puissance (ou gain). Un autre objectif de l'invention est de proposer une antenne à large bande passante, et notamment une antenne couvrant la plage d'émission des ondes de télévision. Dans une version préférée, l'invention vise également à fournir une antenne à polarisation orthogonale ou circulaire. L'invention concerne une antenne de réception et/ou 15 d'émission d'ondes électromagnétiques décimétriques de télévision terrestre numérique et/ou analogique, comprenant: - un plan conducteur dit plan de masse, - un élément conducteur rayonnant plan, dit élément rayonnant primaire, électriquement alimenté, agencé parallèlement au plan de masse 20 et séparé de celui-ci par une épaisseur d'un milieu diélectrique, caractérisée en ce que: - le milieu diélectrique séparant le plan de masse de l'élément rayonnant primaire est l'air, l'élément rayonnant primaire étant fixé au plan de masse au moyen d'au moins un plot d'espacement en un matériau diélectrique, - le plan de masse est formé, en regard de l'élément rayonnant primaire, sur une face dite face supérieure d'un substrat diélectrique, ledit substrat présentant, sur une face opposée dite face inférieure, un circuit imprimé comprenant une ligne microruban, laquelle ligne microruban est électriquement reliée à l'élément rayonnant primaire au moyen d'une tige d'alimentation traversant le substrat et le plan de masse, ladite tige d'alimentation traversant le plan de masse sans être en contact électrique direct avec celui-ci, - ledit circuit imprimé comprend au moins un module amplificateur. En remplaçant par une épaisseur d'air la plaque de diélectrique qui sépare le plan de masse de l'élément rayonnant primaire dans les antennes antérieures connues, l'invention permet d'offrir, pour un coût modique, une antenne ayant une large bande passante et un gain très satisfaisant. En effet, il est désormais possible d'espacer l'élément rayonnant primaire du plan de masse de plusieurs centimètres, et notamment de plus de 3 cm, et d'augmenter ainsi considérablement la dimension transversale de la bande passante et le gain de l'antenne, sans que les ondes transmises ne soient perturbées par l'apparition d'ondes de surface. Avantageusement et selon l'invention, l'épaisseur d'air entre le plan de masse et l'élément rayonnant primaire est comprise entre 3 cm et 5 cm. Par ailleurs, selon l'invention, le plan de masse est formé sur la face supérieure (face en regard de l'élément rayonnant primaire) d'un substrat diélectrique et l'élément rayonnant primaire est alimenté au moyen d'une ligne microruban formée sur la face opposée de ce substrat. L'élément rayonnant primaire et la ligne microruban alimentant celui-ci sont donc séparés par le plan de masse, ce qui permet d'éviter tout couplage indésirable entre ledit élément et ladite ligne. La qualité et l'épaisseur du substrat diélectrique n'ayant aucune incidence sur les performances de l'antenne en terme de gain et de dimension transversale de bande, le substrat utilisé est avantageusement un substrat standard, de faible coût. En outre, la ligne microruban peut être reliée à l'élément rayonnant au moyen d'une tige d'alimentation formée par une simple tige conductrice, contrairement aux antennes antérieures pour lesquelles un câble coaxial est requis. Ce qui n'exclut pas la possibilité d'utiliser un câble coaxial à titre de tige d'alimentation dans l'antenne selon l'invention. L'utilisation d'un substrat pour supporter le plan de masse 30 permet aussi et surtout d'intégrer à l'antenne au moins un module amplificateur, formé directement sur la face inférieure du substrat par une technique de circuit imprimé. Ce module amplificateur améliore encore davantage le gain de l'antenne. L'invention permet de s'affranchir de l'utilisation d'un boîtier amplificateur extérieur à l'antenne, et de réduire ainsi le coût de l'antenne et le temps de main d'oeuvre nécessaire à son installation. De façon plus générale, l'utilisation de ce substrat permet d'intégrer au sein de l'antenne elle-même, par le biais d'un circuit imprimé formé sur la face inférieure du substrat, l'ensemble des circuits passifs (amplificateur(s), filtre(s), ...) nécessaires au traitement du signal généré par l'antenne à réception des ondes électromagnétiques (dans le cas d'une antenne de réception) ; ce substrat permet donc de s'affranchir des divers boîtiers antérieurs usuellement rajoutés en série à cette fin, en aval de l'antenne. Avantageusement et selon l'invention, le circuit imprimé comprend également, sur la ligne microruban, au moins un condensateur en entrée de chaque module amplificateur et un condensateur en sortie dudit module amplificateur, en vue d'éviter tout couplage entre la ligne microruban et l'alimentation en courant continu du module amplificateur. Avantageusement et selon l'invention, l'antenne comprend un élément condensateur agencé entre l'élément rayonnant primaire et le plan de masse sur la tige d'alimentation, en vue de compenser l'effet inductif de ladite tige d'alimentation. L'élément condensateur comprend avantageusement une plaque plane conductrice en forme de disque, agencée parallèlement au plan de masse et à l'élément rayonnant primaire, et traversée par la tige d'alimentation de façon à être en contact électrique avec celle-ci. Il est de préférence formé par cette seule plaque. Avantageusement et selon l'invention, l'antenne présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - la tige d'alimentation est fixée à l'élément rayonnant primaire en un point situé sur un axe de résonance de l'élément rayonnant primaire, décalé d'une distance Yo du centre de symétrie de cet élément rayonnant primaire; cette distance de décalage Yo est avantageusement comprise entre 4 cm et 7 cm, - le plan de masse est globalement rectangulaire et présente une dimension transversale comprise entre 50 cm et 75 cm et une dimension axiale comprise entre 35 cm et 50 cm; en particulier, le plan de masse est globalement carré et présente des côtés compris entre 40 cm et 50 cm, notamment de l'ordre de 45 cm, l'élément rayonnant primaire est une plaque, métallique par exemple, globalement rectangulaire, présentant une dimension transversale (dimension perpendiculaire à l'axe de résonance) comprise entre 19 cm et 24 cm et une dimension axiale (dimension selon l'axe de résonance) comprise entre 13 cm et 16 cm; en particulier, l'élément rayonnant primaire est une plaque carrée de 13 cm à 16 cm de côtés, - l'élément rayonnant primaire est une plaque globalement rectangulaire ayant deux coins diagonalement opposés tronqués de telle sorte que les courants et/ou champs produits aient une polarisation orthogonale ou circulaire, - le substrat présente des dimensions frontales (dimension transversale, dimension axiale, ou éventuellement diamètre si le plan de masse est circulaire...) sensiblement identiques à celles du plan de masse, - le substrat présente une épaisseur comprise entre 0,3 mm et 3 mm et une permittivité r comprise entre 2 et 9. En d'autres termes, il s'agit d'un substrat standard bon marché, telle qu'une plaque de verre époxy par exemple, - la ligne microruban présente, sur une portion au moins, une dimension transversale adaptée pour que l'antenne présente une impédance d'entrée de l'ordre de 75 SZ, - la ligne microruban présente, sur une portion au moins, 25 une dimension transversale adaptée pour que le module amplificateur présente une impédance d'entrée de l'ordre de 75 S2, - le circuit imprimé comprend au moins un premier module de pré- amplification et un deuxième module d'amplification de puissance. Avantageusement et selon l'invention, l'antenne comprend un deuxième élément conducteur rayonnant plan, dit élément parasite, non alimenté, agencé parallèlement à l'élément rayonnant primaire et séparé de celui-ci par une épaisseur d'air, l'élément parasite étant fixé à l'élément rayonnant primaire au moyen d'au moins un plot d'espacement en un matériau diélectrique. Cet élément parasite permet d'augmenter la bande passante de l'antenne. Avantageusement et selon l'invention, l'antenne présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - l'épaisseur d'air entre l'élément rayonnant primaire et l'élément parasite est comprise entre 3 cm et 5 cm, - l'élément parasite est une plaque, métallique par exemple, globalement rectangulaire, présentant une dimension transversale (dimension perpendiculaire à l'axe de résonance) comprise entre 19 cm et 24 cm et une dimension axiale (dimension selon l'axe de résonance) comprise entre 13 cm et 16 cm; en particulier, l'élément parasite est une plaque carrée de 13 cm à 16 cm de côtés, - l'élément parasite est une plaque globalement rectangulaire ayant deux coins diagonalement opposés tronqués de telle sorte que les courants et/ou champs produits aient une polarisation orthogonale ou circulaire. L'invention concerne également une antenne caractérisée en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus et ci- après. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante qui se réfère aux figures annexées représentant un mode de réalisation préférentiel de l'invention donné uniquement à titre d'exemple non limitatif, et dans lesquelles: - la figure 1 est une vue en perspective d'une antenne de télévision selon l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe verticale de l'antenne de la figure 1 selon la ligne II-II des figures 3 et 4, par un plan II-II contenant une direction X perpendiculaire à un axe Y de résonance des éléments rayonnants de l'antenne, - la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III des figures 2 et 4, par un plan contenant un axe Y de résonance, - la figure 4 est une vue partielle de dessous du substrat amplificateur de l'antenne des figures 1 à 3. Sur les figures, les échelles, notamment en épaisseur, ne sont pas respectées, et ce à des fins d'illustration. Dans toute la suite, l'antenne de télévision illustrée aux figures 1 à 3 est décrite dans une position dans laquelle son plan de masse et ses éléments rayonnants s'étendent selon des plans horizontaux (orthogonaux à un axe Z vertical), les éléments rayonnants étant situés au-dessus du plan de masse. Cette position correspond à une position normale d'installation et d'utilisation de l'antenne. L'antenne est décrite comme fonctionnant en réception, les termes entrée , sortie , amont et aval se référant au sens de circulation du signal reçu et transmis au téléviseur. L'antenne illustrée aux figures 1 à 3 comprend une plaque de verre époxy 1 carrée (ou, de façon plus générale, rectangulaire), qui réalise un substrat diélectrique. Une plaque métallique conductrice 2 réalisant un plan de masse carré (ou, de façon plus générale, rectangulaire) est associée -par collage par exemple- à la face supérieure 12 du substrat 1. L'antenne comprend par ailleurs une deuxième plaque conductrice métallique 3, agencée au-dessus et à distance (selon l'axe Z) du plan de masse 2, parallèlement à ce dernier. Ladite deuxième plaque réalise un élément rayonnant primaire 3. L'élément rayonnant primaire 3 est globalement carré (ou, de façon plus générale, rectangulaire) et présente deux coins diagonalement opposés 19, 20 tronqués. L'élément rayonnant primaire 3 est fixé sur le plan de masse 2 et le substrat 1 au moyen de quatre plots d'espacement 16 isolants en mousse rigide, qui s'étendent aux quatre coins dudit élément. L'élément rayonnant primaire 3 est électriquement alimenté par une tige conductrice métallique 6, dite tige d'alimentation, prolongée par une ligne microruban 5 d'un circuit imprimé 23 formé (par électrodéposition par exemple) sur la face inférieure 13 du substrat 1. Dans une variante de réalisation, la tige d'alimentation 6 peut être directement reliée à l'élément rayonnant primaire 3. Néanmoins, de préférence comme représenté, l'extrémité de la tige d'alimentation 6 est reliée au centre d'un élément en forme de disque 24 s'étendant à distance de l'élément rayonnant primaire 3, de façon à former avec ce dernier un condensateur. La tige d'alimentation 6 traverse le plan de masse 2 pour être reliée à la ligne microruban 5 à l'opposé du substrat 1 (sur la face inférieure 13 de ce dernier). Un manchon isolant 7 entoure la tige d'alimentation 6 au niveau du plan de masse 2 pour éviter tout contact électrique direct entre ladite tige d'alimentation et ledit plan de masse. Les ondes électromagnétiques reçues par l'antenne génèrent un signal électrique au niveau de l'élément rayonnant, qui est véhiculé par la tige d'alimentation 6 puis la ligne microruban 5. Le circuit imprimé 23 comprend également un module amplificateur 8 et une ligne 11 d'alimentation dudit module amplificateur 8. De préférence, comme représenté figure 4, la ligne d'alimentation 11 fournit la tension continue Vcc et est reliée à la ligne microruban 5 via une résistance 26 externe série (par exemple de l'ordre de 330 S2), une inductance 27 de couplage série (par exemple de l'ordre de 10 H) et une capacité 25 d'isolation parallèle entre Vcc et la masse (par exemple de l'ordre de 1 nF). L'entrée du module amplificateur 8 est connectée à la ligne microruban 5, de sorte que le signal électrique généré, véhiculé par la ligne microruban 5, passe par le module amplificateur où il est amplifié. Le circuit imprimé 23 comprend aussi un condensateur 9 en amont du module amplificateur et un condensateur 10 en aval dudit module amplificateur, reliés en série à la ligne microruban 5. Les condensateurs 9 et 10 ont pour but de réaliser un découplage des circuits du module amplificateur à courant continu. L'antenne comprend de plus une troisième plaque conductrice métallique 24 en forme de disque, agencée entre le plan de masse 2 et l'élément rayonnant primaire 3, parallèlement à ces derniers, à proximité de l'élément rayonnant primaire 3 et reliée à l'extrémité de la tige d'alimentation 6. Il est à noter que la tige d'alimentation 6 se comporte comme une self-inductance. Le condensateur formé entre le disque 24 à l'extrémité de la tige d'alimentation 6 et l'élément rayonnant primaire 3, est relié en série à cette self-inductance et a pour fonction d'en compenser les effets (décalage de la fréquence de résonance) et d'élargir la bande passante. L'antenne comprend également une quatrième plaque conductrice métallique 4, agencée au-dessus et à distance de l'élément rayonnant 3, parallèlement à ce dernier. Cette quatrième plaque réalise un élément parasite permettant d'augmenter la bande passante de l'antenne. Cet élément parasite 4 est globalement carré (ou, de façon plus générale, rectangulaire) et présente deux coins diagonalement opposés 21, 22 tronqués. L'élément parasite 4 est fixé sur l'élément rayonnant primaire 3 au moyen de quatre plots d'espacement 17 isolants en mousse rigide, qui s'étendent aux quatre coins dudit élément parasite. Comme on le voit figure 3, l'axe de la tige d'alimentation 6 (parallèle à l'axe Z vertical) est sécant avec l'axe Y de résonance, mais décalé par rapport au centre de symétrie de l'antenne (l'élément rayonnant primaire 3) d'une distance Yo, typiquement comprise entre 4 cm et 7 cm, notamment de l'ordre de 5 cm. Ce décalage est nécessaire pour une bonne adaptation de l'antenne à la source d'excitation. L'antenne présente de préférence les dimensions suivantes, données uniquement à titre d'exemples: - le plan de masse 2 est un plan carré de 45 cm de côtés; - les dimensions frontales du substrat 1 sont choisies de façon à permettre la réalisation et la mise en place des éléments des circuits (module d'amplification, condensateurs, etc...) ; le substrat 1 est une plaque rectangulaire de dimension de 6 cm x 4 cm; cette plaque possède une épaisseur de 1,6 mm et une permittivité Cr de 4,6 (verre époxy), 2887078 io - la largeur de la ligne microruban 5 est choisie de façon que l'antenne -notamment le module amplificateur 8- présente une impédance d'entrée de l'ordre de 75 S2. - l'élément rayonnant primaire 3 est une plaque carrée de 15 cm de côtés, - l'élément parasite 4 est une plaque carrée de 15 cm de côtés, -la couche d'air 14 séparant le plan de masse 2 de l'élément rayonnant primaire 3 présente une épaisseur hl de 4 cm, - la couche d'air 15 séparant l'élément rayonnant primaire 3 de l'élément parasite 4 présente une épaisseur h2 de 4 cm, - l'élément condensateur 24 est un disque de 4, 5 cm de diamètre, qui s'étend à 1 cm de distance de l'élément rayonnant primaire 3. Une telle antenne présente une bande passante allant de 470 à 870 MHz, un coefficient d'adaptation ROS (rapport d'onde stationnaire) inférieur ou égal à 2 et un gain moyen de 22 dB. Elle présente une polarisation circulaire, qui lui permet de recevoir et traiter des ondes électromagnétiques provenant de toutes les directions. Dépourvue de l'élément parasite 4, cette antenne capte des ondes électromagnétiques allant de 470 à 615 MHz (bande IV) avec un gain moyen de 8 dB (sans amplification) ; elle peut fonctionner jusqu'à 870 MHz mais voit ses performances en adaptation et gain dégradées aux hautes fréquences. Il va de soi que l'invention peut faire l'objet de nombreuses variantes par rapport aux modes de réalisation précédemment décrits et représentés sur les figures. REVENDICATIONS 1/ Antenne de réception et/ou d'émission d'ondes électromagnétiques décimétriques de télévision terrestre numérique et/ou analogique, comprenant: un plan conducteur (2) dit plan de masse, un élément conducteur rayonnant (3) plan, dit élément rayonnant primaire, électriquement alimenté, agencé parallèlement au plan de masse et séparé de celui-ci par une épaisseur d'un milieu diélectrique, caractérisée en ce que: - le milieu diélectrique (14) séparant le plan de masse (2) de l'élément rayonnant primaire (3) est l'air, l'élément rayonnant primaire étant fixé au plan de masse au moyen d'au moins un plot d'espacement (16) en un matériau diélectrique, - le plan de masse (2) est formé, en regard de l'élément rayonnant primaire (3), sur une face (12) dite face supérieure d'un substrat diélectrique (1), ledit substrat présentant, sur une face (13) opposée dite face inférieure, un circuit imprimé (23) comprenant une ligne microruban (5), laquelle ligne microruban est électriquement reliée à l'élément rayonnant primaire au moyen d'une tige d'alimentation (6) traversant le substrat et le plan de masse, ladite tige d'alimentation traversant le plan de masse sans être en contact électrique direct avec celui-ci; - ledit circuit imprimé (23) comprend au moins un module amplificateur (8). 2/ Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que 25 l'épaisseur d'air (14) entre le plan de masse et l'élément rayonnant primaire est comprise entre 3 cm et 5 cm. 3/ Antenne selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comprend un élément condensateur (24) agencé entre l'élément rayonnant primaire (2) et le plan de masse (3) sur la tige d'alimentation (6). 10 2887078 12 4/ Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'élément condensateur comprend une plaque conductrice (24) plane, en forme de disque, agencée parallèlement au plan de masse et à l'élément rayonnant primaire, et traversée par la tige d'alimentation de façon à être en contact électrique avec celle-ci. 5/ Antenne selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la tige d'alimentation (6) est fixée à l'élément rayonnant primaire (3) en un point situé sur un axe de résonance de l'élément rayonnant primaire, décalé d'une distance Yo du centre de symétrie de cet élément rayonnant primaire. 6/ Antenne selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le plan de masse (2) est globalement rectangulaire et présente une dimension transversale comprise entre 50 cm et 75 cm et une dimension axiale comprise entre 35 cm et 50 cm. 7/ Antenne selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'élément rayonnant primaire (3) est une plaque globalement rectangulaire présentant une dimension transversale comprise entre 19 cm et 24 cm et une dimension axiale comprise entre 13 cm et 16 cm. 8/ Antenne selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'élément rayonnant primaire (3) est une plaque globalement rectangulaire ayant deux coins diagonalement opposés (19, 20) tronqués de telle sorte que les courants et/ou champs produits aient une polarisation orthogonale ou circulaire. 9/ Antenne selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la ligne microruban (5) présente, sur une portion au moins, une dimension transversale adaptée pour que l'antenne présente une impédance d'entrée de 75û. 10/ Antenne selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la ligne microruban (5) présente, sur une portion au moins, une dimension transversale adaptée pour que le module amplificateur (8) présente une impédance d'entrée de 7552. 11/ Antenne selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que le circuit imprimé (23) comprend au moins un premier module de préamplification et un deuxième module d'amplification de puissance. 12/ Antenne selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisée en ce qu'elle comprend un deuxième élément conducteur rayonnant (4) plan, dit élément parasite, non alimenté, agencé parallèlement à l'élément rayonnant primaire (3) et séparé de celui-ci par une épaisseur d'air (15), l'élément parasite étant fixé à l'élément rayonnant primaire au moyen d'au moins un plot d'espacement (17) en un matériau diélectrique. 13/ Antenne selon la revendication 12, caractérisée en ce que l'épaisseur d'air (15) entre l'élément rayonnant primaire (3) et l'élément parasite (4) est comprise entre 3 cm et 5 cm. 14/ Antenne selon l'une des revendications 12 ou 13, caractérisée en ce que l'élément parasite (4) est une plaque globalement rectangulaire présentant une dimension transversale comprise entre 19 cm et 24 cm et une dimension axiale comprise entre 13 cm et 16 cm. 15/ Antenne selon l'une des revendications 12 à 14, caractérisée en ce que l'élément parasite (4) est une plaque globalement rectangulaire ayant deux coins diagonalement opposés (21, 22) tronqués de telle sorte que les courants et/ou champs produits aient une polarisation orthogonale ou circulaire.