Brevet FR2922687A1 — publié le 20090424

ANTENNE COMPACTE A LARGE BANDE L'invention porte sur les antennes, en particulier les antennes dites large bande, intégrées dans les systèmes de positionnement par satellite. Dans un système de positionnement par satellites, la localisation d'un objet, c'est-à-dire la détermination de ses coordonnées d'espace x, y, z, s'effectue de façon connue par la détermination du temps de propagation z d'une onde hyperfréquence particulière entre chaque satellite et l'objet, le temps de propagation permettant de déterminer la distance de l'objet au satellite. La connaissance de la distance par rapport à au moins quatre satellites permet ensuite de déterminer sa position dans un repère d'espace absolu. Actuellement les antennes large bande utilisées au sein des systèmes de positionnement, sont des antennes particulièrement encombrantes (par exemple les antennes dites à hélice) à tel point qu'elles ne peuvent être intégrées sur les dernières générations de système GPS notamment. Par ailleurs, ces antennes sont susceptibles de ne pas être 20 compatibles avec d'autres systèmes, en raison notamment de leur manque de compacité. L'invention vise notamment à apporter une solution à ce problème. Un but de l'invention est de proposer une antenne compacte, pouvant notamment être incorporée au sein des systèmes de 25 positionnement par satellite. Un autre but de l'invention est de proposer une utilisation de l'antenne selon l'invention, au sein d'un système de positionnement par satellite. Selon un aspect de l'invention, il est proposé une antenne 30 comprenant un élément rayonnant monté au-dessus d'un réflecteur sensiblement plan. 2 2922687 Selon une caractéristique générale de cet aspect de l'invention, l'élément rayonnant est sensiblement plan. Le réflecteur comporte : - un réseau périodique métallique de motifs réguliers en deux dimensions, et 5 - un plan de masse formé par la face inférieure de la surface de type haute impédance, chaque motif du réseau périodique étant respectivement connecté au plan de masse. Autrement dit, l'antenne est très compacte grâce notamment à la structure utilisée pour former son réflecteur. 10 Cette structure compacte permet l'intégration de l'antenne au sein des systèmes de positionnement par satellite, notamment les systèmes de dernière génération. Par ailleurs, l'antenne conserve un rendement élevé tout en ayant un coût de fabrication réduit du fait de la simplicité de sa réalisation. 15 Par exemple, l'élément rayonnant peut être de type spirale. Plus précisément, ledit élément rayonnant peut être une spirale d'Archimède à 2 ou 4 brins rayonnants, réalisée sur un support diélectrique. Selon un mode de réalisation, l'antenne est apte à fonctionner pour des signaux dont la fréquence est comprise entre 1.15 GHz et 1.595 GHz. Selon un mode de réalisation, les motifs sont séparés les uns des autres par un espace de l'ordre de 3mm. Selon un mode de réalisation, le diamètre d'un cercle inscriptible à l'intérieur du réflecteur est de l'ordre de 155mm. Selon un mode de réalisation, le diamètre extérieur de l'élément rayonnant est de l'ordre de 106 mm. Selon un mode de réalisation, l'élément rayonnant est imprimé sur une mousse isolante. Selon un mode de réalisation, les motifs du réseau sont de forme 30 carrée. Selon un mode de réalisation, la distance ente le réflecteur et l'élément rayonnant est de l'ordre de 1/50ème de la longueur d'onde 3 2922687 correspondant à la fréquence inférieure de la bande de fréquences de fonctionnement de l'antenne. Selon un autre aspect, il est proposé une utilisation d'une antenne tel que décrit ci-avant, au sein d'un système de positionnement par 5 satellite. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation de l'invention et de mise en oeuvre d'un procédé de fabrication de l'invention nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : 10 - la figure 1 représente un mode de réalisation d'une antenne selon l'invention ; - la figure 2 représente une vue en coupe d'un mode de réalisation d'une antenne selon l'invention ; et - la figure 3 illustre un exemple de réalisation d'une antenne selon 15 l'invention. On se réfère à la figure 1 sur laquelle est représentée une antenne référencée ANT. Cette antenne ANT comprend un élément rayonnant ELR disposé au-dessus d'un réflecteur couramment appelé une surface de type haute 20 impédance SHI (dite de � Sievenpiper �) par l'homme du métier. Dans cet exemple, l'élément rayonnant ELR est de type � large bande �. La notion de � large bande � peut être définie de différentes façons. Par exemple, on considère que l'élément rayonnant est de type � large bande � s'il peut émettre des signaux appartenant à une bande de 25 fréquences [Fmin, Fmax,], telle que la largeur de la bande de fréquences LBF soit supérieure à un pourcentage X choisi : LBF = FinaxF F>_ X%, avec 0 F =Fin+Fx 0 2 De préférence, ce pourcentage X peut être égal à 30%, cette valeur pouvant caractériser les antennes dites � large bande � pour certaines utilisations. 4 Il est également possible de définir la notion de � large bande �, par le fait que les signaux émis appartiennent à une bande de fréquences [Fmin, Fmax,], tel que Fmax=k*Fmin, avec par exemple k>8. Classiquement, la bande de fréquences précitée possède même une largeur de bande supérieur à la décade (k>10). L'élément rayonnant ELR peut être de type spirale. Sur cet exemple en particulier, l'élément rayonnant est une spirale d'Archimède à 2 brins rayonnants. Mais l'antenne ANT pourrait être réalisée à l'aide d'une spirale d'Archimède à 4 brins rayonnants ou encore à l'aide d'une spirale équiangulaire. Il est bien connu de l'homme du métier que les deux brins rayonnants sont alimentés en opposition de phase à l'aide d'une alimentation adaptée, non représentée sur la figure 1, à des fins de simplification. De préférence, on utilisera une alimentation dite � balun � (pour � balanced to unbalanced � en langue anglaise). Ce type d'alimentation permet d'effectuer la liaison entre une ligne de transmission symétrique (ici les brins rayonnants) et une ligne de transmission asymétrique (par exemple un câble coaxial ou une ligne imprimée sur un plan de masse). L'élément rayonnant ELR est par exemple imprimé sur un matériau diélectrique, ici une mousse isolante MS. L'élément rayonnant ELR peut également être de type papillon, en forme de � 8 �. La surface de type haute impédance SHI illustrée sur la figure 1 est encore appelée surface de � Sievenpiper �. Elle est formée d'un réseau RS de motifs, encore appelés pastilles (ou patchs) métalliques, périodique en deux dimensions. Sur la figure 1, le motif PTH du réseau RS possède une forme carrée, mais il peut avoir une autre forme, hexagonale ou triangulaire par exemple. Les carrés sont séparés les uns des autres par un mince espace GP. Chaque motif PTH est relié à un plan de masse PM formé par la face inférieure de la surface de type haute impédance SHI. La connexion entre le réseau RS et le plan de masse PM se fait à l'aide de vias décrits plus en détail ciûaprès. Les motifs PTH sont par exemple imprimés sur un support isolant référencé MDI dans cet exemple. La surface de type haute impédance telle que représentée sur la figure 1 a l'avantage d'empêcher la propagation des courants de surface, sous certaines conditions d'utilisation. Au sein des antennes classiques, la proximité de l'élément rayonnants et du réflecteur métallique entraîne la génération de ces courants de surface s'opposant au courant circulant dans l'élément rayonnant. Les conséquences de l'apparition de ces courants de surface sont une réduction de la bande passante de l'antenne, une faible efficacité de rayonnement ainsi qu'une dégradation des diagrammes de rayonnement, c'est-à-dire une diminution de la puissance rayonnée par l'antenne, par unité d'angle solide dans les différentes directions de l'espace. Les motifs PTH sont de dimensions très faibles par rapport à la longueur d'onde des signaux émis par l'antenne ANT. Ces faibles dimensions font apparaître des éléments capacitifs CPTH et inductifs LPTH comme représenté sur la figure 2. Cette figure 20 représente une vue en coupe de la surface de type haute impédance SHI. Des vias VI relient le réseau RS et le plan de masse MS. Ainsi, la surface de type haute impédance SHI peut être modélisée par un circuit LC parallèle. L'élément capacitif C (capacité équivalente à la valeur de l'ensemble des éléments capacitifs CPTH) du circuit est lié à 25 l'écartement des patchs métalliques PTH alors que l'effet inductif L (effet inductif équivalent à la valeur de l'ensemble des éléments inductifs LPTH) est introduit par la présence des vias VI reliant les patchs PTH au plan de masse PM. Chaque flèche réalisée entre les patchs PTH et le plan de masse 30 PM symbolise la circulation d'un courant. 6 2922687 En adoptant cette représentation simplifiée, l'impédance de la surface de type haute impédance SHI est équivalente à celle d'un circuit résonnant : Z = ZLZc = jLw où ZL +Zc 1ûLCw2 5 Z est l'impédance de la surface de type haute impédance ; Zc est la valeur de l'élément capacitif de la surface de type haute impédance ; ZL est la valeur de l'effet inductif de la surface de type haute impédance. 10 La valeur de l'effet inductif L est d'autant plus importante que la longueur des vias VI est grande, tandis que la valeur de l'élément capacitif C est d'autant plus importante que l'écart entre les patchs PTH est faible. Pour des raisons de réalisation, l'écart entre les patchs PTH ne peut atteindre des dimensions très petites et pour des raisons d'intégration de 15 la surface de type haute impédance SHI, la hauteur des vias ne peut être trop élevées. Des exemples de dimensions seront donnés ultérieurement. La valeur de la capacité de la surface de type haute impédance SHI est données par l'équation suivante : C = wsHI (el + 62) cosh-' (2wsxr) où g 5111 C correspond à la valeur de la capacité de la surface de type haute impédance SHI en Farad par unité de surface ; wsH, correspond à la largeur de chaque patch de la surface de type haute impédance ; s, correspond à la permittivité du milieu diélectrique référencé MDI ; s2 correspond à la permittivité du milieu diélectrique référencé MS ; et gsHI correspond à la largeur de l'espace existant entre chaque patch. 7 2922687 La valeur de l'inductance équivalente de la surface de type haute impédance est données par : L=,uo,urh, où - L correspond à la valeur de l'inductance équivalente de la surface 5 de type haute impédance en Henry par unité de surface ; -,uo correspond à la perméabilité du vide (en H/unité de surface), et - ,ur correspond à la perméabilité (sans dimension) relative du matériau diélectrique référencé MDI. La fréquence de résonnance fo de la surface de type haute 10 impédance est donnée par : 1 fo = LC Les surfaces de type à haute impédance ont comme propriété, du point de vue électromagnétique, de n'autoriser la propagation d'ondes magnétiques sur leur surface que pour certaines fréquences. En d'autres 15 termes, les surfaces de type à haute impédance se comportent comme des surfaces homogènes qui posséderaient une très haute impédance. A l'inverse, la propagation des ondes de surface n'est pas autorisée pour une bande de fréquences appelée � bande interdite �. Cette bande interdite est centrée sur la fréquence de résonnance fo de la 20 surface de type à haute impédance. Autrement dit, les ondes incidentes sur ce type de surface sont réfléchies avec un déphasage nul. La bande de fréquences des signaux pour lesquels l'antenne ANT fonctionne correspond à la bande interdite de la surface de type à haute impédance. 25 Plus précisément, la bande interdite est définie par la phase cp du coefficient de réflexion de la surface de haute impédance, le coefficient de réflexion s'écrivant sous la forme IpI eJ''. La phase cp du coefficient de réflexion d'une surface de haute impédance varie entre -90° et +90°. Ainsi, le réflecteur réalisé à l'aide d'une surface de type haute 30 impédance, ne perturbent pas les signaux émis par l'antenne. 8 2922687 A titre d'exemple, l'ensemble des propriétés électromagnétiques des surfaces de type haute impédance dite de Sievenpiper sont décrites dans l'article � D. Sievenpiper, L. Zhang, R.F.J. Broas, N.G. Alexopolous, and E. Yablonovitch, "High-impedance electromagnetic surfaces with a 5 forbidden frequency band," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques , Vol. 47, No. 11, pp. 2059-2074, Nov. 1999 �. La figure 3 illustre un exemple de réalisation d'une antenne selon l'invention, avec un dimensionnement des différents éléments adapté à une antenne fonctionnant dans la bande de fréquences [1.15 GHz, 10 1.595GHz]. Au cours d'une première étape 1, on dimensionne la surface de type haute impédance. Ce dimensionnement est effectué de façon que la fréquence de résonnance de la surface de type haute impédance soit située au milieu de la fréquence de fonctionnement de l'antenne (bande 15 interdite du point de vue de la surface de type haute impédance). Par exemple, si l'antenne est incorporée dans un système de positionnement par satellites (tel que GPS ou GALILEO), la fréquence de résonnance se situe entre les valeurs 1.15 GHz et 1.595GHz. Un exemple de dimensions de la surface de type haute impédance 20 est donné ci-après. Puis, on dimensionne 2 l'élément rayonnant pour que l'antenne puisse effectivement fonctionner dans la plage de fréquence choisie. Un exemple de dimensions de l'élément rayonnant est donné ci-après. 25 Enfin, on place 3 l'élément rayonnant au-dessus de la surface de type haute impédance. Par exemple, l'élément rayonnant est disposé à une distance égale à 1 /50ème de la longueur d'onde correspondant à la fréquence inférieure de la bande de fréquences de fonctionnement de l'antenne. On obtient de cette façon une antenne bien adaptée à l'application choisie, à savoir un fonctionnement large bande, avec un rendement élevé tout en étant compacte. L'efficacité de rayonnement de l'antenne est ainsi optimale malgré une épaisseur relativement faible de l'ordre de 1113ème de la longueur d'onde à la fréquence minimale de la bande de fréquences choisie. Ainsi, pour obtenir la même efficacité de rayonnement avec un réflecteur métallique, l'élément rayonnant devrait être placé à une distance correspondant à 1 de la longueur d'onde. Cette distance rendrait impossible l'intégration de l'antenne correspondante au sein d'un système de positionnement par satellite, et limiterait son fonctionnement à une bande étroite de fréquence. A titre d'exemple, les dimensions des différents éléments constitutifs de l'antenne pour un fonctionnement large bande peuvent être (cf. la figure 1) : - pour la surface de type haute impédance : WSH1 = 22mm, gsHI = 3mm, q5 J =155mm (OsH, étant le diamètre d'un cercle inscriptible dans la surface de type haute impédance), hsHI= 14mm et ESHI = 2.2 ; - pour l'élément rayonnant : Ç ELR= 106mm (q' ELR étant le diamètre externe de l'élément rayonnant), epELR= 0.127mm, EELT= 2.94 ; et - pour le matériau diélectrique sur lequel est réalisé l'élément rayonnant : epMs=5mm, E1= 1.07. Bien entendu, ces exemples de dimensions sont donnés à titre indicatif. Elles peuvent varier autour des valeurs indiquées, en fonction de l'application à laquelle est destiné le système incorporant l'antenne. REVENDICATIONS 1. Antenne (ANT) comprenant un élément rayonnant (ELR) monté au-dessus d'un réflecteur sensiblement plan, caractérisé par fait que l'élément rayonnant (ELR) est sensiblement plan, et que le réflecteur (SHI) comporte : - un réseau périodique (RS) métallique de motifs réguliers en deux dimensions, et - un plan de masse (PM) formé par la face inférieure de la surface 10 de type haute impédance, chaque motif du réseau périodique (RS) étant respectivement connecté au plan de masse (PM). 2. Antenne (ANT) selon la revendication 1, dans lequel l'élément rayonnant est de type spirale. 3. Antenne (ANT) selon la revendication 2, dans laquelle ledit 15 élément rayonnant est une spirale d'Archimède à 2 ou 4 brins rayonnants réalisée sur un support diélectrique. 4. Antenne (ANT) selon l'une des revendications précédentes, apte à fonctionner pour des signaux dont la fréquence est comprise entre 1.15 GHz et 1.595 GHz. 20 5. Antenne (ANT) selon la revendication précédente, les motifs (PTH) sont séparés les uns des autres par un espace de l'ordre de 3mm. 6. Antenne (ANT) selon l'une des revendications 4 ou 5, dans lequel, le diamètre d'un cercle inscriptible à l'intérieur du réflecteur (SHI) est de l'ordre de 155mm. 25 7. Antenne (ANT) selon l'une des revendications 4 à 6, dans lequel le diamètre extérieur de l'élément rayonnant (ELR) est de l'ordre de 106 mm. 8. Antenne (ANT) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'élément rayonnant est imprimé sur une mousse isolante (MS). 30 9. Antenne (ANT) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les motifs (PTH) du réseau (RS) sont de forme carrée. 10. Antenne (ANT) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la distance ente le réflecteur (SHI) et l'élément rayonnant (ELR) est de l'ordre de 1/50ème de la longueur d'onde correspondant à la fréquence inférieure de la bande de fréquences de fonctionnement de l'antenne. 11. Utilisation d'une antenne (ANT) selon l'une des revendications précédentes, au sein d'un système de positionnement par satellite.