Brevet FR2958458A1 — publié le 20111007

Antenne PIFA réversible Le domaine de l'invention est celui des antennes notamment utilisées dans des appareils mobiles, comme les téléphones portables ou dans les systèmes de radiocommunications sans fil (télécommande d'ouverture de portes, capteurs etc.). Ces antennes sont souvent placées dans des endroits de faibles dimensions, parfois entourées par des matériaux de différentes compositions (plastiques, céramique etc.). Ce type d'antenne est particulièrement sensible à l'environnement dans lequel elle est située. De plus, plus la fréquence de fonctionnement des systèmes sans-fil équipé d'antenne diminue, et plus le sol a de l'influence sur le comportement et les propriétés radioélectriques des antennes de ces systèmes. En effet, la présence d'un objet métallique de taille proche de la longueur d'onde (ou plus) et situé à une distance, elle même, de l'ordre de la longueur d'onde d'une antenne, ne produit qu'un effet de masquage et entraine uniquement une dégradation de la distance d'interrogation des systèmes. Mais lorsque cet objet se rapproche de cette antenne, il modifie les caractéristiques de rayonnement de l'antenne, comme le diagramme de rayonnement et peut ainsi engendrer des perturbations au niveau de l'émission ou de la réception du signal (onde électromagnétique). La fréquence de résonance d'une antenne peut aussi être modifiée par la présence d'un objet métallique (conducteur). La fréquence de résonance est donc dépendante d'une variation d'environnent proche autour de l'antenne. La modification du diagramme de rayonnement, la diminution du gain et le décalage de la fréquence de résonance due à une variation d'environnement, impliquent une diminution des performances des systèmes sans-fil. De la littérature se dégagent deux types d'antennes adaptées à des environnements métalliques et non-métalliques. Les antennes dites « demi-longueur d'onde » ou « dipôle » ont de meilleures performances dans des environnements non métalliques. Les antennes dites « quart d'onde » type monopôle ou « PIFA » correspondant à l'acronyme de « Planar Inverted-F Antenna » ont besoin d'un support métallique pour fonctionner de manière optimale. Plus précisément l'antenne « dipôle », a tendance à être court-circuitée lorsqu'elle est positionnée au voisinage d'une partie métallique. Plus le dipôle se rapproche du plan métallique, et plus sa résistance de rayonnement chute, son gain diminue ainsi que son rayonnement. Et inversement pour une antenne PIFA, à savoir que ses performances sont optimales tant que celle-ci est placée sur un plan métallique. Mais si on place cette antenne sur un plan non métallique, sa fréquence de résonance augmente et son gain diminue. De manière plus précise, une antenne de type PIFA (Planar Inverted 1 o F Antenna) est composée d'un élément rayonnant ER de longueur À/4 relié à un plan de masse Pm par une languette de court-circuit L00. Une languette d'alimentation LA permet de relier le point chaud d'une source d'excitation à l'élément rayonnant comme illustré en figure 1. Typiquement les dimensions d'une telle antenne peuvent être les 15 suivantes : Longueur Largeur Hauteur Épaisseur métal L I H E Dimensions 170 80 10 0.3 (mm) La figure 2 illustre l'évolution du coefficient de réflexion (Sä) en fonction de la fréquence pour l'antenne PIFA. 20 La bande passante, définie à -10 dB, vaut 7 MHz (2 %). La figure 3 présente l'évolution des parties réelle (courbe pleine) et imaginaire (courbe en pointillés) de l'impédance d'entrée, simulée de cette antenne. Le rayonnement de l'antenne PIFA est omnidirectionnel dans le plan perpendiculaire à l'antenne. 25 Il existe différentes techniques pour réduire l'encombrement d'une antenne type PIFA. Une des techniques consiste à réduire la largeur du court-circuit comme décrit dans l'article de K.Hirasawa and M.Haeishi, "Analysis, Design, and Measurement of Small and Low-Profile Antennas", Artech House, 1992. La figure 4 montre que la fréquence de résonance change lorsque la largeur du court-circuit varie. Plus on réduit cette largeur, plus la fréquence de résonance diminue. Les courants se déplacent du bout de l'élément rayonnant vers le plan de masse en passant par la languette de court-circuit. Le fait de diminuer la largeur, force les courants à parcourir une distance plus importante, entraînant une diminution de la fréquence de résonance. Typiquement on peut montrer que la réduction de la largeur du court-circuit d'un facteur 2 entraîne la diminution de la fréquence de résonance d'environ 10%. Un plan de masse de dimensions supérieures à l'élément rayonnant est nécessaire pour qu'une antenne PIFA fonctionne de manière optimale. En effet, la réduction de la largeur du plan de masse entraîne l'augmentation de la fréquence de résonance de l'antenne. Il est donc nécessaire d'utiliser une autre technique pour la faire diminuer. Il existe une méthode, pour réduire les dimensions d'une antenne PIFA standard. Elle consiste à réaliser des méandres sur l'élément rayonnant comme décrit dans l'article de J. 011ikainen, O. Kivekâs, A. Toropainen and P. Vainikainen, "Internai Dual-band Patch Antenna For Mobile Phones", Proc. AP 2000 Millenium Conference on Antennas & Propagation, Davos, April 2000, paper p1111. Lorsque l'on diminue la largeur du court-circuit, la partie imaginaire positive de l'impédance d'entrée de l'antenne augmente et la fréquence de résonance diminue. L'insertion de fentes débouchantes (méandres) OERi dans l'élément rayonnant accentue cette diminution car le trajet des courants circulant sur l'élément rayonnant augmente. Après avoir appliqué ces deux techniques, l'adaptation entre l'antenne et le capteur est obtenue en optimisant la position de la languette d'alimentation par rapport au court-circuit Lcc. On obtient ainsi une antenne telle que celle illustrée en figure 5, qui dans cette illustration, est couplée à un capteur passif Cp. En se situant dans la double problématique suivante, de réduire les dimensions de l'antenne en gardant des propriétés radioélectriques correctes et de fonctionner dans des environnements diélectriques et métalliques, il est donc intéressant d'appliquer les différentes techniques décrites ci-dessus. La réduction de la largueur du court-circuit, du plan de masse et l'insertion de fentes débouchantes sur l'élément rayonnant ont permis de réduire les dimensions globales de l'antenne. Un plan de masse standard de grandeur infinie permet d'isoler la structure rayonnante du support. Néanmoins, la réduction du plan de masse, rend l'antenne PIFA plus sensible aux différents environnements sur lesquels elle est fixée. La fréquence de résonance n'est pas constante si on place cette structure sur un objet métallique ou non. Dans ce contexte, la présente invention propose une solution de structure d'antenne PIFA, réversible et capable de fonctionner dans différents environnements métallique ou non, et présentant des dimensions réduites. La structure sera dénommée ci-après « MPIFAR » pour « Meandered Planar Inverted-F Antenna Reversible ». Plus précisément l'invention a pour objet une antenne comportant un premier plan rayonnant comprenant au moins une fente de dimensions calibrées de manière à fonctionner dans une première gamme de fréquences et un second plan rayonnant, lesdits plans rayonnants étant mis en contact par un élément perpendiculaire auxdits plans rayonnants caractérisée en ce que : - les deux plans rayonnants présentent des dimensions 20 sensiblement identiques ; - le second plan rayonnant comprend également au moins une fente de dimensions différentes de celles de la fente du premier plan de manière à fonctionner dans une seconde gamme de fréquences, de manière à que ladite antenne possède des fréquences de résonance différentes selon 25 sa position sur un support. Selon une variante de l'invention, l'antenne comprend au moins une zone destinée à pouvoir être alimentée par une source d'excitation externe. Selon une variante de l'invention, ladite zone comprend une 30 ouverture dans un des plans rayonnants. Selon une variante de l'invention, au moins un plan rayonnant comprend plusieurs fentes débouchantes sur des bords opposés d'un même plan réflecteur. Selon une variante de l'invention, un plan rayonnant comprend une structure de fentes en méandre. Selon une variante de l'invention, le premier plan rayonnant présente au moins une fente calibrée pour rayonner dans un environnement métallique, le second plan rayonnant présentant au moins une fente calibrée pour rayonner dans un environnement diélectrique. Selon une variante de l'invention, les dimensions de la ou des fentes du premier plan sont de l'ordre de 0,03À x 0,003À, les dimensions de la ou des fentes du second plan sont de l'ordre de 0,05À x 0,007À avec À la longueur d'onde correspondant à la fréquence de résonance de l'antenne. Selon une variante de l'invention, l'antenne est constituée en alliage de cuivre, nickel et zinc. L'invention a aussi pour objet un dispositif de détection à distance comportant un capteur passif ou actif couplé à une antenne de la présente 15 invention. Selon une variante de l'invention, le capteur est un capteur à ondes élastiques, pouvant être un capteur de type SAW pour « Surface Acoustic Wave ». Selon une variante de l'invention, le dispositif comprend des 20 éléments de brasure permettant de connecter le capteur sur le premier plan réflecteur de l'antenne « dit métallique ». L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : 25 - la figure 1 illustre un exemple d'antenne de type PIFA selon l'art connu ; - la figure 2 illustre l'évolution du coefficient de réflexion Sä en fonction de la fréquence pour l'antenne PIFA illustrée en figure 1 ; - la figure 3 illustre l'évolution des parties réelle et imaginaire de 30 l'impédance d'entrée simulée de l'antenne illustrée en figure 1 ; - la figure 4 illustre l'évolution de la fréquence de résonance de l'antenne illustrée en figure 1 lorsque la largeur du court-circuit varie ; - la figure 5 illustre un exemple d'antenne de type PIFA selon l'art connu et comportant une structure de fentes en méandre au niveau du plan rayonnant de l'antenne ; - les figures 6a et 6b illustre les deux positions possibles d'un exemple de structure d'antenne réversible de type « MPIFAR » selon l'invention ; - la figure 7 illustre une vue agrandie d'un capteur SAW connecté à une antenne réversible de l'invention ; - les figures 8a et 8b illustrent les performances de l'antenne 1 o représentée et fonctionnant respectivement selon les positions relatives aux figures 6a et 6b. De manière générale, l'antenne selon l'invention est une antenne dite réversible présentant deux plans rayonnants présentant des caractéristiques 15 permettant notamment de s'adapter aussi bien à un environnement métallique que diélectrique, grâce à la présence de fentes de dimensions différentes d'un plan rayonnant à l'autre et calibrées pour atteindre les fréquences de fonctionnement recherchées. L'antenne selon l'invention, peut ainsi être particulièrement adaptée 20 à tous les systèmes de radiocommunications ou l'environnement sur lequel est placé un module sans-fil. Elle est parfaitement adaptée pour les systèmes d'interrogation/réception de capteurs utilisant la technologie des ondes acoustiques de surface. Cette antenne apporte une plus grande flexibilité 25 d'utilisation. Ainsi en associant, l'antenne PIFA à méandres réversible (MPIFAR) de l'invention pouvant être de petite taille (deux plans rayonnants, chacun de faibles dimensions) avec un capteur SAW, il est désormais possible de mesurer différentes grandeurs physiques dans différents environnements 30 difficiles. Avec ce type antenne de type « MPIFAR », une seule antenne est nécessaire et convient pour différents types d'environnements comme un moteur de voiture, l'intérieur d'une jante, sur des machines industrielles, sur des objets métalliques ou non, en rotation ou non, dans des guides d'ondes métallique, sur différents supports non-métallique comme le bois, une table, une vitre etc. Exemple de réalisation d'une antenne selon l'invention réversible couplé à un capteur passif Les figures 6a et 6b illustre un exemple d'antenne selon l'invention comportant, un premier plan rayonnant PER1 comprenant des ouvertures 1 o OER1 et un second plan rayonnant PER2 comprenant des ouvertures OER2 et correspondant à deux positionnements différents de l'antenne dans deux environnement différents. Les deux plans rayonnants sont mis en contact par une languette dite de court-circuit Loc. 15 Les languettes L1 et L2 sont des languettes d'alimentation. Il est également possible de connecter l'antenne de l'invention à un ou plusieurs capteurs SAW ou à tout autre type de capteurs. En position 1, illustrée en figure 6a, le plan rayonnant présente des ouvertures OER1 de longueur de fentes égale à 0,38 À, permettant 20 d'optimiser l'antenne pour un fonctionnement sur un plan diélectrique. Lorsque l'on retourne l'antenne en position 2, illustrée en figure 6b, le plan rayonnant PER2, présente des ouvertures OER2 de longueur de fentes égale à 0,59 À, l'antenne est alors optimisée pour fonctionner sur un plan métallique. 25 L'alimentation de la structure est avantageusement réalisée avec une seule source d'excitation, elle pourrait tout aussi bien être alimentée par deux sources via deux languettes d'alimentation. Le capteur SAW est brasé, de manière à ce que son capot soit en contact avec un environnement métallique (sous le plan de masse en 30 position 2 illustrée en figure 6b). La figure 7 met en évidence les connexions du capteur SAW sur le plan rayonnant. Typiquement le capteur peut être un capteur de température, développé par la société SENSeOR (référence : SEAS10) et ainsi brasé sur le plan rayonnant de l'antenne correspondant au fonctionnement « plan métallique », le capot du capteur étant en contact 35 avec la partie métallique à mesurer. Avantageusement, les éléments de l'antenne PIFA peuvent être réalisés en maillechort, alliage de cuivre, nickel et zinc de conductivité de 3.106 S.m. Les performances de l'antenne ont été évaluées dans les deux positions. En environnement diélectrique, illustré par la courbe de la figure 8a, la bande passante définie à -10 dB et à -6 dB est respectivement de 2 MHz et de 4 MHz. 1 o En environnement métallique, illustré par la courbe de la figure 8b, la bande passante définie à -10 dB et à -6 dB est respectivement de 2,4 MHz et de 4,2 MHz. Les performances obtenues pour le capteur SAW couplé à une telle antenne sont validées notamment par les résultats obtenus et figurant dans 15 le tableau ci-dessous. Côté Métal Diélectrique 3 * Ecart type sur la température : Sensibilité +/ 0,6 +/ 0,7 sur la mesure de température (°C) Distance interrogation (m) 3 1 REVENDICATIONS1. Antenne comportant un premier plan rayonnant (PER1) comprenant au moins une fente (OER1) de dimensions calibrées de manière à fonctionner dans une première gamme de fréquences et un second plan rayonnant (PER2) , lesdits plans rayonnants étant mis en contact par un élément perpendiculaire auxdits plans rayonnants caractérisée en ce que : - les deux plans rayonnants présentent des dimensions sensiblement identiques ; - le second plan rayonnant comprend également au moins une fente (OER2) de dimensions différentes de celles du premier plan de manière à fonctionner dans une seconde gamme de fréquences, de manière à que ladite antenne possède des fréquences de résonance différentes selon sa position sur un support. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle 15 comprend au moins une zone destinée à pouvoir être alimentée par une source d'excitation externe. 3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite zone comprend une ouverture dans un des plans réflecteurs. 4. Antenne selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'au moins un plan réflecteur comprend plusieurs fentes débouchantes sur des bords opposés d'un même plan réflecteur. 25 5. Antenne multi-spectrale selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'au moins un plan réflecteur comprend une structure de fentes en méandre. 6. Antenne selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce 30 que le premier plan rayonnant présente au moins une fente calibrée pour rayonner dans un environnement métallique, le second plan rayonnant présentant au moins une fente calibrée pour rayonner dans un environnement diélectrique. 20 7. Antenne selon la revendication 6, caractérisée en ce que les dimensions de la ou des fentes du premier plan sont de l'ordre de 0,03À x 0,003À, les dimensions de la ou des fentes du second plan sont de l'ordre de 0,05À x 0,007À avec À la longueur d'onde correspondant à la fréquence de résonance de l'antenne. 8. Antenne selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle est constituée en alliage de cuivre, nickel et zinc. 9. Dispositif de détection à distance comportant un capteur passif ou actif couplé à une antenne selon l'une des revendications 1 à 8. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le capteur est un capteur à ondes élastiques. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend des éléments de brasure permettant de connecter le capteur sur le premier plan rayonnant de l'antenne.15