Brevet FR2915025A1 — publié le 20081017

ANTENNE A ELEMENTS RAYONNANTS INCLINES DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention est relative aux antennes multibandes à polarisation circulaire ou linéaire et présentant une flexibilité en fréquence. L'invention trouve notamment application dans les systèmes de positionnement par satellites tels que le GPS et Galiléo, ainsi que dans les systèmes de diffusion par satellite de contenu multimédia. ETAT DE LA TECHNIQUE Les antennes multibandes sont, par exemple, utilisées dans des systèmes de positionnement ou de diffusion par satellites pour réduire le nombre 15 d'antennes embarquées ou positionnées au sol. En effet, de telles antennes permettent de combiner plusieurs bandes de fréquence dans une seule et même antenne. Elles permettent également la combinaison de plusieurs applications. On connaît des antennes multibandes, comprenant quatre éléments 20 rayonnants en forme de L inversé, disposés sur un support à faible constante diélectrique. Une telle antenne est par exemple décrite dans le document WO 2005/004283. Toutefois, la structure des antennes actuelles est limitée par la forme des 25 éléments rayonnants et leur agencement les uns par rapport aux autres ce qui limite la réduction de l'encombrement, notamment lorsque l'on cherche à accroître leur flexibilité en terme de fréquences de fonctionnement. Or, la multiplicité des applications et des bandes associées fait apparaître le besoin d'antennes multibandes ayant une structure présentant un caractère 30 flexible, de faible coût et offrant d'excellentes performances ou au moins équivalentes aux antennes dédiées à une application ou à une bande de fréquence donnée, tout en conservant un encombrement similaire voire moindre. PRESENTATION DE L'INVENTION Afin de pallier aux problèmes susmentionnés, l'invention propose une antenne comprenant une pluralité d'éléments métalliques en contact ponctuel avec un plan de masse et répartis autour d'un axe de symétrie central de l'antenne, perpendiculaire au plan de masse. En outre, les éléments métalliques s'étendent du plan de masse selon un angle d'inclinaison non nul par rapport audit plan de masse. L'antenne de l'invention s'intègre avantageusement dans des 10 systèmes de positionnement par satellites et/ou dans des systèmes de diffusion par satellite de contenu multimédia. PRESENTATION DES FIGURES 15 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 l'antenne de l'invention où les éléments métalliques sont des brins métalliques ; 20 - la figure 2, illustre l'antenne de l'invention où les brins métalliques sont disposés sur les faces d'un substrat ; - les figures 3a et 3b illustrent les vues de côtés de deux géométries possibles autres que rectilignes pour les éléments métalliques de l'antenne de l'invention ; 25 - les figures 4a et 4b illustrent des motifs possibles pour les éléments métalliques de l'antenne de l'invention, - la figure 5 illustre l'antenne de la figure 2 avec le plan de masse prolongé par un cylindre et des filtres et des interrupteurs disposés sur les éléments métalliques ; 30 - les figures 6a et 6b illustrent respectivement le coefficient de réflexion (dB) en fonction de la fréquence (GHz) de l'antenne de la figure 5 simulé lorsque les interrupteurs placés sur chaque élément métallique sont respectivement ouverts et fermés ; - les figures 7a, 7b et 7c illustrent le diagramme de rayonnement de l'antenne de la figure 5 simulé dans les fréquences 1,189 GHz, 1,280 GHz et 1,575 GHz respectivement. DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE REALISATION ET DE MISE EN OEUVRE Structure de l'antenne La figure 1 illustre une antenne de l'invention. Les éléments métalliques sont, en fonctionnement, aptes à rayonner formant par conséquent éléments rayonnants. La structure de l'antenne comprend de manière générale une pluralité d'éléments métalliques, 10, 20, 30, 40. L'antenne comprend typiquement quatre éléments métalliques. Les éléments métalliques 10, 20, 30, 40 sont répartis autour d'un axe de symétrie D central de l'antenne, perpendiculaire au plan de masse M (il est entendu ici que l'axe de symétrie passe par le centre O du plan de masse M). Les éléments métalliques sont en contact ponctuel 11, 21, 31, 41 avec le plan de masse M. Ils s'étendent en outre du plan de masse M selon un angle d'inclinaison 0 non nul par rapport au plan de masse M. L'angle d'inclinaison 0 des éléments métalliques avec le plan de masse M, est fonction de l'application. Il peut être par conséquent droit, aigu (inférieur à 90 ) ou obtus (supérieur à 90 ). De manière avantageuse, les éléments métalliques sont équirépartis autour d'un cercle de centre, le centre O du plan de masse M. Un tel cas est illustré sur la figure 1. Sur cette figure l'antenne comprend, quatre éléments métalliques et 90 séparent la partie 11, 21, 31, 41 de chaque élément métallique en contact ponctuel avec le plan de masse M. De manière avantageuse, les éléments métalliques, 10, 20, 30, 40, sont identiques et leur angle d'inclinaison 0 par rapport au plan de masse M est égal à 45 . En outre, l'angle d'inclinaison 0 initié à chaque élément métallique est tel que les éléments métalliques sont orientés dans la même direction, ils peuvent être orientés en direction de l'axe de symétrie D de l'antenne ou bien dans une direction opposée. Sur l'antenne de la figure 1, les éléments métalliques sont orientés en direction de l'axe de symétrie D de l'antenne perpendiculaire au plan de masse M. II est à noter que les éléments métalliques 10, 20, 30, 40 sont imprimés sur un substrat diélectrique, ce substrat étant en outre supporté par une structure S pyramidale n'ayant pas de propriétés radiofréquences. La structure pyramidale peut en outre comprendre un nombre de côtés supérieur à quatre. Une telle structure assure la tenue mécanique de l'antenne et peut être en matériau polystyrène. La figure 2 illustre une antenne comprenant une structure S pyramidale sur laquelle sont disposés les éléments métalliques imprimés sur un substrat diélectrique. La structure est de forme adaptée à l'inclinaison des éléments métalliques 10, 20, 30, 40. Sur la figure 2, la structure S a une forme pyramidale. On utilisera de préférence une structure S de cette forme pour la réalisation de l'antenne de l'invention. Sur chacune des faces de la structure S, les éléments métalliques sont disposés. Eléments métalliques Les éléments métalliques peuvent prendre différentes formes. Les figures 3a, 3b illustrent respectivement un élément métallique en forme de brin en arc de cercle et un élément métallique en forme de brin brisé. Outre l'utilisation de brins, on peut envisager des motifs géométriques plus 30 complexes. Les figures 4a et 4b illustrent des motifs à géométrie fractale obtenus après plusieurs itérations d'une forme triangulaire. La forme, le motif, la longueur et l'inclinaison des éléments métalliques sont des paramètres qui ont une influence sur la largeur de bande et sur le diagramme de rayonnement de l'antenne. Plan de masse Le plan de masse M présente des dimensions qui vont conditionner les performances de l'antenne en terme de rayonnement. Le plan de masse M est typiquement circulaire. L'épaisseur et le rayon du plan de masse M sont dimensionnés de manière à limiter les réflexions sur ses bords. En outre, le plan de masse M peut comprendre un évidement 50 ménagé en son centre pour améliorer l'adaptation de l'antenne, ceci est illustré sur la figure 1. De plus, afin de limiter le rayonnement arrière engendré par l'évidement ménagé dans le plan de masse, on peut le prolonger par un cylindre ou un cône. La figure 5 illustre l'antenne de l'invention comprenant un cylindre 60 prolongeant le plan de masse. Les dimensions du cylindre sont adaptées à l'évidement 50. Un tel cylindre agit comme un guide d'onde fonctionnant sous sa fréquence de coupure ce qui permet de limiter le rayonnement arrière de l'antenne. II est également possible de prolonger le plan de masse M par un cône. L'emploi d'un cône permet de fermer le plan de masse M tout en conservant l'amélioration de l'adaptation de l'antenne liée à l'évidement. Un tel cône a un impact sur le diagramme de rayonnement. Le prolongement du plan de masse M par un cône ou un cylindre contribue à l'amélioration des performances de l'antenne et constitue également un moyen de réglage supplémentaire de l'antenne. Alimentation de l'antenne L'antenne est alimentée au moyen d'excitations 12, 22, 32, 42 situées au niveau du contact 11, 21, 31, 41 de chaque élément métallique 10, 20, 30, 40 avec le plan de masse M. Pour des raisons de réalisation, de manière préférée, on utilise des lignes de transmission 13, 23, 33, 43 dans le prolongement de chaque élément métallique. Les points d'excitations sont connectés aux extrémités de ces lignes de transmission par le dessous du plan de masse M que l'on aura percé en conséquence. L'emploi de ces lignes de transmission et leur dimensionnement est 5 fonction de l'évidement pratiqué dans le plan de masse M. Les lignes de transmission sont par exemple des lignes microrubans d'impédance caractéristique égale à 50 S2 formées dans le même matériau que le substrat S sur lequel sont imprimés les éléments métalliques. L'antenne de l'invention est à polarisation circulaire ou linéaire. 10 La polarisation linéaire est obtenue lorsque deux éléments métalliques sont alimentés, dans ce cas ils sont alimentés avec des tensions d'amplitudes identiques en opposition de phase. La polarisation circulaire est quant à elle obtenue lorsque quatre éléments métalliques sont alimentés, dans ce cas là ils sont alimentés avec des tensions 15 d'amplitudes identiques en quadrature de phase. Caractère flexible et/ou multibande de l'antenne L'antenne de l'invention présente un caractère flexible et/ou multibande Tel que connu en soi c'est la géométrie des éléments rayonnants qui conditionne les fréquences de fonctionnement d'une antenne. 20 L'aspect multibande est obtenu au moyen de filtres coupe bande , F1, F2, F3, F4 (non représenté) typiquement constitués de circuit comprenant une inductance L et un condensateur C montés en parallèle. Ces filtres sont placés sur chacun des éléments métalliques. Le caractère flexible en terme de fréquence de fonctionnement de 25 l'antenne est obtenu au moyen d'interrupteurs, 11, 12, 13, 14 (non représenté) montés sur chacun des éléments métalliques. En pratique, les interrupteurs selon leur position ouverte ou fermée permettent de régler la longueur et/ou la géométrie des éléments métalliques. De manière plus précise, en terme de performances, ils permettent de 30 déplacer les fréquences de fonctionnement de l'antenne vers de plus basses fréquences notamment lorsqu'ils sont commutés en position fermée. II est à noter que sur chacun des éléments métalliques les filtres et les interrupteurs sont positionnés de manière identique sur chacun des éléments métalliques afin de conserver la symétrie de la structure rayonnante. Prototype Afin de valider la structure d'antenne qui vient d'être décrite, plusieurs prototypes ont été réalisés et testés afin de vérifier qu'ils satisfont aux contraintes d'adaptation et de rayonnement dans les bandes de fréquence de fonctionnement visées. Les prototypes réalisés comprennent quatre éléments rayonnants. Le prototype réalisé est en particulier celui illustré par la figure 5. Sur cette figure, l'antenne comprend quatre brins métalliques rayonnants de largeur égale à 1 mm imprimés sur un substrat diélectrique disposé sur un support en matériau polystyrène en forme de pyramide. Le substrat diélectrique présente dans ce cas une permittivité diélectrique 15 égale à 2,08 et d'épaisseur typiquement égale à 0,762 mm. Les éléments métalliques sont prolongés par des lignes microrubans de largeur égale à 2,39 mm sur lesquels on va connecter les excitations associées à chaque élément métallique. Comme déjà discuté l'antenne permet selon l'alimentation d'avoir une 20 polarisation linéaire ou circulaire. La polarisation linéaire est obtenue en alimentant deux éléments métalliques opposés. La polarisation circulaire est obtenue en alimentant les quatre éléments métalliques. 25 La flexibilité en fréquence est obtenue au moyen d'interrupteurs disposés le long des éléments métalliques. L'aspect multibande est obtenu au moyen de filtres coupe bande disposés le long des éléments métalliques. Le prototype réalisé ici est bi-bande et vise les trois bandes suivantes (bi-30 bande à un instant donné et possibilité de commuter au moyen des interrupteurs pour atteindre la troisième bande). Les bandes sont les suivantes : bande 1 : E5a/L5 et E5b, bande 2 : E6, bande 3 : L1 étendue. La bande 3 est toujours présente et selon la position ouverte ou fermée des interrupteurs, on va pouvoir ou avoir la bande 1 et la bande 3 ou la bande 2 et la bande 3. Les fréquences des bandes visées par l'antenne sont, à titre illustratif et 5 non limitatif, celles du système GPS (en anglais, Global Positioning System ) et du système Galiléo. Les fréquences du système GPS sont les suivantes. Bande L1 : 1,563-1,587 GHZ (applications civiles), bande L2 : 1,215-1,237 GHz (applications militaires principalement), bande L5 : 1,164-1,197 GHz (en vue 10 de la modernisation du système GPS actuel). Les fréquences du système Galiléo sont les suivantes. Bande E5a : 1,164-1,197 GHz, bande E5b : 1,197-1,214 GHz, bande E5 étendue : 1,142-1,252 GHz (pour des applications nécessitant une forte précision), bande E6 : 1,260-1,300 GHz, bande L1 étendue (cf. système GPS) : 15 1,559-1,591 GHz. Les figures 6a et 6b illustrent le coefficient de réflexion (dB) en fonction de la fréquence de fonctionnement (GHz) lorsque les interrupteurs sont en position ouvert (cf. figure 6a) et en positon fermée (cf. figure 6b). Un tel paramètre permet de tester les performances de l'antenne en adaptation. 20 Sur ces figures, la courbe 60 est obtenue par des simulations effectuées sur le prototype, la courbe 61 est la courbe cible que l'on souhaite atteindre et la courbe 62 correspond aux spécifications nominales d'adaptation dans les bandes visées. Il est à remarquer sur ces figures que l'antenne est bi-bande de par 25 l'utilisation des filtres. En effet, comme prévu la bande 3 (L1 étendue) est toujours présente. Les bandes 1 et 2 sont respectivement atteintes selon la position ouverte ou fermée des interrupteurs. Toujours en se référant aux figures 6a et 6b on constate que l'adaptation 30 pour chacune des bandes visées satisfait aux spécifications nominales requises. Une telle adaptation permet une émission de près de 90% de l'énergie transmise à l'antenne. Par ailleurs, les bandes retenues permettent en fonction de l'état de l'interrupteur d'utiliser indifféremment cette même antenne pour des applications de sécurité civile (aviation, etc.) ou des services commerciaux de navigation par satellite. Le choix entre flexibilité et multibande est guidé par l'application et surtout la proximité des bandes de fréquence à couvrir. La nature des filtres employés impose une séparation minimum entre deux bandes de fréquence successives. Lorsque ces dernières sont relativement proches, il est préférable d'opter pour un interrupteur si les performances des éléments rayonnants sont telles qu'elles ne permettent pas de couvrir simultanément les deux bandes de fréquence en question. Ce dernier point peut guider le choix du motif des éléments rayonnants. Les figures 7a, 7b et 7c illustrent le diagramme de rayonnement de l'antenne de la figure 5 simulé dans les fréquences 1,189 GHz, 1,280 GHz et 15 1, 575 GHz respectivement. L'antenne présentée a une polarisation circulaire, les éléments rayonnants sont alimentés en quadrature de phase. Sur ces figures la courbe 70 est le diagramme de rayonnement en polarisation circulaire gauche, la courbe 71 est le diagramme de rayonnement en 20 polarisation circulaire droite et la courbe 72 est un gabarit représentant les valeurs minimales requises en polarisation principale. Il est à remarquer sur les figures 7a, 7b et 7c que les diagrammes de rayonnement obtenus sont de nature quasi hémisphérique, permettant la réception d'un maximum de signaux issus des satellites en visibilité. 25 Ce type de diagramme de rayonnement est caractéristique des antennes réceptrices pour des applications de navigation par satellites. La polarisation croisée obtenue en simulation est inférieure à -10 dB dans le demi-espace d'intérêt, assurant ainsi une pureté de polarisation nécessaire au bon fonctionnement de l'antenne. 30 L'antenne ainsi décrite permet par sa structure d'avoir de nombreuses possibilités quant aux différents réglages possibles (inclinaison, géométrie des éléments métalliques et du plan de masse, filtres et/ou interrupteurs sur les éléments métallique) de l'antenne contribuant à une multiplicité des applications visées. Par ailleurs les différents degrés de liberté quant à l'inclinaison et la géométrie des éléments métalliques permettent d'optimiser l'encombrement 5 d'une telle antenne et d'adapter le diagramme de rayonnement de l'antenne aux applications visées. REVENDICATIONS 1. Antenne comprenant une pluralité d'éléments métalliques (10, 20, 30, 40), lesdits éléments métalliques (10, 20, 30, 40) étant en contact ponctuel (11, 21, 31, 41) avec un plan de masse (M) et répartis autour d'un axe de symétrie central (D) de l'antenne, perpendiculaire au plan de masse (M), caractérisée en ce que les éléments métalliques (10, 20, 30, 40) s'étendent du plan de masse (M) selon un angle d'inclinaison non nul (0) par rapport audit plan de masse (M). 2. Antenne selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les éléments métalliques (10, 20, 30, 40) sont équirépartis autour de l'axe de symétrie (D) de ladite antenne. 3. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les éléments métalliques (10, 20, 30, 40) sont identiques. 4. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les éléments métalliques (10, 20, 30, 40) sont des brins métalliques. 5. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les éléments métalliques (10, 20, 30, 40) sont des brins métalliques brisés. 6. Antenne selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les éléments métalliques sont de forme triangulaire. 7. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée 30 en ce que les éléments métalliques forment une structure pyramidale. 8. Antenne selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les éléments métalliques sont des arcs de cercle.25 9. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les éléments métalliques (10, 20, 30, 40) sont orientés en direction de l'axe de symétrie (D) de l'antenne autour duquel ils sont répartis. 10. Antenne selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'angle d'inclinaison (0) des éléments métalliques (10, 20, 30, 40) par rapport au plan de masse (M) est égal à 45 . 11. Antenne selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les éléments métalliques (10, 20, 30, 40) sont orientés en direction opposée à l'axe de symétrie (D) de l'antenne autour duquel ils sont répartis. 12. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les éléments métalliques (10, 20, 30, 40) sont alimentés au niveau des contacts ponctuels (11, 21, 31, 41) avec le plan de masse (M). 13. Antenne selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les éléments métalliques sont supportés par une structure (S) pyramidale n'ayant pas de propriétés radiofréquences. 14. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le plan de masse (M) comprend un évidement ménagé en son centre. 15. Antenne selon la revendication précédente, caractérisée en ce que 25 le plan de masse (M) est prolongé par un cylindre agencé au niveau de l'évidement ménagé dans le plan de masse (M). 16. Antenne selon l'une des revendications 1, 14 ou 15, caractérisée en ce que le plan de masse (M) est de forme circulaire. 17. Antenne selon l'une des revendications 14 ou 15, caractérisée en ce que l'évidement est circulaire. 30 18. Antenne selon l'un des revendications 14, 16 ou 17, caractérisée en ce que le plan de masse (M) est prolongé par un cône agencé au niveau de l'évidement ménagé dans le plan de masse. 19. Antenne selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisée en ce qu'elle comprend des filtres disposés sur chaque élément métallique (10, 20, 30, 40). 20. Antenne selon l'une des revendications 1 à 13 et 19, caractérisée en ce qu'elle comprend des interrupteurs disposés sur chaque élément métallique (10, 20, 30, 40). 21. Utilisation d'une antenne selon l'une des revendications précédentes dans un système de positionnement par satellites. 22. Utilisation d'une antenne selon l'une des revendications 1 à 20 dans un système de diffusion par satellites de contenu multimédia. 23. Utilisation d'une antenne selon l'une des revendications 1 à 20 dans 20 un système selon les revendications 21 et 22 prises en combinaison.15