Brevet FR2911725A1 — publié le 20080725

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention est relative aux antennes ou éléments d'antennes monopôles ultra-large bande présentant un rayonnement à caractère omnidirectionnel dans un plan perpendiculaire à un axe de symétrie central de l'antenne. L'invention trouve notamment application dans le domaine de la radio ultra-large bande. 0 ETAT DE LA TECHNIQUE Le développement des applications radio mobiles ainsi que le développement de nouvelles normes de télécommunication impliquent des 15 débits de transmission de données de plus en plus élevés. Actuellement, la technologie ultra-large bande visant des applications dans la bande comprise entre 3,1 GHz et 10,6 GHz, est une bonne candidate quant à proposer de hauts débits. Dans le cadre du développement de dispositifs de télécommunication 20 autour de la technologie ultra-large bande, des antennes dédiées ont été développées. Outre le fait que ces antennes doivent être à bande ultra large, elles doivent également avoir un rayonnement omnidirectionnel offrant une bonne couverture et de bonnes performances, c'est-à-dire entre autres maintenir une 25 stabilité de ses performances (directivité, gain etc.). On connaît des antennes monopôles ultra-large bande, en particulier planaires. Bien que ces antennes permettent de couvrir une large bande, leur caractère omnidirectionnel se dégrade lorsque la fréquence augmente, ceci limite 30 donc leur utilisation lorsque l'objectif est d'obtenir des débits de plus en plus élevés. Afin d'améliorer le caractère omnidirectionnel des antennes ultra-large bande, de nouvelles structures ont récemment été développées. 2 2911725 Cependant, bien que performantes, ces antennes restent complexes et coûteuses à mettre en oeuvre et ne satisfont pas toujours aux contraintes de rayonnement omnidirectionnel souhaité. 5 PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention propose une structure d'antenne ou d'élément d'antenne monopôle ultra-lame bande présentant un rayonnement omnidirectionnel, et pouvant se réaliser de manière simple et à faible coût. Elle propose par conséquent une antenne ou élément d'antenne monopôle ultra-large bande omnidirectionnelle comprenant au moins deux éléments métalliques, caractérisé en ce que les éléments métalliques sont distribués de manière régulière autour d'un axe de symétrie central de ladite antenne. L'invention concerne également des dispositifs de télécommunication comportant au moins une telle antenne ou élément d'antenne monopôle ultra-large bande. Elle propose en outre un procédé de fabrication d'une antenne ou élément d'antenne monopôle ultra-large bande omnidirectionnelle comprenant au moins 0 deux éléments métalliques caractérisé en ce que les éléments métalliques sont découpés d'une pièce dans une même feuille métallique. PRESENTATION DES FIGURES 25 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 illustre la structure d'une antenne à trois branches, la figure 2 illustre un élément d'antenne à trois branches, 30 la figure 3 illustre un exemple de branche présentant un profil longitudinal et un profil transversal non rectilignes, - la figure 4 illustre quelques exemples de motifs pour les branches de l'antenne, la figure 5 illustre quelques exemples de profils pour les profils 35 longitudinaux des branches de l'antenne, 3 2911725 la figure 6 illustre quelques exemples de profils pour les profils transversaux des branches de l'antenne, - la figure 7 illustre un mode de réalisation de l'antenne à trois branches de la figure 1, 5 - la figure 8 illustre le dimensionnement d'une antenne à quatre branches, la figure 9 illustre la réponse en adaptation de l'antenne à quatre branches de la figure 8, - la figure 10 illustre les réponses en transmission dans huit 10 directions du plan azimutal de l'antenne à quatre branches de la figure 8. DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE REALISATION ET DE MISE EN OEUVRE 15 Structure Sur la figure 1 est donné un exemple d'une antenne monopôle ultra-large bande omnidirectionnelle comprenant trois éléments métalliques 14, 15 et 16 que l'on appellera branches dans la suite de la description. De manière générale l'antenne de l'invention comprend n branches où n 20 est supérieur ou égal à deux. Les branches de l'antenne sont distribuées de manière régulière autour d'un axe de symétrie AA' central de l'antenne. Il est à noter que les branches constituent un monopôle. Les branches sont disposées en regard d'un plan de masse 11. L'axe de 25 symétrie AA' de l'antenne est perpendiculaire au plan de masse 11. Les branches de l'antenne sont orientées dans une direction opposée à la position du plan de masse 11 selon un certain profil. De manière plus générale, les branches de l'antenne sont orientées dans une direction s'étendant à partir d'un point 17 du plan P commun aux dits 30 éléments métalliques et opposée à ce plan P, celui-ci étant perpendiculaire à l'axe de symétrie AA' de l'antenne, comme cela est illustré sur la figure 2. Les branches sont alimentées au moyen d'une sonde coaxiale 12 connectée en un point 17, commun à toutes les branches, situé à la base de celles-ci. Le conducteur externe 13 de la sonde 12 est quant à lui connecté au 35 plan de masse 11. 4 2911725 Les branches sont à géométrie et profils identiques et présentent un axe de symétrie BB'. Les branches présentent en outre la particularité d'avoir une géométrie très étroite à leur base, c'est-àdire leur extrémité inférieure, quasi-ponctuelle 5 (connectée à la sonde d'excitation 12), et une géométrie beaucoup plus évasée à leur extrémité supérieure. Les branches présentent également un profil tridimensionnel de par la courbure qui leur est donnée. Elles présentent une courbure donnée, d'une part, le long de leur axe 10 longitudinal BB' et, d'autre part, suivant la direction transversale à cet axe BB'. Sur l'exemple de la figure 1, les branches 14, 15 et 16 de l'antenne correspondent à des motifs géométriques de forme triangulaire, avec un profil longitudinal incurvé dans la direction opposée à celle du plan de masse (ou plus généralement dans la direction opposée à celle du plan P). 15 L'antenne telle que décrite offre de nombreuses possibilités quant à la définition de sa structure. Il est notamment possible de choisir le nombre de branches de l'antenne, leur facteur de forme, notamment leur géométrie et leurs profils (longitudinal et transversal), leurs dimensions physiques, ainsi que la distribution des branches 20 autour de l'axe de symétrie AA' de l'antenne. La figure 3 illustre une branche orientée dans la direction opposée au plan P. Sur cette figure la branche présente un profil longitudinal 42 non rectiligne et un profil transversal 41 non rectiligne, ces profils peuvent aussi être rectilignes. Il est entendu par profil longitudinal d'une branche, la coupe de la branche 25 selon un plan contenant les axes BB' et AA' et par profil transversal d'une branche la coupe de la branche par un plan perpendiculaire à l'axe AA'. De manière non limitative, la figure 4 illustre quelques exemples possibles de motifs (ou surfaces) que l'on peut donner aux branches. La géométrie des branches est évasée par rapport à l'axe de symétrie 30 BB'. Sur la figure 4a, la branche a la forme d'un triangle isocèle. Le triangle peut aussi être équilatéral. Dans le cas de la figure 4a, la branche s'évase vers la base du triangle. La hauteur du triangle est l'axe de symétrie BB' de la branche. 5 2911725 Sur la figure 4b, la branche présente un motif à bords concaves par rapport à l'axe de symétrie BB' de la branche. Sur les figures 4c et 4d, la branche présente un motif à bords convexes par rapport à l'axe de symétrie BB' de la branche. 5 Sur la figure 4e, la branche présente un motif à bords ondulés par rapport à l'axe de symétrie BB' de la branche. Sur les motifs des branches de la figure 4, il est à noter que l'extrémité supérieure peut-être soit droite, soit convexe ou concave par rapport à l'extrémité inférieure des motifs. 10 On rappelle que l'extrémité inférieure est la partie quasi-ponctuelle de la branche et que l'extrémité supérieure est la partie la plus évasée de la branche. Le motif des branches choisi il s'agit de les profiler afin qu'elles soient positionnées dans la direction opposée au plan de masse 11, ou plus généralement dans la direction opposée au plan P perpendiculaire à l'axe de 15 symétrie AA' de l'antenne passant par le point commun à toutes les branches. De manière non limitative, la figure 5 illustre quelques exemples possibles quant au profil longitudinal 42 que l'on peut donner aux branches. Le profil 42 de la figure 5a est de forme droite, rectiligne. Le profil 42 peut être concave (cf. figure 5b), la concavité peut-être plus ou 20 moins prononcée. Le profil 42 peut aussi être convexe (cf. figure 5c) ou de forme ondulée (cf. figure 5d ou 5e). Ces profils ont une allure recourbée permettant de favoriser l'orientation des branches de l'antenne, vers le haut, dans une direction opposée à la position du plan de masse 11 en regard duquel elles seront disposées. 25 La figure 6, illustre quelques exemples de profils transversaux 41. Il s'agit de profils en vue de dessus. Le profil de la figure 6a est de forme droite. Le profil 41 peut être concave (cf. figure 6b ou figure 6c), la concavité peut-être plus ou moins prononcée. Le profil 41 peut aussi être convexe (cf. figure 6e) ou de forme ondulée (cf. figure 30 6d). C'est par le choix du nombre de branches, de leur facteur de forme, de leurs dimensions physiques, ainsi que de leur distribution spatiale autour de l'axe de symétrie AA' de l'antenne qu'il est possible d'optimiser la 6 2911725 fréquence minimale de fonctionnement, la largeur de la bande passante, le niveau d'adaptation et l'allure du diagramme de rayonnement de l'antenne, ainsi que la stabilité de ce diagramme et des performances associées (directivité, gain, etc.) sur toute la bande de fréquence. 5 Compte tenu des applications visées par l'antenne de l'invention, il convient d'avoir une bande passante qui soit la plus large possible. Le caractère large bande doit être associé à un rayonnement de nature omnidirectionnelle, dans le cas présent, dans le plan perpendiculaire à l'axe de symétrie AA' de l'antenne, et cela sans dispersion des caractéristiques de 10 rayonnement en fonction de la fréquence. C'est la longueur physique des branches qui conditionne la fréquence minimale de fonctionnement de l'antenne. La largeur de la bande passante est quant à elle fonction de la géométrie et du profil qui sont donnés aux branches. 15 Le niveau d'adaptation est également lié aux critères que sont la géométrie et le profil des branches de l'antenne. C'est le fait d'avoir des branches présentant une géométrie très étroite, quasi-ponctuelle, à la base et plus évasée à leur extrémité supérieure qui contribue à favoriser l'adaptation de l'antenne de l'invention. En outre, cette géométrie particulière permet également d'augmenter le caractère ultra-large bande de l'antenne. L'allure du rayonnement est quant à elle associée en particulier à la symétrie de l'antenne qui est liée à la distribution des différentes branches autour de l'axe de symétrie AA'. Il est à noter que plus le nombre de branches est élevé, plus le caractère omnidirectionnel du rayonnement de l'antenne est important. En effet, lorsque l'on augmente le nombre de branches, la structure de l'antenne est d'autant plus symétrique. Par ailleurs, le diamètre et la longueur de la sonde d'excitation 12 peuvent 30 constituer des moyens de réglage supplémentaires pour, notamment, optimiser le niveau d'adaptation de l'antenne. 7 2911725 Les caractéristiques du plan de masse en regard duquel les branches sont disposées (son facteur de forme, ses dimensions, etc., par exemple) peuvent également contribuer à une optimisation des performances de l'antenne. Procédé de réalisation 5 Le procédé de réalisation de l'antenne se doit d'être simple pour contribuer à la réduction des coûts de l'antenne finale. Une solution technologique simple et économique consiste à utiliser une feuille métallique, de cuivre par exemple, dans laquelle sont découpées les branches de l'antenne. 10 Le caractère économique du procédé de réalisation de l'antenne est en partie obtenu par le fait que l'on découpe collectivement les branches de l'antenne dans une seule et même feuille métallique. La figure 7 illustre la feuille métallique 51 dans laquelle sont découpées d'une pièce 52, trois branches de l'antenne. 15 Les trois branches de l'antenne présentent chacune un axe de symétrie BB'. Il est à noter que l'emplacement 17 de la sonde d'excitation est situé en un point commun à toutes les branches. L'épaisseur de la feuille métallique 51 utilisée est très fine, jusqu'à 20 quelques centaines de micromètres environ, par exemple. Les branches de l'antenne ainsi découpées, il faut les profiler pour leur donner la courbure voulue de manière à ce qu'elles soient orientées dans la direction opposée à celle du plan de masse 11 en regard duquel les branches seront disposées. Les différents profils donnés aux branches de l'antenne ont 25 déjà été discutés (cf. figures 5 et 6 notamment). Ensuite, il s'agit de les connecter au moyen d'un point de soudure ou par collage à une sonde d'excitation 12, dont le conducteur externe 13 est connecté au plan de masse 11, préalablement percé, afin de laisser passer la sonde d'excitation 12. Le plan de masse 11 peut prendre une forme circulaire ou carrée, par exemple. Il peut aussi être découpé dans une feuille métallique. Le plan de masse 11 peut-être le boîtier d'un dispositif de télécommunication intégrant l'antenne telle que décrite. 8 2911725 Le fait que les branches présentent une géométrie quasi ponctuelle à leur extrémité inférieure, facilite la connexion à la sonde d'excitation contribuant à la simplicité de réalisation de l'antenne. Comme nous l'avons déjà mentionné, la forme, notamment la géométrie, 5 le profil, les dimensions des branches contribuent à offrir de nombreux degrés de liberté pour les réglages des paramètres de l'antenne. Prototype Afin de valider la structure d'antenne qui vient d'être décrite, plusieurs prototypes associés à différentes valeurs de n ont été réalisés et testés en 10 adaptation. Le rayonnement à caractère omnidirectionnel souhaité a également été vérifié et validé. A titre d'exemple illustratif, une antenne à quatre branches a notamment été réalisée. 15 Les branches 61 de ce prototype, sont triangulaires, montées au dessus d'un plan de masse Il à géométrie carrée. Les quatre branches sont excitées collectivement par une sonde coaxiale 12. Chacune des branches a la forme d'un triangle isocèle de 24mm de hauteur et de 15mm de largeur au niveau de son arête supérieure ; le profil 20 de ces branches est incurvé au niveau de la pointe inférieure du triangle, comme cela est illustré sur la figure 8. La hauteur effective de l'antenne, après montage du monopôle au dessus du plan de masse, est de 20mm. Le volume global occupé par l'antenne (hors plan de masse) est donc, dans ce cas, de 24x24x20mm3. 25 Le plan de masse 11 est de forme carrée et planaire, de dimensions 60x60mm2. L'alimentation de l'antenne est réalisée par l'intermédiaire d'un connecteur coaxial standard 50 ohms , dont la sonde centrale d'excitation 12 a un diamètre de 1,28mm et une hauteur de Imm. 30 La figure 9 illustre la réponse en adaptation de l'antenne de l'invention, le module du coefficient de réflexion Sil est représenté en fonction de la fréquence exprimée en GHz. L'antenne fonctionne avec une très bonne adaptation, le 9 2911725 module du coefficient de réflexion Sll est de l'ordre de -10 dB, voire moins sur une large bande allant de 3GHz à 26GHz, au minimum. Ceci montre en outre le caractère ultra-large bande de l'antenne de l'invention. 5 L'antenne a également été testée en transmission par l'établissement d'une liaison radio entre deux antennes telles que décrites identiques, séparées d'une distance de 30 cm. La figure 10 illustre les résultats de mesures en transmission selon huit directions réparties régulièrement dans le plan azimutal (perpendiculaire à l'axe 10 de symétrie AA' de l'antenne), le module du coefficient de réflexion est représenté en fonction de la fréquence exprimée en GHz. Pour chacune des directions testées la réponse en transmission est identique sur une large bande allant de 3GHz à 26GHz, au minimum. Ces réponses en transmission illustrent bien que dans le plan azimutal le 15 rayonnement est de nature omnidirectionnelle. L'antenne ainsi décrite présente un faible volume permettant son intégration dans des dispositifs de télécommunication sans fils fonctionnant selon la technologie ultra-large bande. En outre, les différentes caractéristiques des branches (géométrie, 20 dimension, profil) permettent d'avoir de nombreuses possibilités quant aux différents réglages possibles de l'antenne contribuant à leur souplesse d'intégration dans les dispositifs de télécommunication. 10 REVENDICATIONS 1. Antenne ou élément d'antenne monopôle ultra-large bande omnidirectionnelle comprenant au moins deux éléments métalliques (14, 15, 16), caractérisé en ce que les éléments métalliques (14, 15, 16) sont distribués de manière régulière autour d'un axe de symétrie (AA') central de ladite antenne. 2. Antenne ou élément d'antenne selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les éléments métalliques (14, 15, 16) ont chacun une géométrie étroite à leur base et évasée selon un axe de symétrie (BB') desdits éléments métalliques (14, 15, 16) vers leur extrémité supérieure. 3. Antenne ou élément d'antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments métalliques (14, 15, 16) sont à géométrie et dimensions identiques. 4. Antenne ou élément d'antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments métalliques (14, 15, 16) sont orientés dans une direction s'étendant à partir d'un point (17) du plan (P) commun aux dits éléments métalliques et opposée à ce plan (P), ledit plan (P) étant perpendiculaire à l'axe de symétrie (AA') de l'antenne. 5. Antenne ou élément d'antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le point commun (17) à tous les éléments métalliques (14, 15, 16) est connecté à une sonde d'excitation (12) formant moyen d'alimentation. 6. Antenne ou élément d'antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chacun des éléments métalliques (14, 15, 16) a une surface choisie parmi le groupe suivant : triangulaire, à bords concaves ou convexes par rapport à l'axe de symétrie (BB') desdits éléments ou à bords ondulés. 11 2911725 7. Antenne ou élément d'antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments métalliques (14, 15, 16) sont à profil longitudinal (42) rectiligne ou non rectiligne. 5 8. Antenne ou élément d'antenne selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chacun des éléments métalliques (14, 15, 16) a un profil longitudinal (42) par rapport à l'axe de symétrie (AA') de l'antenne choisi parmi le groupe suivant : droit, concave, convexe ou ondulé. 10 9. Antenne ou élément d'antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments métalliques (14, 15, 16) sont chacun à profil transversal (41) rectiligne ou non rectiligne. 10. Antenne ou élément d'antenne selon la revendication précédente, 15 caractérisé en ce que chacun des éléments métalliques (14, 15, 16) a un profil transversal (41) par rapport à l'axe de symétrie (AA') de l'antenne choisi parmi le groupe suivant : droit, concave, convexe ou ondulé. 11. Antenne ou élément d'antenne selon l'une des revendications 20 précédentes, caractérisé en ce que l'extrémité supérieure des éléments métalliques (14, 15, 16) est de forme choisie parmi le groupe suivant : droite, concave, convexe. 12. Antenne ou élément d'antenne selon l'une des revendications 25 précédentes, caractérisé en ce que les éléments métalliques (14, 15, 16) sont formés d'une pièce. 13. Antenne monopôle ultra-large bande omnidirectionnelle, caractérisée en ce qu'elle comprend un élément d'antenne selon l'une des revendications 30 précédentes disposé en regard d'un plan de masse (11). 14. Dispositif de télécommunication, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une antenne ou un élément d'antenne monopôle ultra- large bande 12 2911725 omnidirectionnelle telle que définie par l'une des quelconques revendications précédentes. 15. Procédé de fabrication d'une antenne ou élément d'antenne monopôle 5 ultra-large bande omnidirectionnelle selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que l'on découpe d'une pièce (52) dans une même feuille métallique les éléments métalliques (14, 15, 16).