EP3671955A1 - Antenne fil-plaque monopolaire pour connexion differentielle - Google Patents

Antenne fil-plaque monopolaire pour connexion differentielle Download PDF

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EP3671955A1
EP3671955A1 EP19219115.3A EP19219115A EP3671955A1 EP 3671955 A1 EP3671955 A1 EP 3671955A1 EP 19219115 A EP19219115 A EP 19219115A EP 3671955 A1 EP3671955 A1 EP 3671955A1
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EP
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antenna
supply loop
ground plane
loop
roof
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EP19219115.3A
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EP3671955B1 (fr
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Olivier Clauzier
Serge Bories
Christophe Delaveaud
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
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    • 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
    • H01Q9/045—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means
    • 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
    • H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
    • H01Q19/12—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces wherein the surfaces are concave
    • H01Q19/13—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces wherein the surfaces are concave the primary radiating source being a single radiating element, e.g. a dipole, a slot, a waveguide termination
    • H01Q19/138—Parallel-plate feeds, e.g. pill-box, cheese aerials
    • 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
    • H01Q9/0421—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with a shorting wall or a shorting pin at one end of the element
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • 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
    • H01Q9/045—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
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    • 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
    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole

Definitions

  • the technical field of the invention relates to monopolar wire-plate antennas. More particularly, the invention relates to a monopolar wire-plate antenna comprising a ground plane, a roof arranged at a distance from the ground plane, and at least one electrically conductive element electrically connecting the ground plane to the roof.
  • a 100-wire monopolar plate antenna of the type of this article by Ch. Delumbled et al., comprises a ground plane 101, an electrically conductive planar element 102, called roof, one or more electrically conductive elements 103a, 103b, called (s) ground wire (s), connecting the roof 102 to the ground plane 101 and possibly a dielectric substrate 104 on which the roof 102 can be printed.
  • the antenna 100 comprises a coaxial feed probe 105 having a central core 106a passing through the ground plane 101, without electrical contact with it. ci, and extending to the roof 102 so as to establish an electrical connection therewith.
  • the core 106a is also successively surrounded by a sheath 106b of dielectric material 106b, then a metal tube 106c electrically connected to the ground plane, the sheath 106b of dielectric material providing electrical insulation between the core 106a and the metal tube 106c.
  • Such a coaxial feed probe 105 forms a coaxial waveguide in which a quasi-transverse electric magnetic (TEM) mode is established to guide and propagate the wave in the waveguide.
  • This type of antenna 100 makes it possible to emit an electromagnetic field, also called electromagnetic wave, with a high efficiency for frequencies located below the resonance modes of cavity TM nm (for “Transverse Magnetic” of indices n and m) classics for this antenna geometry.
  • TM nm for “Transverse Magnetic” of indices n and m
  • resonance of classical cavity we mean the particular distribution of an electromagnetic field resulting from the resolution of Maxwell's equations with the boundary conditions imposed by the topology of the antenna.
  • this monopolar wire-plate antenna can be supplied asymmetrically from a suitable radiofrequency transmitter having an asymmetrical connection (for example a microstrip line or a coaxial connector).
  • Such an antenna 100 has the advantage of having a small footprint, it is therefore particularly suitable for being associated with components originating from microelectronics, in particular within a mobile device.
  • a disadvantage linked to this type of antenna is that its technological integration in a small volume can imply that the radiofrequency transmitter connected to the antenna is with differential connection instead of being asymmetrical.
  • the differential connection transmitter generates two signals of equal amplitude and in phase opposition: the transmitter then forms a so-called “balanced” power source for the antenna.
  • the coaxial feed probe 105 it is necessary to transform the balanced feed into an unbalanced feed to feed the monopolar wire-plate antenna using this coaxial feed probe 105
  • a balun also called a balun
  • the balun makes it possible to adapt the differential connection of the radiofrequency transmitter so that it is compatible with the coaxial supply probe.
  • balun well known to those skilled in the art, comes from the English words BALanced (for balanced, or balanced, in French) and UNbalanced (for unbalanced, or unbalanced, in French).
  • a drawback of this adaptation of the differential connection is that it increases the bulk of the radio frequency front ends, implying the addition of additional components to be assembled which are generally not integrated on a chip, this results in radio frequency losses.
  • there is a need to develop a solution making it possible to feed an antenna with a roof, in particular a capacitive one, and with a ground plane electrically connected to each other without having to resort to the use of a balun when the antenna is intended to be connected to a differential connection transmitter.
  • a monopolar wire-plate antenna comprising a ground plane, a first radiating element in the form of a capacitive roof, and a second radiating element in the form of a conductive wire connecting the capacitive roof to the ground plane.
  • This antenna also includes a cable, or coaxial supply probe, the central core of which is connected to the capacitive roof.
  • the power source for the coaxial power probe is a radiofrequency transmitter with differential connection, this again requires the use of a balun.
  • the object of the invention is to allow a supply of a monopolar wire-plate antenna not requiring the presence of a balun.
  • the invention relates to a monopolar wire-plate antenna comprising a ground plane, a roof arranged at a distance from the ground plane, at least one electrically conductive element electrically connecting the ground plane to the roof, this antenna being characterized in that it comprises a supply loop arranged substantially orthogonal to the ground plane, said supply loop being open so that it has two opposite longitudinal ends arranged so as to be connected to a differential connection.
  • the power supply loop allows, during the operation of the monopolar wire-plate antenna supplied by the transmitter with differential connection during the emission of a signal or by an electromagnetic wave propagating in the environment of the antenna during reception of a signal, to impose a distribution of the electromagnetic field in a suitable way between the ground plane and the roof to allow the antenna wire-monopolar plate to present a desired impedance and, if necessary, emit a satisfactory electromagnetic wave.
  • the feed / excitation of the antenna by the feed loop makes it possible to obtain a symmetrical system from which the reduction of the propagation of electric currents on the ground plane of the antenna results, thus limiting the influence of the close context of the antenna, such as for example the influence of a hand of a person holding a device equipped with the antenna.
  • the invention also relates to a radiofrequency device comprising a monopolar wire-plate antenna as described and a radiofrequency transmitter with differential connection connected to the supply loop.
  • the differential connection of the radiofrequency transmitter comprises first and second connection terminals
  • the antenna comprises a balanced waveguide, the balanced waveguide comprising first and second electrical conductors
  • the first electrical conductor is connected, on the one hand, at one of the longitudinal ends of the supply loop and, on the other hand, at the first connection terminal
  • the second electrical conductor is connected, on the one hand, to the other of the longitudinal ends of the supply loop and, on the other hand, to the second connection terminal.
  • the operating frequency of the monopolar wire-plate antenna corresponds to the frequency at which the monopolar wire-plate antenna transmits, or receives, an electromagnetic wave, in particular a radio wave, also called if necessary signal emitted. or received / received signal. More generally, to speak of this electromagnetic wave, reference is made to the electromagnetic wave to be processed (whether receiving or transmitting) at the operating frequency of the monopolar wire-plate antenna.
  • the monopolar wire-plate antenna is configured to transmit and / or receive a corresponding electromagnetic wave.
  • an antenna operating wavelength corresponds to the spatial period of the electromagnetic wave to be processed by the antenna propagating in a vacuum or in the air when the monopolar wire-plate antenna includes such a propagation medium.
  • ⁇ 0 is associated with the propagation of the electromagnetic wave in vacuum or in air.
  • the propagation medium of the monopolar wire-plate antenna corresponds to a medium for transmitting and / or receiving the electromagnetic wave to be treated.
  • the propagation medium is, if necessary, the medium from which the antenna picks up the electromagnetic wave to be treated or to which the antenna emits the electromagnetic wave to be treated.
  • the wave electromagnetic to be propagated propagates in a medium of propagation of the monopolar wire-plate antenna (for example air, vacuum, a dielectric material, etc.) in contact with one or more radiating parts of the antenna, and the operating wavelength of the antenna (that is to say the wavelength associated with the propagation of the electromagnetic wave to be processed at the operating frequency of the antenna) is then noted ⁇ g : we also speak of guided wavelength. Subsequently, when the monopolar wire-plate antenna is said to be supplied / excited, it is at the operating wavelength of the antenna.
  • a medium of propagation of the monopolar wire-plate antenna for example air, vacuum, a dielectric material, etc.
  • the monopolar wire-plate antenna is said to be adapted in impedance when it has a reflection coefficient strictly lower than a given level (typically -9.54 dB for communication terminals, and -15 dB for example for base stations ).
  • the invention relates to an antenna 100 monopolar wire-plate, also simply called antenna 100, comprising a ground plane 101 (in particular planar), a roof 102 (in particular planar) arranged at a distance from the ground plane 101, and at at least one electrically conductive element 103a, 103b electrically connecting the ground plane 101 to the roof 102.
  • antenna 100 monopolar wire-plate, also simply called antenna 100, comprising a ground plane 101 (in particular planar), a roof 102 (in particular planar) arranged at a distance from the ground plane 101, and at at least one electrically conductive element 103a, 103b electrically connecting the ground plane 101 to the roof 102.
  • two electrically conductive elements 103a, 103b are shown by way of example: the number of these electrically conductive elements 103a, 103b may be higher.
  • Each electrically conductive element 103a, 103b electrically connecting the ground plane 101 to the roof 102 is also called a short-circuit element between the roof 102 and the ground plane 101, or ground wire.
  • Each electrically conductive element 103a, 103b in particular forms a radiating part of the antenna 100.
  • the roof 102 is electrically conductive, and is also called planar element, or plate, electrically conductive.
  • the ground plane 101 is electrically conductive and preferably adopts a planar shape.
  • the ground plane 101, the roof 102 and each electrically conductive element 103a, 103b may each be, without limitation, copper, aluminum or steel.
  • this antenna 100 includes a feed loop 107 in particular called “feed loop of the antenna 100”.
  • the supply loop 107 is open so that it has two opposite longitudinal ends 108, 109 arranged so as to be connected to a differential connection.
  • the differential connection is notably that of a 200 radio frequency transmitter ( figure 6 ).
  • the supply loop 107 is arranged substantially orthogonal to the ground plane 101. Thanks to this supply loop 107, there is no longer any need to use a balun or other circuit performing an asymmetrical line transformation in symmetrical line (or vice versa) between the radiofrequency transmitter and the antenna 100.
  • the supply loop 107 can be directly connected to terminals 201, 202 of the transmitter 200 ( figure 6 ), or via a differential waveguide 110 as will be described later.
  • the electromagnetic wave generated by the radiofrequency transmitter can feed the antenna 100 via this supply loop 107 arranged under the roof 102 in order to emit this electromagnetic wave as signal.
  • the antenna 100 When the antenna 100 is used to receive a signal, the antenna 100 picks up the signal (the electromagnetic wave) of the free space, this signal supplying the supply loop 107 of the antenna 100 in a manner suitable for transmitting this signal to the radio frequency transmitter.
  • the signal the electromagnetic wave
  • the supply loop 107 can be arranged between the roof 102 and the ground plane 101, this has the advantage of satisfactory integration, and the advantage of reducing the overall size of the antenna 100 by integrating the loop supply 107 in a separation space between the roof 102 and the ground plane 101.
  • substantially orthogonal it is understood in particular to be orthogonal or orthogonal to more or less ten degrees.
  • substantially orthogonal can be replaced by “orthogonal”.
  • substantially parallel it is understood in particular to be parallel or parallel to more or less ten degrees.
  • substantially parallel can be replaced by “parallel”.
  • supply loop 107 arranged substantially orthogonal to the ground plane 101 it is understood in particular that the supply loop 107 extends along an included profile, or can be projected orthogonally, in a plane substantially orthogonal to the ground plane 101.
  • the profile of the supply loop 107 can travel, along the length of the supply loop 107, within a plane substantially orthogonal to the ground plane 101.
  • the profile of the supply loop 107 is rectangular in a plane substantially orthogonal to the ground plane 101 and in particular to the roof 102.
  • the supply loop 107 can be placed in a plane substantially orthogonal to the plane mass 101.
  • the invention also relates to a radiofrequency device 1000, in particular as illustrated by way of example in figure 6 , comprising the antenna 100 as described and the radiofrequency transmitter 200 with differential connection connected to the supply loop 107, in particular to the supply loop 107 of the antenna of the type of figures 2 and 3 (as illustrated in figure 6 ) or the antenna of the type illustrated in Figures 4 and 5 .
  • the radiofrequency transmitter 200 is an electronic transmission-reception component whose coupling to the antenna 100 (that is to say the connection to the supply loop 107) makes it possible to transmit or receive the electromagnetic wave. corresponding, or signal, by the antenna 100.
  • the radiofrequency transmitter can in particular supply the antenna by a discrete port for example of 50 ohms over its entire operating band.
  • the radiofrequency transmitter 200 has two terminals 201, 202 from which the electromagnetic wave, making it possible to supply the antenna 100 with view of transmitting the signal is transmitted in a balanced mode.
  • the radiofrequency transmitter 200 can send on its two terminals 201, 202 respectively two signals of equal amplitude and in phase opposition.
  • the radiofrequency transmitter 200 of the figure 6 and more particularly the differential connection, comprises a first connection terminal 201 denoted “+”, and a second connection terminal 202 denoted “-”.
  • antennas powered from a source in differential mode in mobile terminals such as smartphones there are very often antennas powered from a source in differential mode in mobile terminals such as smartphones ("smartphone" in English).
  • the use of a differential supply whose source is the radiofrequency transmitter 200 in association with the present antenna 100 does not require the use of a balun, and can make it possible to make the structure of the antenna symmetrical.
  • the signal picked up by the antenna 100 is transmitted to the differential connection of the transmitter by two signals of equal amplitude and in phase opposition generated within the supply loop 107 when it is supplied by the signal picked up by the antenna 100.
  • such an antenna 100 has the advantage that the currents on its ground plane 101 are limited, thus limiting the influence of the close context of the antenna 100 such than a hand of a person holding the smart phone having this antenna 100.
  • an electromagnetic field should be formed in accordance with the mode which is established under the roof 102.
  • the electric field, resulting from this electromagnetic field is oriented according to the Z axis, that is to say substantially orthogonal to the ground plane 101.
  • the supply loop 107 is orthogonal to the ground plane 101.
  • the supply loop 107 has parts substantially orthogonal to the ground plane 101 in which currents can propagate.
  • the supply loop 107 preferably comprises two regions Z1, Z2 (shown dotted in figures 3, 5 and 6 ) excitation of the antenna 100 formed by parts of the supply loop 107 substantially orthogonal to the ground plane 101.
  • the currents must be in phase, that is to say -to say oriented in the same direction in particular substantially parallel to the axis Z, and these currents are of close amplitudes, when the antenna 100 is supplied by the radiofrequency transmitter 200 or by the signal which it picks up.
  • the supply loop 107 is notably configured so that it exhibits, during the operation of the antenna 100 (that is to say when the antenna 100 transmits or receives a signal), two regions Z1, Z2 for excitation of the antenna 100 in which the currents are in phase and circulate substantially orthogonally with respect to the ground plane 101.
  • the currents which circulate in the supply loop 107, and in particular in parts of the supply loop 107 extending substantially orthogonally with respect to to the ground plane 101 are in phase and preferably of close amplitudes when this antenna 100 transmits or receives a signal.
  • the supply loop 107 advantageously comprises two parts substantially orthogonal to the ground plane 101: this allowing the supply loop 107 to take advantage of the currents substantially orthogonal to the ground plane 101 and in phase to excite the antenna 100 in a suitable manner during its operation.
  • the supply loop 107 comprises (see in particular the figures 2 to 5 ) a first part 1071 distal from the ground plane 101, a second part 1072 proximal to the ground plane 101, a third part 1073 connecting the first and second parts 1071, 1072 (in particular connecting two longitudinal ends of the first and second parts 1071, 1072 ).
  • the opposite longitudinal ends 108, 109 of the supply loop 107 are then arranged opposite the third part 1073, that is to say on one side of the supply loop 107 opposite the third part 1073.
  • Such a supply loop 107 is very particularly suitable for obtaining the vertical currents in phase desired to properly excite the electromagnetic field under the roof 102 of the antenna 100 and in particular between the roof 102 and the ground plane 101 when the antenna 100 transmits or receives a signal.
  • the first and second parts 1071, 1072 extend along their length substantially parallel to the ground plane 101
  • the third part 1073 extends along its length substantially orthogonally to the ground plane 101.
  • the supply loop 107 may include a fourth part 1074 ( figures 2 to 5 ) connected to at least one of the first and second parts 1071, 1072, this fourth part 1074 being located on the side of the supply loop 107 where its longitudinal ends 108, 109 are arranged.
  • the first, third, second and fourth parts 1071, 1073, 1072, 1074 are arranged successively so as to delimit the contour of the supply loop 107.
  • the currents substantially orthogonal to the ground plane 101 referred to above flow in particular in the third and fourth parts 1073, 1074.
  • the fourth part 1074 is, in particular along its length, substantially orthogonal to the ground plane 101.
  • the arrangement of the longitudinal ends 108, 109 opposite to the supply loop 107 opposite its third part 1073 allows to favor, during the operation of the antenna 100, obtaining currents flowing in phase along the Z axis, that is to say in the third and fourth parts 1073, 1074 substantially orthogonal a u ground plan 101.
  • the supply loop 107 may be such that it includes the fourth part 1074 comprising a first portion 1074a extending from the first part 1071 of the supply loop 107 in particular towards the second part 1072 of the supply loop 107.
  • the first portion 1074a has one of the longitudinal ends 108 of the supply loop 107.
  • the fourth part 1074 of the supply loop 107 comprises a second portion 1074b extending from the second part 1072 of the supply loop 107 in particular towards the first part 1071 of the supply loop 107, this second portion 1074b comprising the other of the longitudinal ends 109 of the supply loop 107 ( figures 2 to 5 ).
  • the first and second portions 1074a, 1074b can have identical dimensions so that the excitation of the supply loop 107 by the transmitter 200 can be done in the middle of the fourth part 1074, or alternatively dimensions different.
  • the supply loop 107 has a horizontal symmetry favoring the balance of the currents over the entire perimeter of the supply loop 107 and therefore in the third and fourth parts 1073, 1074 substantially orthogonal to the ground plane 101, this being advantageous for the proper functioning of the antenna 100.
  • the fourth part 1074 extends from the first part 1071 of the supply loop 107 in particular towards the second part 1072 of the supply loop 107, and the fourth part 1074 comprises one of the longitudinal ends 108 of the loop supply 107.
  • the second part 1072 of the supply loop 107 comprises the other of the longitudinal ends 109 of the supply loop 107.
  • the fourth part 1074 extends from the second part 1072 in particular towards the first part 1071, and the fourth part 1074 comprises one of the longitudinal ends 109 of the supply loop 107.
  • the first part 1071 has the other of the longitudinal ends 108 of the supply loop 107.
  • the second and third cases are functional alternatives to the first case which is preferred.
  • the excitation regions Z1, Z2 of the antenna 100 are two in number and are advantageously formed by the third and fourth parts 1073, 1074.
  • the roof 102 is in particular a so-called “capacitive” roof considered to be small compared to the operating wavelength of the antenna 100, that is to say that the dimensions of the roof 102 are in particular strictly less than ⁇ g / 4.
  • the radiofrequency transmitter 200 can be connected directly to the power supply loop 107, or can be connected to the power supply loop via a balanced waveguide 110, also called differential waveguide.
  • This balanced waveguide 110 belongs to the antenna 100.
  • the waveguide 110 comprising first and second electrical conductors 111, 112, for example adopting the form of electrically conductive tracks.
  • the first electrical conductor 111 is connected to one of the longitudinal ends 108 of the supply loop 107 and the second electrical conductor 112 is connected to the other of the longitudinal ends 109 of the supply loop 107.
  • the guide waves is said to be “balanced” because it allows, thanks to its electrical conductors 111, 112, where appropriate, the propagation of the electromagnetic wave supplying the supply loop 107 generated by the radiofrequency transmitter 200 up to the supply loop 107 or the propagation of the electromagnetic wave picked up (that is to say the signal picked up) by the antenna 100 from the feed loop 107 to the radiofrequency transmitter 200.
  • This has the advantage to be able to adapt the distance between the antenna 100 and the radiofrequency transmitter 200.
  • These first and second electrical conductors 111, 112 make it possible to propagate respectively two signals of equal amplitude and in phase opposition from which it results, where appropriate, from the propagation of the electromagnetic wave supplying the antenna 100 originating from the radiofrequency transmitter 200 or from the electromagnetic wave picked up by the antenna 100.
  • the first conductor electrical 111 is also connected to the first connection terminal 201, and the second electrical conductor 112 is also connected to the second connection terminal 202.
  • the balanced waveguide 110 adopts a symmetrical geometry to ensure proper propagation of the wave electromagnetic power supply.
  • the balanced waveguide 110 can take the form of coplanar microstrip lines, twin lines, a two-wire line.
  • the waveguide 110 is not necessary if the supply loop 107 can be directly connected to the radiofrequency transmitter 200.
  • the two opposite longitudinal ends 108, 109 of the loop supply 107 can be connected a differential connection of a differential waveguiding device, this differential device can be the balanced waveguide 110 or the connection terminals 201, 202 of the radiofrequency transmitter 200.
  • part of the supply loop 107 may be formed by a portion of the roof 102, this is illustrated in particular figure 9 where the third and fourth parts 1073, 1074 are in direct contact with the roof 102 which delimits the first part of the supply loop 107.
  • the supply loop 107 can be in contact with the roof 102 ( figures 3, 5 , 7 and 8 ) or can be located at a distance from the roof 102 ( figure 10 ).
  • a part, in particular the first part 1071 described above is formed by a portion of the roof 102, or is in contact with the roof 102, makes it possible to limit the size of the antenna 100 along the axis Z , for example by reducing the separation distance between the roof 102 and the ground plane 101.
  • An additional advantage of the supply loop 107, part of which is delimited by the roof 102, is that this reduces the complexity of the manufacturing process of the antenna 100 since there will be one less metallization level to deposit.
  • the perimeter, also called length, of the feed loop 107 has an impact on the impedance matching of the antenna 100.
  • the length of the feed loop 107 in the context of the example of the narrowband antenna ( figures 2 and 3 ) whose impedance matching is normalized to 50 Ohms, it is proposed to fix the dimensions of the supply loop 107 along the X axis (i.e. the length of the first part 1071 and the length of the second part 1072) at 5 mm for different case studies for which the length of the supply loop 107, also called perimeter noted P of the supply loop 107, is respectively fixed at 14 mm, at 14 , 5 mm and 15 mm: it follows that the height of the supply loop 107 along the Z axis is respectively 2 mm, 2.25 mm and 2.5 mm for these different case studies.
  • the opposite longitudinal ends 108, 109 of the feed loop 107 are located equidistant, for example at 0.25 mm, from the middle of the fourth part 1074 mentioned above along the Z axis.
  • the reflection coefficient (in dB) of the antenna 100 is a function of the frequency, normalized to 50 ⁇ , for these three case studies of the antenna 100, it is possible to note that the frequency of operation of the antenna 100 for which the best impedance adaptation of the antenna 100 is obtained decreases with the increase in the perimeter P of the supply loop 107.
  • the adaptation of the antenna 100 operates as soon as the perimeter of the loop is of optimal dimension close to ⁇ 0 / 3.6, where ⁇ 0 is the operating wavelength of antenna 100.
  • the phasing of the currents in the excitation regions Z1, Z2 can thus take place at lower frequencies.
  • the feed loop 107 preferably has a length, between its two opposite longitudinal ends 108, 109, between ⁇ g / 3.5 and ⁇ g / 3.7 with ⁇ g the operating wavelength of the antenna 100 in the medium of propagation of the antenna 100.
  • the propagation medium of the antenna 100 is the medium in contact with each radiating element of the antenna 100, for example the medium in contact with each electrically conductive element 103a, 103b. This propagation medium can be air or a dielectric material.
  • the different case studies are such that the length of the supply loop 107 varies between 16.5 mm and 18.5 mm in a step of 0.5 mm, or five case studies with P respectively equal at 16.5mm, 17mm, 17.5mm, 18mm and 18.5mm.
  • the result that the height of the supply loop 107 along the Z axis for these different case studies is respectively 2.75 mm, 3 mm, 3.25 mm, 3.5 mm, 3.75 mm.
  • the adaptation of the antenna 100 s' operates as soon as the perimeter of the feed loop 107 is of optimal dimension close to ⁇ 0/2 , where ⁇ 0 is the operating wavelength of the antenna 100 when the medium of propagation of the antenna is the air.
  • the equilibrium of the excitation of the antenna 100, in the excitation regions Z1, Z2, in amplitude and in phase on the current density is lost when the supply loop 107 has too large a perimeter or too weak vis-à-vis its optimal dimension.
  • the currents in the excitation regions Z1, Z2 of the antenna 100 are phase shifted.
  • the currents are in phase and of the same amplitude in the regions Z1, Z2 excitation of the antenna 100.
  • the antenna 100 having a feed loop 107 with a perimeter P equal to 16.5 mm and with the increase in the operating frequency of the antenna 100 it is found that the phasing of the currents improves in the excitation regions Z1, Z2.
  • the antenna 100 comprising a feed loop 107 with a perimeter P equal to 18.5 mm the equilibrium in the regions Z1, Z2 of excitation of the antenna 100 is lost in amplitude and in phase on current density with increasing frequency.
  • the supply loop 107 preferably has a length, between its two opposite longitudinal ends 108, 109, between ⁇ g / 3 and ⁇ g / 1.6 with ⁇ g the operating wavelength of the antenna 100, in particular in the propagation medium of the antenna 100.
  • the width of the feed loop 107 in particular measured along the Y axis, can also be adapted as a function of the desired characteristics of the antenna 100.
  • the increase in the width of the feed loop 107 leads to an adaptation of the antenna 100 for lower operating frequencies. This is synonymous with an elongation of the loop equivalent to the supply loop 107 linked to the increase in its width.
  • a width of the supply loop 107 of approximately 0.5 mm is optimal for a good adaptation (strictly less than -10 dB) according to a normalization impedance of 100 ohms for an antenna operating frequency between 6.3 GHz and 9 GHz.
  • Such a monopolar wire-plate antenna has an industrial application in the field of telecommunications where such an antenna can be manufactured and arranged within a radiofrequency device as described above.
  • the radio frequency device described can be integrated into any type of object communicating.
  • the radiofrequency device can be integrated into a smart phone worn on a person's belt to transmit via the antenna 100 a video stream to interactive glasses using an ultra broadband link between 7 GHz and 9 GHz.

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Abstract

L'antenne (100) fil-plaque monopolaire comporte un plan de masse (101), un toit (102) agencé à distance du plan de masse (101) et au moins un élément électriquement conducteur (103a) reliant électriquement le plan de masse (101) au toit (102). Cette antenne (100) comporte une boucle d'alimentation (107) agencée de manière sensiblement orthogonale par rapport au plan de masse (101), ladite boucle d'alimentation (107) étant ouverte de telle sorte qu'elle comporte deux extrémités longitudinales (108, 109) opposées agencées de sorte à être reliées à une connexion différentielle.

Description

    Domaine technique de l'invention
  • Le domaine technique de l'invention concerne les antennes fil-plaque monopolaires. Plus particulièrement, l'invention est relative à une antenne fil-plaque monopolaire comportant un plan de masse, un toit agencé à distance du plan de masse, et au moins un élément électriquement conducteur reliant électriquement le plan de masse au toit.
    • Etat de la technique
  • L'article « New kind of microstrip antenna: the monopolar wire-patch antenna » de Ch. Delaveaud et al., publié dans ELECTRONICS LETTERS du 6 janvier 1994 vol. 30, No. 1 pages 1 et 2, définit un exemple d'antenne fil-plaque monopolaire. Comme illustré sur la figure 1, une antenne 100 fil-plaque monopolaire, du type de cet article de Ch. Delaveaud et al., comprend un plan de masse 101, un élément électriquement conducteur planaire 102, appelé toit, un ou plusieurs éléments électriquement conducteurs 103a, 103b, appelé(s) fil(s) de masse, connectant le toit 102 au plan de masse 101 et éventuellement un substrat diélectrique 104 sur lequel le toit 102 peut être imprimé. En plus, des fils de masse 103a, 103b reliant le toit 102 au plan de masse 101, l'antenne 100 comprend une sonde d'alimentation coaxiale 105 présentant une âme centrale 106a traversant le plan de masse 101, sans contact électrique avec celui-ci, et s'étendant jusqu'au toit 102 de manière à établir une connexion électrique avec celui-ci. L'âme 106a est par ailleurs successivement entourée par une gaine 106b en matériau diélectrique 106b, puis un tube métallique 106c relié électriquement au plan de masse, la gaine 106b en matériau diélectrique assurant l'isolation électrique entre l'âme 106a et le tube métallique 106c. Une telle sonde d'alimentation coaxiale 105 forme un guide d'ondes coaxial dans lequel un mode quasi transverse électrique magnétique (TEM) s'établit pour guider et propager l'onde dans le guide d'ondes. Ce type d'antenne 100 permet d'émettre un champ électromagnétique, aussi appelé onde électromagnétique, avec une efficacité élevée pour des fréquences situées en dessous des modes de résonance de cavité TMnm (pour « Transverse Magnetic » d'indices n et m) classiques pour cette géométrie d'antenne. Par résonance de cavité classique, on entend la répartition particulière d'un champ électromagnétique issu de la résolution des équations de Maxwell avec les conditions aux limites imposées par la topologie de l'antenne. Classiquement, cette antenne fil-plaque monopolaire peut être alimentée de façon asymétrique depuis un transmetteur radiofréquence adapté présentant une connexion asymétrique (par exemple une ligne microruban ou un connecteur coaxial).
  • Une telle antenne 100 présente l'avantage d'avoir un faible encombrement, elle est donc tout particulièrement adaptée à être associé à des composants issus de la microélectronique, notamment au sein d'un appareil mobile. Un inconvénient lié à ce type d'antenne est que son intégration technologique dans un petit volume peut impliquer que le transmetteur radiofréquence connecté à l'antenne soit à connexion différentielle au lieu d'être asymétrique. Le transmetteur à connexion différentielle permet de générer deux signaux d'amplitude égale et en opposition de phase : le transmetteur forme alors une source d'alimentation dite « équilibrée » de l'antenne. Or, du fait de l'utilisation de la sonde d'alimentation coaxiale 105, il est nécessaire de transformer l'alimentation équilibrée en une alimentation non-équilibrée pour alimenter l'antenne fil-plaque monopolaire en utilisant cette sonde d'alimentation coaxiale 105. En ce sens, il est classique d'associer le transmetteur à connexion différentielle à un balun, aussi appelé symétriseur, pour réaliser la transition entre une structure de guide d'ondes symétrique connecté au transmetteur radiofréquence et une topologie asymétrique qu'est la sonde coaxiale 105. Autrement dit, le balun permet d'adapter la connexion différentielle du transmetteur radiofréquence pour qu'elle soit compatible avec la sonde coaxiale d'alimentation. Le balun, bien connu de l'homme du métier vient des mots anglais BALanced (pour équilibré, ou balancé, en langue française) et UNbalanced (pour déséquilibré, ou non balancé, en langue française). Un inconvénient de cette adaptation de la connexion différentielle est qu'elle augmente l'encombrement des frontaux radiofréquences, impliquant l'ajout de composants supplémentaires à assembler généralement non intégrables sur une puce, il en résulte des pertes radiofréquences. En ce sens, il existe un besoin de développer une solution permettant d'alimenter une antenne à toit, notamment capacitif, et à plan de masse reliés électriquement entre eux sans avoir recours à l'utilisation d'un balun lorsque l'antenne est destinée à être reliée à un transmetteur à connexion différentielle.
  • Il est connu de la demande de brevet FR2709878 une antenne fil-plaque monopolaire comprenant un plan de masse, un premier élément rayonnant sous la forme d'un toit capacitif, et un deuxième élément rayonnant sous la forme d'un fil conducteur reliant le toit capacitif au plan de masse. Cette antenne comporte aussi un câble, ou sonde d'alimentation coaxiale, dont l'âme centrale est connectée au toit capacitif. Cependant, si la source d'alimentation de la sonde d'alimentation coaxiale est un transmetteur radiofréquence à connexion différentielle, cela nécessite ici encore d'utiliser un balun.
  • Le document « Electromagnetically Coupled Small Broadband Monopole Antenna » de Jong-Ho Jung et Ikmo Park publié dans IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS, Vol. 2, 2003, en pages 349 à 351 décrit une antenne fil-plaque monopolaire dont le toit est couplé à une spirale située dans un plan à distance du toit et parallèle au toit. La spirale est connectée à une sonde d'alimentation coaxiale. La spirale associée à la sonde d'alimentation coaxiale permet d'exciter l'antenne. Cependant, si le transmetteur radiofréquence est à connexion différentielle, cela nécessite ici encore d'utiliser un balun.
  • Le document « A WIDEBAND BALUN FROM COAXIAL LINE TO TEM LINE » de P R Foster et Soe Min Tun publié dans Antennas and Propagation, 4-7 April 1995 Conférence Publication No. 407, © IEE 1955 décrit notamment le fonctionnement d'un balun.
    • Objet de l'invention
  • L'invention a pour but de permettre une alimentation d'une antenne fil-plaque monopolaire ne nécessitant pas la présence d'un balun.
  • A cet effet, l'invention est relative à une antenne fil-plaque monopolaire comportant un plan de masse, un toit agencé à distance du plan de masse, au moins un élément électriquement conducteur reliant électriquement le plan de masse au toit, cette antenne étant caractérisée en ce qu'elle comporte une boucle d'alimentation agencée de manière sensiblement orthogonale par rapport au plan de masse, ladite boucle d'alimentation étant ouverte de telle sorte qu'elle comporte deux extrémités longitudinales opposées agencées de sorte à être reliées à une connexion différentielle.
  • Ainsi, avec une telle boucle d'alimentation, il est possible de relier l'antenne à un transmetteur à connexion différentielle sans avoir à réaliser une adaptation de la connexion différentielle via un balun entre le transmetteur et la boucle d'alimentation. La boucle d'alimentation permet, lors du fonctionnement de l'antenne fil-plaque monopolaire alimentée par le transmetteur à connexion différentielle lors de l'émission d'un signal ou par une onde électromagnétique se propageant dans l'environnement de l'antenne lors de la réception d'un signal, d'imposer une répartition du champ électromagnétique de manière adaptée entre le plan de masse et le toit pour permettre à l'antenne fil-plaque monopolaire de présenter une impédance souhaitée et, le cas échéant, d'émettre une onde électromagnétique satisfaisante. Par ailleurs, l'alimentation/excitation de l'antenne par la boucle d'alimentation permet l'obtention d'un système symétrique d'où il résulte la réduction de la propagation des courants électriques sur le plan de masse de l'antenne, limitant ainsi l'influence du proche contexte de l'antenne, comme par exemple l'influence d'une main d'une personne tenant un appareil équipé de l'antenne.
  • L'antenne fil-plaque monopolaire peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
    • l'antenne comporte un guide d'ondes équilibré, le guide d'ondes équilibré comportant un premier conducteur électrique et un deuxième conducteur électrique, le premier conducteur électrique étant connecté à l'une des extrémités longitudinales de la boucle d'alimentation et le deuxième conducteur électrique étant connecté à l'autre des extrémités longitudinales de la boucle d'alimentation ;
    • la boucle d'alimentation comporte une première partie distale du plan de masse, une deuxième partie proximale du plan de masse, une troisième partie reliant les première et deuxième parties, les extrémités longitudinales étant agencées à l'opposé de la troisième partie ;
    • la boucle d'alimentation comporte une quatrième partie comportant : une première portion s'étendant depuis la première partie de la boucle d'alimentation, cette première portion comportant l'une des extrémités longitudinales de la boucle d'alimentation ; et une deuxième portion s'étendant depuis la deuxième partie de la boucle d'alimentation, cette deuxième portion comportant l'autre des extrémités longitudinales de la boucle d'alimentation ;
    • la boucle d'alimentation comporte une quatrième partie s'étendant depuis la première partie et comportant l'une des extrémités longitudinales de la boucle d'alimentation, la deuxième partie comportant l'autre des extrémités longitudinales de la boucle d'alimentation ;
    • la boucle d'alimentation comporte une quatrième partie s'étendant depuis la deuxième partie et comportant l'une des extrémités longitudinales de la boucle d'alimentation, la première partie comportant l'autre des extrémités longitudinales de la boucle d'alimentation ;
    • une partie de la boucle d'alimentation est formée par une portion du toit, ou la boucle d'alimentation est située à distance du toit, ou la boucle d'alimentation est en contact avec le toit ;
    • ladite boucle d'alimentation présente, lors du fonctionnement de l'antenne, deux régions d'excitation de l'antenne dans lesquelles les courants sont en phase et circulent sensiblement orthogonalement par rapport au plan de masse ;
    • ladite antenne est une antenne à large bande passante pour laquelle la boucle d'alimentation présente une longueur, entre ses deux extrémités longitudinales opposées, comprise entre λg/3 et λg/1,6 avec λg la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne ;
    • ladite antenne est une antenne à bande étroite pour laquelle la boucle d'alimentation présente une longueur, entre ses deux extrémités longitudinales opposées, comprise entre λg/3,5 et λg/3,7 avec λg la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne.
  • L'invention est aussi relative à un dispositif radiofréquence comportant une antenne fil-plaque monopolaire telle que décrite et un transmetteur radiofréquence à connexion différentielle reliée à la boucle d'alimentation.
  • De préférence, la connexion différentielle du transmetteur radiofréquence comporte des première et deuxième bornes de connexion, l'antenne comporte un guide d'ondes équilibré, le guide d'ondes équilibré comportant des premier et deuxième conducteurs électriques, le premier conducteur électrique est connecté, d'une part, à l'une des extrémités longitudinales de la boucle d'alimentation et, d'autre part, à la première borne de connexion, et le deuxième conducteur électrique est connecté, d'une part, à l'autre des extrémités longitudinales de la boucle d'alimentation et, d'autre part, à la deuxième borne de connexion.
    • Description sommaire des dessins
  • L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre de modes de réalisation particuliers, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins annexés et listés ci-dessous.
    • La figure 1 représente, en coupe, une antenne fil-plaque monopolaire selon l'art antérieur.
    • La figure 2 illustre une vue en perspective d'une antenne fil-plaque monopolaire à bande étroite selon un mode de réalisation de l'invention.
    • La figure 3 est une vue de côté de l'antenne de la figure 2.
    • La figure 4 illustre une vue en perspective d'une antenne fil-plaque monopolaire à large bande selon un mode de réalisation de l'invention.
    • La figure 5 est une vue de côté de l'antenne de la figure 4.
    • La figure 6 illustre une vue de côté d'un dispositif radiofréquence comprenant une antenne fil-plaque monopolaire du type de la figure 2.
    • La figure 7 illustre une vue de côté d'une réalisation particulière d'antenne fil-plaque monopolaire du type de la figure 2.
    • La figure 8 illustre une vue de côté d'une réalisation particulière d'antenne fil-plaque monopolaire du type de la figure 2.
    • La figure 9 illustre une vue de côté d'une réalisation particulière d'antenne fil-plaque monopolaire du type de la figure 2.
    • La figure 10 illustre une vue de côté d'une réalisation particulière d'antenne fil-plaque monopolaire du type de la figure 2.
    • La figure 11 illustre une vue de côté d'une antenne fil plaque monopolaire à large bande comportant un substrat de support multicouches.
    • La figure 12 illustre une vue en perspective de la figure 11 pour laquelle le substrat de support multicouches a été retiré.
    • La figure 13 illustre l'évolution du coefficient de réflexion en dB de l'antenne de la figure 12 en fonction de la fréquence de l'antenne en GHz.
    • La figure 14 montre une courbe C2 de l'évolution du Gain maximum obtenu de l'antenne de la figure 12 en dBi en fonction de la fréquence de l'antenne en GHz, et une courbe C1 de l'évolution de l'efficacité de rayonnement en % de l'antenne de la figure 12 en fonction de la fréquence de l'antenne en GHz.
  • Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments.
  • Par ailleurs, les éléments représentés sur ces figures ne sont pas nécessairement représentés selon une échelle uniforme pour rendre les figures plus lisibles.
    • Description détaillée
  • Il est définit pour la suite un repère d'axes orthogonaux XYZ représenté en figures 2 à 12. Notamment, les termes « sous », et « inférieure » relativement à des éléments représentés sur ces figures 2 à 12 s'interprètent selon l'orientation donnée par l'axe Z. Ce repère est celui du référentiel d'une antenne fil-plaque monopolaire telle que décrite ci-après. Une dimension donnée selon un axe de ce repère est une dimension mesurée parallèlement à cet axe.
  • Par la suite, la fréquence de fonctionnement de l'antenne fil-plaque monopolaire correspond à la fréquence à laquelle l'antenne fil-plaque monopolaire émet, ou reçoit, une onde électromagnétique, notamment une onde radioélectrique, aussi appelée le cas échéant signal émis ou signal reçu/capté. Plus généralement, pour parler de cette onde électromagnétique il est fait référence à l'onde électromagnétique à traiter (que cela soit en réception ou en émission) à la fréquence de fonctionnement de l'antenne fil-plaque monopolaire. Autrement dit, l'antenne fil-plaque monopolaire est configurée pour émettre et/ou recevoir une onde électromagnétique correspondante.
  • Par ailleurs, une longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne, notée λ0 à la fréquence de fonctionnement de l'antenne, correspond à la période spatiale de l'onde électromagnétique à traiter par l'antenne se propageant dans le vide ou dans l'air lorsque l'antenne fil-plaque monopolaire comporte un tel milieu de propagation. λ0 est associée à la propagation de l'onde électromagnétique dans le vide ou dans l'air. Le milieu de propagation de l'antenne fil-plaque monopolaire correspond à un milieu d'émission et/ou de réception de l'onde électromagnétique à traiter. Ainsi, le milieu de propagation est, le cas échéant, le milieu depuis lequel l'antenne capte l'onde électromagnétique à traiter ou vers lequel l'antenne émet l'onde électromagnétique à traiter. Plus généralement, on dit que l'onde électromagnétique à traiter se propage dans un milieu de propagation de l'antenne fil-plaque monopolaire (par exemple l'air, le vide, un matériau diélectrique, etc.) en contact avec une ou plusieurs parties rayonnantes de l'antenne, et la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne (c'est-à-dire la longueur d'onde associée à la propagation de l'onde électromagnétique à traiter à la fréquence de fonctionnement de l'antenne) est alors notée λg : on parle aussi de longueur d'onde guidée. Par la suite, lorsque l'antenne fil-plaque monopolaire est dite alimentée/excitée, elle l'est à la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne.
  • L'antenne fil-plaque monopolaire est dite adaptée en impédance lorsqu'elle présente un coefficient de réflexion strictement inférieur à un niveau donné (typiquement -9,54 dB pour les terminaux de communication, et -15 dB par exemple pour les stations de base).
  • Comme illustré selon différentes réalisations en figures 2 à 5, l'invention est relative à une antenne 100 fil-plaque monopolaire, aussi simplement nommée antenne 100, comportant un plan de masse 101 (notamment planaire), un toit 102 (notamment planaire) agencé à distance du plan de masse 101, et au moins un élément électriquement conducteur 103a, 103b reliant électriquement le plan de masse 101 au toit 102. En figures 2 à 5, il est représenté deux éléments électriquement conducteurs 103a, 103b à titre d'exemple : le nombre de ces éléments électriquement conducteurs 103a, 103b peut être plus élevé. Chaque élément électriquement conducteur 103a, 103b reliant électriquement le plan de masse 101 au toit 102 est aussi appelé élément de court-circuit entre le toit 102 et le plan de masse 101, ou fil de masse. Chaque élément électriquement conducteur 103a, 103b forme notamment une partie rayonnante de l'antenne 100. Le toit 102 est électriquement conducteur, et est aussi appelé élément planaire, ou plaque, électriquement conducteur. Le plan de masse 101 est électriquement conducteur et adopte préférentiellement une forme planaire. Le plan de masse 101, le toit 102 et chaque élément électriquement conducteur 103a, 103b peuvent chacun être, de manière non limitative, en cuivre, en aluminium ou en acier. Par ailleurs, cette antenne 100 comporte une boucle d'alimentation 107 notamment dite « boucle d'alimentation de l'antenne 100 ».
  • La boucle d'alimentation 107 est ouverte de telle sorte qu'elle comporte deux extrémités longitudinales 108, 109 opposées agencées de sorte à être reliées à une connexion différentielle. La connexion différentielle est notamment celle d'un transmetteur radiofréquence 200 (figure 6). La boucle d'alimentation 107 est agencée de manière sensiblement orthogonale par rapport au plan de masse 101. Grâce à cette boucle d'alimentation 107, il n'y a plus besoin d'utiliser un balun ou autre circuit réalisant une transformation de ligne asymétrique en ligne symétrique (ou inversement) entre le transmetteur radiofréquence et l'antenne 100.
  • Par « deux extrémités longitudinales 108, 109 opposées de la boucle d'alimentation 107 et agencées de sorte à être reliées à une connexion différentielle », on entend préférentiellement que la boucle d'alimentation 107 peut être directement reliée à des bornes 201, 202 du transmetteur 200 (figure 6), ou par l'intermédiaire d'un guide 110 d'ondes différentiel comme cela sera décrit par la suite.
  • Lorsque l'antenne 100 est utilisée pour émettre un signal, l'onde électromagnétique générée par le transmetteur radiofréquence peut alimenter l'antenne 100 via cette boucle d'alimentation 107 agencée sous le toit 102 en vue d'émettre cette onde électromagnétique en tant que signal.
  • Lorsque l'antenne 100 est utilisée pour réceptionner un signal, l'antenne 100 capte le signal (l'onde électromagnétique) de l'espace libre, ce signal alimentant la boucle d'alimentation 107 de l'antenne 100 de manière adaptée pour transmettre ce signal au transmetteur radiofréquence.
  • La boucle d'alimentation 107 peut être agencée entre le toit 102 et le plan de masse 101, ceci présente l'avantage d'une intégration satisfaisante, et l'avantage de diminuer l'encombrement global de l'antenne 100 en intégrant la boucle d'alimentation 107 dans un espace de séparation entre le toit 102 et le plan de masse 101.
  • Une telle boucle d'alimentation 107 est notamment agencée de sorte que, lorsque l'antenne 100 est alimentée par le transmetteur radiofréquence 200 ou par le signal capté par l'antenne 100 :
    • des courants s'établissent dans la boucle d'alimentation 107 sensiblement orthogonalement au plan de masse 101 et
    • ces courants sont majoritaires et en phase dans deux parties opposées de la boucle d'alimentation 107 s'étendant entre le plan de masse 101 et le toit 102, notamment sensiblement orthogonalement au plan de masse 101.
  • Dans la présente description par « sensiblement orthogonal », il est notamment entendu orthogonal ou orthogonal à plus ou moins dix degrés. De préférence, « sensiblement orthogonal » peut être remplacé par « orthogonal ».
  • Dans la présente description, par sensiblement parallèle, il est notamment entendu parallèle ou parallèle à plus ou moins dix degrés. De préférence, « sensiblement parallèle » peut être remplacé par « parallèle ».
  • Par « boucle d'alimentation 107 agencée de manière sensiblement orthogonale par rapport au plan de masse 101 », il est notamment entendu que la boucle d'alimentation 107 s'étend selon un profil inclus, ou pouvant être projeté orthogonalement, dans un plan sensiblement orthogonal au plan de masse 101. Selon une autre formulation, le profil de la boucle d'alimentation 107 peut cheminer, selon la longueur de la boucle d'alimentation 107, au sein d'un plan sensiblement orthogonal au plan de masse 101. Notamment, le profil de la boucle d'alimentation 107 est rectangulaire dans un plan sensiblement orthogonal au plan de masse 101 et notamment au toit 102. Selon encore une autre formulation, la boucle d'alimentation 107 peut être placée dans un plan sensiblement orthogonal au plan de masse 101.
  • L'invention est aussi relative à un dispositif radiofréquence 1000, notamment tel qu'illustré à titre d'exemple en figure 6, comportant l'antenne 100 telle que décrite et le transmetteur radiofréquence 200 à connexion différentielle reliée à la boucle d'alimentation 107, notamment à la boucle d'alimentation 107 de l'antenne du type des figures 2 et 3 (comme illustré en figure 6) ou de l'antenne du type illustrée en figures 4 et 5. Le transmetteur radiofréquence 200 est un composant électronique d'émission-réception dont le couplage à l'antenne 100 (c'est-à-dire la liaison à la boucle d'alimentation 107) permet d'émettre ou de recevoir l'onde électromagnétique correspondante, ou signal, par l'antenne 100. Le transmetteur radiofréquence peut notamment alimenter l'antenne par un port discret par exemple de 50 ohms sur toute sa bande de fonctionnement. Par « connexion différentielle » du transmetteur radiofréquence 200, on entend par là que le transmetteur radiofréquence 200, et plus particulièrement cette connexion différentielle, comporte deux bornes 201, 202 à partir desquelles l'onde électromagnétique, permettant d'alimenter l'antenne 100 en vue d'émettre le signal est émise selon un mode équilibré. Pour générer cette onde électromagnétique d'alimentation de l'antenne 100 dont le mode est équilibré, le transmetteur radiofréquence 200 peut envoyer sur ses deux bornes 201, 202 respectivement deux signaux d'égale amplitude et en opposition de phase. C'est notamment en ce sens que le transmetteur radiofréquence 200 de la figure 6, et plus particulièrement la connexion différentielle, comporte une première borne de connexion 201 notée « + », et une deuxième borne de connexion 202 notée « - ». On retrouve très fréquemment des antennes alimentées à partir d'une source en mode différentiel dans les terminaux mobiles tel que les téléphones intelligent (« smartphone » en langue anglaise). L'utilisation d'une alimentation différentielle dont la source est le transmetteur radiofréquence 200 en association avec la présente antenne 100 ne nécessite pas l'utilisation d'un balun, et peut permettre de rendre symétrique la structure de l'antenne. A l'inverse, lors de la réception, le signal capté par l'antenne 100 est transmis à la connexion différentielle du transmetteur par deux signaux d'égale amplitude et en opposition de phase générés au sein de la boucle d'alimentation 107 lorsqu'elle est alimentée par le signal capté par l'antenne 100. Par ailleurs, une telle antenne 100 présente l'avantage que les courants sur son plan de masse 101 sont limités, limitant ainsi l'influence du proche contexte de l'antenne 100 tel qu'une main d'une personne tenant le téléphone intelligent comportant cette antenne 100.
  • Afin d'alimenter convenablement l'antenne fil-plaque monopolaire 100, il convient de former un champ électromagnétique conformément au mode qui s'établit sous le toit 102. Notamment, le champ électrique, résultant de ce champ électromagnétique, est orienté selon l'axe Z, c'est-à-dire sensiblement orthogonalement au plan de masse 101. Ceci est permis par le fait que la boucle d'alimentation 107 est orthogonale par rapport au plan de masse 101. En fait, la boucle d'alimentation 107 présente des parties sensiblement orthogonales au plan de masse 101 dans lesquelles des courants peuvent se propager.
  • Par ailleurs, toujours dans le but de permettre aux courants de s'établir convenablement dans la boucle d'alimentation 107 pour faire fonctionner l'antenne fil-plaque monopolaire 100, la boucle d'alimentation 107 comporte préférentiellement deux régions Z1, Z2 (représentées en pointillé en figures 3, 5 et 6) d'excitation de l'antenne 100 formées par des parties de la boucle d'alimentation 107 sensiblement orthogonales au plan de masse 101. Dans ces régions Z1, Z2 d'excitation, les courants doivent être en phase, c'est-à-dire orientés selon une même direction notamment sensiblement parallèle à l'axe Z, et ces courants sont d'amplitudes proches, lorsque l'antenne 100 est alimentée par le transmetteur radiofréquence 200 ou par le signal qu'elle capte. Ainsi, la boucle d'alimentation 107 est notamment configurée de sorte qu'elle présente, lors du fonctionnement de l'antenne 100 (c'est-à-dire lorsque l'antenne 100 émet ou capte un signal), deux régions Z1, Z2 d'excitation de l'antenne 100 dans lesquelles les courants sont en phase et circulent sensiblement orthogonalement par rapport au plan de masse 101.
  • Par « extrémités longitudinales 108, 109 de la boucle d'alimentation 107 » (figures 2 à 6), on entend que, selon la longueur de la boucle d'alimentation 107, cette boucle d'alimentation 107 comporte deux extrémités opposées. Ces extrémités longitudinales 108, 109 opposées de la boucle d'alimentation 107 sont situées à distance l'une de l'autre, notamment à une distance appropriée pour permettre la connexion de la boucle d'alimentation 107 au transmetteur 200 soit directement soit par l'intermédiaire d'un guide d'ondes différentiel.
  • Il est décrit dans le présent paragraphe un exemple d'antenne fil-plaque monopolaire à bande étroite tel qu'illustré en figures 2 et 3. Par « bande étroite », on entend une bande de fonctionnement de l'ordre de quelques pourcents par rapport à la fréquence centrale. Cette antenne 100 comporte le toit 102 ayant un profil, pris dans un plan parallèle au plan XY, carré de dimensions 7 mm par 7 mm. Ce toit 102 est situé à 3 mm du plan de masse 101 notamment considéré comme infini. Ici, la boucle d'alimentation 107 se présente sous la forme d'un ruban, et le profil de cette boucle d'alimentation 107 vu parallèlement au plan XZ adopte la forme générale d'un rectangle : la boucle d'alimentation 107 comporte donc quatre parties successives délimitant son contour. Par exemple, la boucle d'alimentation 107 présente les dimensions suivantes :
    • selon l'axe Z une dimension de 2,5 mm,
    • selon l'axe X une dimension de 5,1 mm,
    • la longueur, aussi appelée périmètre, de la boucle d'alimentation 107 est de 15,2 mm nonobstant la distance de séparation entre les deux extrémités longitudinales 108, 109 considérée comme négligeable,
    • la largeur de la boucle d'alimentation 107, mesurée selon l'axe Y, peut être de 1,2 mm,
    • l'épaisseur de la boucle d'alimentation 107 n'a pas d'influence tant qu'elle reste dans des valeurs technologiques classiques allant de la dizaine à quelques centaines de micromètres.
    Par ailleurs, deux éléments électriquement conducteurs 103a, 103b sont formés par des fils parallèles, de diamètre de 0,25 mm, reliant électriquement le toit 102 au plan de masse 101. Notamment, les axes longitudinaux des deux éléments électriquement conducteurs 103a, 103b sont séparés l'un de l'autre de 2 mm, et sont disposés de part et d'autre d'un axe sensiblement orthogonal au plan du toit 102 et passant par le centre du toit 102. Une telle antenne 100 présente, lorsqu'elle est alimentée en différentiel par un port discret de 50 Ohms, 3 % de bande passante à -10 dB (décibels) autour de 5,5 GHz. L'adaptation d'une telle antenne 100 à 50 Ohms montre des performances similaires par rapport à une antenne alimentée de façon asymétrique par sonde d'alimentation coaxiale. Par ailleurs, lorsque l'antenne fonctionne à la fréquence pour laquelle elle est adaptée en impédance, le rendement de rayonnement de l'antenne 100 est strictement supérieur à 95 %, son diagramme de gain indique bien un rayonnement de type monopolaire, et le gain réalisé maximal est d'environ 4,5 dBi.
  • Il est décrit dans le présent paragraphe un exemple d'antenne fil-plaque monopolaire 100 à large bande par exemple tel qu'illustré en figures 4 et 5. Par « large bande », il est entendu une bande de fonctionnement strictement supérieure à l'octave. Le toit 102 présente un profil, vu selon un plan parallèle au plan XY, de forme carrée de dimensions 9,5 mm par 9,5 mm situé à 4 mm du plan de masse 101 considéré comme infini. Ici, la boucle d'alimentation 107 se présente sous la forme d'un ruban et le profil de cette boucle d'alimentation 107 pris dans un plan parallèle au plan XZ adopte la forme générale d'un rectangle : la boucle d'alimentation 107 comporte donc quatre parties successives délimitant son contour. Par exemple, la boucle d'alimentation 107 présente les dimensions suivantes :
    • selon l'axe Z une dimension de 3,75 mm,
    • selon l'axe X une dimension de 5,5 mm,
    • la longueur, aussi appelée périmètre, de la boucle d'alimentation 107 est de 18,5 mm, nonobstant la distance de séparation entre les deux extrémités longitudinales 108, 109 considérée comme négligeable,
    • la largeur de la boucle d'alimentation 107, ou largeur du ruban, peut être de 1,2 mm,
    • l'épaisseur de la boucle d'alimentation 107 n'a pas d'influence tant qu'elle reste dans des valeurs technologiques classiques allant de la dizaine à quelques centaines de micromètres.
    Par ailleurs, deux éléments électriquement conducteurs 103a, 103b, formés par des languettes de largeur de 3 mm (mesurée selon l'axe Y), relient électriquement le toit 102 au plan de masse 101. L'épaisseur de ces languettes n'a pas d'influence tant qu'elle reste dans des valeurs technologiques classiques allant de la dizaine à quelques centaines de micromètres. Notamment, les deux éléments électriquement conducteurs 103a, 103b sont en contact respectivement avec deux bords périphériques opposés de la face inférieure (c'est-à-dire orienté vers le plan de masse 101) du toit 102, et sont notamment sensiblement orthogonaux au plan de masse 101. Une telle antenne 100 présente une adaptation, normalisée à 100 Ohms large bande, telle que, lorsqu'elle est alimentée en différentiel notamment que cela soit en émission ou en réception, sa bande passante est de 36% à -10dB (décibel) autour de 7,7GHz. A la fréquence de fonctionnement, ici 7,7GHz, et selon l'alimentation différentielle, l'antenne 100 à large bande présente des rendements de rayonnement strictement supérieurs à 90%, son diagramme de gain dénote un rayonnement de type monopolaire, et le gain maximal réalisé est proche de 5dBi, ceci étant équivalent aux résultats obtenus pour une antenne fil-plaque monopolaire alimentée de façon asymétrique par sonde d'alimentation coaxiale.
  • Il a été évoqué ci-dessus que pour un bon fonctionnement de l'antenne 100, les courants qui circulent dans la boucle d'alimentation 107, et en particulier dans des parties de la boucle d'alimentation 107 s'étendant sensiblement orthogonalement par rapport au plan de masse 101 sont en phase et de préférence d'amplitudes proches lorsque cette antenne 100 émet ou capte un signal. À cet effet, la boucle d'alimentation 107 comporte avantageusement deux parties sensiblement orthogonales au plan de masse 101 : ceci permettant à la boucle d'alimentation 107 de tirer parti des courants sensiblement orthogonaux au plan de masse 101 et en phase pour exciter l'antenne 100 de manière adaptée lors de son fonctionnement. De préférence, la boucle d'alimentation 107 comporte (voir notamment les figures 2 à 5) une première partie 1071 distale du plan de masse 101, une deuxième partie 1072 proximale du plan de masse 101, une troisième partie 1073 reliant les première et deuxième parties 1071, 1072 (notamment reliant deux extrémités longitudinales des première et deuxième parties 1071, 1072). Notamment, les extrémités longitudinales 108, 109 opposées de la boucle d'alimentation 107 sont alors agencées à l'opposé de la troisième partie 1073, c'est-à-dire d'un côté de la boucle d'alimentation 107 opposé à la troisième partie 1073. Une telle boucle d'alimentation 107 est tout particulièrement adaptée pour obtenir les courants verticaux en phase recherchés pour exciter convenablement le champ électromagnétique sous le toit 102 de l'antenne 100 et notamment entre le toit 102 et le plan de masse 101 lorsque l'antenne 100 émet ou capte un signal. Notamment, les première et deuxième parties 1071, 1072 s'étendent selon leur longueur sensiblement parallèlement au plan de masse 101, et la troisième partie 1073 s'étend selon sa longueur sensiblement orthogonalement par rapport au plan de masse 101.
  • En particulier, la boucle d'alimentation 107 peut comporter une quatrième partie 1074 (figures 2 à 5) reliée à au moins l'une des première et deuxième parties 1071, 1072, cette quatrième partie 1074 étant située du côté de la boucle d'alimentation 107 où sont agencées ses extrémités longitudinales 108, 109. Les première, troisième, deuxième et quatrième parties 1071, 1073, 1072, 1074 sont agencées successivement de sorte à délimiter le contour de la boucle d'alimentation 107. Ainsi, les courants sensiblement orthogonaux au plan de masse 101 visés ci-dessus circulent notamment dans les troisième et quatrième parties 1073, 1074. Notamment, la quatrième partie 1074 est, en particulier selon sa longueur, sensiblement orthogonale au plan de masse 101. L'agencement des extrémités longitudinales 108, 109 opposées de la boucle d'alimentation 107 à l'opposé de sa troisième partie 1073 permet de favoriser, lors du fonctionnement de l'antenne 100, l'obtention de courants circulant en phase selon l'axe Z, c'est-à-dire dans les troisième et quatrième parties 1073, 1074 sensiblement orthogonales au plan de masse 101.
  • Le placement des extrémités longitudinales 108, 109 de la boucle d'alimentation 107 à n'importe quel endroit à l'opposé de la troisième partie 1073 de la boucle d'alimentation 107 (figures 2 à 5 et 7 à 8) permet d'obtenir les courants en phase recherchés et sensiblement orthogonaux au plan de masse 101. Selon un premier cas, la boucle d'alimentation 107 peut être telle qu'elle comporte la quatrième partie 1074 comportant une première portion 1074a s'étendant depuis la première partie 1071 de la boucle d'alimentation 107 notamment vers la deuxième partie 1072 de la boucle d'alimentation 107. Selon ce premier cas, la première portion 1074a comporte l'une des extrémités longitudinales 108 de la boucle d'alimentation 107. Selon ce premier cas, la quatrième partie 1074 de la boucle d'alimentation 107 comporte une deuxième portion 1074b s'étendant depuis la deuxième partie 1072 de la boucle d'alimentation 107 notamment vers la première partie 1071 de la boucle d'alimentation 107, cette deuxième portion 1074b comportant l'autre des extrémités longitudinales 109 de la boucle d'alimentation 107 (figures 2 à 5). Selon le premier cas, les première et deuxième portions 1074a, 1074b peuvent présenter des dimensions identiques de sorte que l'excitation de la boucle d'alimentation 107 par le transmetteur 200 peut se faire au milieu de la quatrième partie 1074, ou alternativement des dimensions différentes. Lorsque, dans le premier cas, l'excitation par le transmetteur 200 se fait au milieu de la quatrième partie 1074, la boucle d'alimentation 107 présente une symétrie horizontale favorisant l'équilibre des courants sur tout le périmètre de la boucle d'alimentation 107 et donc dans les troisième et quatrième parties 1073, 1074 sensiblement orthogonales au plan de masse 101, ceci étant avantageux pour un bon fonctionnement de l'antenne 100. Selon un deuxième cas illustré en figure 7, la quatrième partie 1074 s'étend depuis la première partie 1071 de la boucle d'alimentation 107 notamment vers la deuxième partie 1072 de la boucle d'alimentation 107, et la quatrième partie 1074 comporte l'une des extrémités longitudinales 108 de la boucle d'alimentation 107. Selon ce deuxième cas, la deuxième partie 1072 de la boucle d'alimentation 107 comporte l'autre des extrémités longitudinales 109 de la boucle d'alimentation 107. Selon un troisième cas illustré en figure 8, la quatrième partie 1074 s'étend depuis la deuxième partie 1072 notamment vers la première partie 1071, et la quatrième partie 1074 comporte l'une des extrémités longitudinales 109 de la boucle d'alimentation 107. Selon ce troisième cas, la première partie 1071 comporte l'autre des extrémités longitudinales 108 de la boucle d'alimentation 107. Les deuxième et troisième cas sont des alternatives fonctionnelles au premier cas qui est préféré. Dans ces différents cas, les régions Z1, Z2 d'excitation de l'antenne 100 sont au nombre de deux et sont avantageusement formées par les troisième et quatrième parties 1073, 1074.
  • Le toit 102 est notamment un toit dit « capacitif » considéré comme petit par rapport à la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne 100, c'est-à-dire que les dimensions du toit 102 sont notamment strictement inférieure à λg/4.
  • Selon le degré d'intégration du dispositif radiofréquence, le transmetteur radiofréquence 200 peut être relié directement à la boucle d'alimentation 107, ou peut être relié à la boucle d'alimentation par l'intermédiaire d'un guide d'ondes 110 équilibré, aussi appelé guide d'ondes différentiel. Ce guide d'ondes 110 équilibré appartient à l'antenne 100. En figure 6, il est représenté le guide d'ondes 110 comportant des premier et deuxième conducteurs électriques 111, 112, par exemple adoptant la forme de pistes électriquement conductrices. Le premier conducteur électrique 111 est connecté à l'une des extrémités longitudinales 108 de la boucle d'alimentation 107 et le deuxième conducteur électrique 112 est connecté à l'autre des extrémités longitudinales 109 de la boucle d'alimentation 107. Le guide d'ondes est dit « équilibré » car il permet, grâce à ses conducteurs électriques 111, 112, le cas échéant, la propagation de l'onde électromagnétique d'alimentation de la boucle d'alimentation 107 générée par le transmetteur radiofréquence 200 jusqu'à la boucle d'alimentation 107 ou la propagation de l'onde électromagnétique captée (c'est-à-dire le signal capté) par l'antenne 100 depuis la boucle d'alimentation 107 jusqu'au transmetteur radiofréquence 200. Ceci présente l'avantage de pouvoir adapter la distance entre l'antenne 100 et le transmetteur radiofréquence 200. Ces premier et deuxième conducteurs électriques 111, 112 permettent de propager respectivement deux signaux d'égale amplitude et en opposition de phase d'où il résulte, le cas échéant, la propagation de l'onde électromagnétique d'alimentation de l'antenne 100 issue du transmetteur radiofréquence 200 ou de l'onde électromagnétique captée par l'antenne 100. Dans le cadre du dispositif radiofréquence 1000, le premier conducteur électrique 111 est aussi connecté à la première borne de connexion 201, et le deuxième conducteur électrique 112 est aussi connecté à la deuxième borne de connexion 202. Le guide d'ondes 110 équilibré adopte une géométrie symétrique pour assurer la propagation convenable de l'onde électromagnétique d'alimentation. Le guide d'ondes 110 équilibré peut adopter la forme de lignes de microruban coplanaires, de lignes jumelles, d'une ligne bifilaire.
  • Bien entendu, le guide d'ondes 110 n'est pas nécessaire si la boucle d'alimentation 107 peut être directement reliée au transmetteur radiofréquence 200. En ce sens, de manière plus générale, les deux extrémités longitudinales 108, 109 opposées de la boucle d'alimentation 107 peuvent être reliées une connexion différentielle d'un dispositif différentiel de guidage d'onde, ce dispositif différentiel pouvant être le guide d'ondes 110 équilibré ou les bornes de connexion 201, 202 du transmetteur radiofréquence 200.
  • De manière applicable à toutes les réalisations décrites, une partie de la boucle d'alimentation 107 peut être formée par une portion du toit 102, ceci est notamment illustré en figure 9 où les troisième et quatrième parties 1073, 1074 sont en contact directement avec le toit 102 qui délimite la première partie de la boucle d'alimentation 107. Alternativement, la boucle d'alimentation 107 peut être en contact avec le toit 102 (figures 3, 5, 7 et 8) ou peut être située à distance du toit 102 (figure 10). Le fait qu'une partie, notamment la première partie 1071 décrite ci-avant soit formée par une portion du toit 102, ou soit en contact avec le toit 102, permet de limiter l'encombrement de l'antenne 100 selon l'axe Z, par exemple en réduisant la distance de séparation entre le toit 102 et le plan de masse 101. Un avantage supplémentaire de la boucle d'alimentation 107 dont une partie est délimitée par le toit 102 est que cela réduit la complexité du procédé de fabrication de l'antenne 100 puisqu'il y aura un niveau de métallisation en moins à déposer.
  • Le périmètre, aussi appelé longueur, de la boucle d'alimentation 107 a un impact sur l'adaptation d'impédance de l'antenne 100.
  • Pour étudier l'impact de la longueur de la boucle d'alimentation 107 dans le cadre de l'exemple de l'antenne à bande étroite (figures 2 et 3) dont l'adaptation d'impédance est normalisée à 50 Ohms, il est proposé de fixer les dimensions de la boucle d'alimentation 107 selon l'axe X (c'est-à-dire la longueur de la première partie 1071 et la longueur de la deuxième partie 1072) à 5 mm pour différents cas d'étude pour lesquels la longueur de la boucle d'alimentation 107, aussi appelé périmètre noté P de la boucle d'alimentation 107, est respectivement fixée à 14 mm, à 14,5 mm et à 15 mm : il en résulte que la hauteur de la boucle d'alimentation 107 selon l'axe Z est respectivement de 2 mm, 2,25 mm et 2,5 mm pour ces différents cas d'étude. Le fait de fixer les dimensions de la boucle d'alimentation 107 selon l'axe X à 5 mm permet de séparer les zones d'excitations Z1 et Z2 d'une même distance pour les différents cas d'étude. Selon les différents cas d'étude de l'antenne à bande étroite, les extrémités longitudinales 108, 109 opposées de la boucle d'alimentation 107 sont situées à équidistance, par exemple à 0,25 mm, du milieu de la quatrième partie 1074 évoquée ci-avant selon l'axe Z. En analysant l'impédance d'entrée (partie réelle et imaginaire) de l'antenne 100 pour ces trois cas d'étude, il est possible d'en déduire que l'augmentation du périmètre P de la boucle d'alimentation 107 entraîne un décalage de la résonance vers les basses fréquences. En conséquence, en analysant le coefficient de réflexion (en dB) de l'antenne 100 en fonction de la fréquence, normalisée à 50 Ω, pour ces trois cas d'étude de l'antenne 100, il est possible de noter que la fréquence de fonctionnement de l'antenne 100 pour laquelle la meilleure adaptation d'impédance de l'antenne 100 est obtenue décroit avec l'augmentation du périmètre P de la boucle d'alimentation 107. Ainsi, dans le cas présent, l'adaptation de l'antenne 100 s'opère dès lors que le périmètre de la boucle est de dimension optimale proche de λ0/3,6, où λ0 est la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne 100. Avec le rallongement de la boucle d'alimentation 107, la mise en phase des courants dans les régions Z1, Z2 d'excitation peut ainsi s'opérer à des fréquences plus basses. Par ailleurs, l'équilibre des régions Z1, Z2 d'excitation en amplitude et en phase sur la densité de courant est perdu à la fréquence d'intérêt lorsque le périmètre P est trop faible ou trop important vis-à-vis de cette dimension optimale de λ0/3,6 de périmètre de la boucle d'alimentation 107. Ainsi, pour obtenir une bonne adaptation en impédance de l'antenne 100, lorsque l'antenne est une antenne 100 à bande étroite, la boucle d'alimentation 107 présente préférentiellement une longueur, entre ses deux extrémités longitudinales 108, 109 opposées, comprise entre λg/3,5 et λg/3,7 avec λg la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne 100 dans le milieu de propagation de l'antenne 100. Le milieu de propagation de l'antenne 100 est le milieu en contact avec chaque élément rayonnant de l'antenne 100, par exemple le milieu en contact avec chaque élément électriquement conducteur 103a, 103b. Ce milieu de propagation peut être l'air ou un matériau diélectrique.
  • Pour étudier l'impact de la longueur de la boucle d'alimentation 107 sur l'antenne 100 à large bande (figures 4 et 5) dont l'adaptation d'impédance est normalisée à 100 Ohms, il est proposé de fixer les dimensions, notamment la longueur, des première et deuxième parties 1071, 1072 de la boucle d'alimentation 107 selon l'axe X chacune à 5,5 mm. Le fait de fixer les dimensions de la boucle d'alimentation 107 selon l'axe X à 5,5 mm permet de séparer les zones d'excitations Z1 et Z2 d'une même distance pour les différents cas d'étude. Ensuite, les différents cas d'étude sont tels que la longueur de la boucle d'alimentation 107 varie entre 16,5 mm et 18,5 mm selon un pas de 0,5 mm, soit cinq cas d'étude avec P respectivement égal à 16,5mm, 17 mm, 17,5 mm, 18 mm et 18,5 mm. Il en résulte que la hauteur de la boucle d'alimentation 107 selon l'axe Z pour ces différents cas d'étude est respectivement de 2,75 mm, 3 mm, 3,25 mm, 3,5 mm, 3,75 mm. En analysant l'impédance d'entrée (partie réelle et imaginaire de l'impédance d'entrée de l'antenne 100 en Ohms en fonction de la fréquence de l'antenne 100) de l'antenne 100 pour ces cinq cas d'étude, il est possible d'en déduire que l'augmentation du périmètre de la boucle d'alimentation 107 entraîne un décalage de la résonance vers les basses fréquences. En conséquence, la fréquence présentant la meilleure adaptation d'impédance de l'antenne 100, normalisée à 100 Ω, décroit avec l'augmentation du périmètre de la boucle d'alimentation 107. Ainsi, l'adaptation de l'antenne 100 s'opère dès lors que le périmètre de la boucle d'alimentation 107 est de dimension optimale proche de λ0/2, où λ0 est la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne 100 lorsque le milieu de propagation de l'antenne est l'air. Par ailleurs, l'équilibre de l'excitation de l'antenne 100, dans les régions Z1, Z2 d'excitation, en amplitude et en phase sur la densité de courant est perdu lorsque la boucle d'alimentation 107 présente un périmètre trop important ou trop faible vis-à-vis de sa dimension optimale. Ainsi, à 6,5 GHz, pour l'antenne 100 présentant une boucle de périmètre P égal à 16,5 mm, les courants dans les régions Z1, Z2 d'excitation de l'antenne 100 sont déphasés. En revanche, à cette même fréquence et en présence d'une boucle d'alimentation 107 de périmètre plus important (par exemple avec P égal à 18,5 mm), les courants sont en phase et de même amplitude dans les régions Z1, Z2 d'excitation de l'antenne 100. Pour l'antenne 100 présentant une boucle d'alimentation 107 de périmètre P égal à 16,5 mm et avec l'augmentation de la fréquence de fonctionnement de l'antenne 100, il est constaté que la mise en phase des courants s'améliore dans les régions Z1, Z2 d'excitation. En revanche, pour l'antenne 100 comportant une boucle d'alimentation 107 de périmètre P égal à 18,5 mm, l'équilibre dans les régions Z1, Z2 d'excitation de l'antenne 100 est perdu en amplitude et en phase sur la densité de courant avec l'augmentation de la fréquence. Ainsi, pour obtenir une bonne adaptation en impédance de l'antenne 100, lorsque ladite antenne 100 est une antenne à large bande passante, la boucle d'alimentation 107 présente préférentiellement une longueur, entre ses deux extrémités longitudinales 108, 109 opposées, comprise entre λg/3 et λg/1,6 avec λg la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne 100 notamment dans le milieu de propagation de l'antenne 100.
  • La largeur de la boucle d'alimentation 107, notamment mesurée selon l'axe Y peut aussi être adaptée en fonction des caractéristiques recherchées de l'antenne 100.
  • Par exemple, pour l'antenne 100 à bande étroite décrite, en fixant la longueur de la boucle d'alimentation 107 à 15 mm tout en faisant varier sa largueur entre 0,8 mm et 1,4 mm selon un pas de 0,2 mm, il a été remarqué que l'augmentation de la largeur de la boucle d'alimentation 107 entraîne une adaptation de l'antenne 100 pour des fréquences de fonctionnement plus basses. Cela est synonyme d'un allongement de la boucle équivalente à la boucle d'alimentation 107 liée à l'augmentation de sa largeur.
  • Par exemple, pour l'antenne 100 à large bande, en fixant la longueur de la boucle d'alimentation 107 à 18,5 mm tout en faisant varier sa largueur entre 0,5 mm et 2 mm selon un pas de 0,5 mm, il a été remarqué que l'augmentation de la largeur de la boucle d'alimentation 107 entraîne une diminution de la partie réelle de l'impédance d'entrée associée à une augmentation de la partie imaginaire de l'impédance d'entrée autour de 8 GHz. Ainsi, pour les dimensions spécifiques de l'antenne 100 fil-plaque monopolaire à large bande, une largeur de la boucle d'alimentation 107 d'environ 0,5 mm est optimale pour une bonne adaptation (strictement inférieure à -10 dB) selon une impédance de normalisation de 100 ohms pour une fréquence de fonctionnement de l'antenne comprise entre 6,3 GHz et 9 GHz.
  • Il est à présent décrit un exemple particulier (illustré en figures 11 et 12) pour lequel l'antenne 100 comporte un substrat diélectrique multicouches 113, notamment à quatre couches de matériau diélectrique, au sein duquel est formée une structure électriquement conductrice comportant le plan de masse 101, le toit 102, la boucle d'alimentation 107, les éléments électriquement conducteurs 103a, 103b et le guide d'ondes 110 équilibré. Ici, le matériau diélectrique des couches du substrat 113 forme le milieu de propagation de l'antenne 100. Une portion du toit 102 forme la première partie 1071 (représentée en pointillés en figure 12) de la boucle d'alimentation 107. Selon cet exemple particulier, le substrat 113 comporte un empilement de première à quatrième couches 1131, 1132, 1133, 1134 en matériau diélectrique. La figure 12 représente une perspective de la figure 11 pour laquelle les première à quatrième couches ont été retirées pour visualiser la structure électriquement conductrice (comportant les éléments référencés 101, 102, 103a, 103b, 107, 110). Sur la première couche 1131 sont agencés le plan de masse 101 et deux pistes 1101, 1102 formant des première et deuxième portions du guide d'ondes 110 équilibré. La deuxième couche 1132 est empilée sur la première couche 1131. Sur une face de cette deuxième couche 1132 orientée à l'opposé de la première couche 1131 sont formés la deuxième partie 1072 de la boucle d'alimentation 107 et des premier et deuxième plots 1103, 1104 formant des portions correspondantes du guide d'ondes 110 équilibré. Cette deuxième couche 1132 est traversée par une troisième portion 1105 du guide d'ondes 110 en contact, d'une part, avec la première portion 1101 du guide d'ondes 110 et, d'autre part, avec le premier plot 1103. Par ailleurs, cette deuxième couche 1132 est traversée par une quatrième portion 1106 du guide d'ondes 110, cette quatrième portion 1106 étant en contact, d'une part, avec la deuxième portion 1102 du guide d'ondes 110 et, d'autre part, avec le deuxième plot 1104. La troisième couche 1133 est empilée sur la deuxième couche 1132. Sur cette troisième couche 1133 sont formées une borne 114 électriquement conductrice, ainsi que des cinquième et sixième portions 1107, 1108 du guide d'ondes 110 équilibré adoptant la forme de pistes électriquement conductrices parallèles au plan de masse 101. Cette troisième couche 1133 est traversée par des septième et huitième portions 1109, 11010 du guide d'ondes 110, la septième portion 1109 reliant électriquement la cinquième portion 1107 au premier plot 1103, et la huitième portion 11010 reliant la sixième portion 1108 au deuxième plot 1104. Cette troisième couche 1133 est aussi traversée par une première portion 1073a de la troisième partie 1073 de la boucle d'alimentation 107, cette première portion 1073a reliant la deuxième partie 1072 de la boucle d'alimentation 107 à la borne 114. Cette troisième couche 1133 est aussi traversée par la deuxième portion 1074b de la quatrième partie 1074 de la boucle d'alimentation 107, cette deuxième portion 1074b reliant la deuxième partie 1072 de la boucle d'alimentation 107 à la sixième portion 1108 du guide d'ondes 110. La quatrième couche 1134 est empilée sur la troisième couche 1133. Le toit 102, et donc la première partie 1071 de la boucle d'alimentation 107, sont agencés sur une face de cette quatrième couche 1134 orientée vers une direction opposée à la troisième couche 1133. Cette quatrième couche 1134 est traversée par la première portion 1074a de la quatrième partie 1074 de la boucle d'alimentation 107 de telle sorte que la première portion 1074a de la quatrième partie 1074 relie la cinquième portion 1107 du guide d'ondes 110 à la portion du toit 102 formant la première partie 1071 de la boucle d'alimentation 107. Cette quatrième couche 1134 est aussi traversée par une deuxième portion 1073b de la troisième partie 1073 de la boucle d'alimentation 107 de telle sorte que la deuxième portion 1073b de la troisième partie 1073 relie la portion du toit 102 formant la première partie 1071 de la boucle d'alimentation 107 à la borne 114. L'empilement des deuxième, troisième et quatrième couches 1132, 1133, 1134 présente deux flancs opposés métallisés formant les éléments électriquement conducteurs 103a, 103b reliant électriquement le toit 102 au plan de masse 101. Notamment, les première et deuxième portions 1074a, 1074b de la quatrième partie 1074 de la boucle d'alimentation 107, les première et deuxième portions 1073a, 1073b de la troisième partie 1073 de la boucle d'alimentation 107, et les troisième, quatrième, septième et huitième portions 1105, 1106, 1109, 11010 du guide d'ondes 110 sont des vias (aussi appelés trous métallisés) traversant les couches correspondantes du substrat 113. Selon cet exemple particulier, le toit 102 de l'antenne 100 est rectangulaire et présente un premier côté de dimension L1 égale à 8 mm et un deuxième côté de dimension L2 égale à 11 mm. Le toit 102 est imprimé sur un substrat diélectrique de permittivité relative εr = 2,2 et de paramètre tanδ = 0,0009, tanδ caractérisant les pertes diélectriques du matériau du substrat diélectrique. Un tel substrat diélectrique multicouches peut être de type Rogers RT/duroid® 5880. Le toit 102 est disposé à 4,8 mm du plan de masse 101 infini. La boucle d'alimentation 107 alimentant l'antenne 100 présente les caractéristiques suivantes :
    • le périmètre géométrique de la boucle d'alimentation 107 est fixé à 21,4 mm pour une boucle d'alimentation 107 rectangulaire de côtés 7,5 mm selon l'axe X et 3,2 mm selon l'axe Z (compte tenu du diélectrique dans lequel est placé la boucle d'alimentation 107, la longueur d'onde effectivement guidée est réduite 31 mm, pour laquelle il faudrait aussi prendre en compte l'effet de changement de section du toit 102 de l'antenne 100, on s'approche de la longueur d'onde de 37,5 mm à 8 GHz, qui est le milieu de la bande de fonctionnement) ;
    • le guide d'ondes 110 est connecté à la boucle d'alimentation 107 au centre de sa quatrième partie 1074 selon l'axe Z ;
    • la largeur de la deuxième partie 1072 de la boucle d'alimentation 107 selon l'axe Y est fixée à 2 mm ;
    • les trous métallisés évoqués ci-dessus ont un diamètre, selon l'axe Y, égal à 0,2 mm.
    Les première et deuxième portions 1101, 1102 du guide d'ondes 110 forment des lignes coplanaires différentielles imprimées par exemple sur une zone de la première couche 1131 non couverte par le plan de masse 101. Par ailleurs, il est envisageable d'utiliser cette antenne 100 alimentée en différentiel via la boucle d'alimentation 107 pour une intégration au-dessus d'un boitier à puce (par exemple QFN pour Quad-Flat No-leads). La figure 13 présente pour cet exemple particulier la variation du coefficient de réflexion de l'antenne 100 en dB en fonction de la fréquence de l'antenne en GHz normalisé sur 100 Ohms, cette figure 13 montre une adaptation d'impédance satisfaisante (S11 strictement inférieur à -10dB avec S11 le coefficient de réflexion de l'antenne 100) entre 7,5 GHz et 9,2 GHz. La figure 14 représente en abscisse la fréquence de l'antenne en GHz, l'axe des ordonnées de gauche donne, pour la courbe C2, le gain maximum réalisé en dBi en fonction de la fréquence de l'antenne 100, et l'axe des ordonnées de gauche donne, pour la courbe C1, l'efficacité de rayonnement de l'antenne 100 en % en fonction de la fréquence de l'antenne 100. La figure 14 permet de tracer le coefficient de réflexion en fonction de la fréquence pour identifier là où le coefficient de réflexion est faible, synonyme d'adaptation en impédance de l'antenne 100 et d'identification de la fréquence de fonctionnement. On constate à partir de cette figure 14 que dans la bande de fréquence visée comprise entre 7,5 GHz et 9,2 GHz, l'efficacité est satisfaisante et que le gain maximal de l'antenne 100 est compris entre 4 dBi et 6 dBi. La présente invention permet donc de construire une antenne fil-plaque monopolaire pouvant être alimentée directement par un guide d'ondes différentiel, c'est-à-dire (sans balun) avec des performances satisfaisantes. Par ailleurs, en retirant le balun, on évite les pertes liées à ce balun. Par ailleurs, l'antenne fil-plaque monopolaire à boucle d'alimentation 107 telle que décrite présente des performances similaires à celle d'antenne fil-plaque monopolaire alimentée de façon asymétrique par sonde coaxiale.
  • Une telle antenne fil-plaque monopolaire présente une application industrielle dans le domaine des télécommunications où une telle antenne peut être fabriquée et agencée au sein d'un dispositif radiofréquence tel que décrit ci-avant. Le dispositif radiofréquence décrit peut être intégré dans tout type d'objet communicant. Par exemple, le dispositif radiofréquence peut être intégré dans un téléphone intelligent porté à la ceinture d'une personne pour transmettre via l'antenne 100 un flux vidéo à des lunettes interactives en utilisant une liaison ultra large bande comprise entre 7 GHz et 9 GHz.

Claims (10)

  1. Antenne (100) fil-plaque monopolaire comportant un plan de masse (101), un toit (102) agencé à distance du plan de masse (101), au moins un élément électriquement conducteur (103a, 103b) reliant électriquement le plan de masse (101) au toit (102), caractérisée en ce qu'elle comporte une boucle d'alimentation (107) agencée de manière sensiblement orthogonale par rapport au plan de masse (101), ladite boucle d'alimentation (107) étant ouverte de telle sorte qu'elle comporte deux extrémités longitudinales (108, 109) opposées agencées de sorte à être reliées à une connexion différentielle (201, 202).
  2. Antenne (100) selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un guide d'ondes (110) équilibré, le guide d'ondes (110) équilibré comportant un premier conducteur électrique (111) et un deuxième conducteur électrique (112), le premier conducteur électrique (111) étant connecté à l'une des extrémités longitudinales (108) de la boucle d'alimentation (107) et le deuxième conducteur électrique (112) étant connecté à l'autre des extrémités longitudinales (109) de la boucle d'alimentation (107).
  3. Antenne (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la boucle d'alimentation (107) comporte :
    • une première partie (1071) distale du plan de masse (101),
    • une deuxième partie (1072) proximale du plan de masse (101),
    • une troisième partie (1073) reliant les première et deuxième parties (1071, 1072),
    • les extrémités longitudinales (108, 109) étant agencées à l'opposé de la troisième partie (1073).
  4. Antenne (100) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la boucle d'alimentation (107) comporte :
    • une quatrième partie (1074) comportant :
    ◆ une première portion (1074a) s'étendant depuis la première partie (1071) de la boucle d'alimentation (107), cette première portion (1074a) comportant l'une des extrémités longitudinales (108) de la boucle d'alimentation (107), et
    ◆ une deuxième portion (1074b) s'étendant depuis la deuxième partie (1072) de la boucle d'alimentation (107), cette deuxième portion (1074b) comportant l'autre des extrémités longitudinales (109) de la boucle d'alimentation (107), ou
    • une quatrième partie (1074) s'étendant depuis la première partie (1071) et comportant l'une des extrémités longitudinales (108) de la boucle d'alimentation (107), la deuxième partie (1072) comportant l'autre des extrémités longitudinales (109) de la boucle d'alimentation (107), ou
    • une quatrième partie (1074) s'étendant depuis la deuxième partie (1072) et comportant l'une des extrémités longitudinales (109) de la boucle d'alimentation (107), la première partie (1071) comportant l'autre des extrémités longitudinales (108) de la boucle d'alimentation (107).
  5. Antenne (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une partie de la boucle d'alimentation (107) est formée par une portion du toit (102), ou en ce que la boucle d'alimentation (107) est située à distance du toit (102), ou en ce que la boucle d'alimentation (107) est en contact avec le toit (102).
  6. Antenne (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée ce que ladite boucle d'alimentation (107) présente, lors du fonctionnement de l'antenne (100), deux régions (Z1, Z2) d'excitation de l'antenne (100) dans lesquelles les courants sont en phase et circulent sensiblement orthogonalement par rapport au plan de masse (101).
  7. Antenne (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite antenne (100) est une antenne à large bande passante pour laquelle la boucle d'alimentation (107) présente une longueur, entre ses deux extrémités longitudinales (108, 109) opposées, comprise entre λg/3 et λg/1,6 avec λg la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne (100).
  8. Antenne (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ladite antenne (100) est une antenne à bande étroite pour laquelle la boucle d'alimentation (107) présente une longueur, entre ses deux extrémités longitudinales (108, 109) opposées, comprise entre λg/3,5 et λg/3,7 avec λg la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne (100).
  9. Dispositif radiofréquence (1000), caractérisé en ce qu'il comporte une antenne (100) fil-plaque monopolaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, et un transmetteur radiofréquence (200) à connexion différentielle reliée à la boucle d'alimentation (107).
  10. Dispositif radiofréquence (1000) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que :
    • la connexion différentielle du transmetteur radiofréquence (200) comporte des première et deuxième bornes de connexion (201, 202),
    • l'antenne (100) comporte un guide d'ondes (110) équilibré, le guide d'ondes (110) équilibré comportant des premier et deuxième conducteurs électriques (111, 112),
    • le premier conducteur électrique (111) est connecté, d'une part, à l'une des extrémités longitudinales (108) de la boucle d'alimentation (107) et, d'autre part, à la première borne de connexion (201), et
    • le deuxième conducteur électrique (112) est connecté, d'une part, à l'autre des extrémités longitudinales (109) de la boucle d'alimentation (107) et, d'autre part, à la deuxième borne de connexion (202).
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