Brevet FR3005530A1 — publié le 20141114

ANTENNE DIRECTIVE MULTI-SECTEURS Domaine technique La présente invention se rapporte au domaine des antennes « superdirectives » et concerne plus particulièrement une antenne directive apte à couvrir sélectivement au moins deux secteurs angulaires opposés. L'invention trouve des applications dans ses systèmes de communication sans fil. Etat de la technique L'utilisation d'antennes directives dans les systèmes de communication sans fil présente de nombreux avantages. La directivité des antennes permet, entre autres, de réduire les interférences coté émission en émettant le signal uniquement dans la direction souhaitée, de réduire également les interférences coté réception en captant uniquement les signaux d'une direction privilégiée et enfin de réduire la consommation électrique et le cout de fonctionnement du système. La taille de l'antenne directive étant généralement liée à sa directivité, elle est actuellement très peu utilisée dans les dispositifs de communication de petite taille. Par ailleurs, un concept d'antennes superdirectives a 25 été développé dans les années 1940. Ce concept était l'un des plus prometteurs pour réduire la taille des antennes directives. Ce concept est basé sur un réseau d'antennes. Alors que la directivité maximale obtenue avec un réseau colinéaire comprenant N éléments rayonnants isotropiques écartées d'une demi longueur d'onde est égale à N (ou 10logN en décibels), la directivité d'un réseau d'antennes superdirectives comprenant N éléments rayonnants colinéaires excités de manière appropriée en amplitude et en phase approche la valeur de N2 (ou 20logN en décibels) dès que l'écartement des éléments rayonnants approche 0. Ceci est rappelé dans le document intitulé « A monopole superdirective array » de E.E Alshuler, T.H O'Donnell, A.D Yaghjian, S.R Best, IEEE Transactions on antennas and propagation, vol.53, NO.8, August 2005. Ce concept est doublement intéressant pour les raisons suivantes: 1) la valeur de la directivité est le carré (le double en décibels) de la directivité atteinte avec les réseaux conventionnels, et 2) cette valeur est atteinte lorsque la longueur totale du réseau approche zéro. La raison pour laquelle ce concept de superdirectivité n'a pas été jusqu'à présent employé est qu'il requiert un contrôle précis en phase et en amplitude de l'excitation des éléments rayonnants pour obtenir les conditions de superdirectivité. Résumé de l'invention Un objet de l'invention est de proposer une nouvelle antenne directive basée sur le concept de superdirectivité capable de commuter le faisceau entre deux secteurs angulaires opposés. Un autre objet de l'invention est de proposer une antenne directive compacte ayant un faible coût de fabrication qui peut être notamment réalisé avec les techniques de circuits imprimés standards. A cet effet, l'invention propose une antenne directive apte à couvrir sélectivement deux secteurs angulaires opposés, comprenant un premier élément, dit élément excité, apte à recevoir ou rayonner un faisceau de signal de longueur d'onde k prédéterminée, et un deuxième élément, dit élément parasite, la distance entre l'élément excité et l'élément parasite étant inférieure à 0,25 ket lesdits élément excité et élément parasite étant disposés selon un axe. Selon une caractéristique importante de l'invention, l'élément parasite est connecté à une charge capacitive dont la capacité est variable et des moyens dits de commutation sont prévus pour commuter la capacité de ladite charge capacitive entre deux valeurs Cl et C2 prédéterminées, lesdites valeurs Cl et C2 étant prédéterminées de manière à ce que l'antenne couvre un premier secteur angulaire le long dudit axe lorsque la valeur de la capacité est Cl et un deuxième secteur angulaire, opposé au premier secteur angulaire, lorsque la valeur de la capacité est C2. Selon l'invention, l'élément excité et l'élément parasite sont très proches (d Selon un mode de réalisation particulier, la charge capacitive comprend au moins un varactor et les moyens de commutation comprennent un générateur de tension continue apte à générer au moins deux valeurs de tension continue distinctes et à appliquer sélectivement lesdites valeurs de tension continue aux bornes dudit au moins un varactor pour que la capacité de ce dernier puisse commuter entre Cl et C2. Selon un mode de réalisation particulier, l'élément excité et l'élément parasite sont des monopoles électriques réalisés sur un substrat diélectrique avec plan de masse. Selon un mode de réalisation particulier, le substrat diélectrique comprend, sur une première face qui est habituellement la face inférieure, le plan de masse et, sur une deuxième face qui est généralement la face supérieure, des premier et deuxième plots conducteurs entre lesquels est disposé ledit au moins varactor, le premier plot conducteur étant connecté au plan de masse et le deuxième plot conducteur étant connecté à l'élément parasite et au générateur de tension continue. Les moyens de commutation appliquent des tensions différentes entre le premier plot et le deuxième plot pour commuter la charge capacitive entre Cl et C2. Selon un mode de réalisation particulier, le deuxième plot conducteur entoure le deuxième plot conducteur, au moins un varactor étant disposé dans l'intervalle séparant les premier et deuxième plots conducteurs. Selon un mode de réalisation particulier, l'antenne 10 comprend une pluralité de varactors montés en parallèle entre les premier et deuxième plots conducteurs. L'invention concerne également une antenne multisecteurs apte à couvrir N couples de secteurs angulaires opposés, ladite antenne comprenant un 15 premier élément, dit élément excité, apte à recevoir ou rayonner un faisceau de signal de longueur d'onde k prédéterminée et N deuxièmes éléments, dits éléments parasites, la distance entre l'élément excité et chacun des N éléments parasites étant inférieure à 0,25 k, 20 chaque couple formé de l'élément excité et d'un élément parasite étant disposé le long d'un axe. Chacun des N éléments parasites est connecté à une charge capacitive dont la capacité est variable. Des moyens de commutation sont prévus pour commuter la capacité de 25 ladite capacitive connecté à chaque élément parasite entre deux valeurs Cl et C2 prédéterminées, lesdites valeurs Cl et C2 étant prédéterminées de manière à ce que l'antenne couvre un premier secteur angulaire lorsque la valeur de la capacité est Cl et un deuxième secteur angulaire, opposé au premier secteur angulaire, lorsque la valeur de la capacité est C2. Selon un mode de réalisation, l'élément excité et les éléments excités sont disposés de manière à ce que les couples de secteurs angulaires opposés soient décalés d'un angle constant a. En variante, l'angle a n'est pas constant. Selon un mode de réalisation particulier, l'angle a est égal à a=360°/N. Les couples de secteurs angulaires 10 opposés sont alors répartis uniformément sur un secteur global de 360°. D'autres avantages pourront encore apparaître à l'homme du métier à la lecture des exemples ci-dessous, illustrés par les figures annexées, donnés à titre 15 illustratif. Brève description des figures La figure 1 représente une vue schématique d'une antenne directive conforme à l'invention comportant un élément excité et un élément parasite 20 muni d'une charge capacitive variable; La figure 2 est une vue en perspective d'un mode de réalisation d'une antenne conforme au schéma de la figure 1; La figure 3 représente une courbe représentant 25 l'évolution de la directivité en fonction de la distance entre l'élément excité et l'élément parasite; La figure 4 montre deux courbes représentant la directivité et le gain de l'antenne de la figure 2 en fonction de la capacité de la charge capacitive; La figure 5 est une vue en perspective d'une 5 antenne conforme à l'invention apte à couvrir trois couples de secteurs angulaires opposés; et La figure 6 est une vue en perspective d'une variante du mode de réalisation de la figure 5. Description détaillée de l'invention 10 En référence à la figure 1, l'antenne comprend au moins un premier élément, dit élément excité 1, apte à recevoir ou rayonner un faisceau de signal de longueur d'onde k prédéterminée et un deuxième élément, dit élément parasite 2, connecté à une charge capacitive 3 15 dont la capacité est variable. La distance d entre l'élément excité 1 et l'élément parasite 2 est inférieure à 0,25 k de manière à être dans les conditions de superdirectivité. L'élément excité 1 est connecté à un émetteur ou un récepteur de signaux via 20 un port 4. Comme illustré à la figure 2, les éléments excité et parasite, 1 et 2, sont par exemple des éléments rayonnants de type monopoles réalisés sur un substrat présentant sur sa face inférieure un plan de masse M. 25 Dans cet exemple de réalisation, les éléments rayonnants 1 et 2 ont une forme triangulaire (ou de demi-noeud papillon) réalisés sur un substrat diélectrique de type RF35 muni d'un plan de masse. L'élément parasite 2 est connecté au plan de masse PM via la charge capacitive variable 3. La charge capacitive 3 est susceptible de prendre au 5 moins deux valeurs distinctes de capacité Cl et C2. Un contrôleur (non représenté) est destiné à contrôler la capacité de la charge capacitive. La charge capacitive 3 est par exemple constituée d'au moins un varactor 31 et le contrôleur est par exemple 10 constitué par un générateur de tension continue apte à appliquer une tension de commande variable aux bornes du varactor. Dans l'exemple de la figure 2, le substrat diélectrique S comporte sur sa face supérieure deux plots 15 conducteurs Pl et P2, le plot Pl entourant le plot P2. Le plot P2 de forme rectangulaire est connecté à l'élément parasite 2 et au générateur de tension continue (non représenté). Le plot Pl de forme annulaire est connecté par une pluralité de vias V au 20 plan de masse M. Une pluralité de varactors 31, constituant la charge capacitive 3, sont disposés dans l'intervalle séparant le plot Pl du plot P2. Quatre de ces varactors sont représentés sur la figure 2. Ces varactors sont montés en parallèle, c'est-à-dire que 25 leurs valeurs capacitives s'additionnent. Les varactors sont par exemple les varactors de la série SMV12 de Skyworks. A la fréquence de travail, le générateur de tension continue applique sélectivement une tension Ul et une tension U2 aux bornes des varactors 31 de sorte que la capacité de la charge capacitive soit égale respectivement à Cl et C2. Les valeurs de capacité Cl et C2 sont déterminées pour que l'antenne rayonne dans des directions opposées, à savoir 0° lorsque la valeur de la charge capacitive est égale à Cl et 180° lorsqu'elle est égale à C2. Dans la figure 1, l'ellipse en trait continu illustre de manière schématique la directivité de l'antenne dans l'un des cas (par exemple Cl) et l'ellipse entrait pointillé illustre la directivité de l'antenne dans l'autre cas (par exemple C2). La Figure 3 illustre l'évolution de la directivité d'une antenne superdirective en fonction de la distance d séparant l'élément excité de l'élément parasite, la distance étant exprimée en nombre de longueurs d'ondes. Dans l'exemple de réalisation de la figure 2, la distance d a été fixée à 0,18 k, soit environ 10 mm dans le cas d'une fréquence centrale de travail de 5,5 GHz. La forme en demi-noeud papillon des éléments rayonnants 1 et 2 a été sélectionnée pour sa très forte impédance d'entrée. L'élément excité 1 est connecté à une source ou un récepteur de signal via un connecteur coaxial 4. L'élément excité 1 et l'élément parasite 2 sont disposés selon un axe A. La figure 4 représente le gain et la directivité de cette antenne en fonction de la valeur de capacité de la charge capacitive 3. Pour obtenir ces deux courbes, on a fait varier la capacité entre 100 pF et 500 pF. On 5 peut voir sur cette figure que la courbe de directivité présente deux maximums, l'un avec la valeur C1=210 PF et l'autre avec la valeur C2=450 pF, séparés par un minimum à la valeur de 310 pF. On obtient, pour ces deux maximums, des valeurs de directivité proches de 10 10,6 dB qui est considérée comme la valeur théorique maximale obtenue dans les conditions de superdirectivité avec une distance d=0,18 k. Pour ces deux maximums, les diagrammes de rayonnement s'étendent dans des directions opposées (0° et 180°). 15 Les valeurs C1=210 pF et C2=450 pF ont été obtenues à l'aide de 7 varactors SMV1251 montées en parallèle. La valeur C2 en appliquant une tension inverse proche de zéro volt aux 7 varactors et la valeur Cl a été obtenue en appliquant une tension inverse de l'ordre de 0,8 20 volts. En commutant la capacité de la charge capacitive de la valeur Cl à la valeur C2, il est ainsi possible de faire commuter le faisceau d'une direction avant (0°) vers une direction arrière (180°) le long de l'axe A. 25 L'utilisation de varactors est préférable à l'utilisation de condensateurs à valeurs fixes car elle permet un réglage fin de la capacité en vue d'atteindre les conditions de superdirectivité. Si on souhaite couvrir l'espace complet sur 360°, il est possible de rajouter des éléments parasites 2 dans d'autres directions autour de l'élément excité 1. La figure 5 illustre une antenne directive apte à couvrir 3 couples de secteurs angulaires opposées. Elle comprend à cet effet un élément excité 10 et trois éléments parasites 20 décalés angulairement de 120°. Les éléments parasites 0 sont disposés sur 3 axes A,B et C coplanaires décalés de 120°. Dans cet exemple de réalisation, les éléments parasites 20 et l'élément excité 10 sont des éléments rayonnants de forme cylindrique. Comme dans la figure 2, l'élément excité et les éléments parasites 20 sont séparés par une distance d inférieure à 0,25 k. Ils sont disposés sur un substrat diélectrique S ayant, sur sa face inférieure, un plan de masse M et, sur sa face supérieure, un plan conducteur C. L'élément excité 10 est connecté, comme dans la figure 2, à une source ou un récepteur de signal via un connecteur coaxial. Des fentes F rectangulaires ou carrées sont ménagées dans le plan conducteur C autour des éléments parasites 20. Les varactors 31 sont disposés à travers les fentes F et constituent les charges capacitives des éléments parasites. Une tension est appliquée aux bornes des varactors 31 pour commuter la capacité de la charge capacitive des éléments parasites 20 entre la valeur Cl et la valeur C2 tel que défini précédemment. Cette antenne directive permet donc d'émettre et de recevoir des signaux selon six directions privilégiées espacées de 60 degrés. En variante, les éléments parasites 20 peuvent être disposés différemment et séparés d'un angle a égal à 60°. Bien entendu, il est possible de couvrir N couples de secteurs angulaires opposés en prévoyant un élément parasite supplémentaire pour chaque couple supplémentaire de secteurs angulaires opposés à 15 couvrir. Les modes de réalisation décrits ci-dessus ont été donnés à titre d'exemple. Il est évident pour l'homme de l'art qu'ils peuvent être modifiés, notamment quant au nombre d'éléments parasites, les matériaux utilisés 20 pour le substrat, les moyens de liaison pour connecter le générateur de tension continue aux varactors ou pour connecter la source ou le récepteur de signal à l'élément excité, la forme de l'élément excité ou des éléments parasites, les bandes de fréquences de 25 fonctionnement, le nombre N de de couples de secteurs angulaires opposés à couvrir, etc. La présente antenne a pour avantage d'être très directive dans au moins deux directions opposées et d'être très compacte. REVENDICATIONS1. Antenne directive apte à couvrir sélectivement deux secteurs angulaires opposés, 5 comprenant: - un premier élément (1), dit élément excité, apte à recevoir ou rayonner un faisceau de signal de longueur d'onde k prédéterminée, - un deuxième élément (2), dit élément 10 parasite, la distance (d) entre l'élément excité et l'élément parasite étant inférieure à 0,25 k, lesdits élément excité et élément parasite étant disposés selon un axe (A), caractérisée en que l'élément parasite (2) est 15 connecté à une charge capacitive (3) dont la capacité est variable, et en ce que l'antenne comprend en outre des moyens dits de commutation pour commuter la capacité de ladite charge capacitive entre deux valeurs Cl et C2 20 prédéterminées, lesdites valeurs Cl et C2 étant prédéterminées de manière à ce que l'antenne couvre un premier secteur angulaire le long dudit axe lorsque la valeur de la capacité est Cl et un deuxième secteur angulaire, opposé au premier secteur angulaire, lorsque 25 la valeur de la capacité est C2. 2. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle la charge capacitive (3) comprend au moins un varactor (31) et lesdits moyens de commutation 30 comprennent un générateur de tension continue apte à générer au moins deux valeurs de tension continuedistinctes et à appliquer sélectivement lesdites valeurs de tension continue aux bornes dudit au moins un varactor. 3. Antenne selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle l'élément excité (1) et l'élément parasite (2) sont des monopoles électriques réalisés sur un substrat diélectrique (S) avec plan de masse (M). 4. Antenne selon la revendication 3, elle-même dépendante de la revendication 2, dans laquelle le substrat diélectrique (S) comprend, sur une première face, le plan de masse (M) et, sur une deuxième face, des premier et deuxième plots conducteurs (Pl, P2) entre lesquels est disposé ledit au moins un varactor (31), le premier plot conducteur (Pl) étant connecté au plan de masse (M) et le deuxième plot conducteur (P2) étant connecté à l'élément parasite. 5. Antenne selon la revendication 4, dans laquelle le premier plot conducteur (Pl) entoure le deuxième plot conducteur (P2), au moins un varactor (31) étant disposé dans l'intervalle séparant les premier et deuxième plots conducteurs. 6. Antenne selon la revendication 4 ou 5, dans laquelle elle comprend une pluralité de varactors montés en parallèle entre les premier et deuxième plots conducteurs (P1,P2).30 7. Antenne multi-secteurs apte à couvrir N couples de secteurs angulaires opposés, comprenant - un premier élément, dit élément excité (10), apte à recevoir ou rayonner un faisceau de signal de longueur d'onde k prédéterminée, - N deuxièmes éléments, dits éléments excités (20), la distance (d) entre l'élément excité et chacun des N éléments parasites étant inférieure à 0,25 k, chaque couple formé de l'élément excité et d'un élément parasite étant disposé le long d'un axe (A,B,C), caractérisée en que chacun des N éléments parasites est connecté à une charge capacitive (30) dont la capacité est variable, et en ce que l'antenne comprend en outre des 15 moyens dits de commutation pour commuter la capacité de ladite charge capacitive connectée à chacun des N éléments parasites entre deux valeurs Cl et C2 prédéterminées, lesdites valeurs Cl et C2 étant prédéterminées de manière à ce que l'antenne couvre un 20 premier secteur angulaire lorsque la valeur de la capacité est Cl et un deuxième secteur angulaire, opposé au premier secteur angulaire, lorsque la valeur de la capacité est C2. 25 8. Antenne selon la revendication 7, dans laquelle l'élément excité (10) et les éléments parasites (20) sont disposés de manière à ce que les couples de secteurs angulaires opposés soient décalés d'un angle a constant 30 9. Antenne selon la revendication 8, dans laquelle l'angle a est égal à a=360'/N.