Brevet FR3006503A1 — publié le 20141205

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention est relative aux antennes radio-fréquences notamment de celles pouvant être embarquées dans des dispositifs de télécommunications portables. ETAT DE LA TECHNIQUE L'antenne est un élément incontournable d'un dispositif de télécommunication portable. Le développement des applications radio mobiles ainsi que le développement de nouvelles normes de télécommunications impliquent de disposer d'antennes susceptibles d'être embarquées sur différents types de matériels. On cherche donc des solutions d'antennes particulièrement performantes en taille, volume et poids. On connaît classiquement des solutions d'antennes dites antennes « patch », à structures rayonnantes métalliques planes. On connaît notamment des antennes « patch » repliées ou encore des antennes « patch » à fentes. Toutefois, les motifs métalliques dans ces structures ont typiquement des dimensions fractions de la longueur d'onde de fonctionnement (par exemple, structure demi-onde, structure quart d'onde, etc.) de sorte qu'elles restent encore d'un encombrement particulièrement important. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention propose une solution d'antenne compacte et qui est facilement réalisable. A cet effet, l'invention propose une antenne compacte multi-niveaux comprenant : un plan de masse ; un élément rayonnant comprenant n2 portions s'étendant dans n2 plans parallèles selon un motif planaire, les plans définissant un volume au-dessus du plan de masse, l'élément rayonnant comprenant une première extrémité connectée au plan de masse et une seconde extrémité se terminant par un circuit ouvert. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - les portions sont disposées dans des plans parallèles entre eux parallèles au plan de masse ; - les portions sont disposées dans des plans parallèles entre eux perpendiculaires au plan de masse ; - l'élément rayonnant comprend plusieurs tronçons d'éléments rayonnants connectant entre elles les portions, un tronçon étant connecté entre le plan de masse et la n=11ère portion ; - l'élément rayonnant comprend des portions d'éléments rayonnants pour connecter les portions s'étendant dans des plans parallèles, l'élément rayonnant s'inscrivant ainsi dans des tranches latérales du volume défini par les plans ; - elle comprend une sonde d'excitation apte à alimenter l'antenne, la sonde d'excitation comprenant une âme centrale connectée à l'élément rayonnant et un conducteur externe connectée au plan de masse ; - le motif planaire selon lequel s'étend la portion est choisi parmi le groupe suivant : méandres, spirale, sinusoïde, dents, chevrons ; - l'élément rayonnant comprend entre 2 et 10 portions, typiquement 5 portions ; - l'élément rayonnant est un fil métallique de section comprise entre 0,1 mm2 et 5 mm2, typiquement 1 mm2; - l'élément rayonnant est un ruban métallique de largeur fixe ou variable continument ou par paliers avec augmentation de cette largeur en allant de la première extrémité vers la seconde extrémité, ladite largeur étant comprise entre 0,5 mm et 10 mm, typiquement 2,5 mm pour une largeur fixe et d'épaisseur comprise entre 10 im et 500 gn, typiquement 501Lm ; Les avantages de l'invention sont multiples. La structure de l'antenne est simple du fait de l'utilisation d'un élément rayonnant qui est replié. L'élément rayonnant replié confère à l'antenne une structure compacte. Le positionnement de la ligne d'excitation, la longueur de l'élément rayonnant étant réglables confèrent à l'antenne un réglage simple des performances. 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 compacte multi-niveaux selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 illustre une antenne compacte multi-niveaux selon un second mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 illustre une antenne compacte multi-niveaux selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 illustre une antenne compacte multi-niveaux selon un quatrième de mode de réalisation de l'invention ; - les figures 5a à 5e illustrent différents facteurs de forme pour l'élément rayonnant ; Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En relation avec la figure 1 une antenne compacte multi-niveaux selon un premier mode de réalisation comprend un plan de masse 10 et un élément rayonnant 20 disposé au-dessus d'un plan de masse 10. Afin d'avoir une antenne présentant un volume réduit, l'élément rayonnant 20 comprend i.12 (n=3) portions 21, 22, 23 qui s'étendent dans i'12 (n=3) plans parallèles 210, 220, 230 selon un motif planaire. Les plans définissent un volume V au-dessus du plan de masse 10. Chaque portion 21, 22, 23 est connectée à la portion du plan immédiatement supérieur et/ou inférieur. L'élément rayonnant 20 comprend en outre une première extrémité 2 connectée au plan de masse 10 et une seconde extrémité 2' qui se termine en circuit ouvert. Afin d'interconnecter les différentes portions entre elles, l'élément rayonnant comprend, outre les portions, plusieurs tronçons 200 (n tronçons) d'éléments rayonnants pour connecter entre elles les portions qui s'étendent dans les plans parallèles. Un tronçon est connecté entre le plan de masse 10 et la n= Père portion d'élément rayonnant. Ainsi, chaque tronçon 200 assure les liaisons électriques entre chaque portion 21, 22, 23 d'élément rayonnant. Comme on l'aura compris, l'élément rayonnant 20 est d'un seul tenant et les dimensions des différentes portions 21, 22, 23 sont telles que le caractère électrique de nature inductive est privilégié. Pour alimenter l'antenne compacte multi-niveaux, celle-ci comprend une sonde d'excitation 100 (de type coaxiale) comprenant une âme centrale 102 connectée à l'élément rayonnant 20 et un conducteur externe 101 connectée au plan de masse 10. En particulier l'âme centrale 102 de la sonde d'excitation est connectée en un point P de la n=1ère portion 21 d'élément rayonnant 20. Le choix de la position relative du point P vis-à-vis de la connexion au plan de masse 10 de l'élément rayonnant 20 par l'intermédiaire de la première extrémité 2 permet de régler facilement la valeur du niveau d'adaptation de l'antenne. L'élément rayonnant peut être un fil métallique de section comprise entre 0,1 mm2 et 5 mm2, typiquement 1 mm2. De manière alternative, l'élément rayonnant peut être un ruban métallique de largeur, fixe ou variable continument ou par paliers avec augmentation de cette largeur en allant de la première extrémité 2 vers la seconde extrémité 2', comprise entre 0,5 mm et 10 mm, typiquement 2,5 mm pour une largeur fixe et d'épaisseur comprise entre 10 jam et 500 gn, typiquement 50jam. Dans ce cas le ruban peut être obtenu par découpe ou gravure d'un film métallique. Selon le premier mode de réalisation de la figure 1, les portions sont disposées dans des plans parallèles entre eux parallèles au plan de masse 10 et chaque portion d'élément rayonnant 20 a un motif planaire en forme de méandres. Ainsi, l'antenne compacte multi-niveaux de la figure 1 a un élément rayonnant constitué de portions en forme de méandres empilées sur n=3 niveaux horizontaux (chaque niveau correspond à un plan). Selon un second mode de réalisation, illustré sur la figure 2, l'antenne compacte multi-niveaux comprend un élément rayonnant 30 comprenant n=3 portions 31, 32, 33 s'étendant sur n=3 plans parallèles horizontaux 310, 320, 330 par rapport au plan de masse (parallèles au plan de masse 10) selon un motif planaire en forme de spirale. Les plans définissent un volume V au-dessus du plan de masse 10. En outre, l'élément rayonnant 30 comprend une première extrémité 3 connectée directement au plan de masse 10 et une seconde extrémité 3' qui se termine en circuit 20 ouvert. Ainsi, l'antenne compacte multi-niveaux de la figure 2 comprend un élément rayonnant constitué de portions en forme de spirales empilées sur n=3 niveaux horizontaux (chaque niveau correspond à un plan). De la même manière que dans le premier mode de réalisation, afin d'interconnecter 25 les différentes portions entre elles, l'élément rayonnant 30 comprend, outre les portions, plusieurs tronçons 300 (n tronçons) d'éléments rayonnants pour connecter entre elles les portions qui s'étendent dans les plans parallèles. Un tronçon est connecté entre le plan de masse 10 et la n= 11e portion d'élément rayonnant. Ainsi, chaque tronçon 300 assure les liaisons électriques entre chaque portion 31, 32, 33 d'élément rayonnant. 30 Selon un troisième mode de réalisation, illustré sur la figure 3, l'antenne compacte multi-niveaux comprend un élément rayonnant 40 comprenant n=5 portions 41, 42, 43, 44, 45 s'étendant sur n=5 plans parallèles verticaux 410, 420, 430, 440, 450 par rapport au plan de masse (perpendiculaires au plan de masse 10) selon un motif planaire en forme de méandres. Les plans définissent un volume V au-dessus du plan de masse 10. En outre, l'élément rayonnant 40 comprend une première extrémité 4 connectée directement au plan de masse 10 et une seconde extrémité 4' qui se termine en circuit ouvert. Ainsi, l'antenne compacte multi-niveaux de la figure 3 comprend un élément rayonnant 40 constitué de portions en forme de méandres s'étendant sur n=5 niveaux verticaux par rapport au plan de masse et parallèles entre eux (chaque niveau correspond à un plan). De la même manière que dans les premier et second modes de réalisation, afin d'interconnecter les différentes portions entre elles, l'élément rayonnant 40 comprend, outre les portions, plusieurs tronçons 400 (n tronçons) d'éléments rayonnants pour connecter entre elles les portions qui s'étendent dans les plans parallèles. Un tronçon est connecté entre le plan de masse 10 et la n= Père portion d'élément rayonnant. Ainsi, chaque tronçon 400 assure les liaisons électriques entre chaque portion 41, 42, 43, 44, 45d'élément rayonnant. Selon un quatrième mode de réalisation, illustré sur la figure 4, l'antenne compacte multi-niveaux comprend un élément rayonnant 50 comprenant n=5 portions 51, 52, 53, 54, 55 s'étendant sur n=5 plans définissant un volume V au-dessus du plan de masse 10. Selon ce mode de réalisation, les portions s'étendent selon l'alternance suivante : un premier plan 510 perpendiculaire au plan de masse 10, un second plan 520 perpendiculaire au plan de masse 10 et perpendiculaire au premier plan 510, un troisième plan 530 parallèle au plan de masse 10 et perpendiculaire aux premier 510 et second plans 520, un quatrième plan 540 perpendiculaire au plan de masse 10 et perpendiculaire au troisième plan 530, un cinquième plan 550 parallèle au plan de masse 10 et perpendiculaire au quatrième plan 540. En outre, l'élément rayonnant 50 comprend une première extrémité 5 connectée directement au plan de masse 10 et une seconde extrémité 5' qui se termine en circuit ouvert. L'élément rayonnant 50 est notamment constitué de portions en forme de méandres. Dans ce quatrième mode de réalisation et contrairement aux autres modes de réalisation précédemment décrits, il n'y a pas de tronçons connectant les différentes portions s'étendant dans les plans parallèles mais ce sont des portions d'éléments rayonnants qui connectent ces différentes portions selon le même motif planaire, ici en forme de méandres. Dans chacun des modes de réalisation ci-dessus décrit, la longueur totale de l'élément rayonnant ainsi que la forme de chaque portion permettent d'ajuster la valeur de la fréquence de fonctionnement de l'antenne compacte multi-niveaux. Le motif planaire selon lequel s'étend la portion est choisi parmi le groupe suivant : méandres (voir la figure 5a), dents (voir la figure 5b), sinusoïde (voir la figure 5c), spirale (voir la figure 5d), ou chevrons (voir la figure 5e). De manière plus générale, toutes les géométries assurant un encombrement réduit de l'antenne compacte multi- niveaux peuvent être envisagées. Dans chacun des modes de réalisation, chaque portion est repliée pour lui donner le facteur de forme souhaité (méandres, spirale, dents, sinusoïde ou chevrons). De manière alternative, dans chacun des modes de réalisation ci-dessus décrit, les espaces compris entre les plans successifs vides peuvent être comblés par des matériaux diélectriques, qui, de manière privilégiée, seront sélectionnés avec des permittivités relatives de très faible valeur, a priori les plus proches possibles de 1, et des pertes diélectriques également les plus petites possibles (tg() 0). Exemple de réalisation Une antenne conforme au premier mode de réalisation illustré sur la figure 1, a été réalisée et expérimentée. La fréquence de fonctionnement mesurée est de 151,0 MHz, avec un niveau d'adaptation inférieur à -20 dB à cette fréquence, et cela pour une valeur d'impédance de référence de 50 Q. La largeur de la bande passante (pour une valeur du niveau d'adaptation inférieure à -10dB) est, dans ce cas, de l'ordre de 1,8MHz. Cet élément rayonnant est, en outre, contenu dans un volume parallélépipédique de dimensions 50x50x22mm3. Etant donné la fréquence de fonctionnement de 151,0 MHz, la plus grande dimension de l'antenne (d'une valeur de 50mm) est alors de l'ordre de 2140, ce qui conduit à une extrême compacité.25 REVENDICATIONS1. Antenne compacte multi-niveaux comprenant : un plan de masse (10) ; un élément rayonnant (20, 30, 40, 50) comprenant i.12 portions (21, 22, 23, 31, 32, 33, 41, 42, 43, 44, 45, 53, 55) s'étendant dans i'12 plans (210, 220, 230, 310, 320, 330, 410, 420, 430, 440, 450, 530, 550) parallèles selon un motif planaire, les plans définissant un volume (V) au-dessus du plan de masse (10) , l'élément rayonnant (20, 30, 40, 50) comprenant une première extrémité (2, 3, 4, 5) connectée au plan de masse (10) et une seconde extrémité (2', 3', 4', 5') se terminant par un circuit ouvert. 2. Antenne compacte multi-niveaux selon la revendication 1, dans laquelle les portions sont disposées dans des plans parallèles entre eux parallèles au plan de masse. 3. Antenne compacte multi-niveaux selon la revendication 1, dans laquelle les portions sont disposées dans des plans parallèles entre eux perpendiculaires au plan de masse. 4. Antenne compacte multi-niveaux selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'élément rayonnant comprend plusieurs tronçons (200, 300, 400) d'éléments rayonnant connectant entre elles les portions, un tronçon étant connecté entre le plan de masse (10) et la n =Père portion. 5. Antenne compacte multi-niveaux selon la revendication 1, dans laquelle l'élément rayonnant comprend des portions (510, 520, 540) d'éléments rayonnants pour connecter les portions s'étendant dans des plans parallèles, l'élément rayonnant s'inscrivant ainsi dans des tranches latérales du volume (V) défini par les plans. 6. Antenne compacte multi-niveaux selon l'une des revendications précédentes, comprenant une sonde d'excitation (100) apte à alimenter l'antenne, la sonde d'excitation comprenant une âme centrale (102) connectée à l'élément rayonnant (20, 30, 40, 50) et un conducteur externe (101) connectée au plan de masse (10). 7. Antenne compacte multi-niveaux selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le motif planaire selon lequel s'étend la portion est choisi parmi le groupe suivant : méandres, spirale, sinusoïde, dents, chevrons. 8. Antenne compacte multi-niveaux selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'élément rayonnant comprend entre 2 et 10 portions, typiquement 5 portions. 9. Antenne compacte multi-niveaux selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'élément rayonnant est un fil métallique de section comprise entre 0,1 mm2 et 5 mm2, typiquement 1 mm2. 10. Antenne compacte multi-niveaux selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'élément rayonnant est un ruban métallique de largeur fixe ou variable continument ou par paliers avec augmentation de cette largeur en allant de la première extrémité vers la seconde extrémité, ladite largeur étant comprise entre 0,5 mm et 10 mm, typiquement 2,5 mm pour une largeur fixe et d'épaisseur comprise entre 10 im et 500 gn, typiquement 501Lm.