Brevet FR3003699A1 — publié le 20140926

ANTENNE HELICE COMPACTE A POLARISATION CIRCULAIRE Domaine technique de l'invention La présente invention concerne une antenne hélice compacte à polarisation circulaire susceptible d'être utilisée dans des dispositifs RFID et plus particulièrement dans des lecteurs RFID. Ladite antenne est destinée à émettre ou recevoir des signaux dans la bande UHF et plus particulièrement dans la bande ISM. Art antérieur Les antennes hélice sont bien connues dans le domaine des communications sans fil car, en mode axial, elles peuvent fournir un fort gain sur une bande de fréquences relativement large avec une bonne polarisation circulaire. Elles comportent classiquement un brin rayonnant hélicoïdal en matériau conducteur s'étendant selon un axe longitudinal et un conducteur de masse connecté à l'une de ses extrémités. La longueur axiale du brin rayonnant est généralement égale à plusieurs fois la longueur d'onde des signaux émis ou reçus et le conducteur de masse se présente sous la forme d'une plaque ou d'un élément creux tel qu'une cavité cylindrique ou tronconique. Les performances de telles antennes sont décrites dans le document intitulé "Enhancing the gain of helical antennas by shaping the ground conductor" de A.R Djordjevic et A.G. Zajic, IEEE Antennas and wireless propagation letters, vol.5, 2006. Il Ce document décrit notamment les performances de trois antennes conçues pour fonctionner dans fa bande de fréquences [1250 MHz, 2150 MHz]: - une antenne hélice unifilaire avec un plan de masse de taille finie et de forme carrée ou circulaire; - une antenne hélice unifilaire avec une cavité cylindrique formant le plan de masse; et - une antenne hélice unifilaire avec une cavité tronconique. Dans les 3 cas, l'antenne présente un brin rayonnant hélicoïdal ayant une longueur axiale L= 684mm, un diamètre de spire D= 56 mm et un angle d'enroulement d'hélice a (ou pitch angle dans la terminologie anglo-saxonne) de 13,5°. Le brin rayonnant est de section circulaire et son diamètre d est égal à 2 mm. Si Àc désigne la longueur d'onde associée à la fréquence minimale (1250 MHz) de la bande de fréquence [1250 MHz, 2150 MHz], le brin rayonnant a les dimensions suivantes: L= 3,87 )l et D= 0,31 Àc. Dans le cas de l'antenne hélice unifilaire avec un plan de masse de forme circulaire ou carrée, le diamètre ou la longueur de coté recommandé pour le plan de masse est compris entre 0,5 Àc et 0,75 Àc. Sur cet intervalle, le gain est très faible bande mais il peut atteindre 14,4 dBi. Dans le cas d'une antenne hélice avec plan de masse carrée, un plan de masse ayant un coté de longueur égale à 1,5 Àc permet de maximiser la moyenne du gain sur la bande de fréquences. Le gain maximal (ou peak gain dans la terminologie anglo-saxonne) de l'antenne est alors de 14,3 dBi. Dans le cas de l'antenne hélice unifilaire avec cavité cylindrique, il a été déterminé que les dimensions optimales de la cavité sont les suivantes: diamètre D'= 1 Àc et hauteur H'= 0,25 Àc. La présence de la cavité cylindrique permet d'augmenter le gain de 1 dB par rapport à l'antenne avec plan de masse carrée. Enfin, dans le cas de l'antenne hélice unifilaire avec cavité tronconique, les dimensions optimales sont les suivantes: petit diamètre (en partie inférieure de la cavité) D'1= 0,75 Àc, grand diamètre (en partie supérieure de la cavité) D'2=2,5 Àc, et hauteur H'=0,5 Àc. La présence de la cavité tronconique a permis d'augmenter le gain de 3,4 dB par rapport à l'antenne avec plan de masse carrée. Il a été également constaté que la présence de la cavité tronconique permet également d'obtenir un rapport axial (ou axial ratio dans la terminologie anglo-saxonne) plus bas et des lobes secondaires plus faibles. Bien que ce document montre que les antennes à cavité cylindrique ou tronconique présentent de bonnes performances en termes de gain axial et de directivité, il n'en reste pas moins que les antennes proposées dans ce document ne sont pas compactes puisque le brin rayonnant hélicoïdal formant l'hélice présente une longueur axiale correspondant à plusieurs longueurs d'onde. Un but de l'invention est de proposer une antenne hélice à polarisation circulaire qui soit compacte, c'est-à-dire ayant un brin rayonnant hélicoïdal de longueur axiale réduite, pour pouvoir être placé dans un espace réduit, par exemple dans le faux-plafond d'une pièce. Un autre but de l'invention est de proposer une antenne hélice présentant un gain élevé sur une bande passante relativement large avec une bonne polarisation circulaire. Un autre but de l'invention est de proposer une antenne hélice à polarisation circulaire présentant un gain élevé constant sur une bande de fréquences élargie. Un autre but de l'invention est de proposer une antenne hélice à polarisation circulaire présentant une bonne directivité. Résumé de l'invention L'invention a pour objet une antenne hélice directive à polarisation circulaire apte à émettre ou recevoir des signaux radiofréquence dans une bande de fréquences prédéterminée, À étant la longueur d'onde associée à la fréquence minimale de ladite bande de fréquences prédéterminée, comprenant un brin rayonnant hélicoïdal en matériau conducteur s'étendant selon un axe longitudinal, et une cavité en matériau conducteur présentant une extrémité ouverte et une extrémité fermée et ayant un axe de symétrie sensiblement confondu avec l'axe longitudinal du brin rayonnant, au moins une portion inférieure dudit brin rayonnant étant disposée à l'intérieur de ladite cavité de sorte que l'extrémité inférieure du brin rayonnant hélicoïdal soit en contact avec l'extrémité fermée de la cavité, caractérisée en ce que la longueur axiale du brin rayonnant est inférieure à la longueur d'onde À. La longueur axiale réduite du brin rayonnant permet d'obtenir une antenne compacte sans dégradation des performances de l'antenne. Selon un premier mode de réalisation, la longueur axiale du brin rayonnant est substantiellement égale à 0,865 À. Si l'antenne comporte une cavité cylindrique, la hauteur de ladite cavité est alors avantageusement comprise entre 0,4 À et 0,88 À et le rayon de la cavité est compris entre 0,92 À et 1,05 À. De préférence, la hauteur de ladite cavité est égale à 0,60 À et le rayon de la cavité est égal à 0,98 À. Si l'antenne comporte une cavité tronconique, la hauteur de ladite cavité est avantageusement comprise entre 0,4 À et 0,88 À, le rayon de base de la cavité est alors compris entre 0,54 À et 0,65 À et le rayon de sommet de la cavité est compris entre 1,15 À et 1,35 À. De préférence, la hauteur de ladite cavité est égale à 0,60 À, le rayon de base de la cavité est égal à 0,54 À et le rayon de sommet de la cavité est égal à 1,15 À. Selon un autre mode de réalisation encore plus compact, la longueur axiale du brin rayonnant est substantiellement égale à 0,288 À et l'extrémité ouverte de la cavité est équipée d'une structure métallique périodique permettant de réduire de hauteur de la cavité. La structure métallique périodique est un réseau métallique maillé. Selon un exemple de réalisation avec cavité cylindrique, la hauteur de la cavité peut être réduite à 0,45 À, le rayon de la cavité restant égal à 0,98 À et la largeur des mailles est comprise entre 0,27 À et 0,30 À. Selon un mode de réalisation encore plus perfectionné la surface interne de la cavité est recouverte d'une couche de méta-matériaux afin de réduire encore la hauteur de la cavité. 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 illustratif. Brève description des figures - La fig.1 représente une vue schématique en perspective d'une antenne hélice selon un premier mode de réalisation de l'invention avec cavité cylindrique; - La fig.2 représente les courbes de gain et de rapport axial de l'antenne hélice de la fig.1 et d'une antenne hélice à plan de masse circulaire en fonction de la fréquence ; - La fig.3 représente le gain RHCP et LHCP de l'antenne de la fig.1 et de l'antenne hélice à plan de masse circulaire en fonction de son degré d'ouverture; - La fig.4 représente une vue schématique en perspective d'une antenne hélice selon un deuxième mode de réalisation de l'invention avec cavité tronconique; - La fig.5 représente les courbes de gain et de rapport axial de l'antenne hélice de la fig.4 et d'une antenne hélice à plan de masse circulaire en fonction de la fréquence; - La fig.6 représente le gain RHCP et LHCP de l'antenne de la fig.4 et de l'antenne hélice à plan de masse circulaire en fonction de son degré d'ouverture; - La fig.7 représente une vue schématique en perspective d'une antenne hélice selon un troisième mode de réalisation de l'invention avec cavité cylindrique et structure métallique périodique FSS; - La fig.8 est une vue schématique d'une portion de structure métallique périodique FSS de l'antenne de la fig.7; - La fig.9 représente les courbes de gain et de rapport axial de l'antenne hélice de la fig.7 avec et sans structure métallique périodique FSS en fonction de la fréquence; - La fig.10 représente le gain de l'antenne de la fig.7 avec et sans structure métallique périodique en fonction de son degré d'ouverture; et - La Fig.11 est une variante du mode de réalisation de la Fig.7. Description détaillée d'au moins un mode de réalisation L'invention va être illustrée à travers différents exemples de réalisation d'une antenne hélice à polarisation circulaire apte à fonctionner dans la bande des fréquences [865 MHz - 965 MHz] correspondant aux fréquences dédiées aux applications ISM dans le monde. La RFID utilise plus particulièrement les bandes 865-868MHz en Europe et 902MHz- 928MHz aux USA. Dans la suite de la description, À désigne la longueur d'onde associée à la fréquence de 865 MHz. Les dimensions de l'antenne des différents modes de réalisations sont définies par rapport à cette longueur d'onde. 15 Premier mode de réalisation Selon un premier mode de réalisation illustré par les figures 1 à 3, l'antenne hélice, référencée 10 sur la figure 1, comporte un brin rayonnant hélicoïdal 11 en matériau conducteur s'étendant selon un axe vertical A et 20 une cavité cylindrique 12 en matériau conducteur dont l'axe de symétrie se confond avec l'axe longitudinal A. La cavité comporte un fond en partie inférieure et est ouverte sur le haut. L'extrémité inférieure du brin rayonnant 11 est connectée électriquement au fond de la cavité. Le brin rayonnant 11 présente les caractéristiques suivantes: 25 - hauteur (longueur axiale) H= 30 cm = 0,865 À, - diamètre d'enroulement D= 11 cm =0,32 À, - largeur de brin L= 2cm =0,057 À, et - angle d'enroulement a=12,5°. La longueur de chaque enroulement du brin présente une longueur 30 sensiblement égale à la longueur d'onde À. Les dimensions de la cavité cylindrique sont: - hauteur H' = 21 cm = 0,60 À, - rayon R'= 34 cm = 0,98 À. Les courbes de gain et de rapport axial de l'antenne 10 sont montrées à la figure 2 et sont à comparer à celles d'une 'antenne identique comprenant un plan de masse circulaire de rayon R'=34 cm à la place de la cavité cylindrique également représentées sur la figure 2. Comme on peut le voir au travers de ces courbes, le gain de l'antenne 10 est élevé et constant, de l'ordre de 13,7 dB, sur la bande [800MHz, 980MHz] qui est bien plus large que la bande de fréquences souhaitée pour les applications de RFID passive dans le monde soit dans la pratique de 865 MHz à 965 MHz. De même les bandes ISM autour de 2,45GHz et de 5,8GHz ne requièrent au plus que 150MHz de largeur de bande. Il est supérieur d'au moins 2,2 dB à celui de l'antenne à plan de masse circulaire. Le rapport axial de l'antenne 10 varie entre 1,5 dB et 1,8dB sur la bande de fréquences souhaitée. Par comparaison, le rapport axial de l'antenne à plan de masse circulaire varie entre 2 dB et 5 dB. L'antenne 10 présente donc une très bonne polarisation circulaire. La figure 3 montre les performances en termes de directivité de l'antenne 10 à cavité cylindrique et de l'antenne à plan de masse circulaire à la fréquence à la fréquence de 865 MHz. Comme on peut le voir sur cette figure, l'angle d'ouverture à mi-puissance de l'antenne 10 à cavité cylindrique (=34°) est plus réduit que celui de l'aitenne à plan de masse circulaire (=55°), ce qui permet d'avoir une meilleure directivité. L'ensemble des performances de l'antenne 10 à cavité cylindrique et de l'antenne à plan de masse circulaire à la fréquence de 865 MHz sont récapitulées dans le tableau ci-dessous: Antenne courte à Antenne courte à plan de masse cavité circulaire cylindrique Gain 11 dB 13,7 dB Rapport axial 2,2 dB 1,5 dB Ouverture à mi- 55° 34° puissance Bande passante >500 MHz >500 MHz L'antenne 10 est donc particulièrement intéressante en termes de gain (>13,7 dB), de polarisation (rapport axial 500 MHz). De plus, le gain est sensiblement constant sur une large bande de fréquences. Il est à noter que les dimensions de la cavité peuvent varier sans dégrader fortement les performances mentionnées auparavant. Il a été défini que, pour obtenir une ouverture maximale de 36°, il convient de respecter les plages de dimension suivantes pour la cavité: Plage de dimensions Hauteur de cavité H' 0,4 À Second mode de réalisation Une telle variante avec cavité tronconique est illustrée par les figures 4 à 6. L'antenne, référencée 20, comprend un brin rayonnant hélicoïdal 21 identique au brin rayonnant 11 et une cavité tronconique 22 dont l'axe de symétrie se confond avec l'axe A du brin. La cavité tronconique 22 comporte un fond en partie inférieure et est ouverte sur le haut. L'extrémité inférieure du brin rayonnant 21 est connectée électriquement au fond de la cavité tronconique. Les dimensions de la cavité tronconique sont: - hauteur H' = 21 cm = 0,60 À, - rayon Rsommet= 40 cm = 1,15 À. - rayon Rbase= 19 cm = 0,54 À. Les courbes de gain et de rapport axial de l'antenne 20 sont montrées à la figure 5 et sont à comparer à celles de l'antenne identique comprenant un plan de masse circulaire déjà représentées sur la figure 2 et reprises de nouveau sur la figure 5. Comme on peut le voir sur cette figure, le gain de l'antenne 20 est relativement constant sur la bande de fréquences [850MHz, 950 MHz]. Il est par ailleurs très élevé, au-delà de 16 dB, et est supérieur d'au moins 4 dB par rapport à celui de l'antenne à plan de masse circulaire. Le rapport axial est de l'ordre de 1,5 dB sur la bande de fréquences [850 MHz-950MHz] Il est inférieur d'au moins 1 dB à celui de l'antenne à plan de masse circulaire. La figure 6 montre les performances de directivité de l'antenne 20 à la fréquence à la fréquence de 865 MHz. Comme on peut le voir sur cette figure, l'angle d'ouverture à mi-puissance de l'antenne 20 à cavité tronconique est plus réduit que celui de l'antenne à plan de masse circulaire, ce qui permet d'avoir une meilleure directivité. L'ensemble des performances de l'antenne 20 à cavité tronconique et de l'antenne à plan de masse circulaire à 865 MHz sont récapitulées dans le tableau ci-dessous: Antenne courte à Antenne courte à plan de masse cavité circulaire cylindrique Gain 11 dB 16,1 dB Rapport axial 2,2 dB 1,3 dB Ouverture à mi- 55° 30° puissance Bande passante >500 MHz >500 MHz L'antenne 20 à cavité tronconique est donc encore plus intéressante que l'antenne 10 à cavité cylindrique en termes de gain (16,1 dB), de polarisation (rapport axial Les dimensions de la cavité tronconique peuvent varier sans dégrader fortement les performances mentionnées auparavant. Il a été défini que, pour obtenir une ouverture maximale de 30°, il convient de respecter les plages de dimension suivantes pour la cavité: Plage de dimensions Hauteur de cavité H' 0,4 À Comme on peut le voir sur cette figure, le gain de l'antenne 30 avec structure FSS atteint 14,9 dB aux alentours de 900 MHz et est relativement constant sur la bande [840 MHz, 915MHz]. En l'absence de FSS, le gain varie seulement entre 11 dB et 12 dB. Le rapport axial de l'antenne 30 avec structure FSS varie entre 2dB et 3,3dB alors qu'il est supérieur à 3 dB en l'absence de FSS. En termes de directivité, la figure 10 montre que la directivité de l'antenne 30 avec FSS et celle de l'antenne sans FSS sont sensiblement identiques. L'angle d'ouverture à mi-puissance est compris entre 32° et 36 . Les performances de l'antenne 30 avec et sans FSS sont récapitulées dans le tableau ci-dessous: Antenne courte Antenne courte avec cavité avec cavité cylindrique de cylindrique de faible hauteur faible hauteur et FSS Gain 12 dB 14,6 dB Rapport axial 4,7 dB 3,3 dB Ouverture à mi- 36° 32° puissance Bande passante 200 MHz 185 MHz Par rapport aux antennes 10 et 20, l'antenne 30 est particulièrement intéressante en termes de compacité puisque sa longueur axiale est presque divisée par 2, soit 15,5 cm au lieu 30 cm. Cette réduction de taille est obtenue sans dégrader le gain et la directivité de l'antenne. Par contre la polarisation circulaire est un peu dégradée (rapport axial de l'ordre de 3 dB) ainsi que la largeur de bande. La longueur a des mailles et l'épaisseur e des fils formant les mailles peuvent varier sans dégrader les performances mentionnées auparavant. Il a été défini que, pour conserver une ouverture maximale de 36°, il convient de respecter les plages de dimension suivantes pour les mailles: 0,27 À Selon un autre mode de réalisation non illustré par des figures, il est également possible de réduire encore la hauteur de la cavité en déposant une couche de méta-matériaux sur la surface interne de la cavité et plus particulièrement sur le fond de la cavité. Cette couche de méta-matériaux permet à la fois de réduire le volume de la cavité et d'augmenter la directivité de l'antenne. Bien entendu, l'invention est applicable à d'autres bandes de fréquences que la bande [865MHz, 960 MHz]. L'invention est par exemple applicable à des bandes de fréquences autour des fréquences 2,45 GHz et 5,8 GHz pour des applications de télésurveillance ou de télépéage. Une bande ISM autour de 2,45GHz, par exemple la bande 2400-2500MHz peut être utilisée. De même, pour des applications de télépéage, on peut utiliser la bande 5725-5875MHz autour de 5,8GHz. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec différents modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS1) Antenne hélice directive à polarisation circulaire (10, 20, 30) apte à émettre ou recevoir des signaux radiofréquence dans une bande de fréquences prédéterminée, À étant la longueur d'onde associée à la fréquence minimale de ladite bande de fréquences prédéterminée, comprenant - un brin rayonnant (11, 21, 31) hélicoïdal en matériau conducteur s'étendant selon un axe longitudinal (A), - une cavité (12, 22, 32) en matériau conducteur présentant une extrémité ouverte et une extrémité fermée et ayant un axe de symétrie sensiblement confondu avec l'axe longitudinal du brin rayonnant, au moins une portion inférieure dudit brin rayonnant étant disposée à l'intérieur de ladite cavité de sorte que l'extrémité inférieure du brin rayonnant hélicoïdal soit en contact avec l'extrémité fermée de la cavité caractérisée en ce que la longueur axiale (H) du brin rayonnant est inférieure à la longueur d'onde À. 2) Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la 2 0 longueur axiale (H) du brin rayonnant (11, 21) est substantiellement égale à 0,865 À. 3) Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que, la cavité (12) étant de forme cylindrique, la hauteur (H') de ladite cavité est 25 comprise entre 0,4 À et 0,88 À et le rayon (R') de la cavité est compris entre 0,92 À et 1,05 À. 4) Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que la hauteur (H') de ladite cavité est égale à 0,60 À et le rayon (R') de la cavité 3 0 est égal à 0,98 À. 5) Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que, la cavité (22) étant de forme tronconique, la hauteur (H') de ladite cavité est comprise entre 0,4 À et 0,88 À, le rayon de base (R'base) de la cavité est compris entre 0,54 À et 0,65 À et le rayon de sommet (R'sommet) de la cavité est compris entre 1,15 À et 1,35 À. 6) Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que la hauteur (H') de ladite cavité est égale à 0,60 À, le rayon de base (R'base) de la cavité est égal à 0,54 À et le rayon de sommet (R'sommet) de la cavité est égal à 1,15 À. 7) Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la longueur axiale du brin rayonnant est substantiellement égale à 0,288 À et en ce que l'extrémité ouverte de la cavité est équipée d'une structure métallique périodique (33) permettant de réduire la hauteur de la cavité. 8) Antenne selon la revendication 7, caractérisée en ce que, la cavité étant de forme cylindrique, la hauteur de la cavité est substantiellement égale à 0,45 À et le rayon de la cavité est égal à 0,98 À. 9) Antenne selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que la structure métallique périodique (33) est un réseau métallique maillé ayant des mailles carrées, la largeur (a) des mailles étant comprise entre 027 À et 0,30 À. 10) Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la surface interne de la cavité est recouverte d'une couche de méta-matériaux. 25 30