CA2148796C - Antenne fil-plaque monopolaire - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une antenne fil-plaque monopolaire comprenant un plan d e masse (10), un premier élément rayonnant sous la forme d'un toit capacitif (11, 12) susceptible d'être connecté à un générateur, et un deuxième élément rayonnant sous la forme d'un fil conducteur (14, 14', 15, 15') reliant le toit capacitif au plan de masse . Elle comprend une pluralité d'au moins l'un desdits éléments rayonnants.

Description

WO 95/07557 PCT/FR9a/010-1.1 Antenne fil-plaque monopolaire La présente invention concerne une antenne fil-plaque monopolaire du type comprenant un plan de masse, un premier élément rayonnant sous la s forme d'un toit capacitif susceptible d'étre connecté à un générateur ou à
un récepteur par l'intermédiaire d'un fil d'alimentation, et un deuxième élément rayonnant sous la forme d'un fil conducteur rayonnant reliant le toit capacitif au plan de masse.
Une telle antenne est connue par le document FR-A-2 668 859.
Cette antenne est composëe de deux surfaces métalliques disposées de part et d'autre d'un substrat diélectrique. L'une de ces surfaces, généralement la plus grande, constitue le plan de masse et l'autre surface ~s constitue le toit capacitif. L'alimentation de l'antenne s'effectue par l'intermédiaire du fil d'alimentation constitué d'une sonde coaxiale qui traverse le plan de masse et le substrat et est connectée au toit capacitif.
Cette antenne a la particularité de posséder un fil conducteur 2o supplémentaire actif, rayonnant, parallèle à la sonde coaxiale d'alimentation et qui relie le plan de masse au toit capacitif. Ce fil effectue un retour à la masse. Une telle antenne est le siège de deux phënomènes de résonance, d'aù le nom d'antenne à double résonance qui lui est parfois donné.
2s Les paramètres physiques de l'antenne, à savoir la permittivité
du substrat électrïque, son épaisseur, le rayon du fil d'alimentation, le rayon du fil rayonnant, la distance entre les deux fils ainsi que la forme et les dimensions du toit capacitif et du plan de masse, peuvent a priori avoir 3o des valeurs quelconques. Toutefois le fonctionnement convenable de l'antenne dépend des relations entre ces paramètres qui limitent les possibilités et imposent des contraintes parfois difficiles à respecter du point de vue technologique.
3s Ainsi pour obtenir une bonne adaptation de l'antenne, il faut de préférence un substrat à très faible constante diélectrique (sr < 2), une distance entre W~ 95/07557 PCT/FR9:1/()10~-!
~1~8'~9~
la sonde coaxiale et le fil rayonnant très faible par rapport à la longueur d'onde d'émission (d < x,0/50) et un rayon de la sonde coaxiale au moins 5 fois inférieur à celui du fil rayonnant. En revanche, la forme du toit capacitif est pratiquement arbitraire et seule sa surface joue un rôle. D'autre part, il s est préférable du point de vue de l'adaptation de l'aérien que sa hauteur soit relativement importante mais n'excède pas x.0/18. La forme et les dimensions du plan de masse ne modifient que dans une faible mesure l'adaptation de l'antenne lorsque sa surface est au moins 10 fois supérieure à celle du toit capacitif mais peuvent modifier notablement le diagramme de o rayonnement, comme dans toutes les antennes à rayonnement monopolaire.
Le fonctionnement de cette antenne résulte principalement d'un phënomène de couplage entre la sonde~d'alimentation et le fil rayonnant ou ~s aucun mode de rësonance de cavité n'intervient.
L'ajout du fil rayonnant sous les conditions qui seront exposées ci-après crée une résonance parallèle située à une fréquence très inférieure à
celles des modes classiques de résonance d'une antenne plaquée. Un 20 choix convenable des différents paramètres physiques de l'antenne permet d'une part de réaliser une adaptation correcte de l'aérien aux générateurs et aux récepteurs classiques, c'est-à-dire que l'antenne présente une impédance dont la partie réelle est proche d'une valeur déterminée, généralement 50 S2, lorsque la partie imaginaire s'annule, et, d'autre part, 2s d'obtenir un rayonnement du type dit monopolaire qui présente les caractéristiques typiques du rayonnement d'un monopôle - Lobe à symétrie de révolution.
30 - Rayonnement maximal parallèlement au plan de masse lorsqu'il est très grand, et nul dans i'a~xe des fils.
Polarisation linéaire avec champ électrique dans un plan perpendiculaire w~à l'antenne.
3s WO 95/07557 PC'TIFR9a/(11(l.la Par conséquent, si l'antenne décrite dans le document précité présente vis-à-vis des antennes de l'art antérieur les avantages d'être relativement simple dans sa conception et sa réalisation, de posséder des dimensions faibles par rapport à la longueur d'onde d'utilisation, de pouvoir être s correctement adaptée avec un gain convenable, de posséder une bande passante plus importante qu'une antenne plaquée classique et un rayonnement de type monopolaire stable en fonction de la fréquence, et de pouvoir être utilisée en réseau, elle présente toutefois certains inconvénients.
En particulier, pour placer l'antenne dans les conditions d'un rayonnement monopolaire, les dimensions des fils et la distance entre les fils doivent être très inférieures à la longueur d'onde A de travail, ce qui est source de difficultés technologiques et de fragilité, particulièrement en microonde.
is D'autre part, pour une utilisation en basses fréquences, les dimensions, bien que déjà très inférieures à la longueur d'onde, sont encore trop grandes pour les applications sur !es mobiles. De plus, lorsque le substrat utilisé a une constante diélectrique trop différente de 1, l'antenne est difficile â adapter et sa bande passante est relativement faible. Enfin, ta 20 forme du rayonnement monopolaire n'est pas facilement ajustable, par exemple pour obtenir un gain maximum plus important ou pour obtenir une couverture spatiale plus grande.
La présente invention vise à pallier ces inconvénients.

A cet effet, l'invention a pour objet une antenne fil-plaque monopolaire comprenant un plan de masse, un premier élément rayonnant sous la forme d'un toit capacitif susceptible. d'être connecté à un générateur ou à
un récepteur par l'intermédiaire d'un fil d'alimentation et un deuxième 3o élément rayonnant sous la forme d'un fil conducteur reliant le toit capacitif au plan de masse, caractérisée par le fait qu'elle comprend une pluralité
d'au moins l'un desdits éléments rayonnants, agencés pour que l'antenne fonctionne en rayonnement monopolaire.
3s On verra ci-après qu'un tel agencement permet de résoudre les problèmes exposés ci-dessus.

WO 95/07557 ~ PCT/FR9.1/010-l-1 On notera par ailleurs que l'on entend par le mot "fil" nan seulement un conducteur à section circulaire, mais également à section quelconque, tel par exemple qu'un ruban. De même, le "plan" de masse, ainsi que le ou les s toits capacitifs, peuvent être en fait des surfaces courbes, éventuellement non parallèles entre elles, notamment pour générer un rayonnement monopolaire de forme particulière, par exemple étroit avec un gain maximum important ou large avec un secteur d'illumination donné.
1o Dans un mode de fonctionnement particulier, les caractéristiques de l'antenne, et notamment la farme des toits capacitifs, sont choisies de façon à disposer à une même fréquence ou à plusieurs fréquences voisines d'une antenne travaillant à la fois sur le mode monopolaire et sur les modes classiques dipolaires.
1s Egalement dans un mode de rëalisatïon particulier, l'antenne selon l'invention comporte une pluralité de fils conducteurs.
En particulier, l'antenne selon l'invention permet d'obtenir un rayonnement 2o monopolaire et une bonne adaptation beaucoup plus facilement et avec des contraintes technologiques beaucoup moins fortes que dans l'état de la technique.
Plus particulièrement les fils rayonnants peuvent être disposés 2s symétriquement par rapport au fil d'alimentation.
Dans un autre mode de réalisation particulier, l'antenne selon l'invention comporte une pluralité de toits capacitifs, au moins un des toits capacitifs étant agencé pour ëtre connecté au générateur.
Dans ce dernier cas, l'antenne selon l'invention peut étre alimentée par une sonde coaxiale traversant le plan de masse, dont le fil d'alimentation est connecté à un toit capacitif et dont le conducteur extérieur relie le plan de damasse à un toit capacitif situé entre le plan de masse et le toit capacitif 3s connecté au fil d'alimentation.

WO 9S/07557 - PCT/FR9.9/()1~1.~.1 s Une antenne selon l'invention comportant plusieurs toits capacitifs peut étre agencée pour présenter une large bande passante ou pour présenter une pluralité de fréquences de résonance, ou pour présenter un diagramme de rayonnement rnonopolaire voisin d'un gabarit donnë.
Dans un mode de réalisation particulier, le toit capacitif est sensiblement rectangulaire et le fil rayonnant est connecté au voisinage du petit côté du rectangle.
On a pu constater que cet agencement permet de diminuer la surface et la hauteur par rapport au plan de masse. Cette condition de fonctionnement est très importante dans le cas des antennes basses frëquences ~s (typiquement antennes radio), . pour lesquelles les dimensions des antennes sont conséquentes.
Les fils d'alimentation et les fils rayonnants peuvent également être chargés par des éléments de circuits localisés ou répartis le long du fil.
Ces éléments peuvent être linéaires passifs (résistance , self, capacité, 2o impédance quelconque) au actifs, mais aussi non linéaires. Choisis convenablement, ils permettent par exemple de diminuer les dimensions de l'antenne, de changer la fréquence de travail, au de commuter plusieurs fréquences de travail.
25 On décrira maintenant à titre d'exemple non limitatif des modes de réalisation particuliers de l'invention en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels - les figures 1, 2a et 2b sont trois vues en perspectives de trois modes de 3o réalisation de l'invention, - les figures 3a, 3b et 3c illustrent respectivement les parties réelles et imaginaires de l'impédance équivalente Z (f) et le coefficient de réflexion "S11 (f) d'une antenne selon le mode de réalisation de la figure 1, WO 95/07557 PCT/1FR9:~/01(I-1a ~1~~"~~ û
- les figures 4a et 4b illustrent respectivement pour cette même antenne fes gains réalisés dans le plan des fïls et dans le plan orthogonal, - les figures 5a, 5b et 5c illustrent respectivement les parties réelles et s imaginaires de l'impédance équivalente Z (f) et le coefficient de réflexion S~ 1 (f) d'une antenne selon le mode de réalisation de la figure 2, et - les figures 6a et 6b illustrent pour cette même antenne les gains réalisés dans le plan des fils à de fréquences différentes.
~o L'antenne de ia figure 1 est formée d'un substrat diélectrique 1 totalement métallisé sur une de ses faces ~ pour former le plan de masse et partiellement métallisé sur son autre face 3 pour former le toit capacitif.
U,ne sonde coaxiale d'alimentation 4 traverse le plan de masae 2 et ie ~s substrat 1 et est connectée au toit capacitif 3. Des fils conducteurs rayonnants 5 traversent également le substrat 1 pour relier le plan de masse 2 au toit capacitif 3.
Les fils rayonnants 5 peuvent être disposés, a priori, n'importe où sous le 2o toit capacitif 3 de l'antenne mais, suivant leur position, leur influence sur le fonctionnement de l'antenne sera plus ou moins importante. D'autre part, l'introduction d'un trop grand nombre de fils rayonnants (à partir de quatre) peut atténuer le phénomène de double résonance et le rendre non utilisable du point de vue de l'adaptation de l'aérien aux générateurs 2s miCroondes.
Par ailleurs, le substrat diélectrique 1 sur lequel est déposé le plan de masse 2 et le toit 3 de l'antenne n'est pas obligatoirement constitué d'un seul matériau diélectrique mais peut être constituée d'une superposition de 3o couches à constantes diélectriques quelconques. La forme et les dimensions du substrat 1 sont arbitraires mais généralement, pour des raisons pratiques, ses dimensions ne dépassent pas celles du plan de masse 2.
3s L'introduction de chaque fil rayonnant supplémentaire introduit de nouveaux paramètres physiques de l'antenne, à savoir, le rayon du fil WO 95107557 - PCTIFR9-1/010.1-1 rayonnant ajouté, sa distance à ia sonde coaxiale d'alimentation ainsi que les distances le séparant des autres fils rayonnants. Ces paramètres physiques supplémentaires compliquent les relations entre les paramètres physiques de l'antenne mais, en réalité, ils simplifient le problème et assouplissent les contraintes nécessaires à l'obtention du fonctionnement de l'antenne fil-plaque monopolaire.
C'est ainsi que le fil de la sonde d'alimentation 4 ne doit plus nécessairement être de diamètre très inférieur à celui des fils rayonnants, io mais peut être de diamètre identique ou supérieur. Egalement, les fils 5 ne doivent plus être situés trop proches de la sonde coaxiale d'alimentation 4 mais doivent se trouver de préférence vers les extrémités du toit de l'antenne. Le rayon des fils 5 est de préférence inférieur au rayon de la sonde d'alimentation et, plus les fils 5 sont nombreux ou proches de la is sonde d'alimentation, plus leur rayon doit être petit.
Comparée à l'antenne à double résonance à un seul fil rayonnant, l'antenne à plusieurs fils rayonnants présente un toit généralement plus grand et une hauteur légèrement plus importante pour fonctionner à la même fréquence.
2o Toutefois, l'introduction d'un milieu diélectrique ou d'une superposition de milieux diélectriques différents permet de réduire ces dimensions.
D'ailleurs, si l'antenne à double résonance possédant un seul fil rayonnant n'est convenablement adaptable à 50 S2 que pour des substrats à très faible permittivité (sr <_ 1,2), l'introduction de fils rayonnants 2s supplémentaires permet d'adapter très aisément n'importe quelle antenne fil-plaque monopolaire réalisée sur n'importe quel substrat, ou combinaison de substrats.
D'autre part, d'un point de vue pratique, il est préférable de placer dans 3o certains cas les fils 5 symétriquement par rapport à la sonde coaxiale d'alimentation 4, en plaçant, par exemple, cette sonde d'alimentation au centre du toit capacitif 3 de l'antenne.
~'Le principe de fonctionnement de l'antenne à double résonance possédant 35 plusieurs fils rayonnants est similaire à celui de l'antenne à double résonance ne prësentant qu'un seul fil. L'ajout de fils rayonnants WO 95!07557 PCT/FR9-tl(110:1~
2148j~5 u supplémentaires ne crée pas de nouvelles résonances parallèles liées à
chacun des fils rayonnants, mais modifie celle créée par un fil rayonnant.
En effet, en première approximation, il est possible de considérer que le s phénomène de double résonance est désormais créé par la "self équivalente" à l'ensemble des fils 5 qui court-circuits la capacité de l'antenne. Cette self est désormais plus faible, eu égard à la mise en parallèle des selfs liées à chacun des fils 5, ce qui explique que la fréquence de résonance se trouve décalée vers les hautes fréquences et ro que cette résonance présente un coefficient de qualité moins élevé.
L'introduction de substrats diélectriques à forte permittivité fait redescendre la fréquence de résonance et augmenter le coefficient de qualité en modifiant, principalement, les mutuelles .inductances entre les fils.
~s La diminution du coefficient de qualité de ia double résonance apparaît très bénéfique du point de vue de l'adaptation de l'aérien aux générateurs microondes car il permet de maintenir la partie réelle de l'impédance proche de 50 S2 et la partie imaginaire nulle sur une bande de fréquence plus grande, ce qui permet d'obtenir une augmentation de la bande 2o passante.
Ces propriétés sont générales et se retrouvent avec des paramètres d'antenne très différents à des fréquences de fonctionnement quelconques.
Aussi, le choix de la fréquence d'utilisation est à la discrétion de 2s l'utilisateur.
En conséquence, l'obtention d'une adaptation correcte à une certaine fréquence peut être réalisée de la façon suivante 30 - on choisit la surface du toit 3, la hauteur du ou des substrats 1 et le nombre de fils rayonnants ce 'qui donne la fréquence approximative de fonctionnement, "- on choisit le placement des fils 5, leur rayon et les distances qui les 3s séparent, ce qui permet un ajustement de la fréquence, et de la partie W U 95/07557 (~,) PCT/FR9:~/010.~-t réelle et de la partie imaginaire de l'impédance, et par conséquent une optimisation de l'adaptation de l'antenne, - on choisit les dimensions du plan de masse 2, ce qui détermine le s diagramme de rayonnement, L'antenne fil-plaque monopolaire possédant plusieurs fils rayonnants présente des caractéristiques de rayonnement similaires à celles de l'antenne à double résonance qui ne possède qu'un fil rayonnant, à savoir un rayonnement de type monopolaire qui s'effectue par l'intermédiaire du fil d'alimentation et des fils rayonnants.
La multiplication des fils 5 permet dorénavant de symétriser parfaitement le rayonnement. en disposant les fils 5 de manière symétrique vis-à-vis de la 1s sonde d'alimentation 4 située au centre de l'antenne.
Les dimensions du plan de masse 2 et, à un degré moindre, celles du substrat 1 introduisent, comme pour toute antenne à rayonnement monopolaire, des modifications du diagramme de rayonnement.
On donnera ci-après les caractéristiques d'une antenne du type de celle représentée à la figure 1 avec deux fils 5 et une sonde coaxiale d'alimentation 4 de diamètre 1,27 mm, les deux fils 5 étant disposés symétriquement par rapport à la sonde 4 et l'axe de chacun des fils ëtant 2s distant de 3,3 mm de l'axe de la sonde. Le substrat électrique 1 est constitué d'une plaque de 10 mm d'épaisseur de polyméthacrylate de méthyle de 72 mm x 72 mm, et de permittivité égale à environ à 2,5. Le plan de masse 2 couvre toute une face de la plaque 1 et le tait capacitif est centré sur l'autre face et est de dimension de 20 mm x 20 mm.
Les figures 3 à 6 représentent en traits pleins les grandeurs mesurées et, en traits interrompus, les grandeurs théoriques. Les figures 3a et 3b montrent respectivement la partie réelle et la partie imaginaire de N l'impédance d'entrée de l'antenne et la figure 3c montre le coefficient de 3s réflexion qui en résulte.

Wtj 95/07557 PCT/FR9.~/O10.i4

2~.4~~~~ ,0 De même, les figures 4a et 4b montrent le gain réalisé, obtenu respectivement dans le plan des fils et dàns le plan orthogonal au plan des fils, et évalué sur tout l'espace entourant l'antenne.
s Ces résultats permettent de vérifier l'excellente adaptation de l'antenne (figure 3) ainsi que l'allure typique du rayonnement monopolaire dëformëe par l'effet de diffraction des arétes du plan de masse (figure ~). L'antenne présente un coefficient de réflexion S1 ~ (f) de l'ordre de -20 dB (seulement 1 % de ia puissance incidente est réfléchie) à la frëquence de 1,77 GHz.
io Le gain réalisé représenté à la figure 4 à cette même fréquence de 1,77 GHz tient compte de l'ensemble des pertes (désadaptation, pertes ohmiques et diélectriques) et atteint une valeur maximale d'environ 2,5 dB
à 45° en raison de la déformation du diagramme de rayonnement due aux is dimensions du plan de masse.
Outre les avantages présentés par l'antenne à double résonance à un seul fil rayonnant vis-à-vis des antennes antérieures et que reprend l'antenne à
double résonance à plusieurs fils rayonnants, la multiplication des fils 20 rayonnants sur ce type d'antenne présente d'autres avantages.
En effet, l'introduction de fils rayonnants supplëmentaires autorise plus de liberté sur les paramètres physiques de l'antenne, ce qui permet 2s - une adaptation de l'aérien plus aisée ;
- la possibilité d'utiliser des substrats à forte permittivitë ;
- un élargissement de la bande passante : 8 % de bande pour un TOS de 2 ou 20 % de bande pour un TOS de 5,8 (~S11 ~ de - 3 d8) ;
- une configuration physique de l'antenne pas obligatoirement unique et facilement modulable ;
3s - une symétrisation parfaite du diagramme de rayonnement dans tout l'espace.

PCTIFR9~/01 O.~a WO 95/O~SSi ~1 io La réalisation technologique de l'aérien apparaît désormais plus aisée car les contraintes imposées sur les paramètres physiques pour obtenir un fonctionnement correct sont moins strictes ou pénalisantes.
Du point de vue de fa réalisation, on obtient les avantages suivants - une solidité de l'antenne accrue par l'introduction de fils rayonnants supplémentaires et d'une sonde coaxiale de gros diamètre ;
- la possibilité de réaliser une antenne sans substrat diélectrique, le toit étant maintenu par l'ensemble des fils ;
- ia possibilité d'utiliser des substrats diélectriques facilitant la réalisation ~s et renforçant la rigidité de l'antenne.
Dans le mode de réalisation de la figure 2a, le diélectrique esi l'air ambiant.
Le plan de masse 10 est surmonté par un premier toit capacitif 11 lui-même surmonté par un deuxième toit capacitif 12. Seul le premier toit capacitif 11 2o est connecté à une sonde coaxiale d'alimentation 13 traversant le plan de masse l0 pour sa connexion à un générateur.
Le premier tait capacitif 11 est par ailleurs relié au plan de masse 10 par deux fils conducteurs 14 et 14' disposés par rapport à la sonde 13 comme 2s les fils 5 du mode de réalisation de la figure 1. Le deuxième toit capacitif 12 est relié au premier tait capacitif 11 par deux fils rayonnants 15 et 15' en contact avec le toit 11 en deux points situés entre les points de contact de la sonde 13 et ceux des fils 14 et 14' de l'autre côté du toit 11.
30 On verra ci-après qu'un tel dispositif engendre deux fréquences de résonance.
Dans le mode de réalisation de la figure 2b, l'ensemble de la sonde 13 traverse le plan de masse 10. Son conducteur tubulaire extérieur 13" relie 3s électriquement le plan de masse 10 au premier toit capacitif 11, tandis que le conducteur central 13' est relié au toit capacitif supërieur 12.

WG 9S!07557 PCT/FR9-110104a Le toit 12 possède ici une forme rectangulaire allongée. Les fils rayonnants 15 et 15' sont connectés au toit 12 en des emplacements voisins des petits côtés 12' du toit 12.
Les fils 15 et 15' sont ici chargés par des circuits 20 et 20' présentant un impédance adéquate, actifs ou passifs.
Bien entendu, un plus grand nombre de toits ainsi qu'un agencement différent des fils rayonnants est envisageable dans les modes de ~o réalisation des figures 2a et 2b.
On a pu constater que la forme des toits est pratiquement arbitraire et que seule leur surface compte. Pour des raisons pratiques et simplificatrices, on peut placer le toit 12 ayant la surface la plus petite le plus haut au-~s dessus du' plan de masse 10, te toit 11 le plus grand étant placé
immédiatement au-dessus du plan de masse. Ainsi, la sonde d'alimentation est uniquement connectée au toit 11 le plus grand à travers le plan de masse. Ce dont donc les paramètres physiques liés à l'étage inférieur qui agissent principalement sur la résonance la plus basse ; la résonance la 2o plus haute est, quant à elles fixée d'une part par les paramètres physiques liés à l'étage du haut, mais également par ceux de l'étage du bas contenant la sonde coaxiale d'alimentation 13.
Ainsi, si les contraintes à imposer sur les paramètres physiques fiés à
2s l'étage du bas sont connus par la description donnée ci-dessus en référence à la figure 1, ils doivent dorénavant être modulés pour ne pas trop pénaliser la résonance la plus haute. En effet, il est nécessaire de rendre exploitable, du point de vue de l'adaptation à 50 S2, la seconde double résonance par une action conjointe sur, d'une part, l'ensemble des 3o paramètres physiques liés au premier étage, puis d'autre part, sur les paramètres physiques liés au deuxiéme étage et qui influencent les deux résonances (à savoir : les dimensions du toit supérieur 12, la valeur de la permittivité du substrat diélectrique du deuxième étage et son épaisseur) et '"enfin, une action sur les paramètres physiques qui agissent uniquement ss sur la seconde résonance, indépendamment de l'autre (à savoir : le rayon des fils rayonnants supérieurs 15 et 15' et la distance qui les sëparent).

WO 95107557 _ PCT/FR9.~/O10-l-t 1' Globalement, il est apparu préférable que ia sonde coaxiale d'alimentation 13 ait un diamètre important, que les fils rayonnants 14 et 14' de l'étage du bas soient éloignés de la sonde coaxiale 13 et possèdent un rayon au moins trois à quatre fois inférieur à celui de la sonde d'alimentation, et que les fils rayonnants 15 et 15' de l'étage du haut aient un diamètre identique voire supérieur à celui de ia sonde d'alimentation et soient également éloignés l'un de l'autre que les fils 14 et 14' le sont de la sonde 13.
D'ailleurs, le placement des fils sous les toits est arbitraire et seules les 1o distances les séparant sont importantes ; toutefois, une disposition centrée et symétrique permet de symétriser le diagramme de rayonnement. Les hauteurs respectives de chacune des antennes doivent de préférence être du même ordre de grandeur par rapport à la longueur d'onde émise et ne pas excéder x,0/15.
is Les surfaces des toits ne doivent pas être trop différentes si l'on veut garder les résonances proches et un rapport de 1,4 sur les surfaces apparaît comme un maximum à ne pas dépasser. Quant aux substrats diélectriques, ils peuvent permettre de rapprocher ou d'ëloigner les 20 résonances ainsi que de modifier les coefficients de qualité des résonances.
Si le principe de fonctionnement da ce dispositif reprend celui de l'antenne à double résonance pour chaque toit de l'antenne, le phénomène se 2s complique toutefois, du fait de la prësence de toits inférieurs qui peuvent agir comme plan de masse vis-à-vis des toits supérieurs. D'autre part, les phénomènes de couplage n'ont plus uniquement lieu entre les fils d'un même étage mais également avec ceux des autres étages. Ainsi, le phénomène de double résonance lié au premier étage où se trouve la 3o sonde d'alimentation est pratiquement indépendant des résonances dues aùx étages sùpérieùrs, mais chacune des résonances dues aux étages supérieurs dépend fortement de celles liées aux étages inférieurs.
" Bien que, dans ce cas, l'établissement d'un circuit équivalent apparaisse 3s difficile, l'apparition des résonances parallèles, situées bien en dessous des modes classiques de résonance de cavité des antennes imprimées, ~ ~ ~ ~ '~ 9 6 i PCT/FR9-t/010:1-t WO 95/07557 j .., résulte toujours d'un court-circuit réalisé par l'intermédiaire des fils rayonnants (et éventuellement des toits et fïls rayonnants inférieurs) au niveau des capacités présentées par chaque toit du dispositif.
s Ces propriétés sont générales et se retrouvent avec des paramètres physiques d'antennes très différents à de.s fréquences de travail quelconques.
L'antenne à double résonance à éléments rayonnants multiples peut être io employée de deux manières différentes : soit elle est utilisée comme un dispositif présentant une large bande passante et, dans ce cas, les caractéristiques de chaque élëment superposé doivent conduire au chevauchement des bandes de fréquence de fonctionnement de chacune des antennes afin de réaliser une adaptation à 50 S2 large bande. Soit ce ts type d'aérien est utilisé comme un dispositif à plusieurs fréquences de rësonance mais à diagramme de rayonnement identique et, dans ce cas, chacune des bandes de fréquence de fonctionnement doit être distincte des bandes voisines.
2o Toutefois, quel que soit le type d'utilisation du dispositif souhaité, un fonctionnement correct du dispositif peut être obtenu de la façon exposée ci-après. Du fait du nombre important de paramètres physiques à fixer et compte tenu du fait que certains paramètres modifient l'ensemble des résonances, il est important de procéder par étapes et de commencer par 2s fixer les paramètres physiques ayant une large influence. C'est ainsi qu'il faut d'abord s'attacher à choisir les paramètres liés à l'étage inférieur contenant la sonde d'alimentation et ensuite choisir, étage par étage, les paramètres physiques liés principalement à chacune des résonances afin d'optimiser l'adaptation du dispositif à 50 S2.
On procède donc de la façon suivante - on choisit les dimensions des toits, les hauteurs, les substrats et le "nombre de fils rayonnants respectifs à chaque étage, ce qui donne les 3s fréquences approximatives de fonctionnement ;

pcr~x~aioioaa WO 95/07557 Z ~' ~ ~ ~~ ~ û
- on choisit le placement des fils, leur rayon et les distances qui les séparent concernant l'étage où se trouve ia ou les sondes coaxiales d'alimentation tout en réajustant des. paramètres physiques des autres étages ayant une action sur l'ensemble des résonances, à savoir : les s dimensions des toits, les hauteurs et la valeur de la permittivité
diélectrique des substrats ; il en résulte un ajustement des fréquences de résonance associé à un positionnement précis de la partie réelle et imaginaire de l'impédance concernant uniquement la résonance liée à l'étage qui contient ia sonde d'alimentation, ce qui permet d'optimiser l'adaptation du dispositif ~o à cette première fréquence.
Ensuite, pour chacun des toits constitutifs du dispositif et en commengant par l'étage situé immëdiatement au-dessus du précédent is - on. choisit le placement des fils, leur rayon et les distances qui les séparent de manière à modifier uniquement la résonance liée à cet étage et celles liées aux étages supérieurs, d'où un ajustement de la fréquence de résonance concernée, et de la partie réelle et imaginaire de l'impédance afin d'optimiser l'adaptation du dispositif à cette fréquence. Les résonances 2o supérieures pourront être éventuellement modifiées mais elles le seront de nouveau lors de l'optimisation des paramètres les concernant ;

- enfin, on choisit des dimensions du plan de masse pour déterminer le diagramme de rayonnement.
Le rayonnement du dispositif s'effectue pour l'essentiel par l'intermédiaire des fils placés au niveau de chacune des antennes à double résonance superposées. Ainsi, le rayonnement engendré par le dispositif présente des caractéristiques identiques au rayonnement d'un monopole.
Toutefois, il est à notèr que le dispositif présente une remarquable stabilité
du diagramme de rayonnement en fonction de la fréquence puisque tes phénomènes de "double résonance" se situent bien en dessous des modes " de résonance de cavité des antennes imprimées.

WO 95/07557 ~ E PCT/FR9.1/010~-1 .
214879e Cependant, de légères modifications du diagramme de rayonnement sont observables lorsque la fréquence varie de façon importante à cause de la diffraction par les arêtes du plan de masse dont les effets varient avec la longueur d'onde, ce qui est le cas pour toutes les antennes à rayonnement s monopolaïre.
Les figures 5 et 6 illustrent les résultats obtenus avec une antenne du type de celle de la figure 2 dans laquelle le plan de masse 10 a des dimensions dé 99 mm x 99 mm, le toit capacitif inférieur 11 a des dimensions de io 39 mm x 39 mm et le toit capacitif supérieur 12 a des dimensions de 26 mm x 26 mm. Le toit capacitif 11 est distant de 10 mm du plan de masse et les deux toits capacitifs ò 1 et 12 sont séparés également de 10 mm.
La sonde coaxiale d'alimentation 13 ainsi que les fils rayonnants 15 et 15' ont un diamètre de 1,27 mm et les fils rayonnants 14 et 14' ont un diamètre is de 0,4 mm.' Les fils 3 et 4 sont distants dé 6,6 mm et les fils 14 et 14' sont chacun distants de 9,9 mm de la sonde d'alimentation 13.
Les frëquences de résonance du mode fondamental de type cavité
résonnante de chacuné des deux antennes superposëes sont réspectivement situées vers 3,8 GHz et 5,7 GHz. La position des fils pourrait être déterminée de façon à permettre également un fonctiônnement de l'antenne sur les modes résonnants.
On a reprësenté aux figures 5 et 6 en trait plein les résultats théoriques et 2s en trait interrompus les résultats expérimentaux.
La figure 5 représente les caractéristiques électriques de l'antenne à savoir les parties réelles et imaginaires de l'impédance d'entrée (figures 5a et 5b) et le coefficient de réflexion mesuré par rapport à 50 ohms (figure 5c). Les figures 6a et 6b montrent le gain réalisé de l'antenne obtenu dans le plan des fils et évalué dans tout l'espace entourant l'antenne aux deux fréquences de fonctionnement de 1,2 GHz et 2,1 GHz respectivement.
" L'antenne présente alors deux "doubles résonances" situées vers 1,1 GHz 3s et 2 GHz. Une optimisation incomplète des paramètres physiques de l'antenne permet pourtant d'obtenir deux coefficients de réflexion de l'ordre WO 95/07557 PCT/PR9:1I0104:~
_ ~I4~ ~~6 de -12 dB à 1,2 GHz et 2,1 GHz. L'écart observé au niveau de la détermination de la fréquence de résonance haute est dû à une réalisation pratique légèrement différente de l'antenne étudiée en théorie.
s On observe alors, aux deux fréquences de fonctionnement, un rayonnement de type monopolaire légèrement déformé par la diffraction due au plan de masse. On notera que le diagramme le plus déformé est celui évalué à la fréquence la plus haute mais que ie rayonnement avant de l'antenne (-90°<8<90°) est presque identïque aux deux fréquences de fonctionnement séparées de 0,9 GHz (courbes expérimentales).
Les valeurs de gain réalisé, obtenues aux deux fréquences de fonctionnement, à savoir, 1,4 dB à f = 1,2 GHz et 1,9 dB à f = 2,1 GHz (courbes expérimentales) sont conformes aux valeurs escomptées compte is tenu de l'adaptation à -l2 dB obtenue à ces fréquences et pourraient être augmentées moyennant une adaptation à 50 S2 optimisée.
Le rayonnement obtenu dans le plan orthogonal au plan des fils fournit des résultats identiques qui ne sont pas présentës ici.
Ce dispositif à étages multiples permet la création de multiples "doubles résonances" situëes proches les unes des autres ou pas. Ainsi, un tel dispositif présente immédiatement deux principaux intérêts 2s - uné adaptation à 50 SZ très large bande obtenue par chevauchement des bandes passantes liées à chacune des antennes superposëes. 75 % de bande passante pour un ~S~ 1 ~ de - 3dB a été obtenu avec seulement deux antennes superposées.
- une adaptation aux générateurs microondes sur des bandes de fréquences distinctes,~proches ou éloignées.
D'autre part, la technique de superposition d'antennes à double résonance permet au dispositif complet de garder intégralement les caractéristiques 3s de l'antenne à double résonance et notamment les avantages exposés ci-dessus .

Wn 95/07557 PCT/FR9-x/()104-i 2I~~79~
On obtiendra en outre un rayonnement de t~pe monopolaire pratiquement stable en fonction de !a fréquence.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Antenne fil-plaque monopolaire comprenant un plan de masse (2 ; 10), un premier élément rayonnant sous la forme d'un toit capacitif (3 ; 11, 12) susceptible d'être connecté à un générateur ou à un récepteur par l'intermédiaire d'un fil d'alimentation, et un deuxième élément rayonnant sous la forme d'un fil conducteur (5 ; 14, 14', 15, 15') reliant le toit capacitif au plan de masse, caractérisée par le fait qu'elle comprend une pluralité d'au moins l'un desdits éléments rayonnants, les dimensions dudit toit capacitif étant suffisamment petites par rapport à la longueur d'onde de travail pour que l'antenne fonctionne en rayonnement monopolaire à la fréquence de travail.

2. Antenne selon la revendication 1, comportant une pluralité de fils rayonnants.

3. Antenne selon la revendication 2, dans laquelle les fils rayonnants sont disposés symétriquement par rapport au fil d'alimentation.

4. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comportant une pluralité de toits capacitifs, au moins un des toits capacitifs étant agencé
pour être connecté au générateur.

5. Antenne selon la revendication 4, alimentée par une sonde coaxiale traversant le plan de masse, dont le fil d'alimentation est connecté à un toit capacitif et dont le conducteur extérieur relie le plan de masse à un toit capacitif situé entre le plan de masse et le toit capacitif connecté au fil d'alimentation.

6. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comportant au moins deux toits capacitifs et agencée pour présenter une large bande passante.

7. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comportant une pluralité de toits capacitifs et agencée pour présenter une pluralité de fréquences de résonance.

8. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle le toit capacitif est sensiblement rectangulaire et le fil rayonnant est connecté au voisinage du petit côté du rectangle.

9. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle au moins l'un des fils est chargé par un élément de circuit.