Brevet FR2910182A1 — publié le 20080620

La présente invention concerne une antenne planaire compacte basée sur une fente rayonnante. Actuellement, le développement des terminaux mobiles ou nomades tels que les téléphones portables, les téléphones dits intelligents, les PDA pour Assistant Numérique Personnel ainsi que celui des terminaux portables multimédia susceptibles de recevoir la télévision ou des services associés, est en pleine croissance, utilisant des applications telles que le WIFI (Wireless Fidelity), WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), le DVB-T, DVB-H (Digital Video Broadcast) ou similaire. io Pour recevoir ce type d'applications, les terminaux sont munis d'antennes, plus particulièrement d'antennes fonctionnant dans la bande de fréquences UHF, à savoir la bande couvrant les fréquences 470 MHz à 862 MHz, ou dans des bandes de fréquences plus élevées. En fait, une largeur de bande importante, la fréquence la plus is basse de la bande UHF et la compacité sont des contraintes majeures pour le design d'une antenne qui peut être intégrée aux terminaux dits nomades ou mobiles. Parmi les antennes intégrables, on connaît notamment des antennes planaires constituées par une fente rayonnante. Or une fente 20 rayonnante de forme linéaire gravée dans un plan de masse présente une longueur modulo 2,,g/2 où a,g est la longueur d'onde guidée dans la fente à la fréquence de fonctionnement. Ainsi, comme représenté sur la figure 1, avec une fente rectiligne 1 gravée dans un plan de masse 2 réalisé sur un substrat diélectrique connu et alimentée en 3 soit directement par un coaxial ou en 25 utilisant la technique connue de couplage électromagnétique décrite par Knorr, l'ensemble des lignes de champs rayonne en phase et est orienté dans la même direction, comme symbolisé par les flèches F. De manière connue et comme représenté sur la figure 2 pour une fente rayonnante à 2.4 GHz, l'orientation des lignes de champs est due au 30 courant induit le long de la fente, ces courants étant symbolisés par les vecteurs courants V le long de la fente 1 de la figure 2. 2910182 2 Le design représenté figure 1 et figure 2 est le design d'une fente rayonnante à 2.4 GHz dans un plan de masse fini de dimension 111.2 mm x 60.5 mm. Dans ce cas, le substrat diélectrique choisi est le substrat connu Rogers 4003, qui présente comme paramètres physiques une épaisseur 5 0.8 mm, une permittivité cr = 3.38 et une tangente de perte 8 = 0.0027. Dans le cas des figures 1 et 2, la fente est excitée par une ligne microruban 3 court-circuitée à son extrémité. Ce type d'excitation respecte les conditions de couplage d'une ligne microruban à une ligne fente telles que définies par Knorr (voir l'article J. B. Knorr Slot lined transition IEEE Io Trans. Microwave Theory and Techniques, pages 548-554, May 1974). Dans ce cas, les caractéristiques de la fente sont les suivantes : - longueur de fente: 42.4 mm (û2,,g/2), largeur de la fente: 0.5 mm. is Comme connu de l'homme de l'art, cette fente présente une longueur non négligeable, dépendant de la fréquence de fonctionnement, ce qui rend ce type d'antenne difficilement intégrable dans un terminal mobile. De ce fait, pour minimiser l'encombrement et comme représenté sur la figure 3, il est connu de replier en spirale les brins 10a, 10b de la fente 10. 20 Toutefois, comme cela sera expliqué de manière plus détaillée ci-après, le rendement de rayonnement d'une telle fente rayonnante baisse de façon significative. Sur la figure 3, on a représenté une fente 10 gravée dans le plan de masse 11 d'un substrat diélectrique. Cette fente 10 est alimentée en son 25 milieu 12 par une ligne microruban, selon une alimentation de type Knorr. Cette fente comporte deux brins 10a, 10b qui ont été chacun pliés sensiblement en forme de rectangle ouvert à l'extrémité du brin. Cette forme spécifique des brins 10a, 10b permet de limiter l'encombrement total de l'antenne. Dans ce cas, l'encombrement longitudinal est réduit de 42.4 mm à 30 9.5 mm pour une longueur de 8.05 mm dans la direction perpendiculaire. Comme représenté sur la figure 4 qui donne le rendement en fonction de la fréquence respectivement pour une antenne conforme à la 2910182 3 figure 1 et une antenne conforme à la figure 3, avec les dimensions données ci-dessus, on observe une chute du rendement de rayonnement à 2.4 GHz qui passe d'environ 95 % à 50 %. Ceci s'explique par le fait que lorsque l'on replie les brins 10a ou 10b, les lignes de champs dans les parties parallèles 5 de l'antenne, comme représenté par les flèches F1 et F2 sur la figure 3, s'annulent sensiblement, ce qui diminue l'efficacité de rendement du rayonnement de ce type d'antenne. La présente invention concerne donc une antenne planaire à fente munie de moyens qui permettent de remédier, notamment, à cette perte de Io rendement de rayonnement. Ainsi, la présente invention concerne une antenne planaire compacte comportant sur un substrat muni d'au moins un plan de masse, une fente rayonnante formant au moins un brin plié avec des parties de brins parallèles, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un moyen is d'inversion de phase entre deux parties de brins successives, le moyen d'inversion de phase étant positionné sur le brin de sorte que les composantes de champs des parties de brins parallèles s'additionnent. Selon un mode de réalisation, le moyen d'inversion de phase est constitué par deux ponts reliant en croix les deux bords de la fente, le plan 20 de masse comportant au niveau des moyens d'inversion, des moyens formant des circuits ouverts. De préférence, les deux ponts sont constitués par des lignes microruban gravées dans deux plans différents du substrat. Selon un autre mode de réalisation, les ponts peuvent être réalisés par des éléments discrets connectant les deux bords de la fente. 25 Selon un mode de réalisation de l'invention, les moyens formant des circuits ouverts sont constitués par des fentes dans les plans de masse. Selon une autre caractéristique de la présente invention, le plan de masse comporte des zones non métallisées dont le but est d'éviter les résonances parasites qui peuvent venir de la longueur des découpes dans 30 le plan de masse pour ramener les circuits ouverts. Les fentes du plan de masse ou découpes débouchent dans ces zones non métallisées. 2910182 4 Selon une autre caractéristique de l'invention, pour un fonctionnement en bande UHF, le substrat comportant les deux brins de l'antenne est replié sur lui-même. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention 5 apparaîtront à la lecture de la description de différents modes de réalisation, cette description étant faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels : Figure 1 déjà décrite est une vue en plan schématique de dessus d'une antenne à fente linéaire rayonnante selon l'art antérieur. io Figure 2 est une vue agrandie schématique de l'antenne de la figure 1 expliquant le fonctionnement d'une antenne à fente linéaire rayonnante. Figure 3 déjà décrite est une vue en plan schématique d'une antenne fente selon un autre mode de réalisation. is Figure 4 représente la courbe donnant le rendement de rayonnement en fonction de la fréquence pour un fonctionnement à 2.4 GHz, respectivement de l'antenne de la figure 1 et de l'antenne de la figure 3. Figure 5 est une vue en plan schématique d'une antenne fente conforme à la présente invention. 20 Figure 6 est une vue en plan de dessus d'un premier mode de réalisation d'une antenne conforme à la présente invention. Figure 7 est une vue en plan de dessus globale et agrandie, montrant les moyens d'inversion de phase, conforme à la présente invention. Figure 8 est une courbe donnant le rendement en fonction de la 25 fréquence respectivement pour l'antenne de la figure 1, l'antenne de la figure 3 et l'antenne de la figure 6. Figure 9 est une vue en perspective d'un autre mode de réalisation d'une antenne conforme à la présente invention, fonctionnant dans la bande UHF. 30 Pour simplifier la description dans les figures, les mêmes éléments portent les mêmes références. 2910182 5 On décrira tout d'abord avec référence aux figures 5 à 8, un premier mode de réalisation de la présente invention. Sur la figure 5, on retrouve les principaux éléments déjà décrits avec référence à la figure 3, à savoir sur un substrat métallisé 11, une antenne fente 10 comportant deux 5 brins 10a et 10b qui ont été pliés sensiblement selon un rectangle. Cette fente est alimentée par une ligne microruban 12 en utilisant, dans le présent cas, le principe de Knorr. D'autre part, comme représenté sur la figure 5, le plan de masse 11 présente deux zones 14 démétallisées, l'objet de ces deux zones démétallisées étant de former des circuits ouverts permettant d'éviter Io les résonances parasites. Conformément à la présente invention, quatre inverseurs de phase 13 symbolisés par des cercles ont été positionnés sur les brins 10a et 10b de la fente de manière à ce que le champ électrique dans les parties des brins sensiblement parallèles s'additionnent, comme représenté par les is flèches S pour le champ souhaité, alors que les flèches A représentent le champ actuel. Ainsi, sur le bras 10a, un inverseur de phase est positionné au niveau du second coude puis du quatrième coude tandis que sur le bras 10b, un inverseur de phase est positionné au niveau du premier coude et du troisième coude. De ce fait, avec l'orientation du champ représenté sur la 20 figure 5, l'ensemble des composantes de champs s'additionne. On décrira avec référence aux figures 6 et 7, un premier mode de réalisation de l'inverseur de phase. Dans ce cas, les inverseurs 13 sont formés par des ponts entre deux parties successives de la fente 10. De manière plus spécifique et comme représenté sur la figure 7, 25 au niveau d'un coude de la fente 10, un premier pont 13a est réalisé par gravure d'une fine ligne connectant un bord de la fente à son autre bord tandis qu'un second pont 13b relie les deux bords de la fente 10 selon un autre plan du substrat, soit à l'aide d'une ligne métallique rajoutée entre les deux bords (bonding) soit réalisée dans un autre plan conducteur du substrat 30 ou réalisée par l'intermédiaire d'un composant discret (résistance 0 Ohm). Comme représenté sur les figures 6 et 7, au niveau des ponts, dans le plan de masse, sont prévues des fentes(découpes) 15 qui divisent 2910182 6 en fait ce plan de masse en plusieurs sous plans référencés à la figure 7, plan de masse 1, plan de masse 2, plan de masse 3 et plan de masse 4. Cette fente(découpe) permet de mettre en opposition de phase les courants induits sur deux plans de masses voisins(plans de masse 1 et 5 3,respectivement 2 et 4), elle est reliée aux zones démétallisées 14 de la figure 6. En utilisant ces inverseurs et comme représenté de manière plus claire sur la figure 7, la fente rayonnante est formée de deux conducteurs, à savoir le plan de masse 1 et le plan de masse 2, suffisamment espacés pour Io permettre la propagation du courant le long de cette ligne fente. Lorsque l'on inverse géométriquement les courants le long de la fente rayonnante en reliant le plan de masse 1 avec le plan de masse 4 par une ligne conductrice référencée 13a sur le même niveau que la fente rayonnante, on change l'orientation du champ de 180 . De même, le plan de masse 2 est relié au 15 plan de masse 3 par une ligne 13b de largeur identique à celle de la ligne 13a, en traversant une autre couche du substrat. La fente ou découpe 15 permet de changer les polarités des courants induits le long de la fente rayonnante 10. Les simulations réalisées sur les trois types d'antennes 20 représentés respectivement figure 1, figure 3 et figure 6, ont donné les courbes de rendement de rayonnement en fonction de la fréquence, représentées sur la figure 8. Dans ce cas, on voit que le rendement obtenu avec les ponts inverseurs présente une amélioration notable par rapport à l'antenne 25 constituée d'une ligne fente dont les brins sont pliés, telle que représentée sur la figure 3. De plus, avec les inverseurs de phase, l'encombrement de la fente peut être réduite de manière encore plus importante puisque l'on obtient pour une antenne fonctionnant à 2.4GHz, un encombrement de 6.3 x 9.5 mm2. 30 On décrira maintenant avec référence à la figure 9, un autre mode de réalisation de la présente invention utilisé notamment pour réaliser une antenne à fente pliée fonctionnant dans la bande UHF. 2910182 7 Dans ce cas et comme représenté sur la figure 9, sur deux parties de substrat 100, 100' a été gravée une fente 110, 110' dont les brins ont été pliés sensiblement en forme de rectangle. Dans ce cas, pour limiter l'encombrement de l'antenne, les substrats 100, 100' sont placés l'un sur 5 l'autre et connectés l'un à l'autre selon leur bord 101, 101' par des plots conducteurs 102. Comme représenté sur la figure 9, la fente 110 est alimentée par une ligne triplaque 106 qui débouche sur le substrat 107 Le substrat est basé sur un FR4, mutlicouche Er=4.5, tanD=0.02. Dans le cas présent on utilise Io les couches externes pour imprimer les contours de la fente et seule une couche intérieur est utilisée pour la ligne d'excitation triplaque. L'extrémité de la ligne triplaque d'excitation n'est pas court-circuité comme sur les schémas précédents mais présente une longueur telle que le couplage soit optimum pour la bande UHF. is Conformément à la présente invention, des inverseurs de phase 103, 103' sont réalisés dans chaque partie de fente 110 au niveau d'un des coudes de la fente. Ces inverseurs de phase 103, 103' sont constitués respectivement par une ligne métallique reliant un des bords de la fente 110 à son bord opposé, cette ligne métallique se trouvant dans le même plan que 20 le plan de masse 100, 100' et par une autre ligne métallique reliée par un autre pont métallique dans une autre couche du substrat, cet autre pont étant relié aux deux bords de la fente par des plots métalliques. Comme représenté sur la figure 9, chaque plan de masse 100, 100' est muni d'une fente 104, 104' qui débouche dans une zone 25 démétallisée 105, 105', des plans de masse 100, 100'. Cette structure permet de réaliser une antenne compacte pouvant fonctionner dans la bande UHF et être intégrée facilement sur la carte d'un terminal mobile. Les plots 111 au niveau de la pliure assurent la continuité de masse entre les deux niveaux externes de la fente. 30 Les antennes décrites ci-dessus présentent un certain nombre d'avantages. On obtient ainsi un très bon rendement de rayonnement par 2910182 8 rapport à une fente repliée classique. D'autre part, ce type d'antenne peut être facilement intégré à des produits grand public du fait de sa structure planaire. De plus, on peut intégrer facilement un circuit radiofréquences sur la même carte que l'antenne puisque la technologie utilisée est une 5 technologie imprimée. Cette solution est une solution bas coût utilisant une technologie imprimée sur un substrat bas coût. On obtient ainsi des antennes compactes avec des dimensions de l'ordre de 0.22 2,.g à la fréquence centrale de fonctionnement. 15 REVENDICATIONS 1 û Antenne planaire compacte comportant sur un substrat muni d'au moins un plan de masse (11; 100,100') une fente rayonnante (10;110,110') formant au moins un brin plié (10a, 10b) avec des parties de brin parallèles, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un moyen d'inversion de phase (13 ;103,103') entre deux parties de brin successives, le moyen d'inversion de phase étant positionné sur le brin de sorte que les composantes de champ des parties de brin parallèles s'additionnent. Io 2 û Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen d'inversion de phase (13) est constitué par deux ponts (13a, 13b) reliant en croix les deux bords de la fente, le plan de masse comportant au niveau du moyen d'inversion des moyens formant des circuits ouverts. 3 û Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens forment des circuits ouverts sont constitués par des fentes ou découpes (15, 104) dans la plan de masse. 20 4 û Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que le plan de masse comporte des zones dé métallisées (14;105). 5 û Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que les ponts sont réalisés par des éléments discrets connectant les deux bords de 25 la fente. 6 - Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que les ponts sont réalisés par des lignes micro ruban gravées dans deux plans différents du substrat. 30 2910182 Io 7 û Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le substrat comportant les deux brins de l'antenne est replié sur lui-même.