FR3068178A1 - Antenne miniature a bande-passante elargie - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne une antenne (1) à bande-passante élargie comprenant : - une antenne primaire (10) ; - au moins un résonateur principal (11a) en couplage électromagnétique avec ladite antenne primaire. L'antenne à bande-passante élargie comporte au moins un résonateur secondaire (11b) en couplage électromagnétique avec l'antenne primaire (10) et l'au moins un résonateur principal (11a). Les résonateurs comportent chacun au moins une fréquence de résonance proche d'une fréquence de fonctionnement de ladite antenne à bande-passante élargie. L'invention permet de diminuer l'encombrement d'une antenne tout en assurant une bande-passante de largeur relative pouvant aller jusqu'aux environs de 10%.

Description

DOMAINE TECHNIQUE
L’invention appartient au domaine des antennes.
Plus particulièrement, l’invention appartient au domaine des antennes miniatures à bande-passante élargie.
ETAT DE L’ART
Les antennes très hautes fréquences et ultra hautes fréquences 10 classiquement utilisées en aéronautique ou en automobile sont généralement des monopoles quart d’onde dont la longueur peut varier du centimètre (de l’ordre de 5 centimètres pour une antenne à 1GHz) à des dizaines de centimètres (de l’ordre de 60cm pour une antenne à 120MHz). De telles antennes sont génératrices de traînée et sont d’autant plus vulnérables mécaniquement que leurs dimensions sont importantes.
La miniaturisation des antennes permet de limiter la traînée des antennes et de réduire leur vulnérabilité. La demande de brevet américain US 2009/0140946 décrit une solution d’antenne miniature composée d’un monopole imprimé sur une première face d’un substrat diélectrique rectangulaire, sur une seconde face duquel est formé un circuit imprimé.
Un inconvénient de la miniaturisation des antennes est qu’elle se fait au détriment de la bande-passante de l’antenne. A titre d’exemple, la bande passante relative de la solution décrite dans la demande de brevet américain est de l’ordre de 1% à 4% de la fréquence centrale. Dans le cas de forte miniaturisation, c’est-àdire que les dimensions de l’antenne sont inférieures à Ào/10, avec Ào la longueur d’onde de travail, la bande passante peut être inférieure à 1%.
Un problème technique objectif est donc de permettre un élargissement de la bande-passante d’une antenne, afin par exemple de compenser la diminution de bande-passante qu’entraînerait une réduction de la taille de l’antenne.
EXPOSE DE L’INVENTION
L’invention apporte une solution au problème de l’art antérieur.
L’invention concerne une antenne à bande-passante élargie comprenant : une antenne primaire ;
au moins un résonateur principal en couplage électromagnétique avec ladite antenne primaire ;
Selon l’invention :
ladite antenne à bande-passante élargie comporte par ailleurs au moins un résonateur secondaire en couplage électromagnétique avec l’antenne primaire et l’au moins un résonateur principal ;
ledit au moins un résonateur principal et ledit au moins un résonateur secondaire comportent chacun au moins une fréquence de résonance proche d’une fréquence de fonctionnement fo ,associée à une longueur d’onde Ào de fonctionnement, de ladite antenne à bande-passante élargie.
Dans une forme de réalisation, chacune des fréquences de résonance présente un écart relatif avec la fréquence de fonctionnement fo inférieur ou égal à 10%.
Dans une forme de réalisation, l’au moins un résonateur principal et l’au moins un résonateur secondaire comportent une plaque rectangulaire d’un substrat diélectrique et un monopole à méandres rectangulaires imprimé sur l’une des faces principales dudit substrat diélectrique.
Dans une forme de réalisation, l’antenne primaire est en contact physique avec au moins un de l’au moins un résonateur principal et/ou ledit au moins un résonateur principal est en contact physique avec au moins un de l’au moins un résonateur secondaire.
Dans une forme de réalisation, l’antenne primaire est un monopole de longueur inférieure à un quart de la longueur d’onde de fonctionnement Ào.
Dans une forme de réalisation, l’antenne primaire est une antenne exponentielle.
Dans une forme de réalisation, une épaisseur de ladite antenne à bandepassante élargie est inférieure ou égale à Ào/100.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Celles-ci ne sont présentées qu’à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.
La figure 1A représente une vue isométrique en transparence d’une antenne selon l’invention dans une première forme de réalisation.
La figure 1B représente une vue isométrique éclatée de l’antenne dans la forme de réalisation de la figure 1 A.
La figure 2 représente une forme générique de la piste conductrice d’un circuit imprimé à méandres rectangulaires et ses dimensions caractéristiques.
La figure 3 représente l’évolution d’un coefficient de réflexion Su de l’antenne selon l’invention dans la forme de réalisation de la figure 1A, fonctionnant à une fréquence de 1GHz.
La figure 4 représente les diagrammes de directivité de l’antenne selon l’invention, dans la forme de réalisation de la figure 1A, dans un plan E, un plan H et un plan horizontal.
La figure 5 représente une vue isométrique éclatée de l’antenne selon l’invention dans une seconde forme de réalisation.
La figure 6 représente l’évolution du coefficient de réflexion Su de l’antenne selon l’invention dans la forme de réalisation de la figure 5, fonctionnant à une fréquence de 125MHz.
La figure 7 représente les diagrammes de directivité de l’antenne selon l’invention, dans la forme de réalisation de la figure 5, dans un plan E et un plan H.
Les figures ne sont pas nécessairement à l’échelle. Les éléments identiques ou assurant la même fonction conservent la même référence d’une figure à l’autre.
DESCRIPTION DETAILLEE
Par souci de clarté de la description, un repère orthogonal (OXYZ) est défini.
En référence à ce repère, une direction verticale est définie comme étant la direction portée par l’axe (OZ), le plan (OXY) définissant un plan horizontal. En particulier, une hauteur est définie comme une dimension suivant l’axe (OZ).
Par souci de simplification, les vecteurs seront notés en caractère gras dans la description.
En référence aux figures 1A et 1 B, une antenne à bande-passante élargie 1 selon l’invention comporte :
un monopole primaire 10 ;
un résonateur primaire 11 a et un résonateur secondaire 11 b.
Chacun des deux résonateurs 11a, 11b est composé d’un substrat diélectrique 110a, 110b, par exemple un matériau époxy, ayant une forme d’une plaque rectangulaire et comprenant une face avant, de vecteur normal le vecteur Y et une face arrière, de vecteur normal le vecteur -Y. Un monopole secondaire 111a, 111b à méandres rectangulaires est imprimé sur la face arrière de chacun des deux résonateurs 11a, 11b, lesdits deux monopoles secondaires étant constitués d’un matériau métallique, par exemple du cuivre. Une forme générique d’un tel monopole à méandres rectangulaires, ainsi que des caractéristiques géométriques principales dudit monopole, sont illustrées sur la figure 2, et présente une succession de rubans R de largeur de ruban Lr, distants d’un espacement Esp, et de coudes C présentant une largeur au coude Lc et une hauteur Hc. Le monopole illustré sur la figure 2 présente par ailleurs une hauteur totale Ht et une largeur totale Lt.
Les résonateurs 11a, 11b sont en contact physique entre eux, la face diélectrique avant du résonateur secondaire 11 b étant en contact avec la face diélectrique arrière du résonateur primaire 11a, sur laquelle face diélectrique arrière est imprimé le monopole secondaire 111a. Les monopoles secondaires 111a, 111b sont connectés électriquement par le biais d’un plan de masse électrique situé à une base des résonateurs 11a, 11b.
Le monopole primaire 10 est constitué d’un brin métallique, par exemple en cuivre, rectangulaire et imprimé sur la face avant du substrat diélectrique 110a du résonateur primaire 11a. Le monopole primaire 10 s’étend depuis une extrémité inférieure du résonateur primaire 11a selon un axe sensiblement vertical, sur une hauteur hm.
De par leur position vis-à-vis du monopole primaire 10, les résonateurs 11a, 11b sont fortement couplés audit monopole primaire. Le résonateur primaire 11a étant placé au plus près du monopole primaire 10, il subit le couplage électromagnétique avec ledit monopole primaire le plus important. Le résonateur secondaire 11b étant plus éloigné que ledit résonateur primaire dudit monopole primaire, il subit en conséquence un couplage électromagnétique moindre avec celui-ci.
Lorsque le monopole primaire 10 est alimenté (par une alimentation non illustrée ici), les résonateurs 11a, 11b sont en couplage électromagnétique avec ledit monopole primaire. Le couplage électromagnétique entre les résonateurs 11a, 11b est renforcé par les contacts entre le monopôle 10 et le résonateur primaire 11 a d’une part et d’autre part entre les résonateurs 11a, 11b.
La figure 3 illustre une évolution en fonction de la fréquence d’un coefficient 5 de réflexion Su de l’antenne à bande-passante élargie 1 ainsi constituée. Dans l’exemple de réalisation pour lequel la mesure a été réalisée, ladite antenne à bande-passante élargie présente les caractéristiques suivantes :
le monopole primaire 10 présente une hauteur de 6mm et une largeur de 1mm ;
- les résonateurs 11a, 11b présentent sensiblement les dimensions suivantes :
RESONATEUR PRIMAIRE 11a
Substrat diélectrique 110a
Hauteur substrat Hs 12 mm
Largeur substrat Ls 12 mm
Epaisseur substrat es 0.3 mm
Monopole à méandres rectangulaires 111a
Largeur au coude Lc 0.43 mm
Hauteur au coude Hc 0.86 mm
Largeur de ruban Lr 0.43 mm
Espacement Esp 0.86 mm
Hauteur méandre Ht 12 mm
Largeur méandre Lt 12 mm
RESONATEUR SECONDAIRE 11b
Substrat diélectrique 110b
Hauteur substrat Hs 12 mm
Largeur substrat Ls 12 mm
Epaisseur substrat es 0.3 mm
Monopole à méandres rectangulaires 111b
Largeur au coude Lc 0.40 mm
Hauteur au coude Hc 0.80 mm
Largeur de ruban LR 0.40 mm
Espacement Esp 0.80 mm
Hauteur méandre Ht 12 mm
Largeur méandre Lt 12 mm
Le profil d’évolution mesuré 2 fait apparaître deux pics de résonance 21,22, aux fréquences fr,i, fr,2, avec :
frl = 1.04 GHz fr2 = 1.07 GHz
Une bande de fréquences Bf,_i0 pour lesquelles le coefficient de réflexion Su est inférieur ou égal à -10dB est :
Bf _10 = [1.03; 1.08] GHz
En conséquence, une bande-passante BP.-ιο à -10dB, définie comme un écart entre une valeur maximale et une valeur minimale de la gamme de fréquences pour lesquelles le coefficient de réflexion Su est inférieur ou égal à10dB est sensiblement égale à :
BP_10 = 50 MHz
Une largeur relative de bande Br,.10 à -10dB, définie comme un rapport entre la bande-passante à -10dB et la fréquence centrale de la bande passante est ici égale à environ 4,8%.
La figure 4 représente un diagramme de directivité 3 de l’antenne 1, dans la forme de réalisation des figures 1A et 1 B, à 1 GHz :
un premier profil 30 (représenté par des tirets) représente la directivité de l’antenne 1 dans un plan E ;
un second profil 31 (représenté par des pointillés) représente la directivité de l’antenne 1 dans un plan H ;
un troisième profil 32 (représenté en trait plein continu) représente la directivité de l’antenne 1 dans le plan (OXY).
Les profils 30, 31,32 observés sont sensiblement ceux d’un monopole quart d’onde.
Ainsi, l’antenne 1 permet d’obtenir des caractéristiques de rayonnement similaires à celles du monopole primaire 10. Dans l’exemple de réalisation des figures 1A et 1B, l’antenne à bande-passante élargie 1 permet de travailler à une fréquence d’environ 1 GHz, avec une bande-passante de 4.8% environ, élargie par rapport à la bande-passante du monopole primaire 10 seul, environ égale à 2%.
Pour fonctionner efficacement à 1GHz, un monopole doit être quart d’onde, donc présenter une longueur de 7.5cm. Dans le mode de réalisation décrit cidessus, l’antenne 1 permet de travailler à une fréquence proche de 1 GHz pour un encombrement de 12mm suivant les axes (OX) et (OZ), soit égal à À0/25, où Ào est la longueur d’onde associée à une fréquence de fonctionnement f0, ici 1 GHz. Dans ce mode de réalisation, la hauteur du monopole primaire est de 6mm, soit Ào/5O.
Dans l’exemple illustré, une épaisseur ep de l’antenne 1, correspondant sur les figures à un encombrement de ladite antenne selon l’axe (OY), est égale à 0,75mm (l’épaisseur des éléments imprimés étant égale à 0,05mm et celle des substrats à 0,3mm). L’épaisseur de l’antenne 1 est alors égale à À0/400. Une telle épaisseur permet de limiter les phénomènes liés à la propagation des ondes électromagnétiques et favorise les couplages des éléments entre eux.
II convient de noter que les fréquences de résonance fr,i, fr,2 sont ajustables par variation d’une ou plusieurs caractéristiques géométriques du monopôle 10 et/ou des résonateurs 11a, 11b. Elles peuvent par exemple être ajustées par augmentation ou diminution de la hauteur hm du monopôle 10, de la largeur au coude Lc des monopoles à méandres rectangulaires 111a, 111b, de la hauteur H desdits monopoles, etc. Préférentiellement, ces fréquence de résonance seront adaptées de sorte qu’elles soient comprises dans un intervalle de fréquences :
[/o-O.l/o;/ô + O-l/o]
Où f0 désigne une fréquence de fonctionnement souhaitée, c’est-à-dire qu’un écart relatif entre la fréquence de fonctionnement souhaitée f0 et les fréquences de résonance fri, fr2 est inférieur à 10%.
Dans l’exemple décrit précédemment, la fréquence de fonctionnement souhaitée est de 1 GHz, et les fréquences de résonance fri, fr2 sont comprises dans l’intervalle [0.9 ;1.1] GHz.
Dans une forme préférée de réalisation, l’écart relatif entre la fréquence de fonction souhaitée fo et chacune des fréquences de résonance fri, fr2 est inférieur à 5%.
Cette condition sur les fréquences de résonance favorise l’obtention d’une antenne à large bande-passante grâce à un chevauchement des bande-passantes des deux résonateurs 11a, 11b.
Avantageusement, l’épaisseur ep de l’antenne 1 est inférieure Ào/100 afin de limiter les phénomènes liés à la propagation des ondes électromagnétiques et de favoriser les couplages des éléments entre eux.
Le nombre de résonateurs n’est pas limité à deux, et les caractéristiques de rayonnement de l’antenne 1 peuvent être ajustées par ajout de résonateurs ou par modification des caractéristiques du monopole 10. Dans tous les cas, les résonateurs sont disposés de sorte que les faces présentant les monopoles à méandres rectangulaires ne sont pas en contact entre elles, lesdits monopoles étant électriquement reliés par les bases des résonateurs. De la même manière, l’antenne primaire 10 est séparée des monopoles à méandres rectangulaires par une couche de diélectrique.
En référence à la forme de réalisation illustrée sur la figure 5, une antenne 1 selon l’invention comprend :
une antenne primaire 10 ;
deux résonateurs primaires 11 a-1, 11 a-2 ;
deux résonateurs secondaires 11 b-1, 11 b-2.
Chacun des résonateurs 11 a-1, 11 a-2, 11 b-1, 11 b-2 est composé d’un substrat diélectrique 110a-1, 110a-2, 110b-1, 110b-2 et d’un monopôle secondaire 111 a-1, 111 a-2, 111 b-1, 111 b-2 à méandres rectangulaires.
L’antenne primaire 10 est une antenne exponentielle, dont une face arrière est juxtaposée à une face avant d’un premier résonateur primaire 11 a-1 et une face avant est juxtaposée à une face arrière d’un second résonateur primaire 11a2. Une face avant d’un premier résonateur secondaire 11 b-1 est juxtaposée à une face arrière du premier résonateur primaire 11 a-1, et une face arrière d’un second résonateur secondaire 11 b-2 est juxtaposée à une face avant du second résonateur primaire 11 a-2. L’antenne primaire 10 est donc en contact physique direct avec les résonateurs primaires 11 a-1, 11a-2, et les résonateurs sont en contact physique direct entre eux.
Lorsque l’antenne primaire 10 est alimentée par une alimentation 4, les résonateurs 11 a-1, 11 a-2, 11 b-1, 11 b-2 sont en couplage électromagnétique entre eux et avec ladite antenne primaire. Le couplage électromagnétique entre les résonateurs 11 a-1, 11 a-2, 11 b-1,11 b-2 est renforcé par les contacts directs physiques qui existent d’une part entre l’antenne primaire 10 et les résonateurs primaires 11 a-1, 11 a-2 et d’autre part entre lesdits résonateurs primaires et les résonateurs secondaires 11 b-1, 11 b-2.
La fréquence de fonctionnement souhaitée fo dans le cas décrit ici est 125 MHz.
La figure 6 illustre la mesure de l’évolution en fonction de la fréquence du coefficient de réflexion Su de l’antenne 1 ainsi constituée. Le profil 5 observé révèle deux pics de résonance principaux 50, 51, aux fréquences fr,3, fr,4 et deux pics de résonance secondaires 52, 53 aux fréquences fr,s, fr>6, avec :
/r,3 = 121 MHz frA = 127 MHz fr5 = 133.5 MHz fri6 = 140.5 MHz
Lesdits pics de résonance principaux et secondaires étant imputables respectivement aux couplages entre résonateurs principaux et secondaires placés de part et d’autre de l’antenne primaire 10.
La bande-passante BP.-ιο à -1 OdB, est sensiblement égale à 11 MHz.
La fréquence de travail est de 125 MHz et la largeur relative de bande Br,.10 est égale à 8.8%.
De même que dans l’exemple de réalisation précédemment décrit, les caractéristiques géométriques des résonateurs et/ou de l’antenne primaire 10 peuvent être ajustées pour modifier les fréquences de résonance, et ainsi augmenter ou diminuer la bande-passante de l’antenne 1.
La figure 7 illustre un diagramme de directivité 6 de l’antenne 1, dans la forme de réalisation de la figure 5, à 125MHz :
un premier profil 60 représente la directivité de l’antenne 1 dans un plan E ;
un second profil 61 représente la directivité de l’antenne 1 dans un plan H.
Les profils 60,61 observés sont sensiblement ceux d’une antenne monopole quart d’onde.
Ainsi, l’antenne 1 permet d’obtenir des caractéristiques de rayonnement similaires à celles d’une antenne monopole quart d’onde. Dans l’exemple de réalisation de la figure 5, l’antenne 1 permet de travailler à une fréquence d’environ 125 MHz, avec une bande-passante élargie plus grande que dans le cas d’un monopole miniature sans résonateur.
L’antenne à bande-passante élargie selon l’invention permet donc d’augmenter la bande-passante d’une antenne de référence (« antenne primaire »), par adjonction de résonateurs.
Les résonateurs font apparaître des fréquences de résonance, suffisamment proches les unes des autres et d’une fréquence de travail souhaitée, pour permettre un élargissement de la bande de fréquences utilisables en fonctionnement de l’antenne.
II est ainsi possible d’obtenir des bandes-passantes de l’ordre de 10%, tout en limitant l’encombrement.
II convient de noter que l’antenne primaire 10 n’est pas nécessairement un monopole quart d’onde ou une antenne exponentielle et que d’autres types d’antennes sont envisageables. De la même manière, les résonateurs ne sont pas limités aux formes décrites ici. Par exemple, le circuit imprimé n’est pas nécessairement un circuit imprimé à méandres rectangulaires mais peut avoir une autre forme. Dans tous les cas ce résonateur doit se comporter comme un circuit LC avec une partie inductive et une partie capacitive.
Un bénéfice de l’invention est qu’elle permet de substituer à une première antenne monopole quart d’onde présentant un encombrement jugé trop important une seconde antenne à hauteur réduite, dont la bande-passante peut être élargie pour obtenir une bande-passante équivalente à la bande-passante de la première antenne.

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS
    1. Antenne à bande-passante élargie (1 ) comprenant : une antenne primaire (10) ;
    au moins un résonateur principal (11a, 11a-1, 11a-2) en couplage électromagnétique avec ladite antenne primaire ;
    caractérisé en ce que :
    ladite antenne à bande-passante élargie comporte par ailleurs au moins un résonateur secondaire (11 b, 11 b-1, 11 b-2) en couplage électromagnétique avec l’antenne primaire (10) et l’au moins un résonateur principal (11 a, 11 a-1, 11 a-2) ;
    ledit au moins un résonateur principal et ledit au moins un résonateur secondaire comportent chacun au moins une fréquence de résonance (fr,i, fr,2, fr,3, fr,4, fr,5, W proche d’une fréquence de fonctionnement f0 ,associée à une longueur d’onde Ào de fonctionnement, de ladite antenne à bande-passante élargie.
  2. 2. Antenne à bande-passante élargie selon la revendication 1 caractérisée en ce que chacune des fréquences de résonance (fr,i, fr,2, fr,3, fr,4, fr,5, fr,6> présente un écart relatif avec la fréquence de fonctionnement fo inférieur ou égal à 10%.
  3. 3. Antenne à bande-passante élargie selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que l’au moins un résonateur principal (11a, 11a-1, 11a-2) et l’au moins un résonateur secondaire (11b, 11b1,11 b-2) comportent une plaque rectangulaire d’un substrat diélectrique (110a, 110a-1, 110a-2, 110b, 110b-1, 110b-2) et un monopole à méandres rectangulaires (111a, 111 a-1, 111 a-2, 111 b, 111 b-1, 111 b-2) imprimé sur l’une des faces principales dudit substrat diélectrique.
  4. 4. Antenne à bande-passante élargie selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que l’antenne primaire (10) est en contact physique avec au moins un de l’au moins un résonateur principal (11a, 11 a-1, 11a-2) et/ou ledit au moins un résonateur principal est en contact physique avec au moins un de l’au moins un résonateur secondaire (11b, 11 b-1, 11 b-2).
  5. 5. Antenne à bande-passante élargie selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que l’antenne primaire (10) est un monopole de longueur inférieure à un quart de la longueur d’onde de fonctionnement Ào.
  6. 6. Antenne à bande-passante élargie selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que l’antenne primaire (10) est une antenne exponentielle.
    15
  7. 7. Antenne à bande-passante élargie selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu’une épaisseur ep de ladite antenne à bande-passante élargie est inférieure ou égale à Ào/100.
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