Brevet FR3026895A1 — publié le 20160408

DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne de manière générale les antennes 5 radioélectriques adaptées à émettre et/ou à recevoir des ondes électromagnétiques. Elle trouve une application particulièrement avantageuse dans la réalisation d'antennes multi-bandes pour véhicules automobiles, notamment d'antennes de réception de signaux de radiodiffusion dans différentes bandes de 10 fréquences. L'invention concerne plus particulièrement une antenne plane comportant un plan de masse et un élément rayonnant séparés par un substrat diélectrique. Elle concerne également un véhicule automobile comportant un poste 15 radio et une antenne plane telle que précitée. ARR IERE-PLAN TECHNOLOGIQUE Parmi les antennes de réception, on distingue notamment les antennes râteaux, les antennes tiges (ou « antennes fouets ») et les antennes planes. Les véhicules automobiles sont généralement équipés sur leurs toits 20 d'antennes tiges. Une telle antenne tige présente en effet un coût réduit et des performances satisfaisantes pour la réception de signaux de radiodiffusion. Une telle antenne présente toutefois différents inconvénients. Tout d'abord, sa position à l'extérieur du véhicule automobile est peu esthétique et réduit les performances aérodynamiques du véhicule. Sa position éloignée du 25 poste radio (celui-ci étant généralement placé dans le tableau de bord) génère en outre des coûts de câblage importants. La longueur de ces câbles a enfin pour effet de dégrader le signal reçu par le poste radio. Les antennes planes à éléments rayonnants imprimés (mieux connues sous l'expression « antenne patch ») pallient une partie de ces inconvénients. La 30 plupart d'entre elles ne reçoivent en revanche des signaux que dans une petite bande de fréquences. Par conséquent, elles ne permettent pas de couvrir la totalité des bandes de fréquences de radiodiffusion analogique et numérique hertzienne. On connaît ainsi du document W002/35646 une antenne plane telle que 35 définie en introduction, qui est placée dans l'un des rétroviseurs d'un véhicule automobile. Grâce à la géométrie particulière de son élément rayonnant, cette antenne plane présente un gain satisfaisant dans les bandes de fréquences de radiodiffusion analogique utilisées en Europe (notamment de 87,5 à 108 MHz en modulation de fréquence et de 150 à 26100 kHz en modulation d'amplitude). Ses performances ne sont en revanche pas satisfaisantes dans les bandes de fréquences de radiodiffusion numérique utilisées en Europe (notamment de 174 à 240 MHz et de 1452 à 1492 MHz). Son emplacement dans le rétroviseur intérieur du véhicule ne permet en outre pas de réaliser des gains sensibles en coût de câblage. OBJET DE L'INVENTION Afin de remédier aux inconvénients précités de l'état de la technique, la présente invention propose une nouvelle antenne plane, dont la forme particulière de l'élément rayonnant permet de garantir la réception des signaux de radiodiffusion dans une pluralité de bandes de très hautes et moyennes fréquences. Plus particulièrement, on propose selon l'invention une antenne telle que définie dans l'introduction, dans laquelle ledit élément rayonnant présente une forme de spirale en 3 dimensions s'étendant dans un plan moyen sensiblement parallèle audit plan de masse, et dans laquelle il est prévu un élément de connexion qui connecte électriquement ledit élément rayonnant audit plan de masse. Ainsi, cette forme particulière d'élément rayonnant, combinée à la connexion électrique prévue entre cet élément rayonnant et le plan de masse, 25 permet à l'antenne de présenter un gain élevé dans différentes bandes de fréquences. Il est ainsi possible, en réglant les dimensions des composants de l'antenne, d'obtenir une antenne qui présente un gain élevé dans l'ensemble des bandes de fréquences utilisées pour la réception des signaux de radiodiffusion 30 analogique et numérique hertziens. D'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'antenne conforme à l'invention sont les suivantes : - ledit élément de connexion connecte une extrémité dudit élément rayonnant audit plan de masse ; - il est prévu un câble de transmission du signal, dont une extrémité est branchée sur ledit élément de connexion et dont une extrémité opposée est adaptée à être branchée à un poste radio ; - ledit élément rayonnant présente une forme de spirale carrée, 5 comportant une succession d'au moins cinq branches rectilignes, chaque branche rectiligne étant inclinée à angle droit par rapport à chaque branche rectiligne adjacente ; - ledit élément rayonnant comporte six branches rectilignes, les deux branches rectilignes situées à une extrémité de la spirale carrée délimitant avec 10 les deux branches rectilignes situées à l'autre extrémité de la spirale carrée une fente en L; - le substrat diélectrique comporte une plaque au contour sensiblement rectangulaire, et quatre desdites branches rectilignes bordent le substrat diélectrique ; et 15 - ledit plan de masse comporte une plaque métallique de forme rectangulaire. L'invention propose également un véhicule automobile comportant un poste radio et une antenne plane telle que précitée, qui est équipée d'un câble de transmission du signal dont une extrémité est branchée audit poste radio. 20 Préférentiellement, ladite antenne plane et ledit poste radio sont logés dans le tableau de bord. Préférentiellement encore, le poste radio embarque un diviseur de signal et l'antenne plane ou le poste radio embarque un circuit d'adaptation d'impédance. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATION 25 La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. Sur les dessins annexés : - les figures 1 et 2 sont des vues schématiques en perspective d'une 30 antenne plane conforme à l'invention, représentée sous deux angles différents ; - la figure 3 est un schéma électrique du circuit d'adaptation d'impédance de l'antenne de la figure 1 ; - la figure 4 représente le coefficient de réflexion de l'antenne plane, dans une première bande de fréquences ; et - la figure 5 représente le coefficient de réflexion de l'antenne plane, dans une seconde bande de fréquences. Une antenne radioélectrique permet de rayonner en mode émetteur, ou de capter en mode récepteur, des ondes électromagnétiques. Une telle antenne peut présenter de multiples applications. Dans le présent exposé, on s'intéressera plus particulièrement aux antennes de réception de signaux de radiodiffusion hertziens (également appelés signaux d'audiodiffusion), prévues pour être embarquées dans des véhicules automobiles. En variante, l'antenne conforme à l'invention pourrait bien entendu présenter d'autres applications. Sur les figures 1 et 2, on a représenté une telle antenne plane 1, également appelée « antenne patch ». Cette antenne plane 1 comporte classiquement un plan de masse 10 et un élément rayonnant 30 séparés par un substrat diélectrique 20. Elle est ici prévue pour recevoir (avec un gain suffisant pour assurer aux passagers du véhicule une bonne écoute de la radio) des signaux de radiodiffusion dans les bandes de fréquences comprises entre : -87,5 et 108 MHz en modulation de fréquence (bande FM), - 150 et 26100 kHz en modulation d'amplitude (bande AM), - 174 et 240 MHz en numérique (bande DAB III), - 1452 et 1492 MHz en numérique (bande DAB L). Pour cela, selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, l'élément rayonnant 30 présente une forme de spirale s'étendant dans un plan moyen sensiblement parallèle audit plan de masse 10, et il est prévu un élément de connexion 40 qui connecte électriquement ledit élément rayonnant 30 audit plan de masse 10. Par sensiblement parallèle, on entend ici que le plan moyen de l'élément rayonnant 30 est incliné de moins de 5 degrés par rapport au plan moyen du plan de masse 10. Préférentiellement, l'élément rayonnant 30 est tridimensionnel, c'est-à- dire qu'il s'étend en partie de part et d'autre de son plan moyen. Cela sera mieux expliqué en référence aux figures. Dans le mode de réalisation de l'antenne représenté sur les figures 1 et 2, le plan de masse 10 comporte une plaque métallique de forme rectangulaire. Il est réalisé dans un matériau très conducteur, c'est-à-dire dans un matériau de conductivité électrique supérieure à 5.106 S/m. Il peut par exemple s'agir de cuivre (dont la conductivité est de 5,8.107 S/m) ou d'étain. Le substrat 20, qui sépare le plan de masse 10 de l'élément rayonnant 30, présente quant à lui une conductivité électrique sensiblement nulle. Il présente en outre une permittivité relative faible, de préférence inférieure à 3, de façon à permettre le rayonnement tout en évitant le confinement des champs électromagnétiques entre le plan de masse 10 et l'élément rayonnant 30. Il pourrait s'agir d'une simple lame d'air. Toutefois, ici, pour faciliter la fabrication de l'antenne plane 1, il s'agit d'un matériau solide, tel que par exemple du polypropylène. Ce substrat 20 est alors formé par une plaque au contour sensiblement rectangulaire, de longueur L1 égale à 105 millimètres, de largeur L2 égale à 100 millimètres, et de hauteur L3 égale à 6 millimètres. Ici, le bord de ce substrat 20 est biseauté, de manière que ce substrat présente une forme de tronçon de pyramide. Ce substrat présente ainsi une face arrière (sur laquelle s'applique le plan de masse 10) qui forme la base de cette pyramide, une face avant opposée (sur laquelle s'applique l'élément rayonnant 30) qui forme le sommet tronqué de la pyramide, et un rebord biseauté qui forme les quatre faces latérales de la pyramide. Ainsi, le plan de masse 10 s'étend sur une surface de taille supérieure à celle de la surface dans laquelle est circonscrite l'élément rayonnant 30. L'élément rayonnant 30 présente ici une forme de spirale carrée, comportant une succession d'au moins cinq branches rectilignes 31, 32, 33, 34, 35, 36 inclinées à angle droit les unes à la suite des autres. Ici, et de manière préférentielle, l'élément rayonnant 30 comporte six branches rectilignes 31, 32, 33, 34, 35, 36 qui forment une sorte de bande imprimée sur le substrat 20, de largeur ici égale à 3,75 millimètres. Les quatre premières branches rectilignes 31, 32, 33, 34 s'étendent le long du bord de la face avant du substrat 20, tandis que les deux dernières branches rectilignes 35, 36 s'étendent sur la face avant du substrat 20, à distance de son bord. Ici, le bord de la face avant du substrat 20 est chanfreiné, et les quatre premières branches rectilignes 31, 32, 33, 34 s'étendent plus précisément sur ce chanfrein. C'est la raison pour laquelle l'élément rayonnant est qualifié de tridimensionnel. Les deux dernières branches rectilignes 35, 36 s'étendent parallèlement aux deux premières branches rectilignes 31, 32 et à distance de celles-ci, si bien qu'elles délimitent avec celles-ci une fente en L. La largeur de cette fente en L est ici égale à 6,25 millimètres entre les branches référencées 31 et 35, et à 4,25 millimètres entre les branches référencées 32 et 36. L'élément rayonnant 30 est également réalisé dans un matériau très conducteur, tel que le cuivre ou l'étain. L'élément de connexion 40 est quant à lui prévu pour connecter une extrémité de cet élément rayonnant 30 au plan de masse 10. En l'espèce, cet élément de connexion 40 se présente sous la forme d'une bande en matériau très conducteur, ici en cuivre, qui longe l'une des arêtes du substrat 20 de manière à s'étendre depuis le plan de masse 10 jusqu'à l'extrémité libre de la première branche rectiligne 31 de l'élément rayonnant 30. Cet élément de connexion 40 présente une largeur égale à 5 millimètres. Grâce à l'ensemble de ses caractéristiques, l'antenne plane 1 est ainsi adaptée à recevoir les signaux de radiodiffusion dans les quatre bandes de 20 fréquences souhaitées. Ainsi, comme le montrent bien les graphiques des figures 4 et 5, le coefficient de réflexion S11 de l'antenne plane 1 est minimale dans les trois bandes de fréquences F appelées bande FM, bande DAB III et bande DAB L. Autrement formulé, le gain de l'antenne plane 1 dans ces bandes de fréquence est 25 suffisant pour assurer aux passagers du véhicule une bonne qualité d'écoute de la radio. Pour transmettre le signal reçu au poste radio installé dans le tableau de bord du véhicule automobile, l'antenne plane 1 est équipée d'un câble de transmission du signal (non représenté), dont une extrémité est branchée sur 30 l'élément de connexion 40 et dont une extrémité opposée est branchée sur le poste radio. Préférentiellement, l'antenne plane 1 est située dans l'habitacle du véhicule automobile. Elle est plus précisément ici placée à l'avant de cet habitacle, dans le tableau de bord, à proximité immédiate du poste radio (à moins de 50 centimètres de celui-ci), de manière à minimiser la longueur de câble nécessaire pour connecter l'antenne plane 1 au poste radio. L'installation du poste radio et de l'antenne plane 1 s'en trouve alors facilitée, et le coût du câble de transmission du signal s'en trouve réduit. Puisqu'il est amené à traiter des signaux analogiques et numériques, le poste radio ou l'antenne embarque un diviseur de signal qui ne fait pas en propre l'objet de la présente invention et qui ne sera donc pas décrit en détail. Ce diviseur de signal permet de transmettre le signal reçu par l'antenne plane 1, d'une part, à des moyens de traitement analogique du signal, et, d'autre part, à des moyens de traitement numérique du signal. Ces moyens de traitement numérique du signal comportent ici un circuit d'adaptation d'impédance 50. Sur la figure 3, on a représenté un exemple de ce circuit d'adaptation d'impédance 50 destiné à la réception des signaux numériques (DAB). Ce circuit d'adaptation d'impédance 50 pourra aussi bien être intégré à l'antenne plane 1 qu'au poste radio. Comme le montre cette figure 3, ce circuit d'adaptation d'impédance 50 présente une borne d'entrée B1 (branchée du côté du diviseur de signal) et une borne de sortie B2 (branchée du côté d'un circuit d'adaptation). Il comporte un condensateur Cl et une bobine Li branchés en série entre les bornes d'entrée B1 et de sortie B2. Il comporte également une bobine L2 dont l'une des bornes est branchée à la masse du circuit et dont l'autre des bornes est branchée entre le condensateur Cl et la bobine Li. Il comporte enfin un condensateur C2 dont l'une des bornes est branchée à la masse du circuit et dont l'autre des bornes est branchée entre la bobine Li et la borne de sortie Bi. Les caractéristiques de ces composants électriques sont les suivantes : - la capacité du condensateur Cl est égale à 5,6 picoFarad, - la capacité du condensateur C2 est égale à 1 picoFarad, - l'inductance de la bobine Li est égale à 120 nanoHenry, et - l'inductance de la bobine L2 est égale à 16 nanoHenry. La présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit. Ainsi, cette antenne plane pourra être utilisée autrement, par exemple dans un avion, dans un bateau, dans une tablette tactile... Les dimensions de l'élément rayonnant pourront être ajustées de manière à ce que l'antenne capte des signaux dans des bandes de fréquences autres que celles mentionnées supra. On pourrait ainsi par exemple prévoir d'ajuster ses dimensions pour qu'elle capte des signaux dans les fréquences d'émissions des satellites du système GPS (à 1575,42 MHz et à 1227,60 MHz). Les dimensions extérieures de l'antenne (L1, L2, L3) pourront être augmentées, de manière à ce que l'antenne présente un gain plus élevé. Au contraire, ces dimensions extérieures pourront être réduites, de manière à ce qu'elle s'intègre plus facilement dans le tableau de bord du véhicule automobile (auquel cas son gain sera réduit).15 REVENDICATIONS1. Antenne plane (1) comportant un plan de masse (10) et un élément rayonnant (30) séparés par un substrat diélectrique (20), caractérisée en ce que ledit élément rayonnant (30) présente une forme de spirale s'étendant dans un plan moyen sensiblement parallèle audit plan de masse (10), et en ce qu'il est prévu un élément de connexion (40) qui connecte électriquement ledit élément rayonnant (30) audit plan de masse (10). 2. Antenne plane (1) selon la revendication précédente, dans laquelle ledit élément de connexion (40) connecte une extrémité dudit élément rayonnant (30) audit plan de masse (10). 3. Antenne plane (1) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle il est prévu un câble de transmission du signal, dont une extrémité est branchée sur ledit élément de connexion (40) et dont une extrémité opposée est 15 adaptée à être branchée à un poste radio. 4. Antenne plane (1) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ledit élément rayonnant (30) présente une forme de spirale carrée, comportant une succession d'au moins cinq branches rectilignes (31, 32, 33, 34, 35, 36), chaque branche rectiligne (31, 32, 33, 34, 35, 36) étant inclinée à angle 20 droit par rapport à chaque branche rectiligne (31, 32, 33, 34, 35, 36) adjacente. 5. Antenne plane (1) selon la revendication précédente, dans laquelle ledit élément rayonnant (30) comporte six branches rectilignes (31, 32, 33, 34, 35, 36), les deux branches rectilignes (31, 32) situées à une extrémité de la spirale carrée délimitant avec les deux branches rectilignes (35, 36) situées à l'autre 25 extrémité de la spirale carrée une fente en L. 6. Antenne plane (1) selon l'une des deux revendications précédentes, dans laquelle le substrat diélectrique (20) comporte une plaque au contour sensiblement rectangulaire, et dans laquelle quatre desdites branches rectilignes (31, 32, 33, 34, 35, 36) bordent le substrat diélectrique (20). 30 7. Antenne plane (1) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ledit plan de masse (10) comporte une plaque métallique de forme rectangulaire. 8. Véhicule automobile comportant un poste radio, caractérisé en ce qu'il comporte une antenne plane (1) selon l'une des revendications précédentes, quiest équipée d'un câble de transmission du signal dont une extrémité est branchée audit poste radio. 9. Véhicule automobile selon la revendication précédente, qui délimite un habitacle à l'avant duquel est fixé un tableau de bord, dans lequel ladite antenne plane (1) et ledit poste radio sont logés dans ledit tableau de bord. 10. Véhicule automobile selon l'une des deux revendications précédentes, dans lequel le poste radio embarque un diviseur de signal et dans lequel l'antenne plane (1) ou le poste radio embarque un circuit d'adaptation d'impédance (50).