EP1376758A1 - Antenne pastille compacte avec un moyen d'adaptation - Google Patents

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EP1376758A1
EP1376758A1 EP03291382A EP03291382A EP1376758A1 EP 1376758 A1 EP1376758 A1 EP 1376758A1 EP 03291382 A EP03291382 A EP 03291382A EP 03291382 A EP03291382 A EP 03291382A EP 1376758 A1 EP1376758 A1 EP 1376758A1
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EP
European Patent Office
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substrate
recess
radiating element
conductive
antenna
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EP03291382A
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Jean-Philippe Coupez
Christian Person
Yann Toutain
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Orange SA
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France Telecom SA
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0442—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular tuning means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/045—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means
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    • H01Q9/045—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means
    • H01Q9/0457—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means electromagnetically coupled to the feed line

Definitions

  • the present invention relates to an antenna "pastille" type printed in plated technology, linear or circular polarization, to operate in a wide frequency range extending at least up to a few gigahertz.
  • the antenna is intended to be installed in stations of basis of cellular networks for radiocommunications with terminals mobile radiotelephones to cover bands frequency of multiple networks.
  • the antenna must cover a very wide band of operating frequency in order to satisfy a increasing demand for bandwidth radiocommunication networks with terminals mobile.
  • the antenna must also be technically simple, reliable and economical to allow significant and viable development of interfaces radio communication in cellular networks.
  • the planar "patch" type antennas One of the most used solutions in the integration of current radio systems is the planar "patch" type antennas.
  • the substrate must, in particular, have a high thickness, a very low relative permittivity and a level of dielectric losses as small as possible.
  • French patent application FR 2818811 filed on December 26, 2000 by the applicant and published on June 28, 2002 the dielectric substrate is machined in a block of foam and an adaptation means is attached to a small square dielectric support embedded in a central cavity of one face of the substrate.
  • the adaptation means can have distributed elements such as ⁇ / 4 transformers, stubs, or coupled line structures as in a 3 dB-90 ° hybrid coupler or a filter for example.
  • the elements of the adaptation means are integrated on the small dielectric support so that it has a small thickness and a relatively higher permittivity than that of the antenna substrate.
  • European patent application EP 1 130 676 proposes according to a first realization of the document, a pellet type radiating element antenna comprising an impedance transformer taken into sandwich between two layers of substrate whose external faces respectively support the element radiating and a ground plate.
  • the transformer impedance according to a second embodiment of the aforementioned request is sandwiched between two layers of the three-layer substrate.
  • the impedance transformer includes two elements of conductive pattern which are on the underside of a layer of substrate 108 and the upper face of the underlying substrate layer and which are in electrical contact by superposition.
  • the impedance transformer embedded between two substrate layers according to EP 1 130 676 present the following disadvantages and limitations.
  • Conductive pattern elements on multiple separate substrates create discontinuities and electrical contact quality between these different elements.
  • the object of the present invention is to provide a "patch" type printed antenna which remedies disadvantages of the combination of accommodation and of the radiating element in the above-mentioned antennas according to the prior art, and particularly to the disadvantages of interconnection between the medium of adaptation and the radiating element and between different conductive elements of the means adaptation, while reducing the cost of manufacture of the antenna.
  • a printed antenna includes a dielectric substrate having first and second faces and a recess in the first face, a ground conductive plate disposed against the first face of substrate and covering the recess, a radiating element of the pastille type on the second substrate face, and a means of adaptation between the radiating element and an internal conductor of a excitation means having an attached external conductor against the ground plate.
  • the antenna is characterized, according to the invention, in that the means is supported at least partially by a wall of the substrate recess.
  • the means of adaptation is pre-integrated, like the radiant element of the antenna, on the dielectric substrate.
  • the substrate with the recess is shaped by molding or machining in a single block of foam dielectric, thus forming a single layer of three-dimensional machined substrate that supports everything the means of adaptation.
  • the characteristics of the antenna according to the invention meet criteria such as wide bandwidth, which consequently results in an increase substantial transmission capacity offered by the single radiant element while offering a simple technological solution for a realization collective of the complete antenna on one and the same dielectric foam support.
  • the characteristics of the substrate dielectric are adaptable as well at the level of the antenna for the very thick recommended of it that at the level of the means coping with regard to low thickness between the adapter and the plate mass thanks to the arrangement of the recess whose height is chosen directly by machining or molding of the foam substrate.
  • the geometry and position of the adapter are so perfectly controlled thanks to the shape of the recess made within the single block of dielectric foam.
  • the means of adaptation is no longer reported on the dielectric substrate supporting the radiating element but is obtained by simple machining or molding three dimensions in the dielectric substrate and by local metallic deposits to make the pattern constituting the adaptation element. This achievement of the adaptation means and of the radiating element on a common foam dielectric block leads to a simple manufacturing process to implement and economic.
  • the electrical problem of radiation potential parasite of the adaptive is very strongly attenuated. All elements of the antenna being integrated on a single substrate, the interconnections between the conductive elements, mainly dependent on criteria of positioning and spacing between elements drivers are much less restrictive.
  • the means adapter includes a conductive strip on the bottom of the recess substantially parallel to the ground plate and having a first end connected to the internal conductor of the excitation means and a second end connected to the radiating element by a conductive interconnection link in the substrate.
  • the means adapter has a conductive strip which is substantially perpendicular to a first portion of the radiating element and supported by a wall of the recess and which is connected to the internal conductor of the excitation means, and a conductive pad which is substantially parallel to a second portion of the radiating element and supported by a wall of the recess and which is connected to the conductive strip.
  • the conductive pad thus achieves a coupling capacitive to excite the radiating element.
  • a half-wave "patch" type antenna with linear polarization 1 includes a shaped dielectric substrate 2 of paving stone, an electrically conductive plate 3 arranged against a first face of the substrate and constituting a ground plane, and a layer electrically conductive rectangular 4 extending in the center of the second face of the substrate and constituting a printed radiating element of the type pellet.
  • the radiating element 4 has a contour rectangular with sides L and W, but may have a square, circular or elliptical outline for example.
  • the antenna 1 thus has a symmetrical structure by relation to two planes of symmetry XX and YY perpendicular to each other and perpendicular to substrate 2 faces.
  • the recess is a cavity whose depth p is small compared to the thickness e of the substrate 2.
  • the cavity is substantially rectangular and is symmetrical with respect to the XX and YY planes.
  • the form of the substrate and the recess therein can be obtained by machining in a single block of foam, or directly by foam molding.
  • the adaptation means comprises a band conductor 6 printed on the bottom 51 of the recess 5 along the plane of symmetry XX, the bottom 51 of the recess being substantially parallel to the plate mass 3.
  • a first end 61 of the strip adaptation conductor 6 is connected to the conductor internal 71 of a coaxial excitation probe of the antenna which crosses without contact a hole in the earth plate 3.
  • the external conductor 72 of the probe is fixed against one face of the earth plate 3 opposite the substrate 2.
  • a second end 62 of the adapter conductive strip 6 is connected to the radiating element 4 by an interconnection link conductor in the form of a metallic crossing 63 extending into the substrate between the bottom 51 of the recess 5 and the radiating element 4 on the second side of the substrate. Electrical continuity is thus ensured between the internal conductor 71 of the excitation probe and the radiating element 4 to through the adaptation element 6 and the crossing 63, and the antenna thus works in polarization linear.
  • the performances of the antenna 1 of the invention are optimized thanks to the choice of thickness important of the substrate 2 in dielectric foam as well that the electrical characteristics of the strip adaptation 6 whose distance from the plane mass 3 is easily selectable depending on the depth p of the internal recess 5 during the manufacture of the antenna.
  • the dielectric substrate 3 is made from a single "layer" of foam and machined or preformed in three dimensions therein ; it thus supports the radiating element 4 in tablet and the adapter in the form of the conductive strip 6 is printed directly on the substrate by photoengraving or metallic paint by example.
  • the realization of the antenna is found thus considerably simplified while allowing control of spacing and positioning relative between the different conductive elements of the antenna.
  • the antenna 1 according to the first embodiment illustrated in Figures 1 and 2 is an antenna flat "patch", with very wide bandwidth.
  • the pre-integrated passive elements 6 and 63 have both a role of compensation for the electrical effect due to the connection through metallic crossing 63 and a role broadband impedance matching at the conductive strip 6.
  • elements series such as microstrip line sections distributed in series, or parallel elements such as stubs 64, complete the passive circuit of adaptation means in order to adapt the antenna to the characteristic impedance of the excitation probe.
  • the adaptation means can also include a microwave filter, or a hybrid coupler with vertices connected to two metallic crossings 63 for antenna operation with polarization circular.
  • the faces of the substrate 2 are substantially rectangular and the second face of the substrate is completely covered by the rectangular radiating element 4.
  • the thickness e, the width W, and the length L of the substrate 2 are respectively 20 mm, 48 mm and 50 mm.
  • the adaptation means is composed of a conductive strip 6 having a length of 35 mm and a width of 2 mm and a conductive stub 64 perpendicular to the conductive strip and having a length of 10 mm and a width of 2 mm, the strip and the stub being etched on the bottom 51 of the recess 5.
  • the characteristic impedance of the microstrip lines thus formed in the recess 5, immersed in an almost homogeneous equivalent air / foam medium is 125 ⁇ .
  • This relatively high characteristic impedance value is particularly suitable for impedance levels which are presented at the connection point 65 between the metallized bushing 63 and the radiating element 4 and which are high compared to the a priori characteristic impedance of 50 ⁇ at the level of the excitation probe 71-72: in fact, the antenna 1 being of the "patch" type on a substrate 2 of high thickness and very low relative permittivity, this embodiment favors the high impedance character of the antenna.
  • the structure of the antenna according to the invention provides a freedom parameter, the depth p of the recess 5 in the foam substrate 2, which makes it possible to choose the electrical characteristics of the means of adaptation of the antenna and thus controlling the spacing between the metallic adaptation patterns 6, 64 and the ground plate 3.
  • the connection with the radiating element 2 of the antenna produced by the metallized bushing 63 is also at high impedance.
  • This bandwidth is representative of a very wide operation bandaged.
  • T transmission response also shown in Figure 3 is reflected in the diagram of radiation from the antenna by effective radiation in this frequency band at least in the main antenna direction of radiation corresponding to the intersection line of the planes perpendicular XX and YY.
  • the first variant shown in Figure 4 differs from the embodiment shown in Figure 2 by a metallic crossing 63a in the substrate dielectric 2, as an interconnection link between the internal conductor 71 of the probe of coaxial excitation and the radiating element 4, which extends in line with the internal conductor 71 of the excitation probe.
  • Metallic crossing 63a can be replaced by internal conductor 71 of the probe which is much longer than the one shown in Figure 2, an additional length substantially equal to e - p.
  • the internal conductor also passes through a drilled hole in the substrate between the recess bottom 51 and the radiating element 4 and has a welded free end to the radiating element 4 and an intermediate section at the bottom 51 of the recess 5 welded to the conductive adapter strip 6.
  • the welds are made with a conductive adhesive for example.
  • the internal conductive element of probe 71 is thus common to the radiating element "patch" 4 and to the adapter strip 6.
  • the 71-72 excitation probe is fixed under the center of the earth plate 3.
  • the adapter strip conductive 6b first extends over the bottom 51 of the recess 5 from the first end 61b substantially central to the recess 51 and soldered to the end of the internal conductor 71 of the probe, substantially in the plane of symmetry XX of the radiating element 4, to the second end 62b consisting of a metallic crossing in the substrate 2 between the recess bottom 51 and a field lateral 21 of the substrate.
  • the interconnection link includes a conductive strip 63b printed on the substrate field 21 and extending perpendicular to the radiating element between the metallized bushing 62b and one side of the element radiant 4.
  • the third variant shown in FIG. 6 relates to a printed antenna whose substrate 2c has at least one projection 8 extending longitudinally to the plane of symmetry YY and covered by the radiating element 4c, in accordance with the printed antenna structure described in the French patent application already cited FR 2818811, filed on December 26, 2000.
  • the metallized layer constituting the radiating element 4c covers the top and the longitudinal sides 81 of the projection 8 and has a U-shaped section with potent ends, with wings 41 extending over the second face of the substrate 2 and having a width L1 different from the width L2 of the projection 8.
  • the height h of the projection 8 may be equal to or greater than the thickness e of the substrate 2 in general.
  • the length of the radiating element 4b is reduced significantly. This reduction in length approximates the radiant slots to the end of the symmetrical wings 41 of the element radiating, which opens the radiation diagram of the antenna in the electric field plane perpendicular to the projection 8. Thickening important at the center of the substrate 2c formed by the projection 8 covered with the elongated radiating element electrically the resonant dimension of the antenna and thus increases the characteristic impedance at center of the antenna which is equivalent to a pseudo short circuit.
  • the projection reduced so significant the size of the antenna for a given operating frequency. The higher the impedance the higher the center of the antenna, the higher the width L2 of the projection must be reduced for a frequency given under the resonance condition.
  • the means of adaptation shown in Figure 6 has a printed conductive strip 6 on the bottom 51 of the recess 5 and a metallized crossing 63c analogous to the first realization shown in Figure 2.
  • the recess 5 is underlying at projection 8 and at a depth p smaller than the thickness e of the substrate taken away from the projection.
  • the adaptation means for any antenna with projection 8 can be structured according to FIG. 4 or 5, or according to FIG. 8 or 10, as will be seen below.
  • the jiggle antenna shown in the figures 7 and 8 according to the second embodiment of the invention includes a means of adaptation with inductive elements and capacitive supported by two walls of the recess 5d.
  • the recess 5d has a depth pd significantly more large that the peripheral thickness e of the substrate to the gap of the projection and is partly located in the thickness h of the projection 8d, and in half of the width L2 of the projection.
  • the means of adaptation includes two elements 61d and 62d.
  • the first element 61d is a conductive strip extending the conductor internal 71 of the excitation probe substantially perpendicular to a central portion of the element radiating and supported by a wall of the recess 5d located substantially in the plane of symmetry YY.
  • Band 61d constitutes an adaptation element inductive.
  • the second element 62d is a range conductive rectangular connected to one end of the conductive strip 61d and supported by a part from the bottom 51d of the recess 5d, substantially parallel to the upper face of the radiating element 4d on the jump.
  • Range 62d is an element capacitive adaptation.
  • the variant of the second embodiment shown Figures 9 and 10 also relates to a means both inductive and capacitive relative to the radiating element.
  • the way adapter comprises three conductive elements 61e, 62nd and 63rd.
  • the first element 61e is a strip conductor which extends the internal conductor 71 by the excitation probe substantially perpendicularly on the upper face of the projection.
  • the band 61e is supported by a wall of the recess perpendicular to the ground plate 3, like the strip 61d.
  • the second element 62e is a strip conductive which extends over the entire bottom of the recess 51e, parallel to the 4th radiating element and in the plane of symmetry XX and partially constitutes with the band 61e, an inductive adaptation element.
  • the third element 63e is a rectangular range conductive connected to one end of the strip 62e to the bottom of the recess and extending against another wall of the 5th recess substantially parallel to a side of the projection and perpendicular to the plate mass 3.
  • the range 63e has a height substantially less than the height h of the projection, and constitutes a capacitive coupling element with the element beaming 4th.

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Abstract

L'antenne (1) comprend un substrat diélectrique (2) avec un évidement (5), une plaque de masse (3) contre le substrat et recouvrant l'évidement, un élément rayonnant (4) de type pastille sur le substrat, et un moyen d'adaptation entre l'élément rayonnant et un conducteur interne (71) d'une sonde d'excitation fixée à la plaque de masse. Afin d'atténuer des effets électriques parasites dans les interconnexions entre l'élément rayonnant et le moyen d'adaptation et réduire le coût de l'antenne, le moyen d'adaptation est supporté au moins partiellement par une paroi (51) de l'évidement (5) du substrat (2). Le moyen d'adaptation peut comprendre une bande conductrice (62) et une traversée métallisée (63) pour relier la sonde à l'élément rayonnant, ou des éléments d'adaptation. <IMAGE>

Description

La présente invention concerne une antenne imprimée du type "pastille" en technologie plaquée, à polarisation linéaire ou circulaire, pour fonctionner dans une large gamme de fréquence s'étendant au moins jusqu'à quelques gigahertz. En particulier, l'antenne est destinée à être installée dans des stations de base de réseaux cellulaires pour des radiocommunications avec des terminaux radiotéléphoniques mobiles afin de couvrir des bandes de fréquence de plusieurs réseaux.
L'antenne doit couvrir une très large bande de fréquence de fonctionnement afin de satisfaire une demande de plus en plus croissante en bande passante des réseaux de radiocommunication avec les terminaux mobiles. L'antenne doit être également techniquement simple, fiable et économique afin de permettre un développement significatif et viable des interfaces de radiocommunication dans les réseaux cellulaires.
Les antennes planaires de type "pastille" constituent l'une des solutions les plus utilisées dans l'intégration des systèmes radioélectriques actuels. Pour optimiser les performances radioélectriques de ce type d'antennes, le choix du matériau du substrat diélectrique sur lequel est intégré l'élément rayonnant de l'antenne est primordial. Le substrat doit, en particulier, présenter une épaisseur élevée, une très faible permittivité relative ainsi qu'un niveau de pertes diélectriques le plus petit possible.
Selon la demande de brevet français FR 2818811 déposée le 26 décembre 2000 par le demandeur et publiée le 28 juin 2002, le substrat diélectrique est usiné dans un bloc de mousse et un moyen d'adaptation est rapporté sur un petit support diélectrique carré encastré dans une cavité centrale d'une face du substrat. Le moyen d'adaptation peut présenter des éléments distribués tels que des transformateurs λ/4, des stubs, ou des structures à ligne couplée comme dans un coupleur hybride à 3 dB-90° ou un filtre par exemple. Les éléments du moyen d'adaptation sont intégrés sur le petit support diélectrique afin que celui-ci présente une faible épaisseur et une permittivité relativement plus élevée que celle du substrat de l'antenne.
Toutefois, l'interconnexion entre les éléments du moyen d'adaptation et l'élément rayonnant engendre des effets électriques parasites qui altèrent les performances finales de l'antenne aussi bien au niveau des pertes que du rayonnement. En outre, l'association de substrats de natures différentes conduit inévitablement à de sérieux problèmes technologiques liés à la réalisation d'une structure multi-matériaux avec toutes les contraintes dues aux interconnexions entre les différents substrats et éléments.
La demande de brevet européen EP 1 130 676 propose selon une première réalisation du document, une antenne à élément rayonnant de type pastille comprenant un transformateur d'impédance pris en sandwich entre deux couches de substrat dont les faces externes supportent respectivement l'élément rayonnant et une plaque de masse. Le transformateur d'impédance selon une deuxième réalisation de la demande précitée est pris en sandwich entre deux couches du substrat à trois couches. Le transformateur d'impédance inclut deux éléments de motif conducteurs qui sont sur la face inférieure d'une couche de substrat 108 et la face supérieure de la couche de substrat sous-jacente et qui sont en contact électrique par superposition.
Le transformateur d'impédance noyé entre deux couches de substrat selon la EP 1 130 676 présente les inconvénients et limitations suivantes.
L'utilisation de plusieurs substrats entraíne des problèmes de réalisation de la structure multi-couches finale, tels qu'alignement et maintien des couches de substrat et contact entre celles-ci. En outre, le caractère inhomogène du milieu diélectrique ainsi obtenu ne correspond pas à des conditions optimales pour l'intégration d'une antenne planaire.
Les éléments de motif conducteurs sur plusieurs substrats séparés engendre des discontinuités électriques et de qualité de contact électrique entre ces différents éléments.
Le montage de plusieurs couches de substrats plans limite la réalisation des motifs du transformateur d'adaptation à des solutions de type deux dimensions pour ces motifs.
La présente invention a pour but de fournir une antenne imprimée de type "pastille" qui remédie aux inconvénients de la combinaison du moyen d'adaptation et de l'élément rayonnant dans les antennes précitées selon la technique antérieure, et particulièrement aux inconvénients d'interconnexion entre le moyen d'adaptation et l'élément rayonnant et entre différents éléments conducteurs des moyens d'adaptation, tout en réduisant le coût de fabrication de l'antenne.
A cette fin, une antenne imprimée comprend un substrat diélectrique ayant des première et deuxième faces et un évidement ménagé dans la première face, une plaque conductrice de masse disposée contre la première face de substrat et recouvrant l'évidement, un élément rayonnant de type pastille sur la deuxième face de substrat, et un moyen d'adaptation entre l'élément rayonnant et un conducteur interne d'un moyen d'excitation ayant un conducteur externe fixé contre la plaque de masse. L'antenne est caractérisée, selon l'invention, en ce que le moyen d'adaptation est supporté au moins partiellement par une paroi de l'évidement du substrat.
Ainsi selon l'invention, le moyen d'adaptation est pré-intégré, comme l'élément rayonnant de l'antenne, sur le substrat diélectrique. Par exemple, le substrat avec l'évidement est conformé par moulage ou usinage dans un unique bloc de mousse diélectrique, formant ainsi une unique couche de substrat usinée en trois dimensions qui supporte tout le moyen d'adaptation.
Les caractéristiques de l'antenne selon l'invention permettent de satisfaire des critères électriques tels qu'une large bande passante, ce qui entraíne en conséquence une augmentation substantielle des capacités de transmission offertes par le seul élément rayonnant tout en proposant une solution technologique simple pour une réalisation collective de l'antenne complète sur un seul et même support diélectrique en mousse.
En particulier, les caractéristiques du substrat diélectrique sont adaptables aussi bien au niveau de l'antenne pour ce qui concerne la forte épaisseur préconisée de celle-ci qu'au niveau du moyen d'adaptation pour ce qui concerne une faible épaisseur entre le moyen d'adaptation et la plaque de masse grâce à l'aménagement de l'évidement dont la hauteur est choisie directement par usinage ou moulage du substrat en mousse. La géométrie et la position du moyen d'adaptation sont ainsi parfaitement contrôlées grâce à la forme de l'évidement réalisé au sein de l'unique bloc de mousse diélectrique.
Le moyen d'adaptation n'est plus rapporté sur le substrat diélectrique supportant l'élément rayonnant mais est obtenu par un simple usinage ou moulage à trois dimensions dans le substrat diélectrique et par des dépôts métalliques locaux pour réaliser le motif constituant l'élément d'adaptation. Cette réalisation du moyen d'adaptation et de l'élément rayonnant sur un bloc diélectrique en mousse commun conduit à un procédé de fabrication simple à mettre en oeuvre et économique.
En outre, grâce à la disposition du moyen d'adaptation pré-intégré et enterré sous l'élément rayonnant, le problème électrique du rayonnement parasite potentiel du moyen d'adaptation est très fortement atténué. Tous les éléments de l'antenne étant intégrés sur un seul et même substrat, les interconnexions entre les éléments conducteurs, principalement dépendant de critères de positionnement et d'espacement entre les éléments conducteurs sont beaucoup moins contraignantes.
Selon une première réalisation du moyen d'adaptation par continuité électrique, le moyen d'adaptation comprend une bande conductrice sur le fond de l'évidement sensiblement parallèle à la plaque de masse et ayant une première extrémité reliée au conducteur interne du moyen d'excitation et une deuxième extrémité reliée à l'élément rayonnant par un lien d'interconnexion conducteur dans le substrat.
Selon une deuxième réalisation du moyen d'adaptation par couplage capacitif, le moyen d'adaptation comporte une bande conductrice qui est sensiblement perpendiculaire à une première portion de l'élément rayonnant et supportée par une paroi de l'évidement et qui est reliée au conducteur interne du moyen d'excitation, et une plage conductrice qui est sensiblement parallèle à une deuxième portion de l'élément rayonnant et supportée par une paroi de l'évidement et qui est reliée à la bande conductrice. La plage conductrice réalise ainsi un couplage capacitif pour exciter l'élément rayonnant.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaítront plus clairement à la lecture de la description suivante de plusieurs réalisations préférées de l'invention en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels :
  • la figure 1 est une vue en perspective d'une antenne "pastille" avec un évidement selon une première réalisation de l'invention ;
  • la figure 2 est une vue en coupe prise suivant le plan de symétrie XX dans la figure 1 ;
  • la figure 3 est un diagramme de variations d'adaptation et de transmission en fonction de la fréquence pour l'antenne selon la première réalisation ;
  • les figures 4 et 5 sont des vues en coupe analogues à la figure 2, montrant respectivement des première et deuxième variantes du moyen d'adaptation;
  • la figure 6 est une vue en coupe analogue à la figure 2 montrant une troisième variante de la première réalisation mais pour une antenne à ressaut;
  • les figures 7 et 8 sont respectivement une vue en perspective et une vue en coupe transversale d'une antenne à ressaut avec un moyen d'adaptation capacitif et inductif selon une deuxième réalisation de l'invention ; et
  • les figures 9 et 10 sont respectivement une vue en perspective et une vue en coupe transversale d'une antenne à ressaut selon une variante de la deuxième réalisation.
Une antenne imprimée de type "pastille" demi-onde à polarisation linéaire 1 selon la première réalisation de l'invention, comme montré aux figures 1 et 2, comprend un substrat diélectrique 2 en forme de pavé, une plaque conductrice électriquement 3 disposée contre une première face du substrat et constituant un plan de masse, et une couche rectangulaire conductrice électriquement 4 s'étendant au centre de la deuxième face du substrat et constituant un élément rayonnant imprimé du type pastille. L'élément rayonnant 4 a un contour rectangulaire de côtés L et W, mais peut avoir un contour carré, circulaire ou elliptique par exemple. L'antenne 1 a ainsi une structure symétrique par rapport à deux plans de symétrie XX et YY perpendiculaires entre eux et perpendiculaires aux faces du substrat 2.
Dans la première face du substrat qui est collée ou rapportée sur la plaque de masse 3, est ménagé un évidement mince parallélépipédique 5 dans lequel est intégré au moins partiellement un moyen d'adaptation. Dans la réalisation illustrée aux figures 1 et 2, l'évidement est une cavité dont la profondeur p est petite par rapport à l'épaisseur e du substrat 2. La cavité est sensiblement rectangulaire et est symétrique par rapport aux plans XX et YY. La forme du substrat et de l'évidement dans celui-ci peut être obtenue par usinage dans un unique bloc de mousse, ou directement par moulage de mousse.
Le moyen d'adaptation comprend une bande conductrice 6 imprimée sur le fond 51 de l'évidement 5 suivant le plan de symétrie XX, le fond 51 de l'évidement étant sensiblement parallèle à la plaque de masse 3. Une première extrémité 61 de la bande conductrice d'adaptation 6 est reliée au conducteur interne 71 d'une sonde coaxiale d'excitation de l'antenne qui traverse sans contact un trou dans la plaque de masse 3. Le conducteur externe 72 de la sonde est fixé contre une face de la plaque de masse 3 opposée au substrat 2. Une deuxième extrémité 62 de la bande conductrice d'adaptation 6 est reliée à l'élément rayonnant 4 par un lien d'interconnexion conducteur sous la forme d'une traversée métallisée 63 s'étendant dans le substrat entre le fond 51 de l'évidement 5 et l'élément rayonnant 4 sur la deuxième face du substrat. Une continuité électrique est ainsi assurée entre le conducteur interne 71 de la sonde d'excitation et l'élément rayonnant 4 à travers l'élément d'adaptation 6 et la traversée 63, et l'antenne fonctionne ainsi en polarisation linéaire.
Les performances de l'antenne 1 de l'invention sont optimisées grâce au choix d'une épaisseur importante du substrat 2 en mousse diélectrique ainsi qu'aux caractéristiques électriques de la bande d'adaptation 6 dont la distance par rapport au plan de masse 3 est aisément sélectionnable en fonction de la profondeur p de l'évidement interne 5 lors de la fabrication de l'antenne. Le substrat diélectrique 3 est fabriqué à partir d'une unique "couche" de mousse et usiné ou préformé en trois dimensions dans celle-ci ; il supporte ainsi l'élément rayonnant 4 en pastille et le moyen d'adaptation sous la forme de la bande conductrice 6 est imprimée directement sur le substrat par photogravure ou peinture métallisée par exemple. La réalisation de l'antenne s'en trouve ainsi considérablement simplifiée tout en permettant la maítrise des espacements et positionnements relatifs entre les différents éléments conducteurs de l'antenne.
L'antenne 1 selon la première réalisation illustrée aux figures 1 et 2 est une antenne "pastille" plane, à très large bande passante. Les éléments passifs pré-intégrés 6 et 63 ont à la fois un rôle de compensation de l'effet électrique dû à la connexion par la traversée métallisée 63 et un rôle d'adaptation d'impédance à large bande au niveau de la bande conductrice 6. En variante, des éléments série, tels que des tronçons de ligne à microruban distribués en série, ou des éléments parallèles tels que des stubs 64, complètent le circuit passif du moyen d'adaptation afin d'adapter l'antenne à l'impédance caractéristique de la sonde d'excitation. Le moyen d'adaptation peut comporter également un filtre micro-onde, ou un coupleur hybride ayant des sommets reliés à deux traversées métallisées 63 pour un fonctionnement de l'antenne avec une polarisation circulaire.
Par exemple, pour réaliser une antenne imprimée compacte "pastille" présentant une bande de fréquence centrée sur une fréquence de résonance de l'ordre de 2 GHz, le substrat diélectrique 2 est réalisé dans un bloc de mousse d'imide polyméthacrylate ayant une permittivité relative faible εr =1,07 et des pertes diélectriques très faibles tgδ = 2.10-4 pour des fréquences voisines de 2 GHz. Les faces du substrat 2 sont sensiblement rectangulaires et la deuxième face du substrat est recouverte complètement par l'élément rayonnant rectangulaire 4. L'épaisseur e, la largeur W, et la longueur L du substrat 2 sont respectivement 20 mm, 48 mm et 50 mm. La plaque de masse 3 est un carré métallique de 100 x 100 mm2 sur laquelle est centré le substrat 2 dont l'évidement 5 avec une profondeur p = 2 mm est recouvert par la plaque 3. Le moyen d'adaptation est composé d'une bande conductrice 6 ayant une longueur de 35 mm et une largeur de 2 mm et d'un stub conducteur 64 perpendiculaire à la bande conductrice et ayant une longueur de 10 mm et une largeur de 2 mm, la bande et le stub étant gravés sur le fond 51 de l'évidement 5. L'impédance caractéristique des lignes à microruban ainsi formées dans l'évidement 5, baignant dans un milieu équivalent quasiment homogène air/mousse est de 125 Ω. Cette valeur d'impédance caractéristique relativement élevée est particulièrement appropriée pour des niveaux d'impédance qui sont présentés au point de connexion 65 entre la traversée métallisée 63 et l'élément rayonnant 4 et qui sont élevés par rapport à l'impédance caractéristique a priori de 50 Ω au niveau de la sonde d'excitation 71-72 : en effet, l'antenne 1 étant de type "pastille" sur un substrat 2 d'épaisseur élevée et de permittivité relative très faible, cette réalisation privilégie le caractère à forte impédance de l'antenne. Cependant, la structure de l'antenne selon l'invention confère un paramètre de liberté, la profondeur p de l'évidement 5 dans le substrat en mousse 2, qui permet de choisir les caractéristiques électriques du moyen d'adaptation de l'antenne et ainsi de contrôler l'espacement entre les motifs métalliques d'adaptation 6, 64 et la plaque de masse 3. La liaison avec l'élément rayonnant 2 de l'antenne réalisée par la traversée métallisée 63 est également à forte impédance.
L'antenne 1, telle que dimensionnée ci-dessus, présente, comme montré à la figure 3, une adaptation A à - 10 dB dans une gamme de fréquences de 1,86 GHz à 2,38 GHz qui correspond à une bande passante relative de 25 % autour de la fréquence de résonance de 2,12 GHz. Cette largeur de bande passante est représentative d'un fonctionnement à très large bande. La réponse en transmission T également montrée à la figure 3 se traduit au niveau du diagramme de rayonnement de l'antenne par un rayonnement effectif dans cette bande de fréquence au moins dans la direction de rayonnement principal de l'antenne correspondant à la droite d'intersection des plans perpendiculaires XX et YY.
D'autres variantes de la première réalisation relatives au lien d'interconnexion conducteur entre la bande d'adaptation et l'élément rayonnant sont montrées aux figures 4 à 6.
La première variante montrée à la figure 4 diffère de la réalisation montrée à la figure 2 par une traversée métallisée 63a dans le substrat diélectrique 2, en tant que lien d'interconnexion entre le conducteur interne 71 de la sonde d'excitation coaxiale et l'élément rayonnant 4, qui s'étend dans le prolongement du conducteur interne 71 de la sonde d'excitation. La traversée métallisée 63a peut être remplacée par le conducteur interne 71 de la sonde qui est beaucoup plus long que celui montré à la figure 2, d'une longueur supplémentaire sensiblement égale à e - p. Dans ce cas, le conducteur interne traverse également un trou percé dans le substrat entre le fond d'évidement 51 et l'élément rayonnant 4 et a une extrémité libre soudée à l'élément rayonnant 4 et une section intermédiaire au niveau du fond 51 de l'évidement 5 soudée à la bande d'adaptation conductrice 6. Les soudures sont réalisées par une colle conductrice par exemple. L'élément conducteur interne de sonde 71 est ainsi commun à l'élément rayonnant "pastille" 4 et à la bande d'adaptation 6.
Dans la deuxième variante montrée à la figure 5, la sonde d'excitation 71-72 est fixée sous le centre de la plaque de masse 3. La bande d'adaptation conductrice 6b s'étend d'abord sur le fond 51 de l'évidement 5 depuis la première extrémité 61b sensiblement centrale au fond d'évidement 51 et soudée à l'extrémité du conducteur interne 71 de la sonde, sensiblement dans le plan de symétrie XX de l'élément rayonnant 4, jusqu'à la deuxième extrémité 62b constituée par une traversée métallisée dans le substrat 2 entre le fond d'évidement 51 et un champ latéral 21 du substrat. Le lien d'interconnexion comprend une bande conductrice 63b imprimée sur le champ de substrat 21 et s'étendant perpendiculairement à l'élément rayonnant entre la traversée métallisée 62b et un côté de l'élément rayonnant 4.
La troisième variante montrée à la figure 6 concerne une antenne imprimée dont le substrat 2c a au moins un ressaut 8 s'étendant longitudinalement au plan de symétrie YY et recouvert par l'élément rayonnant 4c, conformément à la structure d'antenne imprimée décrite dans la demande de brevet français déjà citée FR 2818811, déposée le 26 décembre 2000. La couche métallisée constituant l'élément rayonnant 4c recouvre le dessus et les côtés longitudinaux 81 du ressaut 8 et présente une section en U à extrémités potencées, avec des ailes 41 s'étendant sur la deuxième face du substrat 2 et ayant une largeur L1 différente de la largeur L2 du ressaut 8. La hauteur h du ressaut 8 peut être égale ou supérieure à l'épaisseur e du substrat 2 en général. Comparativement à l'élément rayonnant plat 4 montré aux figures 1 et 2, qui a une largeur W et une longueur L sensiblement égale à W, la longueur Lc de l'élément rayonnant 4c est réduite à : Lc = 2L1 + L2 = L-2h.
Grâce au ressaut 8 le long de toute la largeur W de l'antenne, la longueur de l'élément rayonnant 4b est réduite de manière significative. Cette réduction de longueur rapproche les fentes rayonnantes à l'extrémité des ailes symétriques 41 de l'élément rayonnant, ce qui ouvre le diagramme de rayonnement de l'antenne dans le plan de champ électrique perpendiculaire au ressaut 8. L'épaississement important au centre du substrat 2c formé par le ressaut 8 recouvert de l'élément rayonnant allonge électriquement la dimension résonnante de l'antenne et ainsi augmente l'impédance caractéristique au centre de l'antenne qui est équivalent à un pseudo court-circuit. Le ressaut réduit de manière significative la taille de l'antenne pour une fréquence de fonctionnement donnée. Plus l'impédance de ressaut au centre de l'antenne est élevée, plus la largeur L2 du ressaut doit être diminuée pour une fréquence donnée sous la condition de résonance.
Le moyen d'adaptation montré à la figure 6 comporte une bande conductrice imprimée 6 sur le fond 51 de l'évidement 5 et une traversée métallisée 63c d'une manière analogue à la première réalisation montrée à la figure 2. L'évidement 5 est sous-jacent au ressaut 8 et a une profondeur p plus petite que l'épaisseur e du substrat prise à l'écart du ressaut. En variante, le moyen d'adaptation pour toute antenne à ressaut 8 peut être structuré selon la figure 4 ou 5, ou selon la figure 8 ou 10, comme on le verra ci-après.
L'antenne pastille à ressaut montrée aux figures 7 et 8 selon la deuxième réalisation de l'invention comprend un moyen d'adaptation à éléments inductif et capacitif supporté par deux parois de l'évidement 5d. L'évidement 5d a une profondeur pd nettement plus grande que l'épaisseur périphérique e du substrat à l'écart du ressaut et est en partie situé dans l'épaisseur h du ressaut 8d, et dans la moitié de la largeur L2 du ressaut. Le moyen d'adaptation comprend deux éléments 61d et 62d. Le premier élément 61d est une bande conductrice prolongeant le conducteur interne 71 de la sonde d'excitation sensiblement perpendiculaire à une portion centrale de l'élément rayonnant et supportée par une paroi de l'évidement 5d située sensiblement dans le plan de symétrie YY. La bande 61d constitue un élément d'adaptation inductif. Le deuxième élément 62d est une plage rectangulaire conductrice reliée à une extrémité de la bande conductrice 61d et supportée par une partie du fond 51d de l'évidement 5d, sensiblement parallèle à la face supérieure de l'élément rayonnant 4d sur le ressaut. La plage 62d constitue un élément d'adaptation capacitif.
La variante de la deuxième réalisation montrée aux figures 9 et 10 concerne également un moyen d'adaptation à la fois inductif et capacitif relativement à l'élément rayonnant. Le moyen d'adaptation comprend trois éléments conducteurs 61e, 62e et 63e. Le premier élément 61e est une bande conductrice qui prolonge le conducteur interne 71 de la sonde d'excitation sensiblement perpendiculairement à la face supérieure du ressaut. La bande 61e est supportée par une paroi de l'évidement perpendiculaire à la plaque de masse 3, comme la bande 61d. Le deuxième élément 62e est une bande conductrice qui s'étend sur tout le fond d'évidement 51e, parallèlement à l'élément rayonnant 4e et dans le plan de symétrie XX et constitue, partiellement avec la bande 61e, un élément d'adaptation inductif. Le troisième élément 63e est une plage rectangulaire conductrice reliée à une extrémité de la bande 62e au fond de l'évidement et s'étendant contre une autre paroi de l'évidement 5e sensiblement parallèle à un côté du ressaut et perpendiculaire à la plaque de masse 3. La plage 63e a une hauteur sensiblement inférieure à la hauteur h du ressaut, et constitue un élément de couplage capacitif avec l'élément rayonnant 4e.

Claims (11)

  1. Antenne (1) comprenant un substrat diélectrique (2) ayant des première et deuxième faces et un évidement (5) ménagé dans la première face, une plaque conductrice de masse (3) disposée contre la première face de substrat et recouvrant l'évidement, un élément rayonnant (4) de type pastille sur la deuxième face de substrat, et un moyen d'adaptation entre l'élément rayonnant et un conducteur interne (71) d'un moyen d'excitation ayant un conducteur externe (72) fixé contre la plaque de masse, caractérisée en ce que le moyen d'adaptation (6) est supporté au moins partiellement par une paroi (51) de l'évidement (5) du substrat (2).
  2. Antenne conforme à la revendication 1, dans laquelle le substrat (2) avec l'évidement (5) est conformé par moulage dans un unique bloc diélectrique qui supporte tout le moyen d'adaptation.
  3. Antenne conforme à la revendication 1 ou 2, dans laquelle le moyen d'adaptation comprend une bande conductrice (6) sur le fond (51) de l'évidement (5) sensiblement parallèle à la plaque de masse (3) et ayant une première extrémité (61) reliée au conducteur interne (71) du moyen d'excitation et une deuxième extrémité (62) reliée à l'élément rayonnant (4) par un lien d'interconnexion conducteur (63) dans le substrat (2).
  4. Antenne conforme à la revendication 3, dans laquelle le lien d'interconnexion est une traversée métallisée (63) s'étendant dans le substrat (2) entre le fond (51) de l'évidement et l'élément rayonnant (4) .
  5. Antenne conforme à la revendication 4, dans laquelle la traversée métallisée (63a) s'étend dans le prolongement du conducteur interne (71) du moyen d'excitation.
  6. Antenne conforme à la revendication 3, dans laquelle le lien d'interconnexion est constitué par le conducteur interne (71, 63a) du moyen d'excitation traversant le substrat (2) entre le fond (51) de l'évidement et l'élément rayonnant (4).
  7. Antenne conforme à la revendication 3, dans laquelle la deuxième extrémité (62b) de la bande conductrice (6b) est constituée par une traversée métallisée dans le substrat (2) entre le fond (51) de l'évidement (5) et un champ (21) du substrat (2), et le lien d'interconnexion comprend une bande conductrice (63b) s'étendant sur le champ de substrat (21) et reliée à la traversée métallisée (62b) et à un côté de l'élément rayonnant (4).
  8. Antenne conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle la deuxième face du substrat comporte un ressaut (8) s'étendant longitudinalement et recouvert par l'élément rayonnant (4c), et l'évidement (5) est sous-jacent au ressaut et a une profondeur (p) plus petite que l'épaisseur (e) du substrat (2b) prise à l'écart du ressaut.
  9. Antenne conforme à la revendication 1 ou 2, dans laquelle le moyen d'adaptation comporte une bande conductrice (61d, 61e) qui est sensiblement perpendiculaire à une première portion de l'élément rayonnant (4d, 4e) et supportée par une paroi de l'évidement (5d, 5e) et qui est reliée au conducteur interne (71) du moyen d'excitation, et une plage conductrice (62d, 63e) qui est sensiblement parallèle à une deuxième portion de l'élément rayonnant et supportée par une paroi de l'évidement et qui est reliée à la bande conductrice.
  10. Antenne conforme à la revendication 9, dans laquelle la bande conductrice (61d) prolonge le conducteur interne (71) du moyen d'excitation sensiblement perpendiculairement aux première et deuxième portions de l'élément rayonnant qui sont confondues en une portion centrale de l'élément rayonnant.
  11. Antenne conforme à la revendication 9, dans laquelle la deuxième face du substrat comporte un ressaut (8e) s'étendant longitudinalement et recouvert par l'élément rayonnant (4e), et l'évidement (5e) est sous-jacent au ressaut et a une profondeur (pd) plus grande que l'épaisseur (e) du substrat (2e) prise à l'écart du ressaut, et dans laquelle la bande conductrice (61e) prolonge le conducteur interne (71) du moyen d'excitation sensiblement perpendiculairement et centralement à une face supérieure du ressaut (8e), et la plage conductrice (63e) est sensiblement parallèle à un côté du ressaut et reliée à la bande conductrice (61e) par une autre bande conductrice (62e) sur le fond (51e) de l'évidement (5e).
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