Brevet FR2912266A1 — publié le 20080808

L'invention concerne les antennes à polarisation circulaire ou linéaire et, plus précisément, les antennes présentant un diagramme de rayonnement de révolution autour d'un axe et présentant un maximum de rayonnement dans la direction de cet axe. L'invention concerne plus particulièrement les antennes imprimées planes. D'une façon générale, une antenne imprimée comprend au moins une plaque de substrat diélectrique, un plan de masse constitué par une première surface conductrice déposée sur une première face de la plaque de substrat diélectrique, un élément rayonnant constitué par une seconde surface conductrice déposée sur une seconde face de la plaque de substrat diélectrique en regard du plan de masse et des moyens d'alimentation. Les domaines d'application de cet aérien tels que les télécommunications nécessitent des antennes à l'encombrement toujours plus réduit. Or, la miniaturisation d'une antenne influe sur les fréquences de résonance de la structure et sur ses propriétés radioélectriques qui sont notamment l'adaptation, l'allure du diagramme de rayonnement et la bande passante. En effet, la réduction de taille d'une antenne se traduit généralement par une diminution importante de la bande passante et une dégradation de l'adaptation et du diagramme de rayonnement. Ainsi, les antennes imprimées conventionnelles présentent une bande passante limitée ainsi qu'une adaptation et un taux d'ellipticité non satisfaisants. Un des buts de l'invention est d'améliorer les antennes existantes. Un autre but de l'invention est de proposer une antenne de dimensions réduites conservant des performances équivalentes par rapport à des antennes aux dimensions plus importantes. Un autre but de la présente invention est de proposer une antenne présentant un faible taux d'ellipticité et une bonne adaptation sur une large bande fréquentielle tout en gardant des dimensions réduites. Il est également désirable d'offrir une antenne simplifiée sur le plan de la réalisation présentant une facilité de fabrication et des coûts de production réduits. Ces buts, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite sont atteints à l'aide d'une antenne produisant un diagramme de rayonnement de révolution autour d'un axe géométrique et présentant un maximum de rayonnement dans la direction dudit axe comprenant au moins un élément rayonnant constitué par une première surface conductrice, ledit élément rayonnant étant destiné à être disposé en regard d'une seconde surface conductrice formant plan de masse, l'élément rayonnant et le plan de masse étant séparés par un matériau diélectrique disposé perpendiculairement à l'axe géométrique, caractérisé en ce que le plan de masse comprend des moyens pour générer une fréquence de résonance afin de contrôler la fréquence de fonctionnement de l'antenne. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre donnée à titre d'exemple non limitatif et grâce aux dessins annexés parmi lesquels: - La figure 1 est une vue en coupe transversale d'une antenne selon la présente invention alimentée par une sonde coaxiale; - La figure 2 présente une vue en perspective d'une antenne selon la présente invention; - La figure 3 présente une vue axiale d'une antenne selon la présente invention; - La figure 4 présente une vue axiale du plan de masse de l'antenne des figures 1, 2 et 3. Structure de l'antenne L'antenne illustrée sur les figures 1 et 2 est une antenne imprimée produisant un diagramme de rayonnement de révolution autour d'un axe géométrique X, le maximum de rayonnement de ce diagramme se présentant dans la direction de cet axe (dans la suite on considérera cet axe vertical par convention et par commodité pour la description). Elle est constituée de trois éléments principaux, à savoir, au moins un élément rayonnant 100, un plan de masse 200 et des moyens d'alimentation 300. L'élément rayonnant 100 est constitué par une première surface conductrice placée en regard d'une seconde surface conductrice formant le plan de masse 200, l'élément rayonnant 100 et le plan de masse 200 étant séparés par un matériau diélectrique 400. L'antenne présentée ici est réalisée en technologie planaire imprimée sur un substrat diélectrique 400 d'une certaine épaisseur et disposé perpendiculairement à l'axe X. L'élément rayonnant 100, centré géométriquement sur l'axe géométrique X, est constitué d'un fin conducteur métallique 110 déposé sur la face supérieure du substrat diélectrique 400. Le plan de masse 200, essentiellement de révolution autour de l'axe X, est constitué, quant à lui, d'un fin conducteur métallique 210 imprimé sur la face inférieure du substrat diélectrique 400 en regard de l'élément rayonnant 100. Le plan de masse Concernant la surface conductrice 210 formant plan de masse 200, elle 20 comprend des moyens pour générer une fréquence de résonance du plan de masse 200. Plus précisément, tel qu'illustré sur la figure 4, une ou plusieurs encoches 220 fines sont ménagées dans le plan de masse 200 pour générer une fréquence de résonance de ce dernier. 25 La surface conductrice 210, de forme circulaire, présente un diamètre externe identique à celui du substrat diélectrique 400 et supérieur à celui de l'élément rayonnant 100. Cette surface conductrice 210 peut aussi dans d'autres variantes de réalisation avoir un diamètre différent de celui du substrat diélectrique 400 30 ainsi que inférieur ou bien encore égal à celui de l'élément rayonnant 100. Elle comprend huit encoches 220 fines radiales équi-réparties sur sa périphérie externe. Chacune de ces encoches radiales 220, de forme rectangulaire, s'étend longitudinalement vers la périphérie externe de la surface conductrice 210 où elles débouchent. De préférence, elles présentent toutes des dimensions (profondeur P3 et largeur L3) identiques. Chacune de ces encoches fines 220 constitue un résonateur dont la fréquence de résonance va permettre de définir une fréquence de résonance pour le plan de masse 200 et influer sur la fréquence de fonctionnement de l'antenne comme cela sera décrit plus loin. La fréquence de résonance de ces résonateurs 220 et, par conséquent, la fréquence de résonance du plan de masse 200 peut être ajustée en modifiant leurs dimensions. Par ailleurs, la forme, le nombre et la nature des encoches fines 220 peuvent faire l'objet de nombreuses variantes de réalisations. Ils ne sont pas limités aux illustrations données sur les figures annexées. En particulier, on peut prévoir de ménager dans le plan de masse 200 des encoches fines radiales faisant saillie de la périphérie externe du plan de masse 200. L'élément rayonnant Par ailleurs, tel qu'illustré sur les figures 2 et 3, l'élément rayonnant 100 n'est pas plan mais présente également des encoches. Plus précisément, l'élément rayonnant 100, de forme circulaire, comprend une série d'encoches rayonnantes larges 120 et une série d'encoches rayonnantes fines 130. Le diamètre de l'élément rayonnant 100 et les dimensions des encoches rayonnantes fines 130 permettent de définir les fréquences de résonance de l'élément rayonnant 100 et, par conséquent, les fréquences de fonctionnement de l'antenne. Par ailleurs, la position relative des encoches larges 120 et du point d'alimentation 321 de l'élément rayonnant 100 ainsi que les dimensions des encoches 120 déterminent le mode de rayonnement de l'antenne et la qualité de discrimination de la polarisation de cette dernière. L'élément rayonnant 100 comprend deux encoches rayonnantes larges 120 de forme rectangulaire. Ces encoches rayonnantes 120 sont radiales et s'étendent latéralement vers la périphérie externe de l'élément rayonnant 100 où elles débouchent. Elles sont diamétralement opposées et disposées à + 45 et + 225 du point d'alimentation 321 définissant une antenne à polarisation circulaire droite comme cela sera décrit plus loin. Dans l'exemple illustré sur la figure 3, elles présentent une largeur L1 et une profondeur P1 supérieures respectivement à la largeur L2 et la profondeur P2 des encoches rayonnantes fines 130. Ces encoches rayonnantes fines 130 sont au nombre de huit équi réparties sur la périphérie externe de l'élément rayonnant 100. Elles sont radiales et s'étendent longitudinalement vers la périphérie externe de l'élément rayonnant 100 où elles débouchent. Deux de ces encoches rayonnantes fines 130 coïncident avec les encoches rayonnantes larges 120. Leur profondeur P2 étant plus petite que la profondeur P1 des encoches larges 120, elles ne sont pas visibles sur les figures 2 et 3. De plus, sur la figure 3, l'ensemble des encoches fines 130 est agencé de 20 façon à être superposées aux encoches fines 220 présentes dans le plan de masse 200. Toutefois, une autre variante de réalisation propose de ne pas superposer les encoches fines 130 et 220 respectives de l'élément rayonnant 100 et du plan de masse 200. 25 La forme de l'élément rayonnant 100 ainsi que la forme, les dimensions et le nombre des encoches 120, 130 peut faire l'objet de nombreuses variantes de réalisation. Ils ne sont pas limités aux illustrations données sur les figures annexées. En particulier, on peut prévoir un élément rayonnant 100 de forme carrée 30 ou rectangulaire. Les moyens d'alimentation Par ailleurs, le plan de masse 200 est relié électriquement à un point d'alimentation 311 constitué par l'armature 310 d'une sonde coaxiale 300 comprenant également une âme centrale 320, ladite sonde coaxiale 300 formant les moyens d'alimentation de l'antenne. L'âme centrale 320 de la sonde coaxiale, portée à un potentiel différent de celui de l'armature 310, se prolonge, au delà du plan de masse 200, vers l'élément rayonnant 100 pour constituer un fil d'alimentation. Ce fil d'alimentation 320 s'arrête au niveau de l'élément rayonnant 100 au point d'alimentation précité 321. Quant à l'armature 310, elle ne se prolonge pas au delà du plan de masse 200. Le fil d'alimentation 320 est ainsi excité à une extrémité par la sonde coaxiale 300 et chargé par l'élément rayonnant 100 à l'extrémité opposée. Par ailleurs, d'autres variantes de moyens d'alimentation de l'antenne peuvent être proposées. Ainsi, la sonde coaxiale 300 peut être remplacée par d'autres alimentations par contact telles que l'alimentation par ligne micro ruban ou l'alimentation à la fois par ligne et par sonde ou encore par des alimentations par couplage comme l'alimentation par fente ou par ligne micro ruban d'alimentation dans le plan de l'élément rayonnant 100. Le principe de fonctionnement de l'antenne En réalisant des encoches fines 220 et 130 dans le plan de masse 200 et dans l'élément rayonnant 100, on contrôle la fréquence de fonctionnement de l'antenne sans en modifier son encombrement. D'une part, les encoches rayonnantes fines 130 sur l'élément rayonnant 100 sont des obstacles sur le chemin des lignes de courant de l'antenne excitée. Ces dernières doivent les contourner, ce qui augmente leur longueur électrique effective et permet de diminuer la fréquence de résonance d'un mode particulier de l'antenne. L'élément rayonnant 100 parait plus grand électriquement que ces dimensions physiques réelles. Ainsi, préférentiellement, les encoches 130 sont agencées de façon perpendiculaire aux lignes de courant du mode fondamental de fonctionnement de l'antenne. Ainsi, cela permet d'obtenir une antenne de taille réduite optimale à une fréquence donnée. D'autre part, l'ajout d'encoches 220 suffisamment étroites dans le plan de masse 200 constituant des résonateurs permet de créer de nouvelles résonances de l'antenne. De manière schématique, l'antenne présente, pour un mode particulier, une première résonance correspondant à la résonance de l'élément rayonnant 100 à une première fréquence de résonance fi. Une résonance supplémentaire créée par les encoches fines 220 dans le plan de masse 200 donne une seconde fréquence de résonance f2. L'antenne possède alors une bande fréquentielle plus large découlant de ces résonances multiples. La fréquence de résonance f2 des résonateurs 220 est couplée avec celle de l'élément rayonnant 100. La combinaison de ces résonances a pour effet l'obtention d'une plus large bande fréquentielle pour l'antenne. Les fréquences de fonctionnement de l'antenne sont ajustées par l'optimisation des dimensions des différents éléments (élément rayonnant 100, plan de masse 200, encoches fines 220 ,130), de leurs agencements les uns par rapport aux autres et du choix des paramètres du substrat diélectrique 400. Ainsi, il est possible de modifier les dimensions des encoches fines 220 et 130 afin d'obtenir un comportement multifréquence de l'antenne au lieu d'un comportement de large bande fréquentielle. Pour cela, la fréquence de résonance f2 du plan de masse 200 doit être suffisamment distincte de celle de l'élément rayonnant 100. Par ailleurs, sur la bande de fréquence de fonctionnement relative élargie, l'antenne génère soit une polarisation circulaire soit une polarisation linéaire suivant la géométrie de l'antenne et la présence ou non des encoches larges 120. On rappelle que l'axe géométrique X est l'axe de révolution du diagramme de rayonnement de l'antenne. Un maximum de rayonnement est émis dans la direction définie par l'axe de symétrie X. La création des déformations 120 dans la structure de l'antenne permet l'apparition de la polarisation circulaire. Plus précisément, l'introduction des encoches rayonnantes larges 120 dans un plan situé à 45 du point d'alimentation 321 de l'élément rayonnant 100 permet d'exciter deux modes de rayonnement orthogonaux modl et mod2 de même amplitude et déphasés de 90 comme illustré sur la figure 3. La composition de ces différents rayonnements produit alors une polarisation circulaire droite observée avec un maximum de rayonnement dirigé suivant l'axe géométrique X. L'exemple illustré sur les figures 2 et 3 est un exemple non limitatif d'antenne à polarisation circulaire. D'autres variantes de réalisation de moyens pour générer une antenne à polarisation circulaire peuvent être proposés. En particulier, la polarisation circulaire peut être obtenue par excitation, en deux points d'alimentation de l'élément rayonnant 100, de deux ondes à polarisation linéaire orthogonale de même amplitude et déphasées de 90 . Par ailleurs, en l'absence des encoches larges 120 sur l'élément rayonnant 100, l'antenne présente une polarisation linéaire avec un maximum de rayonnement dirigé dans la direction de l'axe géométrique X. L'antenne proposée est de taille réduite et très compacte du fait de la présence des encoches minces 130 et 220 sur l'élément rayonnant 100 et le plan de masse 200. Ainsi, le diamètre de l'élément rayonnant 100 est de l'ordre de 0,2524 étant la longueur d'onde de travail choisie. Par ailleurs, avec la présence des encoches fines 220 dans le plan de masse 200, l'antenne présente des performances accrues sur une large bande de fréquence que ce soit pour l'adaptation et le taux d'ellipticité. Ainsi pour un même substrat et des fréquences de travail comparables, l'adaptation demeure inférieure à -10 dB pour une bande de fréquence relative de l'ordre de 9% contre 3% pour une antenne classique sans encoches ou bien avec encoches seulement dans l'élément rayonnant, ce qui souligne le caractère large bande de la présente antenne. De même, un taux d'ellipticité inférieur à 5 dB peut être obtenu sur une bande de fréquences relative de l'ordre de 4 % contre environ 1,5 % pour une antenne classique sans encoches ou bien avec des encoches seulement dans l'élément rayonnant 100. Il est également possible d'élargir la bande de fréquences en optimisant les paramètres du substrat tels que la hauteur ou la constante diélectrique et les dimensions des encoches et d'obtenir des performances intéressantes sur la bande choisie. Ainsi, en plus des encoches dans le plan de masse et en augmentant l'épaisseur de substrat, il est possible d'atteindre un taux d'ellipticité meilleur que 5 dB sur une bande de fréquences relative de l'ordre de 7%. Avec la structure de l'antenne présentée, on obtient ainsi un fonctionnement en large bande ou en multifréquence tout en conservant une polarisation satisfaisante. Elle présente notamment une application dans le cadre de gammes de fréquences proches comme les fréquences GPS et Iridium ou Galileo et Iridium. Revendications 1. Antenne produisant un diagramme de rayonnement de révolution autour d'un axe géométrique et présentant un maximum de rayonnement dans la direction dudit axe comprenant au moins un élément rayonnant (100) constitué par une première surface conductrice, ledit élément rayonnant (100) étant destiné à être disposé en regard d'une seconde surface conductrice formant plan de masse (200), l'élément rayonnant (100) et le plan de masse (200) étant séparés par un matériau diélectrique (400) disposé perpendiculairement à l'axe géométrique, caractérisé en ce que le plan de masse (200) comprend des moyens pour générer une fréquence de résonance afin de contrôler la fréquence de fonctionnement de l'antenne. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens pour générer une fréquence de résonance comprennent au moins une encoche (220) ménagée dans le plan de masse (200). 3. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdits moyens pour générer une fréquence de résonance comprennent une série d'encoches (220) équi réparties sur la périphérie externe du plan de masse (200). 4. Antenne selon l'une des revendications 2 à 3, caractérisée en ce que les encoches (220) du plan de masse (200) sont radiales et s'étendent vers sa périphérie externe où elles débouchent. 5. Antenne selon l'une des revendications 2 à 3, caractérisée en ce que les encoches (220) du plan de masse (200) sont radiales et font saillie de la périphérie externe du plan de masse (220). 6. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'élément rayonnant (100) présente, sur sa périphérie externe, unesérie d'encoches rayonnantes (130) superposées ou non aux encoches (220) du plan de masse (200). 7. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est à polarisation circulaire ou à polarisation linéaire. 8. Antenne selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'élément rayonnant (100) présente des moyens (120) pour exciter deux modes de rayonnement orthogonaux de même amplitude et déphasés de 90 . 9. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'alimentation (300) appartenant au groupe comprenant : l'alimentation par sonde coaxiale, l'alimentation par ligne micro ruban, l'alimentation à la fois par ligne et par sonde coaxiale, l'alimentation par fente ou l'alimentation par ligne micro ruban d'alimentation dans le plan de l'élément rayonnant (100).