Brevet FR2956250A1 — publié le 20110812

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention est relative aux antennes millimétriques pour des applications de télécommunication courte portée haut débit. ETAT DE LA TECHNIQUE Dans le domaine des télécommunications courte portée et haut débit, il existe de nombreuses solutions d'antennes. On connait notamment les antennes millimétriques sur silicium et les antennes millimétriques en technologie hybride. Io On précise que l'on entend par antenne sur silicium, une antenne intégrée directement sur la puce silicium de manière collective avec les composants actifs et par antenne hybride une antenne intégrée extérieurement à la puce silicium et devant être interconnectée à celle-ci. 15 Antennes sur silicium Le principal avantage des antennes sur silicium est l'intégration directe de l'élément rayonnant sur le substrat d'accueil des composants actifs. L'inconvénient est le faible rendement de ces antennes dû aux 20 caractéristiques du substrat (constante diélectrique, pertes diélectriques, épaisseur du substrat, etc.). En outre, les antennes sur silicium présentent des gains faibles : il est nécessaire d'ajouter un réflecteur ou une cavité métallique sous l'élément rayonnant. L'insertion d'une cavité micro-usinée doit être un procédé 25 maîtrisé et a un coût sur la réalisation de telles structures. De plus, l'ajout d'un réflecteur sur la face inférieure du silicium ne peut pas se réaliser systématiquement puisque cela dépend de l'épaisseur de silicium utilisé. Il est donc difficile d'intégrer une antenne avec un gain intéressant et une large bande passante. 30 Les documents suivants décrivent des antennes sur silicium : H.R. Chuang et al. : « A 60 GHz Millimeter-wave CMOS RFIC-onchip Dipole Antenna », Microwave Journal, Vol. 50, NO. 1, janvier 2007, page 144 ; S. Montusclat et al. : « Silicon integrated antenna developments up to 80 GHz for millimeter wave wireless links », Wireless Technology, 2005, The European Conference on, 3-4 octobre 2005, pages 237-240 ; M. Barakat et al.: « Performance of a 0.13 pm SOI integrated 60 io GHz dipole antenna », Antennas and Propagation Society International Symposium, 2007, AP-S 2007 IEEE, 9-15 juin 2007, pages 1493-1496 ; et N. Hoivik et al. : « High-Efficiency 60 GHz Antenna Fabricated Using Low-Cost Silicon Micromachining Techniques », Antennas 15 and Propagation Society International Symposium, 2007, AP-S 2007 IEEE, 9-15 juin 2007, pages 5043-5046. Antennes en technologie hybride Le principal avantage des antennes hybrides est la souplesse 20 apportée par le report de l'élément rayonnant sur un substrat adapté à l'intégration d'éléments passifs. Ceci implique un degré de liberté plus important sur la topologie de l'antenne choisie. L'inconvénient majeur est l'interconnexion des circuits actifs sur silicium avec l'antenne. 25 Les antennes implémentées en technologie hybride bien que présentant des performances intéressantes en terme de gain restent limitées en bande passante. Les documents suivants décrivent des antennes en technologie hybride : 30 ù T. Zwick et al.: « Broadband planar millimeter wave dipole with flip-chip interconnect », Antennas and Propagation Society International Symposium, 2007, AP-S 2007 IEEE, 9-15 juin 2007, pages 5047-5050 ; T. Seki et al.: « 60-GHz Multi-Layer Parasitic Microstrip Array Antenna with Stacked Rings using Multi-Layer LTCC Substrate », Radio and Wireless Symposium, 2008 IEEE, 22-24, janvier. 2008, pages 679 û 682 ; et D. Liu et al. : « A Patch Array Antenna for 60 GHz Package Applications », Antennas and Propagation Society International Symposium, 2008, AP-S 2008 IEEE, 5-11 juillet 2008, pages 1-4. i0 PRESENTATION DE L'INVENTION La présente invention concerne une nouvelle solution d'antenne millimétrique intégrée sur un substrat, de préférence en silicium, notamment en silicium haute résistivité d'épaisseur égale à 50 µm, ayant des is performances en termes de gain et de bande passante accrues par rapport aux solutions connues. Selon un premier aspect, l'invention concerne une antenne millimétrique comprenant : un substrat diélectrique ; un plan de masse imprimé sur une face du substrat ; un premier élément métallique et un 20 second élément métallique imprimés de manière disjointe sur la face du substrat et disposés l'un par rapport à l'autre de part et d'autre d'un axe de symétrie défini sur la face du substrat où ils sont imprimés, les éléments métalliques sont à surface convexe et en outre destinés à rayonner sur la totalité de leur surface lorsque l'antenne est en fonctionnement, les éléments 25 métalliques s'étendant à partir du plan de masse ; une ligne d'excitation s'étendant à partir d'un bord du substrat parallèlement à l'axe de symétrie et connectée en un point du bord du second élément métallique le plus proche de l'axe de symétrie. L'antenne de l'invention présente des performances en termes de 30 gain et de bande passante accrues par rapport aux solutions connues. Elle présente en outre un degré de liberté au niveau de l'excitation de la structure. Elle peut être excitée par une ligne micro-ruban ou coplanaire L'antenne peut en outre présenter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : la ligne d'excitation est imprimée sur la face opposée à la face où sont imprimés les éléments métalliques, la ligne d'excitation étant connectée au point du bord du second élément métallique au moyen d'un via ; la ligne d'excitation est coplanaire avec les éléments métalliques, la io ligne d'excitation étant imprimée sur la surface du premier élément métallique le long duquel elle s'étend et étant directement connectée au point du bord du second élément métallique ; elle comprend en outre un réflecteur disposé au dessus des éléments métalliques ; 15 le réflecteur est disposé à une hauteur comprise entre quelques centaines de lm et 1,5 mm, de préférence 1 mm des éléments métalliques ; elle comprend en outre un élément directeur coplanaire avec les éléments métalliques, l'élément directeur étant imprimé sur le substrat 20 à une distance comprise entre quelques centaines de pm et 1,0 mm des éléments imprimés et a une largeur comprise entre quelques centaines de lm et 1,0 mm et une épaisseur comprise entre quelques dizaines de lm et quelques centaines de lm ; les éléments métalliques sont de forme rectangulaire ; 25 les éléments métalliques sont amincis à leur base ; elle comprend des moyens d'adaptation disposés le long de la ligne d'excitation, les moyens d'adaptation sont par exemple des tronçons de ligne capacitifs ou inductifs, respectivement de largeur supérieure ou inférieure à celle de la ligne d'excitation. Selon un second aspect, l'invention concerne un réseau d'antennes comprenant une pluralité d'antennes millimétriques selon le premier aspect de l'invention. PRESENTATION DES FIGURES 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 une vue de dessus d'une antenne millimétrique io conforme à un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 illustre une vue de dessous d'une antenne millimétrique conforme au premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 illustre le coefficient d'adaptation S11 (dB) en fonction de la fréquence (GHz) pour un prototype d'antenne conforme au 15 premier mode de réalisation de l'invention ; - les figures 4a, 4b, 4c et 4d illustrent les diagrammes de rayonnement dans les plans E et H en co-polarisation pour respectivement des fréquences de fonctionnement égales à 50 GHz, 60 GHz, 70 GHz et 80 GHz pour un prototype d'antenne conforme au 20 premier mode de réalisation de l'invention ; - les figures 5a, 5b, 5c, 5d et 5e, 5f, 5g, 5h illustrent les performances en co-polarisation et cross-polarisation dans le plan E pour respectivement des fréquences de fonctionnement égales à 50 GHz, 60 GHz, 70 GHz et 80 GHz pour un prototype d'antenne 25 conforme au premier mode de réalisation de l'invention ; - les figures 6a, 6b, 6c, 6d et 6e, 6f, 6g, 6h illustrent les performances du prototype en co-polarisation et cross-polarisation dans le plan H pour respectivement des fréquences de fonctionnement égales à 50 GHz, 60 GHz, 70 GHz et 80 GHz pour un 30 prototype conforme au premier mode de réalisation ; - la figure 7 illustre une vue de dessus d'une antenne millimétrique conforme à un second mode de réalisation de l'invention - la figure 8 illustre le coefficient d'adaptation S11 (dB) en fonction de la fréquence (GHz) pour un prototype d'antenne conforme au second mode de réalisation de l'invention ; - les figures 9a, 9b, 9c et 9d illustrent les diagrammes de rayonnement dans les plans E et H en co-polarisation pour respectivement des fréquences de fonctionnement égales à 50 GHz, 60 GHz, 70 GHz et 80 GHz pour un prototype d'antenne conforme au second mode de réalisation de l'invention ; - les figures 10a, 10b, 10c, 10d et 10e, 10f, 10g, 10h illustrent les io performances du prototype en co-polarisation et cross-polarisation dans le plan E pour respectivement des fréquences de fonctionnement égales à 50 GHz, 60 GHz, 70 GHz et 80 GHz pour un prototype conforme au second mode de réalisation de l'invention ; - les figures 11 a, 11 b, 11 c, 11 d et 11 e, 11 f, 11 g, 11 h illustrent les 15 performances du prototype en co-polarisation et cross-polarisation dans le plan H pour respectivement des fréquences de fonctionnement égales à 50 GHz, 60 GHz, 70 GHz et 80 GHz pour un prototype conforme au second mode de réalisation de l'invention ; - la figure 12 illustre une vue de dessus d'une antenne millimétrique 20 conforme à un troisième mode de réalisation ; - la figure 13 illustre le coefficient d'adaptation S11 (dB) en fonction de la fréquence (GHz) pour un prototype d'antenne conforme au troisième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 14 illustre le diagramme de rayonnement dans les plans 25 E et H en co-polarisation pour une fréquence de fonctionnement égale à 60 GHz pour un prototype d'antenne conforme au troisième mode de réalisation ; - la figure 15 illustre des éléments métalliques amincis mis en oeuvre dans une antenne selon un quatrième mode de réalisation ; 30 - la figure 16 illustre le coefficient d'adaptation S11 (dB) en fonction de la fréquence (GHz) pour un prototype conforme au quatrième mode de réalisation ; - la figure 17 illustre le diagramme de rayonnement dans les plans E et H en co-polarisation pour une fréquence de fonctionnement égale à 60 GHz pour un prototype conforme au quatrième mode de réalisation - la figure 18 illustre une vue en perspective d'une antenne selon un cinquième mode de réalisation ; - la figure 19 illustre le coefficient d'adaptation S11 (dB) en fonction de la fréquence (GHz) pour un prototype conforme au cinquième mode de réalisation de l'invention ; io - la figure 20 illustre le diagramme de rayonnement dans les plans E et H en co-polarisation pour une fréquence de fonctionnement égale à 60 GHz pour un prototype conforme au cinquième mode de réalisation - la figure 21 illustre une vue de dessus d'une antenne selon un 15 sixième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 22 illustre le coefficient d'adaptation S11 (dB) en fonction de la fréquence (GHz) pour un prototype conforme au sixième mode de réalisation ; - la figure 23 illustre le diagramme de rayonnement dans les plans 20 E et H en co-polarisation pour une fréquence de fonctionnement égale à 60 GHz pour un prototype conforme au sixième mode de réalisation - la figure 24 illustre une vue en perspective d'une antenne selon un septième mode de réalisation ; 25 - la figure 25 illustre le coefficient d'adaptation S11 (dB) en fonction de la fréquence (GHz) pour un prototype conforme au septième mode de réalisation ; - la figure 26 illustre le diagramme de rayonnement dans les plans E et H en co-polarisation pour une fréquence de fonctionnement 30 égale à 60 GHz pour un prototype d'antenne conforme au septième mode de réalisation ; - la figure 27 illustre une vue de dessus d'une antenne conforme au huitième mode de réalisation ; - la figure 28 illustre le coefficient d'adaptation S11 (dB) en fonction de la fréquence (GHz) pour un prototype d'antenne conforme au huitième mode de réalisation ; - la figure 29 illustre le diagramme de rayonnement dans les plans E et H en co-polarisation pour une fréquence de fonctionnement égale à 60 GHz pour un prototype d'antenne conforme au huitième mode de réalisation ; io - la figure 30 illustre une vue de face d'une antenne selon un neuvième mode de réalisation ; - la figure 31 illustre le coefficient d'adaptation S11 (dB) en fonction de la fréquence (GHz) pour un prototype conforme au neuvième mode de réalisation ; 15 - la figure 32 illustre le diagramme de rayonnement dans les plans E et H en co-polarisation pour une fréquence de fonctionnement égale à 60 GHz pour un prototype conforme au neuvième mode de réalisation ; - la figure 33 illustre une vue de face d'une antenne selon un 20 dixième mode de réalisation ; - la figure 34 illustre les performances en isolation : coefficients S13, S12 et S23 (dB) en fonction de la fréquence (GHz) pour un prototype conforme au dixième mode de réalisation ; - la figure 35 illustre les coefficients d'adaptation S11, S22 et S33 25 (dB) en fonction de la fréquence (GHz) pour un prototype conforme au dixième mode de réalisation ; - la figure 36 illustre le diagramme de rayonnement dans les plans E et H en co-polarisation pour une fréquence de fonctionnement égale à 60 GHz pour un prototype conforme au dixième mode de 30 réalisation. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Structure générale de l'antenne Les figures 1, 2, 7, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30, 33 illustrent une antenne millimétrique selon différents modes de réalisation. De manière générale, l'antenne comprend un plan de masse M, un substrat diélectrique S, un premier élément métallique 11 et un second élément métallique 12. Le plan de masse M est imprimé sur une face S1 du substrat S. io Les éléments métalliques sont imprimés de manière disjointe sur une face S1 du substrat S et sont disposés l'un par rapport à l'autre de part et d'autre d'un axe XX' de symétrie défini sur la face S1 du substrat S où ils sont imprimés. Les éléments métalliques 11, 12 sont en outre connectés au plan de is masse M et le plan de masse M est imprimé sur la même face S1 du substrat S où les éléments métalliques sont imprimés. En outre, les éléments métalliques 11, 12 sont à surface convexe et sont en outre destinés à rayonner sur la totalité de leur surface lorsque l'antenne est en fonctionnement. 20 Pour son alimentation, l'antenne comprend une ligne d'excitation 13 s'étendant parallèlement à la surface du premier élément métallique 11 et est connecté en un point 14 du bord du second élément métallique 12 le plus proche de l'axe de symétrie XX'. Le substrat est par exemple en silicium et notamment en silicium 25 haute résistivité d'épaisseur égale à 50 µm. Premier mode de réalisation û Antenne avec excitation micro-ruban Structure La figure 1 illustre une vue de dessus d'une antenne millimétrique 30 selon un premier mode de réalisation et conforme à la structure générale présentée ci-dessus et la figure 2 illustre une vue de dessous d'une antenne millimétrique selon un premier mode de réalisation et conforme à la structure générale présentée ci-dessus. Dans ce mode de réalisation, l'antenne comprend deux éléments métalliques 11, 12 rectangulaires connectés au niveau de leur base au plan 5 de masse M. Les éléments métalliques 11, 12 et le plan de masse sont imprimés sur une même face S1 du substrat S. L'antenne comprend une ligne d'excitation 13 micro-ruban 50 SZ imprimées sur la face opposée S2 à la face S1 où sont imprimés les io éléments métalliques 11, 12. Les éléments métalliques 11, 12 sont ainsi séparés par une fente. La ligne d'excitation 13 utilise l'un des deux éléments métalliques 11 comme plan de masse et vient se connecter en un point 14 du bord de l'autre élément métallique 12. 15 Le point de connexion 14 est situé à une hauteur L permettant de régler le niveau d'adaptation de l'antenne. Cette connexion est effectuée par via conducteur au travers du substrat. En outre, si l'on désire optimiser l'adaptation de l'antenne sur une très large bande de fréquence, il est possible d'ajouter des éléments d'adaptation 20 le long de la ligne d'excitation 13, comme par exemple des tronçons de ligne capacitifs ou inductifs, respectivement de largeur supérieure ou inférieure à celle de la ligne d'excitation 13. L'excitation de cette antenne par la ligne d'excitation 13 permet d'induire un couplage électromagnétique de la fente séparant les deux 25 éléments métalliques 11, 12 et de générer le rayonnement de la structure. La ligne d'excitation 13 est par exemple une ligne micro-ruban. Performances Un prototype d'antenne selon ce premier mode de réalisation a été réalisé 30 et caractérisé expérimentalement. Ce prototype a été réalisé sur du silicium à haute résistivité, c'est-à-dire 1 kSZ.cm et d'épaisseur égale à 50µm pour une fréquence de fonctionnement à 60 GHz. Le point de connexion de la ligne micro-ruban au second élément métallique est situé à une hauteur L égale à 0,8 mm, la largeur de la ligne micro-ruban est égal à 37 µm, les deux éléments métalliques sont espacés d'une largeur w égale à 120 µm, la hauteur h des éléments métalliques 11, 12 est de 1,2 mm et la largeur W déterminée à partir du bord du premier élément métallique 11 jusqu'à l'extrémité opposée du second élément métallique 12 est égale à 1,6mm. La figure 3 illustre le coefficient d'adaptation S11 (dB) en fonction de la fréquence (GHz). On constate que le coefficient S11 est inférieur à -10 dB io sur une bande passante de 38,25GHz [54,50 GHz û 92,75 GHz], soit une largeur de bande relative supérieure à 50% ce qui correspond à une valeur plus élevée en comparaison avec les solutions de types connus. Les figures 4a, 4b, 4c et 4d illustrent les diagrammes de rayonnement dans les plans E et H en co-polarisation pour respectivement des fréquences is de fonctionnement égales à 50 GHz, 60 GHz, 70 GHz et 80 GHz. On récapitule dans le tableau ci-dessous les performances de l'antenne pour chacune des fréquences ci-dessus mentionnées. f (GHz) Gain (dBi) Rapport Angle Angle Avant/Arrière (dB) d'ouverture à d'ouverture à -3dB en plan -3dB en plan E(°) H(°) 50 1,75 13,6 NA NA 60 5,65 21,55 50 150 70 5,55 16,27 NA NA 80 4,31 14,06 NA NA A partir de ces diagrammes de rayonnement dans les plans E et H on peut observer, pour les quatre valeurs de fréquence, que le rayonnement 20 principal se trouve dans l'axe des y>0. On constate également que le plan de masse arrière joue le rôle de réflecteur réduisant le rayonnement arrière et améliorant la directivité dans la direction des y>0. En outre, l'antenne présente un gain compris entre 4,31 et 5,65 dBi ainsi qu'un rapport Avant/Arrière supérieur à 14 dB sur une bande de 60 à 80 GHz. Celui-ci correspond au rapport entre le gain suivant la direction principale de rayonnement de l'antenne (y>0) et le gain dans la direction opposée (y Second mode de réalisation ù Antenne avec excitation coplanaire io Structure La figure 7 illustre une vue de dessus d'une antenne millimétrique selon un second mode de réalisation et conforme à la structure générale présentée ci-dessus. Ce second mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation is en ce que la ligne d'excitation 13 est coplanaire avec les éléments métalliques 11, 12 et le plan de masse M. En d'autres termes, les éléments métalliques 11, 12, le plan de masse M et la ligne d'excitation 13 sont imprimés sur la même face S1 du substrat S. 20 La ligne d'excitation 13 s'étend le long d'un élément métallique 11 et est connectée à un bord 14 de l'autre élément métallique 12. Le point de connexion 14 est situé à une hauteur L permettant de régler le niveau d'adaptation de l'antenne. Cette connexion est effectuée directement sur l'élément métallique 12. En outre, si l'on désire optimiser l'adaptation de l'antenne sur une très large bande de fréquence, il est possible d'ajouter des éléments d'adaptation le long de la ligne d'excitation 13, comme par exemple des tronçons de ligne capacitifs ou inductifs, respectivement de largeur supérieure ou inférieure à celle de la ligne d'excitation 13. L'excitation de cette antenne par la ligne coplanaire permet d'induire io un couplage électromagnétique de la fente séparant les deux éléments métalliques 11, 12 et de générer le rayonnement de la structure. Performances Une antenne selon ce second mode de réalisation a été réalisée et 15 caractérisée expérimentalement. Ce prototype a été réalisé sur du silicium à haute résistivité, c'est-à-dire 1 kn.cm et d'épaisseur égale à 50µm pour une fréquence de fonctionnement à 60 GHz. Le point de connexion de la ligne coplanaire au second élément 20 métallique est situé à une hauteur L égale à 0,8 mm, les largeurs du ruban et des fentes de la ligne coplanaire d'excitation sont respectivement égales à 13 µm et à 10 µm, les deux éléments métalliques sont espacés par un intervalle w de 120 µm, la hauteur h des éléments métalliques 11, 12 est de 1,2 mm, la largeur W déterminée à partir du bord du premier élément 25 métallique 11 à l'extrémité opposée du second élément métallique 12 est égale à 1,6mm. La figure 8 illustre le coefficient d'adaptation S11 (dB) en fonction de la fréquence (GHz). On constate que le coefficient de réflexion S11 est inférieur à -10 dB sur une bande passante de 31,50 GHz [51 GHz û 82,5 30 GHz], soit une largeur de bande relative supérieure à 45% ce qui correspond à une valeur plus élevée en comparaison avec les solutions de types connus. Les figures 9a, 9b, 9c et 9d illustrent les diagrammes de rayonnement dans les plans E et H en co-polarisation pour respectivement des fréquences de fonctionnement égales à 50 GHz, 60 GHz, 70 GHz et 80 GHz. On récapitule dans le tableau ci-dessous les performances de l'antenne pour chacune des fréquences. f (GHz) Gain (dBi) Rapport Angle Angle Avant/Arrière (dB) d'ouverture à d'ouverture à -3dB en plan -3dB en plan E(°) H(°) 50 0,99 13,3 NA NA 60 4,77 20 50 155 70 4,45 13,75 NA NA 80 3,64 14,85 NA NA A partir de ces diagrammes de rayonnement dans les plans E et H on peut observer, pour les quatre valeurs de fréquence, que le rayonnement io principal se trouve dans l'axe des y>0. On constate également que le plan de masse arrière joue le rôle de réflecteur réduisant le rayonnement arrière et améliorant la directivité dans la direction des y>0. En outre, l'antenne présente un gain compris entre 3,64 et 4,77 dBi ainsi qu'un rapport Avant/Arrière supérieur à 13 dB sur une bande is de 60 à 80 GHz. Les figures 10a, 10b, 10c, 10d et 10e, 10f, 10g, 10h illustrent les performances du prototype en co-polarisation et cross-polarisation dans le plan E pour respectivement des fréquences de fonctionnement égales à 50 GHz, 60 GHz, 70 GHz et 80 GHz. 20 On récapitule dans le tableau ci-dessous les performances de l'antenne pour chacune des fréquences. f (GHz) Co-polarisation Cross- polarisation Rayonnement Rayonnement Rayonnement avant (dB) arrière (dB) latéral (dB) 50 0.99 -12.32 -0.29 Troisième mode de réalisation Structure io La figure 12 illustre une vue de dessus d'une antenne millimétrique conforme à la structure générale précédemment présentée selon un troisième mode de réalisation. Ce troisième mode de réalisation diffère du second mode de réalisation en ce que les éléments métalliques 11, 12 sont évidés en leur 15 centre. La mise en oeuvre de tels éléments métalliques ne change pas les performances de l'antenne. Performances 20 Une antenne selon ce troisième mode de réalisation a été réalisée et caractérisée expérimentalement. Ce prototype a été réalisé sur du silicium à haute résistivité, c'est-à-dire 1 kn.cm et d'épaisseur égale à 50µm pour une fréquence de fonctionnement à 60 GHz. 25 Les éléments métalliques sont évidés sur une hauteur X égale à 0,9 mm et sur une largeur x égale à 0,3 mm. La figure 13 illustre le coefficient d'adaptation S11 (dB) en fonction de la fréquence (GHz). On constate que le coefficient de réflexion S11 est inférieur à -10 dB sur une bande passante de 30,50 GHz [50,25 GHz ù 80,75 30 GHz], soit une largeur de bande relative supérieure à 45% ce qui correspond à une valeur plus élevée en comparaison avec les solutions de types connus. La figure 14 illustre les diagrammes de rayonnement dans les plans E et H en co-polarisation pour une fréquence de fonctionnement égale à 60 GHz. On constate que les diagrammes de rayonnement ne sont pas modifiés par l'évidement des éléments métalliques. En outre le gain dans l'axe Oy est de 4,91 dBi et le rapport Avant/Arrière est de 18,6 dB (on rappelle que pour le second mode de réalisation le gain dans l'axe Oy est égal à 4,77 dBi et le rapport Avant/Arrière est de 20 dB). io Quatrième mode de réalisation Structure Ce quatrième mode de réalisation diffère du second mode de réalisation en ce que les éléments métalliques sont amincis sur une certaine hauteur. 15 Bien entendu, il est possible de mettre en oeuvre ces éléments métalliques amincis dans une structure d'antenne conforme au premier mode de réalisation. La figure 15 illustre les éléments métalliques amincis. Ces éléments métalliques s'évasent à partir de la base où ils sont connectés au plan de 20 masse M de l'antenne. Prototype Une antenne selon ce quatrième mode de réalisation a été réalisée et caractérisée expérimentalement. 25 Ce prototype a été réalisé sur du silicium à haute résistivité, c'est-à-dire 1 kn.cm et d'épaisseur égale à 50µm pour une fréquence de fonctionnement à 60 GHz. Les éléments métalliques sont amincis sur une hauteur Z égale à 0,9 mm et d'une largeur z égale à 0,5 mm à leur base. 30 La figure 16 illustre le coefficient d'adaptation S11 (dB) en fonction de la fréquence (GHz). On constate que le coefficient de réflexion S11 est inférieur à -10 dB sur une bande passante de 34,25 GHz [48 GHz ù 82,25 GHz], soit une largeur de bande relative supérieure à 50% ce qui correspond à une valeur plus élevée en comparaison avec les solutions de types connus. La figure 17 illustre les diagrammes de rayonnement dans les plans E s et H en co-polarisation pour une fréquence de fonctionnement égale à 60 GHz. On constate que les diagrammes de rayonnement ne sont pas modifiés par la mise en oeuvre d'éléments métalliques amincis par rapport à l'antenne du second mode de réalisation. En outre, le gain dans l'axe Oy est io de 5,46 dBi et le rapport Avant/Arrière est de 23,5 dB (on rappelle que pour le second mode de réalisation le gain dans l'axe Oy est égal à 4,77 dBi et le rapport Avant/Arrière est de 20 dB). Cinquième mode de réalisation 15 Structure Pour chacun des modes de réalisation ci-dessus présentés on peut mettre en oeuvre un réflecteur. La figure 18 illustre une antenne selon un cinquième mode de réalisation. 20 Dans ce mode de réalisation, un réflecteur 20 est disposé au dessus du substrat S. Le réflecteur 20 est dans un matériau identique à celui des éléments métalliques. Le réflecteur est positionné à une hauteur HR non nulle de la surface du substrat sur laquelle les éléments métalliques sont imprimés. 25 Performances Une antenne selon ce cinquième mode de réalisation a été réalisée et caractérisée expérimentalement. Ce prototype a été réalisé sur du silicium à haute résistivité, c'est-à-dire 1 30 kn.cm et d'épaisseur égale à 50µm pour une fréquence de fonctionnement à 60 GHz. Ce prototype correspond à une structure d'antenne conforme au second mode de réalisation dans lequel un réflecteur 20 est disposé au dessus de la face sur laquelle les éléments métalliques sont imprimés. Le réflecteur 20 est disposé à une hauteur HR égale à I mm. La figure 19 illustre le coefficient d'adaptation S11 (dB) en fonction de la fréquence (GHz). On constate que le coefficient de réflexion S11 est inférieur à -10 dB sur une large bande. La figure 20 illustre les diagrammes de rayonnement dans les plans E et H en co-polarisation pour une fréquence de fonctionnement égale à 60 io GHz. On observe une valeur de gain de 7,5 dBi pour un angle de 150° dans le plan H. On constate en outre que le gain est augmenté de 2,7 dB par rapport à l'antenne seule (c'est-à-dire sans réflecteur). Sixième mode de réalisation is Structure Pour chacun des modes de réalisation ci-dessus présentés on peut mettre en oeuvre un élément directeur coplanaire avec au moins les éléments métalliques, le plan de masse. La figure 21 illustre l'antenne du second mode de réalisation avec un 20 élément directeur 21 coplanaire avec les éléments métalliques 11, 12, le plan de masse M et la ligne d'excitation 13. L'élément directeur est par conséquent imprimé au dessus des éléments métalliques à une hauteur Hd non nulle. L'élément directeur 21 est en outre défini par sa largeur Ld et son épaisseur Ed. 25 La hauteur Hd est fixée de manière à fixer l'adaptation de l'antenne. De manière alternative, cet élément directeur pourrait avoir une forme différente d'un simple rectangle, par exemple une forme triangulaire. Performances 30 Une antenne selon ce sixième mode de réalisation a été réalisée et caractérisée expérimentalement. Ce prototype a été réalisé sur du silicium à haute résistivité, c'est-à-dire 1 kn.cm et d'épaisseur égale à 50µm pour une fréquence de fonctionnement à 60 GHz. Ce prototype correspond à une structure d'antenne conforme au second mode de réalisation dans lequel un élément directeur est imprimé sur la face du substrat S où sont imprimés les éléments métalliques 11, 12. La figure 22 illustre le coefficient d'adaptation S11 (dB) en fonction de la fréquence (GHz). Par rapport à l'antenne du second mode de réalisation on constate que le coefficient de réflexion n'est pas fondamentalement io modifié et que l'antenne conserve son caractère large bande. La figure 23 illustre les diagrammes de rayonnement dans les plans E et H en co-polarisation pour une fréquence de fonctionnement égale à 60 GHz. On observe une valeur de gain de 5,45 dBi pour un angle d'ouverture à -3dB de 130° au lieu d'un gain de 4,77 dBi pour un angle d'ouverture à -3dB is de 155° pour l'antenne selon le second mode de réalisation (c'est-à-dire sans élément directeur). Par conséquent, l'élément directeur 21 coplanaire permet d'améliorer sensiblement le niveau de rayonnement dans la direction souhaitée (y>0) en ayant pour conséquence de diminuer l'angle d'ouverture à -3dB. 20 Septième mode de réalisation Structure La figure 24 illustre l'antenne du septième mode de réalisation qui correspond à la combinaison des cinquième et sixième modes de réalisation 25 ci-dessus décrits. L'antenne de ce mode de réalisation comprend donc un réflecteur 20 disposé au dessus de la face S1 du substrat S sur laquelle sont imprimés les éléments métalliques 11, 12 et un élément directeur 21 coplanaire avec le plan de masse M, les éléments métalliques 11, 12 et la ligne d'excitation 13. 30 Prototype Une antenne selon ce septième mode de réalisation a été réalisée et caractérisée expérimentalement. Ce prototype a été réalisé sur du silicium à haute résistivité, c'est-à-dire 1 s kn.cm et d'épaisseur égale à 50µm pour une fréquence de fonctionnement à 60 GHz. L'élément directeur 21 est disposé à une hauteur Hd de 0,6mm et le réflecteur est disposé à une hauteur HR de I mm. La figure 25 illustre le coefficient d'adaptation S11 (dB) en fonction de io la fréquence (GHz). La figure 26 illustre les diagrammes de rayonnement dans les plans E et H en co-polarisation pour une fréquence de fonctionnement égale à 60 GHz. On constate que la combinaison de l'élément directeur 21 et du is réflecteur 20 engendre une sensible désadaptation, notamment dans le haut de la bande passante, mais on constate surtout l'apport de l'élément directeur coplanaire par rapport au réflecteur seul, avec une augmentation de la valeur de gain à 7.67 dBi pour un angle de 150° dans le plan H. 20 Huitième mode de réalisation Structure La figure 27 illustre l'antenne du second mode de réalisation avec un réflecteur coplanaire 23. L'antenne de ce mode de réalisation comprend donc un réflecteur 23 25 coplanaire avec le plan de masse M, les éléments métalliques 11, 12 et la ligne d'excitation 13. Tous ces éléments sont imprimés sur la même face S1 du substrat S. Prototype 30 Une antenne selon ce huitième mode de réalisation a été réalisée et caractérisée expérimentalement. Ce prototype a été réalisé sur du silicium à haute résistivité, c'est-à-dire 1 kn.cm et d'épaisseur égale à 50µm pour une fréquence de fonctionnement à 60 GHz. Le réflecteur coplanaire est de largeur LRC égale à 4mm, d'épaisseur s ERC égale à 1 mm et est positionné à une distance HRC égale à 0,8mm des éléments métalliques 11, 12. La figure 28 illustre le coefficient d'adaptation S11 (dB) en fonction de la fréquence (GHz). La figure 29 illustre les diagrammes de rayonnement dans les plans E io et H en co-polarisation pour une fréquence de fonctionnement égale à 60 GHz. On constate que la réponse en adaptation S11 n'est pas fondamentalement modifiée et présente toujours un caractère très large bande. L'apport de l'élément réflecteur coplanaire est visible au niveau des is diagrammes de rayonnement. En effet, le réflecteur coplanaire permet de modifier la direction principale du rayonnement de l'antenne : le rayonnement ne se fait plus de manière privilégiée dans l'axe Oy, contenu dans le plan du substrat, mais perpendiculairement au substrat (axe Oz). On obtient des gains de 4,44 dBi dans la direction des z>0 et 4,83 dBi vers le 20 substrat (z Neuvième mode de réalisation Structure 25 La figure 30 illustre l'antenne suivant un neuvième mode de réalisation. L'antenne de ce mode de réalisation diffère des antennes des autres modes de réalisation en ce qu'elle comprend un réflecteur 24 disposé au dessus de la face S1 du substrat S sur laquelle sont imprimés les éléments métalliques. 30 Le capot réflecteur 24 est disposé à une hauteur HCR optimisée pour régler l'adaptation de l'antenne. Prototype Une antenne selon ce neuvième mode de réalisation a été réalisée et caractérisée expérimentalement. Ce prototype a été réalisé sur du silicium à haute résistivité, c'est-à-dire 1 s kn.cm et d'épaisseur égale à 50µm pour une fréquence de fonctionnement à 60 GHz. Ce prototype correspond à l'antenne du huitième mode de réalisation avec l'ajout d'un capot réflecteur. Le capot réflecteur est de largeur LCR égale à 4 mm et est disposé à io une hauteur HCR égale à 1,25 mm. Les dimensions du capot réflecteur 24 sont de 4,0x3,5mm2. La figure 31 illustre le coefficient d'adaptation S11 (dB) en fonction de la fréquence (GHz). La figure 32 illustre les diagrammes de rayonnement dans les plans E is et H en co-polarisation pour une fréquence de fonctionnement égale à 60 GHz. On constate que la réponse en adaptation S11 est modifiée mais reste cependant à un niveau acceptable (inférieur à -10 dB) sur une large bande passante. 20 Les diagrammes de rayonnement permettent de constater l'apport supplémentaire par rapport à la solution avec le réflecteur coplanaire seul. En effet, on obtient un gain de 7,32 dBi au lieu de 4,83 dBi dans la direction des z 25 Dixième mode de réalisation Structure La figure 33 illustre l'antenne selon le dixième mode de réalisation. L'antenne de ce mode de réalisation est une mise en réseau d'antennes conformes au second mode de réalisation. 30 Prototype Une antenne selon ce dixième mode de réalisation a été réalisée et caractérisée expérimentalement. Ce prototype a été réalisé sur du silicium à haute résistivité, c'est-à-dire 1 s kn.cm et d'épaisseur égale à 50µm pour une fréquence de fonctionnement à 60 GHz. La figure 34 illustre les performances en isolation : coefficients S13, S12 et S23 (dB) en fonction de la fréquence (GHz). La figure 35 illustre les coefficients d'adaptation S11, S22 et S33 (dB) io en fonction de la fréquence (GHz). La figure 36 illustre les diagrammes de rayonnement dans les plans E et H en co-polarisation pour une fréquence de fonctionnement égale à 60 GHz, avec une excitation sur chaque élément rayonnant de type équiphase/équi-amplitude. 15 On constate que par la mise en réseau, les adaptations demeurent toujours très bonnes sur une très large bande de fréquence. Le gain de ce réseau d'antennes est de 9,52 dBi. On constate en outre que les niveaux d'isolation supérieurs à 20 dB entre les antennes assurent un très bon découplage entre les éléments. Les 20 niveaux d'adaptation sont sensiblement inchangés et restent excellents sur une large bande passante. Les diagrammes de rayonnement obtenus à partir de la fonction réseau présentent des niveaux de lobes secondaires inférieurs à -5dBi pour une valeur de gain d'antenne de 9,52 dBi, d'où un niveau de réjection de ces 25 derniers de l'ordre de 14 dB, en accord avec la solution d'excitation équiphase/équi-amplitude utilisée. Ces performances en isolation ainsi qu'en gain et réjection des lobes secondaires sont très satisfaisantes. REVENDICATIONS1. Antenne millimétrique comprenant : ù un substrat diélectrique (S) ; s ù un plan de masse (M) imprimé sur une face (S1) du substrat (S) ; un premier élément métallique (11) et un second élément métallique (12) imprimés de manière disjointe sur la face (S1) du substrat (S) et disposés l'un par rapport à l'autre de part et io d'autre d'un axe (XX') de symétrie défini sur la face (S1) du substrat (S) où ils sont imprimés, les éléments métalliques (11, 12) sont à surface convexe et en outre destinés à rayonner sur la totalité de leur surface lorsque l'antenne est en fonctionnement, les éléments métalliques s'étendant à partir du 15 plan de masse (M) ; une ligne d'excitation (13) s'étendant à partir d'un bord du substrat (S) parallèlement à l'axe (XX') de symétrie et connectée en un point (14) du bord du second élément métallique (12) le plus proche de l'axe de symétrie (XX'). 20 2. Antenne selon la revendication 1 dans laquelle la ligne d'excitation (13) est imprimée sur la face opposée (S2) à la face (S1) où sont imprimés les éléments métalliques (11, 12), la ligne d'excitation (13) étant connectée au point (14) du bord du second élément métallique (12) au moyen d'un via. 25 3. Antenne selon la revendication 1 dans laquelle la ligne d'excitation (13) est coplanaire avec les éléments métalliques (11, 12), la ligne d'excitation (13) étant imprimée sur la surface du premier élément métallique (11) le long duquel elle s'étend et étant directement connectée au point (14) 30 du bord du second élément métallique (12). 4. Antenne selon l'une des revendications 1 à 3 comprenant en outre un réflecteur disposé au dessus des éléments métalliques. 5. Antenne selon la revendication 4 dans laquelle le réflecteur est s disposé à une hauteur comprise entre quelques centaines de pm et 1.5 mm, de préférence 1 mm des éléments métalliques. 6. Antenne selon l'une des revendications 1 à 5 comprenant en outre un élément directeur coplanaire avec les éléments métalliques, l'élément lo directeur étant imprimé sur le substrat à une distance comprise entre quelques centaines de pm et 1.0 mm des éléments imprimés et a une largeur comprise entre quelques centaines de pm et 1.0 mm et une épaisseur comprise entre quelques dizaines de pm et quelques centaines de µm. 15 7. Antenne selon l'une des revendications 1 à 6 dans laquelle les éléments métalliques sont de forme rectangulaire ou amincis à leur base. 8. Antenne selon l'une des revendications 1 à 7 comprenant en outre 20 des moyens d'adaptation disposés le long de la ligne d'excitation (13). 9. Antenne selon la revendication 8 dans laquelle les moyens d'adaptation sont des tronçons de ligne capacitifs ou inductifs, respectivement de largeur supérieure ou inférieure à celle de la ligne 25 d'excitation (13). 10. Réseau d'antennes comprenant une pluralité d'antennes millimétriques selon l'une des revendications précédentes.