Brevet FR2951877A1 — publié le 20110429

La présente invention concerne une antenne composée d'une source d'ondes électromagnétiques et d'un nombre prédéterminé de cellules métallo-diélectriques placées dans la zone de champ proche de la source d'ondes électromagnétiques. Le domaine de l'invention est celui des antennes utilisées dans les systèmes de communications sans fil. La demande de brevet US 2008/0129626 divulgue une antenne présentant une amélioration du gain grâce à l'introduction d'éléments métalliques dans le radome selon une disposition planaire en grand nombre. Cette structure conduit à être de grande taille et l'effet d'amélioration sur le gain ne fonctionne que dans une direction particulière. La demande concernant le brevet US 6970137B I présente une antenne PIFA, intégrable dans un téléphone portable, et dont la bande passante a été augmentée par l'adjonction de structures métalliques de forme solénoïdale dans le substrat de l'antenne. Pour que l'effet de l'élargissement de la bande passante soit remarquable, il faut combiner un nombre important d'éléments métalliques. Les structures dévoilées dans les brevets US 2008/0129626 et US 6970137B1 permettent d'améliorer séparément certaines performances radioélectriques de l'antenne, telles que le gain ou la bande de fréquence, mais ne permettent pas d'introduire un contrôle des performances, du fait de leur construction reposant sur la mise en oeuvre d'un nombre élevé d'éléments. L'invention a pour but de résoudre les inconvénients de l'art antérieur en proposant une antenne composée d'une source d'ondes électromagnétiques et d'un nombre prédéterminé et restreint de cellules métallo-diélectriques placées dans la zone de champ proche de la source d'ondes électromagnétiques. Selon la mise en oeuvre proposée, le gain ou la fréquence de fonctionnement peuvent être reconfigurés à tout moment. A cette fin, selon un premier aspect, l'invention propose une antenne composée d'une source d'ondes électromagnétiques et d'un nombre prédéterminé de cellules métallo-diélectriques placées dans la zone de champ proche de la source d'ondes électromagnétiques, caractérisée en ce que le nombre prédéterminé de cellules est compris entre deux et huit cellules, et en ce que chaque cellule est constituée d'au moins une boucle chargée par un élément de contrôle électronique permettant de réguler la circulation du courant et les caractéristiques électriques de la boucle. Ainsi, l'antenne est de faible encombrement à cause du nombre restreint d'éléments mis en oeuvre, et le contrôle des performances radioélectriques telles que le gain et la fréquence de fonctionnement est facilement réalisable pour une reconfigurabilité immédiate de l'antenne. En insérant un élément de contrôle électronique dans la boucle, le contrôle du gain ou de la fréquence de fonctionnement de l'antenne est réalisable dans des plages de variations importantes. Sans être limitatif, l'élément de contrôle électronique peut être réalisé à l'aide d'une diode varicap, ou de toute autre technologie de composant, comme les MEMS par exemple. Selon un mode particulier de l'invention, l'antenne peut être contrôlée par une commande unique, telle que par exemple une tension électrique appliquée de manière identique aux bornes de chaque diode varicap. Ainsi, le contrôle des performances en gain et en fréquence de fonctionnement est effectué de manière simple et peu onéreuse pour l'antenne. Selon un mode particulier de l'invention, chaque boucle est prolongée à l'endroit du chargement par deux brins, formant ainsi un motif similaire au caractère grec majuscule Oméga. Une telle cellule métallo-diélectrique présente une double résonance grâce à la combinaison d'un effet magnétique et d'un effet électrique, renforçant ainsi la valeur de 1indice du milieu et sa sensibilité à l'élément de contrôle. Selon un mode particulier de l'invention, la source d'ondes électromagnétiques est une antenne planaire associée à un nombre pair de cellules métallo-diélectriques reproduites sur un substrat orienté perpendiculairement à l'antenne, le champ électrique généré par la source d'ondes électromagnétiques étant majoritairement colinéaire aux brins et le champ magnétique généré par la source d'ondes électromagnétiques étant majoritairement normal à la boucle. Le placement des cellules est optimisé de telle manière à obtenir un couplage maximal avec le champ électromagnétique généré à proximité de l'antenne, la boucle devant être orientée de telle manière à maximiser le flux du champ magnétique provenant de l'antenne et les brins devant être orientés de telle manière à favoriser la circulation du champ électrique issu de la zone proche de l'antenne. Pour maximiser le couplage entre les cellules et la source d'ondes électromagnétiques, il faut donc non seulement considérer les zones de fort champs électriques et magnétiques, mais également considérer l'orientation des différentes parties des cellules en regard de l'orientation des champs électriques et magnétiques générés par la source élémentaire de rayonnement. Selon un mode particulier de l'invention, quatre substrats sont placés dans la zone de champ proche de la source d'ondes électromagnétiques dont deux sont placés en périphérie de la métallisation de l'antenne planaire. Ainsi, l'antenne est de petite dimension et est particulièrement adaptée pour être utilisée dans des applications dans lesquelles l'espace est une contrainte importante. Selon un mode particulier de l'invention, deux substrats sont placés au-dessus de la zone active de ['antenne planaire ou sous la zone active de l'antenne planaire. Selon un autre mode particulier de l'invention, la source d'ondes électromagnétiques consiste en une antenne planaire, où les cellules sont directement gravées en mode fente sur la surface métallisée de l'antenne planaire. Le champ électrique généré par la source d'ondes électromagnétiques est alors préférentiellement normal à la boucle et le champ magnétique généré par la source d'ondes électromagnétiques est colinéaire aux brins, selon le principe de la dualité appliqué au fonctionnement des fentes. De même que pour les autres modes de réalisation, les cellules sont placées et orientées en accord avec le champ électromagnétique généré par l'antenne pour obtenir une sensibilité maximale dans le contrôle du dispositif. Selon un mode particulier de l'invention, quatre cellules sont gravées sur la surface de l'antenne planaire. Chaque boucle est disposée à proximité d'un bord de l'antenne planaire et les brins sont placés à proximité du centre de l'antenne planaire. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels O la Fig. 1 représente une vue en perspective d'une antenne selon la présente invention ; ® la Fig. 2 représente un premier exemple de réalisation d'une cellule reproduisant un motif similaire au caractère grec majuscule Oméga dans laquelle une diode varicap est insérée ; la Fig. 3 représente une vue de dessus d'une antenne selon un premier mode de réalisation de la présente invention, les cellules pouvant être placées au-dessus ou au-dessous de la source d'ondes électromagnétiques ; • la Fig. 4 représente une vue de dessus d'une antenne selon un second mode de réalisation de la présente invention ; • Les Fig. 5a à 5d représentent différents motifs qu'une cellule peut prendre selon la présente invention. La Fig. 1 représente une vue en perspective d'une antenne selon la présente invention. L'antenne est composée d'une source d'ondes électromagnétiques Pat. La source d'ondes électromagnétiques Pat est une antenne planaire ou patch en terminologie anglo-saxonne placée sur un support diélectrique Sup. En variante, la source d'ondes électromagnétiques Pat est une antenne filaire ou un guide métallique ou un guide diélectrique. Au dessus de l'antenne patch Pat sont placés quatre substrats Subi à Sub4, comportant chacun respectivement deux cellules métallo-diélectriques représentant le caractère grec majuscule Oméga. Les substrats Subi à Sub4 sont placés dans la zone de champ proche de la source d'ondes électromagnétiques. Sans être limitatif dans son utilisation, ce premier mode de réalisation se prête particulièrement bien pour un contrôle du faisceau rayonné par l'antenne. En variante, les substrats Subl à Sub4 sont placés en dessous de l'antenne patch Pat. Le fait d'agir sur les propriétés diélectriques du substrat permet d'introduire un contrôle direct de la fréquence de fonctionnement de l'antenne. La Fig. 2 représente un premier exemple de réalisation d'une cellule reproduisant un motif similaire au caractère grec majuscule Oméga dans laquelle un élément de contrôle électronique est inséré. La cellule est composée d' une boucle BI prolongée à l'endroit du chargement de l'élément de contrôle électronique par deux brins Bd et Br2 formant ainsi un caractère grec majuscule Oméga S'agissant de l'élément de contrôle électronique, une diode varicap D peut être utilisée ou toute autre technologie de composants apportant une fonctionnalité équivalente. La Fig. 3 représente une vue de dessus d'une antenne selon un premier mode de réalisation de la présente invention. Dans la Fig. 3, quatre substrats comportant chacun une paire de cellules sont représentés. La source d'ondes électromagnétiques est une antenne patch. La partie métallisée de l'antenne patch est hachurée dans la Fig. 3. Chaque substrat est placé perpendiculairement à la surface de l'antenne patch selon un axe Z. Le champ électrique E représenté par les flèches orientées selon l'axe X généré par la source d'ondes électromagnétiques est, ou est majoritairement, colinéaire aux brins des cellules. Le champ magnétique H représenté par les flèches orientées selon l'axe Y généré par la source d'ondes électromagnétiques est, ou est majoritairement, normal à la boucle ouverte des cellules. Les cellules comprises dans les substrats Subi. et Sub2 sont orientées selon un sens opposé à celui des cellules comprises dans les substrats Sub3 et Sub4. Les substrats Subi et Sub4 sont placés en périphérie de la zone active de l'antenne planaire. Les substrats Sub2 et Sub3 sont placés sur la zone active de l'antenne patch. Les substrats Subi, Sub2, Sub3 et Sub4 sont parallèles. Les substrats Subi. Sub2 sont placés l'un par rapport à l'autre à une distance prédéterminée, identique à celle séparant les substrats Sub3 et Sub4. Les substrats Subi, Sub2, Sub3 et Sub4 sont placés symétriquement par rapport à l'axe de symétrie de 1' antenne patch représenté par une ligne pointillée. Dans une variante du premier mode de réalisation, les cellules peuvent également être placées sous l'antenne selon le même nombre et selon la même orientation. La Fig. 4 représente une vue de dessus d'une antenne selon un second mode de réalisation de la présente invention. Dans la Fig. 4, quatre cellules sont représentées. La source d'ondes électromagnétiques est une antenne patch. La partie métallisée de l'antenne patch est représentée en noir dans la F`ig. 4. Le champ électrique E représenté par les flèches orientées selon l'axe X généré par la source d'ondes électromagnétiques est, ou est majoritairement, normal aux brins des cellules. Le champ magnétique H représenté par les flèches orientées selon l'axe Y généré par la source d'ondes électromagnétiques est, ou est majoritairement, colinéaire à la boucle ouverte des cellules. Les cellules sont gravées dans la partie métallisée de l'antenne patch. Les cellules disposées sur la gauche dans la Fig. 4 sont orientées selon un sens opposé à celui des cellules disposées sur la droite dans la Fig. 4. Les cellules sont placées symétriquement par rapport au centre de l'antenne patch. Les quatre cellules sont disposées pour respecter l'accord dans l'orientation des champs électrique et magnétique et ainsi de bénéficier de la sensibilité maximale du champ magnétique au centre de l'antenne patch et de bénéficier de la sensibilité maximale du champ électrique sur les bords de l'antenne patch. Ainsi les brins des cellules sont disposés vers le centre de l'antenne patch tandis que les boucles ouvertes sont orientées vers les bords de l'antenne patch. Pour le mode de réalisation représenté en Fig. 4, un contrôle direct de la fréquence peut être aisément obtenu pour la source d'ondes électromagnétiques. Les Fig. 5a à 5d représentent différents motifs qu'une cellule peut prendre selon la présente invention. La Fig. 5a représente un motif constitué de deux boucles ouvertes de forme carrée et imbriquées. Les ouvertures des boucles sont placées selon le même axe mais sont de sens opposé. La Fig. 5b représente un motif constitué d'un anneau ouvert. La Fig. 5c représente un motif constitué d'une boucle ouverte de forme carrée prolongée par des brins. La Fig. 5d représente un motif constitué de deux boucles ouvertes de forme canée dont les ouvertures sont placées en vis-à-vis. Il est à remarquer ici que différents motifs de cellules peuvent être disposés sur une même antenne. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits ici, mais englobe, bien au contraire, toute variante à la portée de l'homme du métier et particulièrement la combinaison de différents modes de réalisation de la présente invention. REVENDICATIONS1) Antenne composée d'une source d'ondes électromagnétiques (Pat)et d'un nombre prédéterminé de cellules métallo-diélectriques placées dans la zone de champ proche de la source d'ondes électromagnétiques (Pat), caractérisé en ce que le nombre prédéterminé de cellules est un nombre compris entre deux et huit cellules. 2) Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque cellule est constituée d'au moins une boucle (B1) chargée par un élément de contrôle électronique (D), et en ce que l'antenne comporte des moyens pour la génération d'une tension électrique variable et applicable identiquement à chaque élément de contrôle. 3) Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque boucle (B1) est prolongée par deux brins (Brl et Br2), chaque cellule reproduisant un motif similaire au caractère grec majuscule Oméga. 15 4) Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que la source d'ondes électromagnétiques (Pat) est une antenne planaire et en ce que les cellules sont reproduites par paire sur un substrat et sont placées perpendiculairement à la surface de l'antenne planaire, le champ électrique (E) généré par la source d'ondes électromagnétiques étant majoritairement colinéaire aux brins et le champ magnétique 20 (H) généré par la source d'ondes électromagnétiques étant majoritairement normal à la boucle ouverte. 5) Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que quatre substrats (Subi à Sub4) sont placés dans la zone de champ proche de la source d'ondes 25 électromagnétiques dont deux placés en périphérie de la zone active de l'antenne planaire (Sub 1 et Sub4). 6) Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que deux substrats (Sub2 et Sub3) sont placés sur la zone active de l'antenne planaire ou sous la zone active de 30 l'antenne planaire 10 7) Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que la source d'ondes électromagnétiques (Pat) est une antenne planaire et en ce que les cellules sont gravées sur la surface de l'antenne planaire, le champ électrique (E) généré par la source d'ondes électromagnétiques (Pat) étant majoritairement normal aux brins et le champ magnétique (H) généré par la source d'ondes électromagnétiques étant majoritairement colinéaire à la boucle ouverte. 8) Antenne selon la revendication 7, caractérisée en ce que quatre cellules sont gravées sur la surface de l'antenne planaire. 9) Antenne selon la revendication 8, caractérisée en ce que chaque boucle (Bl) est disposée à proximité d'un bord de l'antenne planaire et les brins (Brl et Br2) sont placés à proximité du centre de l'antenne planaire.