Brevet FR2954599A1 — publié le 20110624

Antenne avec éléments rayonnants incorporant un déphaseur. L'invention porte sur les antennes réseau, en particulier les antennes compacts miniaturisées utilisées par exemple dans des systèmes électroniques tels que des téléphones portables ou encore les calculateurs personnels. On considère que les dimensions d'une antenne miniaturisée sont inférieures au quart de la longueur d'onde du signal mis en oeuvre. II est décrit dans l'art antérieur des antennes dites PIFA pour « Planar Inverted F Antenna » en langue anglo-saxonne (décrite par exemple dans C.RROWELL IEEE « Transactions on Antennas and Progations » Vol. 45, N° 5, 5 May 1997). Ces dernières sont reconnues pour être particulièrement compactes, de l'ordre du quart de longueur d'onde. Un autre type d'antenne connu est l'antenne PDILA pour « Planar Double Inverted L Antenna » en langue anglo-saxonne (décrite par exemple dans Tseng Tang « Applying the Slow-wave effect in a design of a compact antenna Microwave Journal, p.96, June 2008). Par rapport aux antennes PIFA, les antennes PDILA ont pour avantage d'être plus simples à mettre en oeuvre. Classiquement, les éléments rayonnants constitutifs de ce type d'antenne sont connectés à un circuit de déphasage. Ce dernier permet à l'antenne d'émettre deux catégories de champs déphasés de 180° entre eux. Le circuit de déphasage utilisé a pour désavantage d'être particulièrement volumineux, limitant de fait la miniaturisation de l'antenne. Un but de l'invention est notamment de proposer une solution au problème précité. A cet effet, il est proposé une antenne comprenant un réseau d'éléments rayonnants disposés selon deux dimensions, chaque élément rayonnant étant réalisé à l'aide d'au moins une paire de rubans de métaux, les deux rubans nommés respectivement inférieur et supérieur étant placés l'un au dessus de l'autre et reliés entre eux par leurs deux extrémités. Selon une caractéristique générale de l'invention, chaque paire de ruban est associée à un déphaseur formé de deux points de connexion disposés symétriquement de part et d'autre du ruban inférieur de chaque paire, et d'un moyen de commande du courant apte à piloter l'arrivée d'un courant sur les rubans de métaux via l'un ou l'autre des deux points de commande. En d'autres termes, l'invention propose de symétriser les points d'arrivée du courant sur l'élément rayonnant, tout en commandant cette arrivée. La commande permet d'orienter le courant sur l'élément rayonnant selon une première ou une deuxième direction impliquant un premier ou un deuxième déphasage du signal émis par l'antenne. L'invention a pour avantage de proposer une antenne particulièrement compacte tout un intégrant un déphaseur dit « 1 bit » [0°-180°]. Le déphasage réalisé est un déphasage dit 1 bit. Selon un mode de réalisation, chaque élément rayonnant est réalisé avec deux paires de rubans rayonnants, les paires étant disposées en croix l'une par rapport à l'autre les rubans inférieurs de chaque paire étant reliés entre eux à l'aide d'un matériau diélectrique. Le déphaseur est alors un déphaseur dit « 2 bits » [0°- 90°-180°-270°] Selon un mode de réalisation, le moyen de commande peut être un commutateur deux voies. Par exemple, le commutateur deux voies peut être réalisé à l'aide 25 de diodes de type PIN. En variante, le commutateur deux voies peut être réalisé à l'aide de microsystèmes électromécaniques. Selon un autre mode de réalisation, le moyen de commande de chaque paire de ruban peut être formé de : 30 - deux photocommutateurs respectivement couplé à chaque point de connexion, - une source optique apte à émettre un signal d'éclairement en direction des photocommutateurs, et - un modulateur spatial de lumière disposé entre la source optique et les photocommutateurs, et à transmettre ou non la lumière émise par la 5 source optique. De préférence, ledit modulateur spatial de lumière comprend autant de pastilles que le réseau d'éléments rayonnants ne comporte de photocommutateurs, chaque pastille réalisée à l'aide d'un matériau transparent étant disposée face à l'un des photocommutateurs, lesdites 10 pastilles étant commandées de façon à s'obscurcir ou non pour laisser ou non passer le signal d'éclairement de la source optique. Par exemple, notamment dans le cas où l'antenne est de type émission/réception, ladite source optique peut être un laser de type bifréquence. 15 Par exemple, les rubans inférieur et supérieur d'une même paire sont reliés entre eux par un matériau semi-conducteur. Selon un mode de réalisation, l'ensemble des éléments rayonnants sont disposés de façon à former un rectangle et dans laquelle chaque élément rayonnant vu du dessus à la forme d'une croix, les deux 20 branches d'une même croix étant respectivement soit parallèle, soit perpendiculaire soit perpendiculaire un coté choisi de l'antenne. Selon un autre mode de réalisation, l'ensemble des éléments rayonnants sont disposés de façon à former un rectangle et dans laquelle chaque élément rayonnant vu du dessus à la forme d'une croix, chaque 25 branche de la croix étant disposés de façon oblique par rapport aux cotés de l'antenne. Cette dernière configuration permettent toutes les deux une bipolarisation du champ rayonné par l'antenne : circulaire gauche ou droite, la première configuration ayant en outre l'avantage d'être plus compacte. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation de l'invention, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : les figures 1 et 2 illustrent deux configurations possibles d'une 5 antenne selon l'invention dans le cas où le déphasage opéré est dit « 2 bits » [0°- 90°-180°- 270°], vue de dessus, la figure 3 représente de façon simplifiée un élément rayonnant vu du dessus, selon l'invention, - la figure 4 illustre une partie d'un élément rayonnant 10 selon un premier mode de réalisation, la figure 5 illustre une partie d'un élément rayonnant selon un deuxième mode de réalisation, et la figure 6 illustre plus en détail le deuxième mode de réalisation vu de coté. 15 On se réfère à la figure 1. Celle-ci représente une antenne ANT selon une première configuration. L'antenne ANT comprend un réseau d'éléments rayonnants ELT disposés selon deux dimensions. Dans cet exemple, chaque élément rayonnant est formé de quatre branches, de façon à permettre un déphasage dit « 2 bits » du signal émis par l'antenne. Pour 20 cette première configuration, les éléments rayonnants ELT sont disposés en croix, de façon que deux branches alignées de la croix soient parallèles à l'un des cotés de l'antenne ANT, et que les deux autres branches soient parallèles à l'autre coté de l'antenne ANT. Pour la deuxième configuration illustrée sur la figure 2, les 25 éléments rayonnants ELT sont disposés de façon que leur branches soit obliques par rapport aux cotés de l'antenne réseau ANT. Les deux configurations proposées permettent de polariser le champ rayonné par l'antenne ANT selon : - une polarisation verticale et horizontale, ou 30 - une polarisation circulaire droite ou gauche et horizontale ou verticale (quatre combinaisons possibles). La première configuration a pour avantage d'être plus compacte. On se réfère à la figure 3 qui illustre plus en détail un élément rayonnant ELT selon l'invention, ce dernier étant vu du dessus. Cet élément rayonnant est réalisé de façon à permettre un déphasage dit « 2 bits ». Celui-ci est formé de quatre branches BR1, BR2, BR3 et BR4. Les deux branches alignées BR1 et BR2 sont espacées d'une distance choisie dl. Les deux autres branches alignées BR3 et BR4 sont espacées d'une distance d2. Les distances dl et d2 sont de préférence identiques. En variante, dans le cas où l'élément rayonnant est réalisé de façon à permettre un déphasage dit « 1 bit », seule deux branches disposées sur le même alignement sont conservées. On se réfère à présent à la figure 4 qui illustre plus en détail un élément rayonnant ELT selon l'invention. Cet élément rayonnant ne comporte qu'une paire de rubans, il permet donc un déphasage dit « 1 bit » Pour permettre un déphasage dit « 2 bits », l'élément rayonnant ELT est formé de deux paires de deux rubans disposés en croix. Les eux rubans inférieurs de chaque paire sont alors reliés entre eux à l'aide d'un matériau diélectrique. Le ruban supérieur discontinu RS est formé par les deux branches BR1 et BR2. A titre indicatif, si l'élément rayonnant comportait deux paires de rubans, l'autre ruban serait formé des deux autres branches BR3 et BR4. Un ruban inférieur RI est disposé au dessous du ruban supérieur. A titre indicatif, si l'élément rayonnant comportait deux paires de rubans, le ruban inférieur de l'autre paire est disposé au dessous des branches BR3 et BR4. Sur le ruban inférieur est disposée une inductance SLF (ou « self » en langue anglaise). Celle-ci, compatible avec la miniaturisation, permet à l'antenne de rayonner avec un minimum de pertes. Les deux rubans inférieur RI et supérieur RS sont réalisés dans un matériau conducteur, par exemple un métal tel que le cuivre ou l'or particulièrement conducteurs, ou encore en graphène. La longueur des rubans inférieur RI et supérieur RS est ici de 4 , 2 étant la longueur d'onde du signal émis par l'antenne ANT. Par ailleurs, les deux rubans inférieur RI et supérieur RS sont reliés entre eux par leurs deux extrémités à l'aide de deux parois latérales CT1 et CT2. Ces dernières peuvent être réalisées en métal (différents de celui utilisé pour les deux rubans inférieur RI et supérieur RS). Par exemple, les deux parois latérales CT1 et CT2 peuvent être réalisé : en fils métalliques, ou en nanofils semiconducteur, ou encore en nanotubes de carbone. On note que l'inductance induite par les nanotubes de carbone est typiquement dix mille fois plus grande que celle induite par des fils métalliques ce qui présente un avantage certain pour la construction d'antennes dans la gamme de fréquences submillimetriques. Des fils ou nanofils ou nanotube sont disposés le long de chaque extrémité du ruban inférieur de façon plus ou moins dense. Dans le cas des nanotubes de carbones, s'ils sont placé de manière suffisamment denses, il est alors possible de supprimer l'inductance SLF disposée sur le ruban inférieure RI. En effet, les nanotubes de carbone génèrent eux-mêmes une inductance permettant à l'antenne de rayonner. Ainsi, en ajustant la densité des nanotubes de carbone, on ajuste la valeur de l'inductance. L'élément rayonnant ELT est relié au moyen d'émission/réception de l'antenne ANT (bien connu de l'homme du métier et non représenté à des fins de simplification) à l'aide de deux moyens de connexion CNX1 et CNX2 connecté au ruban inférieur de l'élément rayonnant via deux points de connexion, respectivement référencé PT1 et PT2. Ces deux points de connexion sont disposés symétriquement aux deux extrémités du ruban inférieur. Ils sont séparés d'une longueur L. Ces deux moyens de connexion CNX1 et CNX2 permettent d'amener le courant symbolisé par une flèche blanche, depuis les moyens d'émission/réception de l'antenne ANT jusqu'à l'élément rayonnant ELT par l'intermédiaire des points de connexion PT1 et PT2. L'arrivée du courant par l'un ou l'autre des moyens de connexion CNX1 et CNX2 est pilotée par un commutateur deux voies CMT. Ce dernier peut être réalisé à l'aide de diodes de type PIN ou encore à l'aide de microsystèmes électromécaniques appelés MEMS par l'homme du métier. Selon la position du commutateur CMT, le courant arrive par l'un ou l'autre des points de connexion PT1, PT2. Il circule alors selon un sens ou son opposé, à la surface des rubans RI et RS comme symbolisé par les flèches noires. Par exemple, si le courant arrive via le point de connexion PT2, le courant circule de gauche à droite sur les rubans RI et RS (exemple 15 représenté sur la figure 4). A l'inverse, si le courant arrive via le point de connexion PT1, le courant circule de droite à gauche sur les rubans RI et RS. Le signal émis par l'antenne ANT dans le premier cas est déphasé de 180° par rapport au signal émis dans le second cas. Il est ainsi possible 20 de contrôler très simplement le déphasage de chaque élément rayonnant ELT d'une antenne ANT. En variante, comme illustré sur la figure 5, les points de connexion PT1 et PT2 peuvent être chacun relié à un photocommutateur. Sur cet exemple, les photocommutateurs sont des photodiodes PHD1, PHD2. Ces 25 photodiodes PHD1, PHD2 associées à une source d'éclairement décrit plus en détail ci-après forment le moyen de commande. L'utilisation de photodiodes est particulièrement adaptée pour des applications à très haute-fréquence (de longueur d'ondes millimétrique ou sub-millimétrique. La figure 6 illustre plus en détail le mode de réalisation de la 30 figure 5. L'antenne ANT est ici vue de côté. Sont représentés sur cette figure deux éléments rayonnants ELT1 et ELT2 incorporant chacun une paire de photodiodes. Un laser LS émet un signal d'éclairement en direction des photodiodes PHD1, PHD2. Dans le cas où l'antenne est de type réflecteur actif (« Reflect array » en langue anglaise), le laser LS peut être de type continu. Pour ce type d'antenne, bien connu de l'homme du métier, la réflexion sur l'antenne d'un signal provenant d'une source extérieur, crée le déphasage souhaité. Dans le cas d'une antenne de type émission/réception, le laser LS peut être de type bi-fréquence. Ce type de laser (encore appelé bi-mode) émet deux raies optiques décalées d'une valeur de fréquence souhaitée. Le signal d'éclairement émis par le laser LS est focalisé par une lentille LTL et est dirigé vers un modulateur spatial de lumière MSL. Ce modulateur spatial de lumière MSL est formé d'autant de pastilles PST que de photocommutateurs. Ces pastilles PST encore appelées pixels, sont ici rectangulaires mais peuvent adopter toute autre forme. Elles sont réalisées dans un matériau transparent, par exemple un film servant à fabriquer les écrans des ordinateurs portables, mais en transmission. Une pastille PST correspond alors à un pixel d'écran. Chaque pastille PST est mise en correspondance avec une photodiode comme illustré sur la figure 6. Ces pastilles PST sont commandées à l'aide d'une commande électronique CMD bidimensionnelle. Cette commande CMD obscurcit ou non la pastille PST désignée, de façon que celle-ci laisse passer ou non la lumière émise par le laser LS. Sur l'exemple illustré sur la figure 6, la photodiode de droite PHD2 de l'élément rayonnant ELT1 est activée. Par contre, seule la photodiode de gauche PHD1 de l'élément rayonnant ELT2 est activée. Par conséquent, le courant il (symbolisé par une flèche) circule de gauche à droite pour l'élément ELT1 et le courant i2 (symbolisé par une flèche) circule de droite à gauche pour l'élément ELT1. Les déphasages respectifs de chacun des éléments rayonnants ELT1 et ELT2 sont donc 0° et 180°. REVENDICATIONS1. Antenne (ANT) comprenant un réseau d'éléments rayonnants (ELT) disposés selon deux dimensions, chaque élément rayonnant étant réalisé à l'aide d'au moins une paire de rubans de métaux, les deux rubans nommés respectivement inférieur et supérieur étant placés l'un au dessus de l'autre et reliés entre eux par leurs deux extrémités, caractérisé par le fait que chaque paire de ruban est associée à un déphaseur formé de deux points de connexion (PT1, PT2) disposés symétriquement de part et d'autre du ruban inférieur de chaque paire, et d'un moyen de commande (CMT) du courant apte à piloter l'arrivée d'un courant sur les rubans de métaux via l'un ou l'autre des deux points de commande. 2. Antenne selon la revendication précédente, dans lequel chaque élément rayonnant est réalisé avec deux paires de rubans rayonnants, les paires étant disposées en croix l'une par rapport à l'autre les rubans inférieurs de chaque paire étant reliés entre eux à l'aide d'un matériau diélectrique. 3. Antenne selon la revendication précédente, dans laquelle le moyen de commande est un commutateur deux voies. 4. Antenne selon la revendication précédente, dans laquelle le commutateur deux voies est réalisé à l'aide de diodes de type PIN. 5. Antenne selon la revendication 3, dans laquelle le commutateur deux voies est réalisé à l'aide de microsystèmes électromécaniques. 6. Antenne selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le moyen de commande de chaque paire de ruban est formé de : - deux photocommutateurs (PHD1, PHD2) respectivement couplé à chaque point de connexion, - une source optique (LS) apte à émettre un signal d'éclairement en direction des photocommutateurs, et- un modulateur spatial de lumière (MSL) disposé entre la source optique et les photocommutateurs, et à transmettre ou non la lumière émise par la source optique. 7. Antenne selon la revendication précédente, dans laquelle ledit modulateur spatial de lumière comprend autant de pastilles (PST) que le réseau d'éléments rayonnants ne comporte de photocommutateurs, chaque pastille réalisée à l'aide d'un matériau transparent étant disposée face à l'un des photocommutateurs, lesdites pastilles étant commandées de façon à s'obscurcir ou non pour laisser ou non passer le signal d'éclairement de la source optique. 8. Antenne selon l'une des revendications 6 ou 7, dans laquelle ladite source optique est un laser de type bi-fréquence. 9. Antenne selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les rubans inférieur et supérieur d'une même paire sont reliés entre 15 eux par un matériau semi-conducteur. 10. Antenne (ANT) selon l'une des revendications 2 à 9, dans laquelle l'ensemble des éléments rayonnants sont disposés de façon à former un rectangle et dans laquelle chaque élément rayonnant vu du dessus à la forme d'une croix, les deux branches d'une même croix étant 20 respectivement soit parallèle, soit perpendiculaire un coté choisi de l'antenne. 11. Antenne (ANT) selon l'une des revendications 2 à 9, dans laquelle l'ensemble des éléments rayonnants sont disposés de façon à former un rectangle et dans laquelle chaque élément rayonnant vu du dessus 25 à la forme d'une croix, chaque branche de la croix étant disposés de façon oblique par rapport aux cotés de l'antenne. 30