Brevet FR3008550A1 — publié le 20150116

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention est relative aux antennes radio-fréquences notamment de celles pouvant être utilisées dans les systèmes de radiocommunication sans fil. ETAT DE LA TECHNIQUE L'antenne est un élément incontournable d'un dispositif de radiocommunication sans fil. Le développement des applications radio sans fil ainsi que le développement de nouvelles normes de télécommunications impliquent de disposer d'antennes susceptibles d'être intégrées dans différents types de matériels. On cherche donc des solutions d'antennes particulièrement performantes en taille, volume et poids, notamment pour des solutions d'antennes destinées à des applications dans les gammes de fréquences VHF ou UHF. En effet, dans ces gammes de fréquences, les longueurs d'ondes impliquées sont grandes ce qui engendre classiquement des solutions d'antennes qui sont encombrantes. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention propose une solution d'antenne compacte et qui est facilement réalisable. A cet effet, l'invention propose, selon un premier aspect, une structure antennaire adaptée pour être disposée sur un plan de masse comprenant : un substrat support tridimensionnel en matériau diélectrique partiellement évidé comprenant une paroi périphérique qui s'étend entre une extrémité proximale et une extrémité distale, ledit substrat support définissant un volume interne ; un premier motif conducteur inscrit sur la paroi périphérique du substrat support, le premier motif conducteur comprenant une extrémité inférieure adaptée pour être connectée à un plan de masse et une extrémité supérieure ; un second motif conducteur contenu dans le volume du substrat, le second motif étant connecté électriquement à l'extrémité supérieure du premier motif. D'autres aspects de la structure antennaire seuls ou en combinaison sont les suivants : - le substrat support a une forme de cylindre de révolution, cône tronqué, cube, prisme droit à base hexagonale, pyramide tronquée, volume à profil sinueux ; - le premier motif est un fil conducteur ou un ruban conducteur ; - le premier motif est inscrit sur la paroi périphérique de sorte à être enroulé en hélice autour du substrat support ; - le premier motif est en forme de méandres, en forme de sinusoïde, une combinaison de forme rectiligne(s) et sinueuse(s), en forme de motif(s) fractal(s) ; - le second motif est configuré pour obturer au moins partiellement l'extrémité distale du substrat support ; - le second motif conducteur comprend un profil transversal choisi parmi le groupe suivant : droit, créneau, succession de lignes droites, successions de lignes droites et courbes, succession de lignes courbes ; - le second motif conducteur comprend : un tronçon creux ayant une paroi périphérique qui s'étend entre une extrémité inférieure et une extrémité supérieure, ledit tronçon s'étendant dans le volume interne défini par le substrat support ; une collerette qui s'étend à partir de l'extrémité supérieure du tronçon jusqu'à l'extrémité distale du substrat support ; - le second motif conducteur comprend également un fond obturant complètement l'extrémité inférieure du tronçon. Selon un second aspect, l'invention propose une antenne comprenant un plan de masse et une structure antennaire selon le premier aspect de l'invention disposée au-dessus dudit plan de masse, l'extrémité inférieure du premier motif conducteur étant connectée au plan de masse. L'antenne de l'invention comprend en outre une sonde d'excitation adaptée pour alimenter la structure antennaire, la sonde d'excitation étant connectée par l'intermédiaire du conducteur central de ladite sonde d'excitation au premier motif conducteur via un point de connexion situé le long du premier motif conducteur. Selon un troisième aspect, l'invention propose un ensemble antennaire comprenant un plan de masse ; une pluralité de structures antennaires identiques selon le premier aspect de l'invention, une sonde d'excitation connectée par l'intermédiaire du conducteur central de ladite sonde d'excitation au premier motif conducteur d'une unique structure antennaire parmi la pluralité de structures antennaires, ladite structure antennaire ainsi excitée définissant un élément primaire pour l'ensemble antennaire, l'au moins autre structure antennaire définissant au moins un élément secondaire « passif » non alimenté. D'autres aspects de l'ensemble antennaire de l'invention sont les suivants seuls ou en combinaison : - il comprend deux structures antennaires disposées sur le plan de masse côte à côte et séparées d'une distance inférieure à une fraction de la longueur d'ondes 2, de fonctionnement de l'ensemble antennaire, typiquement inférieure à 2.120; - il comprend trois structures antennaires disposées sur le plan de masse de manière triangulaire ; - il comprend au moins un mur conducteur adapté pour diminuer le couplage entre les structures antennaires, le mur conducteur formant un écran électrique entre les structures antennaires. Les avantages de l'invention sont multiples. L'antenne de l'invention présente des dimensions extrêmement réduites par rapport à la longueur d'onde du signal (c'est-à-dire de l'ordre de 2150, voire inférieures à cette valeur). Ceci facilite l'utilisation pour toute application impliquant de très fortes contraintes d'encombrement et de poids, comme, par exemple, les applications de télé-relevé dans les gammes de fréquences VHF ou UHF. De par une imbrication étroite des deux motifs conducteurs au sein d'un même volume, l'invention permet d'avoir une antenne ou un ensemble antennaire extrêmement compact pour une fréquence de fonctionnement fixée. En outre, l'invention offre une très grande simplicité de réglage des performances. En effet, la fréquence de fonctionnement est particulièrement facile à régler puisqu'elle est fonction de la valeur de la longueur développée du premier motif conducteur, ainsi que du facteur de forme et des dimensions choisis pour le second motif conducteur. D'autre part, le niveau d'adaptation de l'antenne de l'invention peut également être aisément optimisé de par un choix approprié de la position du point d'excitation sur le premier motif vis-à-vis de l'extrémité inférieure du premier motif, elle-même connectée à la masse. En outre, l'invention permet d'avoir une solution d'antenne ou un ensemble antennaire qui présente une très grande facilité de réalisation à faible coût. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre une antenne selon un mode de réalisation de l'invention ; - les figures 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f et 2g illustrent plusieurs formes du substrat support d'une structure antennaire selon l'invention ; - les figures 3a, 3b et 3c illustrent plusieurs formes du premier motif conducteur d'une structure antennaire selon l'invention ; - les figures 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g et 4h illustrent des allures du profil transversal du second motif conducteur d'une structure antennaire selon l'invention ; - les figures 5a, 5b et 5c illustrent respectivement une vue en perspective, une vue en coupe B-B' et une vue de côté d'une antenne selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 6 illustre une vue en perspective d'un premier motif conducteur inscrit sur un substrat support d'une structure antennaire selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 7 illustre une vue en perspective d'un second motif conducteur d'une structure antennaire selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 8 illustre un ensemble antennaire selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 9 illustre un ensemble antennaire selon un second mode de réalisation de l'invention ; - la figure 10 illustre un ensemble antennaire selon un troisième mode de réalisation de l'invention. Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Antenne En relation avec la figure 1, une antenne A selon l'invention comprend une structure antennaire Ai et un plan de masse M, la structure antennaire est disposée au-dessus du plan de masse M. La structure antennaire Ai comprend : un substrat S support tridimensionnel en matériau diélectrique partiellement évidé, un premier motif M1 conducteur et un second motif conducteur M2. Le substrat S partiellement évidé comprend une paroi latérale périphérique 51 qui s'étend entre une extrémité proximale S2 et une extrémité distale S3. En outre, le substrat S support définit un volume interne S4 qui peut être partiellement rempli de matériau diélectrique Le substrat support S peut être un matériau diélectrique de type plastique ou mousse plastique, dont les caractéristiques électriques sont de préférence très proches de celles de l'air, voire être tout simplement de l'air. Le premier motif M1 est inscrit sur la paroi latérale périphérique 51 du substrat S support et comprend une extrémité inférieure Einf adaptée pour être connectée au plan de masse M et une extrémité supérieure Esup. Le second motif M2 conducteur est configuré pour être contenu dans le volume S4 du substrat S et est connecté électriquement à l'extrémité supérieure Esup du premier motif Ml. Le second motif M2 conducteur est en outre configuré pour obturer comme un capot l'extrémité distale S3 du substrat support S. Toujours en relation avec la figure 1, l'antenne comprend une sonde d'excitation 10 coaxiale dont le conducteur central 11 est connecté en un point P du premier motif conducteur Ml. Le substrat support S peut prendre plusieurs formes : cylindre de révolution (figure 2a), cône tronqué (figure 2b), calotte sphérique (figure 2c), cube (figure 2d), prisme droit à base hexagonale (figure 2e), pyramide tronquée (figure 2f), ou tout volume quelconque à profil sinueux par exemple (figure 2g). Le premier motif M1 peut prendre plusieurs formes. Les figures 3a, 3b et 3c illustrent des vues en développé de la paroi latérale périphérique 51 du substrat support S avec plusieurs formes pour le premier motif Ml: hélice multi-spires (figure 3a), géométrie multi-méandres (figure 3b) ou bien une forme quelconque (figure 3c). Il peut également être une combinaison de formes rectiligne(s) et sinueuse(s) ou bien en forme de motif(s) fractal(s) (non représentée) ou de forme sinusoïdale (non représentée). Le premier motif conducteur M1 peut être soit un fil conducteur ou bien un ruban 20 conducteur. Dans le cas d'un fil conducteur, le diamètre du fil conducteur est compris entre 0,25mm et 5mm, de préférence 1mm. Dans le cas d'un ruban conducteur, la largeur du ruban est comprise entre 0,5mm et 10mm, de préférence 2mm. 25 En outre, la longueur développée du fil conducteur ou du ruban conducteur est l'un des éléments de réglage de la fréquence de fonctionnement. Plus cette longueur est grande plus la fréquence de l'antenne correspondante est basse. Le second motif M2 peut également prendre plusieurs formes. Les figures 4a, 4h, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g et 4h illustrent des allures du profil transversal pour le second motif 30 M2 : droit (figure 4a), créneau (figure 4b), succession de lignes droites (figures 4c et 4e), successions de lignes droites et courbes (figures 4d et 4f), succession de lignes courbes (figures 4g et 4h). Comme illustré sur les figures 4h, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g et 4h le second motif M2 peut avoir une partie qui s'étend à l'intérieur du volume interne S4 du substrat support S vers 35 l'extrémité proximale S2 du substrat support S. En outre, le second motif M2 peut comprendre un facteur de forme plein comme c'est le cas sur les figures 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g et 4h ou bien évidé en son centre (par exemple un anneau). Par conséquent, le volume du substrat support S est utilisé à la fois pour supporter et pour contenir un motif conducteur global qui soit électriquement le plus long possible et cela pour que l'antenne puisse fonctionner à la fréquence la plus basse possible. On décrit en relation avec les figures 5a, 5h, 5c et les figures 6 et 7 une antenne selon un mode de réalisation préféré de l'invention. Selon ce mode de réalisation préféré, le substrat support S est de forme cylindrique et le premier motif conducteur M1 est en hélice. En outre, le substrat support S est un cylindre de révolution dont la section transverse est égale à un disque de diamètre d « 2, et dont la hauteur est égale à h « 2. (avec 2, la longueur d'ondes associée à la fréquence de fonctionnement de l'antenne correspondante). Le premier motif M1 comporte plusieurs spires enroulées sur la paroi latérale périphérique 51 du substrat support S. Le second motif M2 est ici de type pastille inscrit dans sa totalité à l'intérieur du volume S4 défini par le substrat support S. Le second motif M2 conducteur est constitué de trois parties : - un tronçon C creux ayant une paroi latérale périphérique Cl qui s'étend entre une extrémité inférieure C2 et une extrémité supérieure C3 ; - une collerette C' qui s'étend à partir de l'extrémité supérieure C3 du tronçon jusqu'à l'extrémité distale S3 du substrat S support ; - un fond C" qui obture complètement l'extrémité inférieure du tronçon C. Ce fond C" est caractérisé par une surface dont le périmètre externe correspond à l'extrémité inférieure C2 du tronçon C. La collerette C' prend la forme ici d'un motif conducteur annulaire de diamètre extérieur d et de diamètre intérieur d' (avec 0 Ainsi, le second motif M2 vient comme un chapeau inversé au-dessus du substrat support S avec une partie (c'est-à-dire le tronçon C et le fond C") insérée à l'intérieur du volume interne du substrat S support. De par sa structure, on dit que l'antenne est de type bouchon. Les premier et second motifs conducteurs Ml, M2 sont électriquement connectés : le second motif M2 est notamment connecté électriquement à l'extrémité supérieure Esup du premier motif conducteur Ml. Un prototype d'une antenne selon ce mode de réalisation préféré a été développé et expérimenté. Les caractéristiques de ce prototype sont les suivantes : hors plan de masse M, un élément rayonnant constitué par l'association du premier motif conducteur M1 et du second motif conducteur M2 est contenu dans un volume cylindrique, de diamètre égal à 30mm et de hauteur 20mm. Etant donné la fréquence de fonctionnement mesurée, d'une valeur de 193MHz (correspondant à une longueur d'onde 2, de 1554mm), la plus grande dimension de l'antenne (c'est-à-dire le diamètre du substrat support S de 30mm) est alors de l'ordre de 2152, ce qui implique une antenne extrêmement compacte. En outre, à cette fréquence de 193MHz, l'antenne est parfaitement adaptée (c'est-à-dire un niveau d'adaptation Par rapport à l'antenne, l'ensemble antennaire présente une bande passante élargie. La figure 8 illustre un ensemble antennaire comprenant deux structures antennaires Al, A2 disposées l'une à côté de l'autre. Dans ce mode de réalisation, la configuration consiste à associer une première et une seconde structures antennaires Al, A2, positionnées l'une par rapport à l'autre à une très faible distance D par rapport à la longueur d'onde du signal 2., et cela afin de conserver des dimensions globales pour l'ensemble antennaire particulièrement réduites. Dans ce mode de réalisation, pour une fréquence de fonctionnement de 193MHz correspondant à une longueur d'onde 2, de 1554mm, la distance D entre les deux structures (c'est-à-dire la distance entre les axes de symétrie centraux des structures Al, A2) est de 70mm, soit d'environ 2.122 (d'où D « 2.). Notons que cette très grande proximité entre les structures est rendue possible de par le caractère miniature des structures antennaires utilisées (la taille des structures antennaires est de l'ordre de 2152). Toujours en relation avec le mode de réalisation de la figure 8, la première structure antennaire Al alimentée par la sonde d'excitation coaxiale 10 joue le rôle d'un élément rayonnant primaire, alimenté en un point de connexion P par le conducteur central 11 de la sonde d'excitation 10. La première structure antennaire Al alimentée est couplée électromagnétiquement à la seconde structure antennaire, de configuration identique, mais qui est, quant à elle, non alimentée. Cette seconde structure antennaire joue, par conséquent, le rôle d'un élément secondaire « passif », fonctionnant initialement à la même fréquence de résonance que la première structure antennaire Al et positionné dans son environnement proche, afin de lui être couplé physiquement. De par la combinaison des deux structures antennaires Al, A2, la réponse électrique obtenue sur la première structure antennaire Al est alors de type bi-fréquence, avec des valeurs de fréquence relativement proches l'une de l'autre. L'écart en fréquence est fonction de la valeur du niveau de couplage existant entre la première structure antennaire Al et la seconde structure antennaire A2. Plus ce niveau diminue, plus les fréquences se rapprochent. Au niveau de la première structure antennaire Al couplée à la seconde structure antennaire A2, nous obtenons donc, en définitive, une réponse équivalente à celle d'un filtre passe bande à deux pôles, ce qui entraine un élargissement significatif de la bande passante comparativement à celle qui serait obtenue si seule la première structure antennaire était utilisée. Afin de maintenir un bon niveau d'adaptation sur toute la bande passante de la première structure antennaire Al couplée à la seconde structure antennaire A2, les deux fréquences de résonance intervenant dans la réponse électrique doivent être très proches l'une de l'autre, ce qui conduit, a priori, à fixer un niveau de couplage entre les structures antennaires Al, A2 très faible. Cette condition peut être satisfaite très simplement en augmentant la distance D entre les deux structures antennaires, mais au détriment de la compacité de l'ensemble a nten na ire. Afin de pouvoir conserver le caractère compact de l'ensemble antennaire, en choisissant D égale à une valeur très petite par rapport à la longueur d'onde 2, la diminution du couplage peut être simplement obtenue grâce à la présence d'un écran électrique entre les deux structures antennaires Al, A2, cet écran pouvant être réalisé, par exemple, par l'utilisation d'un mur conducteur 100 connecté électriquement à sa base sur le plan de masse, comme cela est illustré sur la figure 9. Dans ce cas, la position du mur conducteur 100, ainsi que sa géométrie et ses dimensions permettent d'ajuster la valeur du couplage et donc de maîtriser finement l'allure de la réponse électrique dans la bande passante. Pour augmenter la largeur de la bande passante, il est possible de rajouter des structures antennaires. Comme cela a été précisé dans le cas de deux éléments, le principe de base consiste alors à construire au niveau de l'élément primaire une réponse électrique de type filtre passe bande multi-pôles en exploitant le couplage de cet élément primaire Al avec tous les autres éléments secondaires « passifs » Ai (i>1). Dans cette structure, le nombre n de structures antennaires, leur disposition géométrique sur le plan de masse, ainsi que le nombre, les positions et les caractéristiques des murs conducteurs constituent des paramètres de liberté quant à la conception et l'optimisation d'un tel ensemble antennaire. A titre d'exemple, la figure 10 illustre un ensemble antennaire comprenant trois structures antennaires Al, A2, A3 disposées sur le plan de masse M de manière triangulaire et comprenant deux murs conducteurs. Un prototype d'un ensemble antennaire comme illustré sur la figure 9 a été développé et expérimenté. Ce prototype correspond à l'association de deux structures antennaires telles de l'antenne du mode de réalisation illustré sur la figure 5a. Il a été relevé une augmentation de la bande passante de plus de 50% par rapport à l'antenne selon le mode de réalisation illustré sur la figure 5a. La taille de chaque structure antennaire de ce prototype est de 2152. L'ensemble antennaire fonctionne à une fréquence de 193MHz. Les deux structures antennaires sont séparées d'une distance D de 70mm, soit 2122 et l'écran électrique permettant de contrôler le niveau de couplage entre les deux éléments est un simple mur conducteur rectangulaire de dimensions 30x70mm2, positionné entre les deux structures antennaires. REVENDICATIONS1. Structure antennaire adaptée pour être disposée sur un plan de masse (M) comprenant : un substrat (S) support tridimensionnel en matériau diélectrique partiellement évidé comprenant une paroi périphérique (51) qui s'étend entre une extrémité proximale (S2) et une extrémité distale (S3), ledit substrat (S) support définissant un volume interne (S4) ; un premier motif (M1) conducteur inscrit sur la paroi périphérique du substrat (S) support, le premier motif (M1) conducteur comprenant une extrémité inférieure (Einf) adaptée pour être connectée à un plan de masse (M) et une extrémité supérieure (Esup) ; un second motif (M2) conducteur contenu dans le volume (S4) du substrat (S), le second motif (M2) étant connecté électriquement à l'extrémité supérieure (Esup) du premier motif (M1). 2. Structure antennaire selon la revendication précédente, dans laquelle le substrat support a une forme de cylindre de révolution, cône tronqué, cube, prisme droit à base hexagonale, pyramide tronquée, volume à profil sinueux. 3. Structure antennaire selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le premier motif (M1) est un fil conducteur ou un ruban conducteur. 4. Structure antennaire selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le premier motif (M1) est inscrit sur la paroi périphérique de sorte à être enroulé en hélice autour du substrat support. 5. Structure antennaire selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle le premier motif (M1) est en forme de méandres, en forme de sinusoïde, une combinaison de forme(s) rectiligne(s) et sinueuse(s), en forme de motif(s) fractal(s). 6. Structure antennaire selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le second motif (M2) est configuré pour obturer au moins partiellement l'extrémité distale (53) du substrat support (S). 7. Structure antennaire selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le second motif conducteur (M2) comprend un profil transversal choisi parmi le groupe suivant : droit,créneau, succession de lignes droites, successions de lignes droites et courbes, succession de lignes courbes. 8. Structure antennaire selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le second motif conducteur (M2) comprend : un tronçon (C) creux ayant une paroi périphérique (Cl) qui s'étend entre une extrémité inférieure (C2) et une extrémité supérieure (C3), ledit tronçon s'étendant dans le volume (S4) interne défini par le substrat (S) support ; une collerette (C') qui s'étend à partir de l'extrémité supérieure (C3) du tronçon jusqu'à l'extrémité distale (S3) du substrat (S) support. 9. Structure antennaire selon la revendication 8, dans laquelle le second motif conducteur (M2) comprend également un fond (C") obturant complètement l'extrémité inférieure du tronçon (C). 10. Antenne comprenant un plan de masse (M) et une structure antennaire (Ai) selon l'une des revendications précédentes disposée au-dessus dudit plan de masse, l'extrémité inférieure (Einf) du premier motif conducteur (M1) étant connectée au plan de masse (M). 11. Antenne selon la revendication 10, comprenant une sonde d'excitation (10) adaptée pour alimenter la structure antennaire (Ai), la sonde d'excitation (10) étant connectée par l'intermédiaire du conducteur central (11) de ladite sonde d'excitation au premier motif conducteur (M1) via un point de connexion (P) situé le long du premier motif conducteur (M1). 12. Ensemble antennaire comprenant un plan de masse (M) ; une pluralité de structures antennaires identiques selon l'une des revendications 1 à 9, une sonde d'excitation (10) connectée par l'intermédiaire du conducteur central (11) de ladite sonde d'excitation (10) au premier motif conducteur (M1) d'une unique structure antennaire parmi la pluralité de structures antennaires, ladite structure antennaire ainsi excitée définissant un élément primaire pour l'ensemble antennaire, l'au moins autre structure antennaire définissant au moins un élément secondaire « passif » non alimenté.35 13. Ensemble antennaire selon la revendication précédente, comprenant deux structures antennaires disposées sur le plan de masse côte à côte et séparées d'une distance inférieure à une fraction de la longueur d'ondes 2, de fonctionnement de l'ensemble antennaire, typiquement inférieure à 2120. 14. Ensemble antennaire selon la revendication 12, comprenant trois structures antennaires disposées sur le plan de masse de manière triangulaire. 15. Ensemble antennaire selon l'une des revendications 12 à 14, comprenant au moins un mur conducteur adapté pour diminuer le couplage entre les structures antennaires, le mur conducteur formant un écran électrique entre les structures antennaires.