EP2643886B1 - Planar antenna having a widened bandwidth - Google Patents
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- EP2643886B1 EP2643886B1 EP11787860.3A EP11787860A EP2643886B1 EP 2643886 B1 EP2643886 B1 EP 2643886B1 EP 11787860 A EP11787860 A EP 11787860A EP 2643886 B1 EP2643886 B1 EP 2643886B1
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- H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
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- 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
Definitions
- the present invention relates to a planar antenna with an enlarged bandwidth. It applies in particular to mobile communication terminals.
- the invention applies, for example, to microwave planar antennas with an enlarged bandwidth.
- this antenna must meet certain criteria such as having a wide bandwidth, a high gain, a small footprint and it is low cost to integrate in these devices. These criteria often can not be met at the same time, especially for bandwidth, good performance (high gain) and reduced footprint. In particular, to have a good performance, the bandwidth of this antenna is generally low, of the order of 5%.
- a patch antenna comprising a first radiating element disposed above a ground plane and excited in its fundamental mode by a coaxial probe, and a second radiating element disposed above the first element and excited by the first radiating element by capacitive coupling so that the currents bloom in the first radiating element and excite to their all the second element.
- Metal studs allow the connection between the different layers separated from each other by a layer of air making office of dielectric to electrically isolate the conductive layers from each other.
- the two radiating elements do not have the same size, the second radiating element is larger than the first radiating element. This results in a creation of two separate frequency bands.
- One of the aims of the invention is to overcome all or part of the disadvantages of antennas of the state of the art by proposing an antenna which has both an enlarged bandwidth and a smaller footprint compared to antennas known in the art prior.
- An object of the invention is to provide an antenna which has a good performance, ie an improved radiation efficiency.
- Another object of the invention is to provide a thin-film antenna in planar technology also reducing its size so as to integrate it into an antenna network or any communication system.
- Another object of the invention is to propose a dual-mode antenna, in other words two modes of polarization of the electromagnetic field propagating in the antenna, with two close resonance frequencies obtained thanks to a simple power supply / excitation device.
- Another object of the invention is to propose an antenna with the two polarization modes orthogonal to each other, whose resulting orientation of the electromagnetic field changes as a function of frequency.
- Another object of the invention is to propose an antenna having an input impedance compatible with a correct adaptation to the microwave devices.
- Another object of the invention is to provide a simple antenna of realization and low cost favorable to a mass industrial production.
- the invention relates to a planar antenna adapted to transmit or receive an electromagnetic wave, the antenna comprising at least a first conductive element disposed above a ground plane and separated from the latter, means for excitation of said at least first conductive element configured to excite two distinct orthogonal propagation modes (in particular two resonant modes), characterized in that said at least first conductive element is formed by a substrate comprising at least one thin layer of a material anisotropic with relative permeability greater than 10 for 2 GHz.
- At least one slot is formed in the ground plane and allows said at least one conductive element to be electromagnetically coupled by at least one transmission line, said at least one slot being formed by a first opening extending in a direction forming a first angle of between 30 ° and 60 ° with the direction of the transmission line, and by a second opening extending in a direction forming a second angle between -30 ° and + 30 ° with the direction of the first opening.
- An advantage of an antenna according to the invention lies in the fact that by virtue of the presence of an anisotropic material in a thin layer and / or at the arrangement of the openings with respect to an edge of the conducting or radiating element and their arrangement between them, it forces the electromagnetic field in the antenna to propagate in two orthogonal modes of propagation between them, separate and close, causing the antenna to have a single and single band wider in relation to the bandwidth of the antennas known, without complicating the structure and size of the antenna. This creates a dual mode antenna (or dual mode in English).
- FIG. 1 a first embodiment of an antenna according to the present invention is shown in a perspective view.
- the antenna 101 of the invention is a micro-ribbon planar antenna, able to emit and / or receive electromagnetic waves at a working frequency f T corresponding to a wavelength ⁇ T.
- the frequency f T is between 100 MHz and 100 GHz and preferably between 1 GHz and 10 GHz.
- the planar antenna 101 preferably in micro-ribbon technology, emits essentially electromagnetic waves in the half-space above the XY plane.
- the main transmit / receive direction is perpendicular to the XY plane and coincides with the Z direction.
- the antenna 101 comprises a stack, in the Z direction, of different layers extending essentially in a horizontal plane.
- the stack comprises a first conductive or radiating element 111 disposed above a ground plane 115, or a substrate whose function is ground.
- the first conductive element is in the form of a horizontal plate, preferably substantially rectangular or substantially square, but may have other geometries as will be seen later.
- the first conductive element 111 has a horizontal front face exposed to electromagnetic radiation.
- the latter two are separated by a dielectric layer or a substrate 116 of a height h corresponding to the thickness of this layer, which is for example of the order of 500 to 700 ⁇ m.
- the substrate 116 may be a dielectric thin film of the ROGERS type sold under the trademark ROGERS 4003 of relative permittivity equal to 3.55 and of a thickness equal to 0.8 mm.
- the ground plane 115 may be made of copper and may have a thickness of several micrometers, for example, from 9 ⁇ m to several mm.
- a micro-ribbon transmission line is placed below the ground plane 115 to feed the first conductive or radiating element 111 through a slot 120 made in the ground plane 115.
- the transmission line may be a micro ribbon line printed on a ROGERS 4003 type substrate and with a characteristic impedance of 50 ohms.
- the dimensions of this line can be determined from the thickness and the permittivity of the substrate, for example, they can be 1.2 mm wide and 6 cm long.
- a substrate layer may be provided between the ground plane 115 and the transmission line 117 to maintain it below this plane and to electrically isolate it from the latter.
- the ground plane 115 isolates the transmission line 117 from the radiating element 111 and limits the interference of the parasitic radiation on the radiation pattern of the antenna thereby providing polarization purity.
- the transmission line, the electrical parameters and the dimensions of the various layers composing the antenna as well as the size of the slot are used to optimize the antenna.
- the position of the slot 120 with respect to the conductive element and its shape have an effect on the performance of the antenna, in particular its bandwidth, as will be seen below.
- the first conductive or radiating element 111 is formed by an anisotropic magneto-dielectric composite substrate in a thin layer and with permeability and permittivity adjustable.
- EP2200051 The material disclosed in the European patent application published under the number EP2200051 can, for example, be used in the context of the present invention to modify the resonance conditions of the conductive element 111.
- the first conductive element is formed by at least one layer of ferromagnetic material whose relative permeability is greater than 10 in the frequency band of interest, for example, for a frequency of 2 GHz, and whose thickness is strictly lower than the skin thickness of this ferromagnetic material.
- This thickness can be of the order of 25 to 80 nm.
- a dielectric layer may be provided between this layer of ferromagnetic material and the ground plane 115 to electrically isolate this layer of the ground plane.
- the composite substrate is made by a stack of thin dielectric layers, magnetic and conductive. This stack makes it possible to modify the resonance conditions of the conductive layer formed by the layer 111.
- the material of the magnetic layers may be a ferromagnetic material used alone or coupled to an antiferromagnetic material.
- this composite material comprises a first stack of several ferromagnetic fine sub-layers superimposed on a thin insulating sub-layer itself superimposed on a second stack of several ferromagnetic fine sub-layers.
- the stack of ferromagnetic fine sublayers may be composed of, for example, a first intermediate sublayer providing the interface between a first ferromagnetic sublayer and a dielectric underlayer, of a ferromagnetic sublayer, an antiferromagnetic sub-layer, a second ferromagnetic sub-layer, and a second intermediate sub-layer.
- the first intermediate sublayer is for example made of ruthenium (Ru), tantalum (Ta) or platinum (Pt). Its thickness may be less than 10 nm.
- the first ferromagnetic sublayer has a thickness less than the skin thickness of the ferromagnetic material and preferably less than half or one third of this skin thickness. Here, its thickness is less than 100 nm and preferably less than 50 or 25 nm. Such a choice of the thickness of the ferromagnetic sublayer limits the magnetic losses of the material.
- this underlayer is made of an alloy of iron and / or cobalt and / or nickel. It may especially be a Cobalt FeCo iron alloy or a FeCoB alloy. Here it is a Fe 65 Co 35 alloy.
- the antiferromagnetic sub-layer is for example made in a manganese alloy and in particular in a manganese and nickel alloy.
- a manganese and nickel alloy for example, here it is a Nikel Magnesium Ni 50 Mn 50 alloy.
- the presence of the antiferromagnetic layer makes it possible to create an exchange coupling so that the material is self-polarized and does not therefore require the presence of an artificial external magnetic field.
- the thickness of this sublayer is less than 100 nm and, for example, less than 50 nm.
- the second ferromagnetic sublayer is for example identical to the first ferromagnetic sublayer.
- the second intermediate sublayer is for example identical to the first sub-layer.
- the insulating underlayer is made of a dielectric material having a relative permittivity greater than 10 and, preferably, greater than 100 in the frequency band of interest, for example at 2 or 3 GHz.
- This sublayer is typically made using a strontium (Sr) oxide and titanium (Ti).
- strontium (Sr) oxide and titanium (Ti) For example, it is titanium strontium (SrTiO 3 ).
- the thickness of the dielectric underlayer is less than 10 ⁇ m or 1 ⁇ m. It is generally thicker than ferromagnetic and antiferromagnetic sublayers.
- the second stack is for example identical to the first stack and will not be described in more detail.
- the conductive element 111 and the dielectric layer separating this element from the ground plane can be replaced by an alternation of thin layers of anisotropic magnetic material with high permeability and thin layers of high-strength dielectric material. permittivity.
- the typical thickness of the thin layers is advantageously between ⁇ / 300 and ⁇ / 100, where ⁇ is the length of the wave emitted or received by the antenna, for example from a few tens to hundreds of nanometers.
- the number of alternations can vary approximately from 1 to 10.
- the antenna 201 comprises a stack of two conductive elements 211 and 213 separated by an intermediate layer 212 and a dielectric layer 214 separating this stack from the ground plane 215. This conductive element contributes to radiate more effectively.
- the conductive element 213 of the top of the stack is for example made of gold and has a horizontal front face exposed to electromagnetic radiation. Its thickness is for example 2 microns.
- the intermediate layer 212 is made of silicon dioxide and acts as an electrical insulation between the two conductive elements. Its thickness is equal to 1 ⁇ m in the example, but the spacing between the first conductive element 211 and the second conductive element 213 may be greater, depending on the desired impedance matching level.
- the dielectric layer 214 may comprise a substrate, for example glass.
- the conductive element 211 is identical to the conductive element of the first embodiment.
- This conductive element may be made of conductive material of high conductivity or may be produced by a thin-film anisotropic magneto-dielectric composite substrate with adjustable permeability and permittivity, as will be seen below.
- the stack of this second embodiment forms, in the example, a rectangular parallelepiped of length L equal to 35 mm, of identical width W, of height H equal to 500 ⁇ m, and disposed on the metal layer 215 forming the plane of mass surmounting a substrate layer 216 - in the example a ROGERS 4003 type substrate mentioned above with a thickness equal to 0.8 mm.
- the resonance frequency of the antenna for the fundamental mode TM 100 is 2.1 GHz.
- a micro-ribbon transmission line 217 ( figure 3 ) is placed below the substrate layer 216 ( figure 3 ) for feeding the antenna through a slot 220 made in the ground plane 215.
- An SMA connector may be used to power the antenna via the end of the transmission line 217.
- the conductive or radiating elements are for example made of a conductive material whose conductivity is greater than 100 S / m and, preferably, greater than 1000 S / m or 1 MS / m.
- the conductivity of the resonant elements 14 is greater than or equal to 5 MS / m.
- the two conductive elements are metallic, and their dimensions in the X and Y directions are unequal. It is said that the antenna then has an asymmetry in its dimensions.
- this antenna can remain identical (for a square antenna) and have an enlarged bandwidth by producing the conductive element 213 of a metallic material and the conductive element 211 into an anisotropic composite substrate.
- the figure 4 illustrates, by curves, the complex permeability of the anisotropic magnetic composite material as a function of the frequency of the signal feeding the antenna.
- the first curve 401 represents the change as a function of the frequency of the permeability along a first axis in the plane of the antenna and the second curve 402 represents the change as a function of the frequency of the permeability of the material along an orthogonal axis the first axis of the curve 401, the two axes being in the plane of the conductive layer.
- the anisotropic character of the material in thin layers results in the presence of different radioelectric properties along the two aforementioned axes, the relative permeability along the first axis being of the order of 200 at a frequency of 2 GHz, while is close to the unit along the second axis.
- the use of such a material to form one of the conductive layers of the antenna makes it possible to obtain two superposed conductive layers (layer 211 and layer 213, cf. figure 2 where the layer 211 is the conductive element 211 which is closest to the ground plane and the layer 213 is the conductive element 213 which receives the electromagnetic wave) square which have equal physical lengths (two layers each having dimensions according to the X and Y directions are equal) but have different electrical lengths, so as to widen the bandwidth.
- the conductive or radiating element 213 on the electromagnetic radiation side may have different dimensions than the conductive element 211.
- anisotropic composite material satisfies the needs of compactness and high integration of the antenna.
- FIGS. 5a and 5b schematically represent two simplified modes of supply of an antenna according to the invention, seen from below.
- the antenna 500 comprises a conductive element 511 in the form of a patch having four edges of which only one of the edges is referenced in these figures.
- a first opening 512a and a second opening 512b of fine rectangular shape are formed in the ground plane 551.
- the first opening 512a extends in a direction forming an angle of between 30 ° and 60 ° with one of the edges 520 of the conductive member 511.
- said opening 512a forms an angle of 45 ° with this edge.
- the second opening 512b extends in a direction forming an angle between -30 ° and + 30 ° with the direction of the first opening 512a.
- the two openings are each located at a maximum distance, equal to one third or even one quarter of the length of the electromagnetic wave, of a wedge 522 of the conductive element 511. They may both be close to each other. the same corner, or each close to a different corner.
- the two openings 512a and 512b are located substantially on the diagonal connecting two opposite corners of the conductive element. They can be on the same diagonal and close to the same corner, or each close to an opposite side to the other. They can also be located on two different diagonals connecting two opposite opposite corners and close to the same edge 520 of the radiating or conductive element 511, or each disposed on these two diagonals close to two opposite edges of the conductive element 511.
- the two openings can also cross and form a midpoint 512c near a corner 522 of the conductive element 511.
- a transmission line 505 of micro-ribbon type is disposed obliquely under the ground plane 551 to feed the conductive element 511.
- This line crosses each opening at an angle between 30 ° and 150 ° with the direction in which extends the opening, the opening being chosen longer as the angle moves away from the value of 90 °.
- This length may be in the range of 1/6 to 1 ⁇ 2 of the width of the radiating element.
- the two openings are close together and form an L-shaped slot 503 formed in the ground plane 551 and placed near a corner 522 of the patch 501.
- the transmission line 505 is arranged obliquely under the patch, at an angle of approximately 45 ° with each of the branches 513a, 513b of the "L", so as to excite the antenna by coupling and cause the two orthogonal modes of propagation separated.
- the transmission line 505 crosses and protrudes, of considerable length, the slot 503 at the angle of the "L", so as to ensure the impedance matching of the antenna.
- this exceeding of the length may be greater than ⁇ / 20.
- the transmission line 505 may intersect the slot 503 at an angle other than 45 °, but preferably in a range of 30 ° to 60 ° with one of the two branches 513a, 513b, so that each of the two modes be sufficiently powered.
- the transmission line is rotated about an axis orthogonal to the plane of the antenna and passing through a midpoint 514 between the outside corner of the "L” and the inside corner of the "L", one must at the same time adapt the length of each of the branches 513a, 513b to compensate for the imbalance generated by the angle different from 45 °.
- the length of this branch should be increased so as to reinforce the mode of propagation due to this branch.
- the antenna of the state of the art needs, to excite two modes different from each other, two excitation ports, each of the ports allows a separate transmission line d bring the excitation to the conductive element.
- the known antenna may have only one transmission line, but in this case, two excitation accesses are necessary to have two modes, and a more bulky power supply circuit.
- the supply is made by contact with a coaxial probe.
- the antenna may comprise a radiating element placed on the surface of a substrate surmounting a ground plane.
- the central core of a coaxial probe is preferably connected to a first axis of symmetry of the radiating element of the antenna (but not at its center), while the central core of a second coaxial probe is connected to a second axis of symmetry of the radiating element of the antenna (but not at its center) so as to excite two different orthogonal modes.
- the radiating element is directly powered by contact with microstrip lines.
- an antenna is fed using a combination of different feed means, among which the use of probes, microstrip lines, or resonant slot.
- FIGS. 6a and 6b respectively the behavior as a function of the frequency of the real part and the imaginary part of the input impedance of an antenna according to the invention.
- a first resonance 611 at the frequency of 2.1 GHz representing the high resonance frequency of the antenna of the invention is observed and a second resonance 612 at a frequency of frequency of 2.04 GHz representing the low resonance frequency of this antenna.
- the two propagation modes will generate two different resonant frequencies suitably positioned relative to each other to form a single operating frequency band, as will be seen below.
- the Figures 7a, 7b and 7c represent, by diagrams, three different types of planar antenna, the Figures 7b and 7c showing simplified antenna diagrams according to the invention.
- W, H, L, Ms are the widths, lengths, heights of the conductive element and Ms one of the axes of propagation of the electromagnetic field
- the first type of antenna illustrated in figure 7a and known from the prior art, comprises a conductive element 701 of square shape and a rectangular slot 711 placed substantially towards the center of this element and made in the ground plane.
- the slot has a length approximately equal to a quarter of the central wavelength of use of the antenna, and a width equal to about one tenth of this wavelength.
- the transmission line feeding the antenna cuts the slot 711, so as to excite the radiating elements of the antenna.
- the two orthogonal modes of propagation, if they exist, are then confused, so that the bandwidth is only equal to 1% (cf. figure 8 ).
- the conductive element has a rectangular shape and the slot is an "L" slot 712 placed near a corner 722 of the radiating element 702.
- the "L” slot 712 comprises a first branch 712a of the "L” parallel to the length of the radiating element and a second branch 712b of the "L” 712b perpendicular to the first branch 712a.
- the corner 712c of the "L" is placed near a corner 722 of the radiating element, substantially on the diagonal connecting this corner 722 to the opposite corner 724 of the radiating element.
- first branch 712a is longer than the second branch 712b, in a ratio substantially equal to the ratio of length L / W between two adjacent sides of the radiating element.
- the antenna 702 does not include anisotropic material in one of its conductive layers; the asymmetrical dimensions of the radiating element, coupled to the unequal dimensions of the two branches of the "L" slot, make it possible to create two orthogonal propagation modes that are separate and close in frequency, as illustrated by FIG. figure 8 , and thus to widen the bandwidth to -6 dB of the antenna, the bandwidth at -6 dB of this antenna being approximately equal to 2.6%.
- the point of the "L" slot which is proximal to the corner 722 of the antenna (in the example, the outer corner 712c of the "L") can be brought closer to the center of the radiating element 702. , but without departing from said corner of this element by a distance greater than one-third of the length of the electromagnetic wave, otherwise the two orthogonal modes will become closer in frequency until they become confused, and thus lose the beneficial effect of the frequency separation of the two modes.
- the midpoint between the outer corner of the "L” and the inside corner of the “L”, hereinafter referred to as the "middle point" of the slot is located on the diagonal connecting two opposite corners of the radiating element and at a distance approximately equal to a quarter of the length of the electromagnetic wave.
- the third type of antenna according to the invention illustrated in Figure 7c , comprises a square shaped radiating element 703 comprising an "L" slot 713 placed near a corner of the conductive element 703.
- the side of this element 703 is approximately equal to half the length of the electromagnetic wave .
- This conductive element 703 is made of a substrate of an anisotropic composite material, for example the material described in relation to the Figures 1 to 3 , allowing to modify, not the physical length of the radiating element, but the electric length of this element in a direction in the plane of this element.
- Permeability is a magnitude that is such that its relationship to specific permeability (or permittivity) gives relative permeability (or permittivity).
- each of the conductive elements of square shape and of the same dimensions leads to a different resonant frequency, the two frequencies being sufficiently close together for the bandwidth of the antenna to be widened.
- the dimensions of the branches 713a, 713b of the slot L are chosen as a function of the permeability of the material in each of the directions corresponding to the branches of the L, and also according to the dimensions of the conductive elements, that is to say their width and length.
- each of the components 713a, 713b of the slot also depends on the position of the transmission line driving the excitation signal to the antenna, as explained above with respect to Figures 5a and 5b .
- the bandwidth at -6 dB of this antenna is approximately equal to 4.3%.
- the width of the bandwidth can be adjusted by adjusting the spacing between the two conductive layers 211, 213 (cf. Fig. 2 ) of the antenna (that is to say between the two radiating elements), the choice of the dimensions of the slot (s) and the choice of the permeability of the anisotropic material.
- An advantage of the second and third type of antenna is that they each require only one access to excite the radiating elements, which facilitates the integration of the antenna in a circuit; indeed, a single transmission line, without additional circuitry is required.
- Another advantage of these antennas is that the use of a single power supply to excite two orthogonal modes of propagation of the electromagnetic field makes it possible to maintain rectilinear polarization insofar as no phase shift is introduced between the two. propagation modes.
- An advantage of the third type of antenna is that the reduction of the electrical length of one of the two conductive layers, thanks to the permeability of the material, contributes to the miniaturization of the antenna because it is no longer necessary to to increase a dimension (cf. figure 7b ) to change the electrical length of a radiating element.
- the broadening of the bandwidth of the antenna can advantageously be used to reduce the physical length of the antenna when a narrow band is sufficient for the intended application.
- the figure 8 represents, via different curves, the reflection coefficient as a function of frequency, for the types of antenna represented in Figures 7a, 7b, 7c .
- a first curve 801 represents the evolution as a function of the modulus frequency of the reflection coefficient, denoted S 11 , of the first type of antenna represented in FIG. figure 7a .
- a single negative peak 811 appears because the two modes of propagation are merged; the propagation conditions being identical on both axes of the antenna.
- a second curve 802 represents the evolution as a function of the frequency of the modulus of the reflection coefficient of the second type of antenna represented in FIG. figure 7b .
- This second curve 802 shows that two negative peaks 821, 822 appear.
- the appearance of the first peak 821, separately from the second peak 822, is due to the elongation of one of the dimensions of the antenna.
- Each of these peaks 821, 822 corresponds to a propagation mode of the electromagnetic wave; two orthogonal propagation modes are therefore separated in frequency, because of the different physical dimensions of the antenna of the figure 7b .
- the bandwidth at -6 dB is much wider than for the first antenna of the figure 7a .
- the parameters of the antenna such as, for example, the dimensions of the slot, the dimensions of the antenna, the spacing between the two conductive layers, are chosen so that the two modes are not too far apart. frequency, otherwise the bandwidth is split into two disjoint parts corresponding to the two peaks 821, 822.
- a third curve 803 represents the evolution as a function of the frequency of the modulus of the reflection coefficient of the third type of antenna represented in FIG. Figure 7c . As on the second curve 802, it is found on this third curve 803 that two negative peaks 831, 832 appear.
- the appearance of the first peak 831, separately from the second peak 832, is due to the use of an anisotropic magnetic material modifying the resonance conditions in a direction of the antenna.
- the two curves 802 and 803 have a plateau approximately around a frequency close to 2 GHz and which is at -6 dB. This plateau can be lowered to values below -6 dB, for example at -10 dB (corresponding to the value of the bandwidth for certain communication standards), by playing on the parameters such as the composition and the dimensions of the conductive elements. or radiating, the provisions of the slot and the transmission line between them and their respective geometry, and the disposition of the slot relative to a corner of one of the radiating elements.
- the figure 9 shows a curve 901 representing the radiation efficiency of the antenna of the Figure 7c depending on the frequency of the excitation signal of this antenna. It appears that the antenna of the figure 9 reveals a strong disparity as a function of frequency.
- the conductivity of the anisotropic material plays an important role in the performance of the antenna, since depending on the quality of the conductive element produced by this material, a different efficiency is obtained.
- the efficiency is very good at the high resonance frequency which corresponds to the mode not solicited by the anisotropic material. It is however less important when one goes towards the low resonant frequency. This is due to the ohmic losses of the material due to the eddy currents created in the conductive layer by the variation over time of the electromagnetic field.
- one of the advantages of the invention lies in the fact that the polarization of the electromagnetic field is propagating in the antenna according to the invention changes according to the frequency and varies at an angle ranging from 0 ° to 90 °.
- FIGS. 10a and 10b represent simplified diagrams representative of three different cutting planes of the antenna of the invention and the distribution of the electromagnetic field propagating in this antenna.
- the planes P1, P2 and P3 are defined as references to highlight the polarization variations as a function of frequency. They are such that the plane P1 coincides with the plane of the direction X, the plane P3 coinciding with the plane of the direction Y, the plane P2 being situated between the two.
- the planes P1 and P2 define between them an angle equal to the angle ⁇ and the plane P3 and the plane of the direction Z define an angle equal to angle ⁇ .
- the electromagnetic field in particular the component E of the field has two components, one E ⁇ along the horizontal plane including the angle ⁇ and ⁇ E is the vertical plane comprising the ⁇ angle.
- the polarization mode of the electromagnetic field chosen in this example is the rectilinear polarization.
- Other polarizations may be envisaged, such as elliptical polarization or circular polarization, for example.
- the plane P1 we find the low resonance frequency of the antenna corresponding to the propagation mode of the electromagnetic field propagating in the antenna provided with the anisotropic material.
- the plane P3 we find the high resonant frequency of the antenna corresponding to the mode of propagation of the field propagating in the antenna without the influence of the anisotropic material (which intervenes only on a single direction).
- the two modes of propagation of the field coexist.
- an axial ratio is defined which is, for an elliptical polarization, the ratio between the major axis of the ellipse on the minor axis of this ellipse. If one approximates the elliptic polarization by a rectilinear polarization, this ratio is worth either 0 or infinity all depends on the axis on which one is placed.
- the figures 11 a to 12b show the evolution as a function of the frequency of the axial ratio of the electromagnetic field propagating in the antenna according to the invention.
- the axial ratio for the plane P1 is low for the high resonance frequency of the antenna and then increases as one approaches the low resonance frequency of the antenna.
- the ratio for plane P3 decreases as the frequency decreases from the high resonance frequency to the low resonant frequency.
- a common point exists between the two axial ratios of the planes P1 and P3 and corresponds to a point for which this ratio is zero. This point is located between the two frequencies, where the two components E ⁇ and E ⁇ are equal. This common point corresponds to an angle ⁇ 45 °.
- This angle alpha is defined by the angle between the plane P1 and the direction of the field E, in other words according to a first axis 1211 orthogonal to the direction of propagation of the field and the axis 1221 of the electromagnetic field of the signal propagated in the antenna ( figure 12b ).
- FIGS 13a to 13i represent variants of the embodiments of the antenna according to the invention. These variants have been partly described in relation to Figures 5a, 5b and 7b and 7c .
- the two openings can come together to make a single "T” slot, as shown in the illustration. figure 13a , or an "L” slot, as shown on the figure 13d , but whose branches 712a, 713a and 712b and 713b are symmetrical with respect to the branches of the slot illustrated on the Figures 7b and 7c .
- a geometry of the radiating element in ellipse as illustrated on the figure 13i allows to have only one slot for the excitation of the orthogonal modes. Indeed, here the ellipse has two distinct dimensions (a major axis and a small axis), so it is possible to have only one slot instead of two openings.
- This slot can have any geometry, provided to respect the position of the slot according to the invention. In the example of the figure 13i this slot has the shape of an arc.
- each radiating element may be a square pellet, orthogonal, diamond-shaped or a dipole.
- this shape has an axis of symmetry with respect to an axis orthogonal to the plane in which the essential of this radiating element extends.
- the second stack and the dielectric underlayer of the radiating element 111, 211 are omitted.
- the conductive or radiating element consists of a single thin sublayer of ferromagnetic material whose thickness is less than the skin thickness of this ferromagnetic material.
- the dielectric may be an oxide of barium (Ba) and titanium (Ti), in particular barium titanium BaTiO 3 , hafnium oxide (Hf), in particular HfO 2 , or tantalum (Ta), especially Ta 2 O 5 (ferroelectric).
- Perovskites are preferred, such as BaTiO 3 or SrTiO 3 for example, which have a higher relative permittivity (of the order of 100 versus 10 for barium or hafnium oxides at 2 or 3 GHz).
- antiferromagnetic layer such as a PtMn or IrMn alloy and more generally any manganese-based alloy or iron oxides or cobalt or nickel.
- the alloys CoFeB, FeN and CoFeN will be preferred, but other materials are possible, especially all the alloys combining two or three of the elements chosen from iron, cobalt and nickel. These alloys may optionally be doped, for example boron or nitrogen. They may also be associated with other elements such as Al, Si, Ta, Hf, Zr.
- the radiating conductor 213 may be a single wire.
- At least two antennas according to the invention can be grouped together in an antenna array for any type of communication system to increase the efficiency of the radiation as well as the gain of the antenna.
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Description
La présente invention concerne une antenne planaire à bande passante élargie. Elle s'applique notamment aux terminaux de communications mobiles.The present invention relates to a planar antenna with an enlarged bandwidth. It applies in particular to mobile communication terminals.
L'invention s'applique, par exemple, pour des antennes planaires hyperfréquences à bande passante élargie.The invention applies, for example, to microwave planar antennas with an enlarged bandwidth.
De nombreux appareils, notamment les téléphones portables, utilisent une antenne en technologie micro ruban planaire pour leur structure souple et facilement intégrable.Many devices, including mobile phones, use a planar micro-ribbon antenna for their flexible and easily integrable structure.
Cependant, cette antenne doit répondre à certains critères tels qu'avoir une bande passante large, un fort gain, un encombrement réduit et qu'elle soit à faible coût pour l'intégrer dans ces appareils. Ces critères souvent ne peuvent pas être respectés en même temps, notamment pour la bande passante, le bon rendement (fort gain) et l'encombrement réduit. En particulier, pour avoir un bon rendement, la bande passante de cette antenne est généralement faible, de l'ordre de 5%.However, this antenna must meet certain criteria such as having a wide bandwidth, a high gain, a small footprint and it is low cost to integrate in these devices. These criteria often can not be met at the same time, especially for bandwidth, good performance (high gain) and reduced footprint. In particular, to have a good performance, the bandwidth of this antenna is generally low, of the order of 5%.
Plusieurs techniques basées sur la modification de la géométrie de l'antenne ont été proposées pour élargir la bande passante au détriment de l'encombrement de l'antenne. D'autres techniques reposent sur l'utilisation de substrats diélectriques à perte, l'insertion de fentes sur l'élément rayonnant, l'utilisation du contexte proche, et l'utilisation de matériaux ayant des surfaces à haute impédance.Several techniques based on the modification of the geometry of the antenna have been proposed to widen the bandwidth to the detriment of the size of the antenna. Other techniques rely on the use of lossy dielectric substrates, the insertion of slots on the radiating element, the use of the near context, and the use of materials having high impedance surfaces.
Le document de l'art antérieur
Un exemple d'une telle antenne est donné par l'article
Dans cet article, il est décrit une antenne patch, comprenant un premier élément rayonnant disposé au dessus d'un plan de masse et excité sur son mode fondamental par une sonde coaxiale, et un deuxième élément rayonnant disposé au dessus du premier élément et excité par le premier élément rayonnant par couplage capacitif de sorte que les courants s'épanouissent dans le premier élément rayonnant et excitent à leur tout le deuxième élément. Des plots métalliques permettent la connexion entre les différentes couches séparées entre elles par une couche d'air faisant office de diélectrique pour isoler électriquement les couches conductrices l'une de l'autre.In this article, there is described a patch antenna, comprising a first radiating element disposed above a ground plane and excited in its fundamental mode by a coaxial probe, and a second radiating element disposed above the first element and excited by the first radiating element by capacitive coupling so that the currents bloom in the first radiating element and excite to their all the second element. Metal studs allow the connection between the different layers separated from each other by a layer of air making office of dielectric to electrically isolate the conductive layers from each other.
Dans cet article, les deux éléments rayonnants n'ont pas la même taille, le deuxième élément rayonnant est plus grand que le premier élément rayonnant. Il en résulte une création de deux bandes de fréquences séparées.In this article, the two radiating elements do not have the same size, the second radiating element is larger than the first radiating element. This results in a creation of two separate frequency bands.
La bande passante d'une telle antenne est augmentée par rapport à une structure classique mais au détriment de la taille de cette antenne qui est volumineuse. Il en résulte que ce type d'antennes est très difficilement intégrable car on obtient une épaisseur de l'antenne relativement grande pour les besoins de l'intégration dans un objet communiquant.The bandwidth of such an antenna is increased compared to a conventional structure but at the expense of the size of this antenna which is bulky. As a result, this type of antenna is very difficult to integrate because a relatively large antenna thickness is obtained for the purposes of integration into a communicating object.
Un des buts de l'invention est de pallier tout ou partie des inconvénients des antennes de l'état de la technique en proposant une antenne qui présente à la fois une bande passante élargie et un encombrement moindre par rapport aux antennes connues de l'art antérieur.One of the aims of the invention is to overcome all or part of the disadvantages of antennas of the state of the art by proposing an antenna which has both an enlarged bandwidth and a smaller footprint compared to antennas known in the art prior.
Un objet de l'invention est de proposer une antenne qui a un bon rendement, autrement dit une efficacité de rayonnement améliorée.An object of the invention is to provide an antenna which has a good performance, ie an improved radiation efficiency.
Un autre objet de l'invention est de proposer une antenne en couches minces en technologie planaire réduisant aussi son encombrement de manière à pouvoir l'intégrer dans un réseau d'antennes ou tout système de communication.Another object of the invention is to provide a thin-film antenna in planar technology also reducing its size so as to integrate it into an antenna network or any communication system.
Un autre objet de l'invention est de proposer une antenne bi-mode, autrement dit deux modes de polarisation du champ électromagnétique se propageant dans l'antenne, avec deux fréquences de résonance proches obtenues grâce à un dispositif d'alimentation/excitation simple.Another object of the invention is to propose a dual-mode antenna, in other words two modes of polarization of the electromagnetic field propagating in the antenna, with two close resonance frequencies obtained thanks to a simple power supply / excitation device.
Un autre objet de l'invention est de proposer une antenne avec les deux modes de polarisation orthogonaux entre eux, dont l'orientation résultante du champ électromagnétique évolue en fonction de la fréquence.Another object of the invention is to propose an antenna with the two polarization modes orthogonal to each other, whose resulting orientation of the electromagnetic field changes as a function of frequency.
Un autre objet de l'invention est de proposer une antenne ayant une impédance d'entrée compatible avec une adaptation correcte aux dispositifs hyperfréquences.Another object of the invention is to propose an antenna having an input impedance compatible with a correct adaptation to the microwave devices.
Un autre objet de l'invention est de proposer une antenne simple de réalisation et à faible coût favorable à une production industrielle en masse.Another object of the invention is to provide a simple antenna of realization and low cost favorable to a mass industrial production.
A cet effet, l'invention a pour objet une antenne planaire adaptée à transmettre ou recevoir une onde électromagnétique, l'antenne comprenant au moins un premier élément conducteur disposé au dessus d'un plan de masse et séparé de ce dernier, des moyens d'excitation dudit au moins premier élément conducteur configurés pour exciter deux modes de propagation (en particulier deux modes résonants) orthogonaux distincts, caractérisée en ce que ledit au moins premier élément conducteur est réalisé par un substrat comportant au moins une couche mince d'un matériau anisotrope à perméabilité relative supérieure à 10 pour 2 GHz.For this purpose, the invention relates to a planar antenna adapted to transmit or receive an electromagnetic wave, the antenna comprising at least a first conductive element disposed above a ground plane and separated from the latter, means for excitation of said at least first conductive element configured to excite two distinct orthogonal propagation modes (in particular two resonant modes), characterized in that said at least first conductive element is formed by a substrate comprising at least one thin layer of a material anisotropic with relative permeability greater than 10 for 2 GHz.
Selon un mode de réalisation de l'antenne selon l'invention, au moins une fente est formée dans le plan de masse et permet au dit au moins un premier élément conducteur d'être alimenté par couplage électromagnétique par au moins une ligne de transmission, ladite au moins une fente étant réalisée par une première ouverture s'étendant selon une direction formant un premier angle compris entre 30° et 60° avec la direction de la ligne de transmission, et par une deuxième ouverture s'étendant selon une direction formant un deuxième angle compris entre -30° et +30° avec la direction de la première ouverture.According to one embodiment of the antenna according to the invention, at least one slot is formed in the ground plane and allows said at least one conductive element to be electromagnetically coupled by at least one transmission line, said at least one slot being formed by a first opening extending in a direction forming a first angle of between 30 ° and 60 ° with the direction of the transmission line, and by a second opening extending in a direction forming a second angle between -30 ° and + 30 ° with the direction of the first opening.
Un avantage d'une antenne selon l'invention réside dans le fait que grâce à la présence d'un matériau anisotrope en couche mince et/ou à la disposition des ouvertures par rapport à un bord de l'élément conducteur ou rayonnant et à leur disposition entre elles, on force le champ électromagnétique dans l'antenne à se propager selon deux modes de propagation orthogonaux entre eux, distincts et proches, amenant l'antenne à avoir une seule et unique bande plus élargie par rapport à la bande passante des antennes connues, sans complexifier la structure et l'encombrement de l'antenne. On crée ainsi une antenne bi-mode (ou dual mode en anglais).An advantage of an antenna according to the invention lies in the fact that by virtue of the presence of an anisotropic material in a thin layer and / or at the arrangement of the openings with respect to an edge of the conducting or radiating element and their arrangement between them, it forces the electromagnetic field in the antenna to propagate in two orthogonal modes of propagation between them, separate and close, causing the antenna to have a single and single band wider in relation to the bandwidth of the antennas known, without complicating the structure and size of the antenna. This creates a dual mode antenna (or dual mode in English).
Les modes de réalisation de cette antenne planaire peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- chaque ouverture comprend un point proximal à un coin dudit au moins un premier élément conducteur situé à une distance maximale dudit coin sensiblement égale au tiers de la longueur de l'onde électromagnétique, avantageusement sensiblement égale au quart de cette longueur ;
- le point proximal est situé sensiblement sur la diagonale reliant ledit coin au coin opposé dudit au moins un premier élément conducteur ;
- ladite au moins une ligne de transmission croise chaque ouverture avec un angle compris entre 30° et 150° avec la direction dans laquelle s'étend l'ouverture ;
- ledit au moins un premier élément conducteur présente des dimensions différentes selon deux directions orthogonales (X, Y) ;
- ledit au moins premier élément conducteur est réalisé par un substrat comportant au moins une couche mince d'un matériau anisotrope à perméabilité relative supérieure à 10 pour 2 GHz ;
- le substrat peut comprendre en outre au moins une couche mince d'un matériau diélectrique à permittivité relative supérieure à 10 pour 2 GHz ;
- le substrat peut comprendre un empilement d'au moins une couche mince en matériau anisotrope et d'au moins une couche mince en matériau diélectrique alternées, l'épaisseur de la couche mince étant située entre λ/500 et λ/300 ;
- ledit au moins premier élément conducteur présente des dimensions égales selon deux directions orthogonales X, Y, avantageusement égales à la moitié de la longueur de l'onde électromagnétique ;
- l'antenne peut comprendre au moins un deuxième élément conducteur situé au dessus dudit au moins premier élément conducteur et séparé de ce dernier par une couche intermédiaire ;
- ledit au moins un premier élément conducteur et ledit au moins un deuxième élément conducteur ont les mêmes dimensions ;
- les ouvertures sont rapprochées pour ne former qu'une seule fente, et ladite au moins une ligne de transmission est disposée en regard de cette fente de manière à produire un couplage électromagnétique, à travers la première ouverture et à travers la deuxième ouverture, avec lesdits au moins un premier et un deuxième éléments conducteurs ;
- ladite seule fente forme un « L » et la ligne de transmission est disposée en regard du coin dudit « L » pour former, dans le plan desdits au moins éléments conducteurs, un angle compris entre 30° et 60° avec chacun des deux axes du « L », avantageusement un angle de 45°.
- each opening comprises a point proximal to a corner of said at least one first conductive element located at a maximum distance from said wedge substantially equal to one-third of the length of the electromagnetic wave, advantageously substantially equal to a quarter of this length;
- the proximal point is located substantially on the diagonal connecting said corner to the opposite corner of said at least one conductive element;
- said at least one transmission line crosses each opening at an angle of between 30 ° and 150 ° with the direction in which the opening extends;
- said at least one conductive element has different dimensions in two orthogonal directions (X, Y);
- said at least first conductive element is made of a substrate comprising at least one thin layer of anisotropic material with relative permeability greater than 10 at 2 GHz;
- the substrate may further comprise at least one thin layer of a dielectric material with relative permittivity greater than 10 for 2 GHz;
- the substrate may comprise a stack of at least one thin layer of anisotropic material and at least one thin layer of alternating dielectric material, the thickness of the thin layer being between λ / 500 and λ / 300;
- said at least first conductive element has equal dimensions in two orthogonal directions X, Y, advantageously equal to half the length of the electromagnetic wave;
- the antenna may comprise at least one second conductive element situated above said at least first conductive element and separated from the latter by an intermediate layer;
- said at least one first conductive element and said at least one second conductive element have the same dimensions;
- the apertures are brought together to form a single slot, and said at least one transmission line is disposed opposite said slot so as to produce electromagnetic coupling, through the first aperture and through the second aperture, with said at least first and second conductive elements;
- said single slot forms an "L" and the transmission line is arranged facing the corner of said "L" to form, in the plane of said at least one conductive element, an angle of between 30 ° and 60 ° with each of the two axes of the "L", advantageously an angle of 45 °.
Ces modes de réalisation présentent en outre les avantages suivants :
- l'utilisation des deux ouvertures à des positions situées au tiers, voire au quart de la longueur de l'onde électromagnétique émise ou reçue, ou l'utilisation de la fente en « L » dans l'alignement d'un coin d'un des éléments conducteurs ou rayonnants, permet d'exciter deux modes de propagation du champ électromagnétique de l'antenne ;
- l'utilisation, pour un des éléments conducteurs, d'un substrat composite magnéto-diélectrique anisotrope multi-alternances à perméabilité et permittivité relatives réglables, en particulier supérieures à 10 pour 2GHz, permet d'accroître la bande passante de l'antenne planaire tout en contribuant à sa miniaturisation ;
- l'utilisation d'une fente en « L » dans l'alignement d'un coin d'un des éléments conducteurs constitué un dispositif d'alimentation/excitation simple de réalisation et permet de n'avoir qu'un seul accès pour exciter les deux modes de propagation orthogonaux du champ électromagnétique dans l'antenne afin de maintenir un type de polarisation voulu ;
- isoler électriquement les éléments rayonnants ou conducteurs du plan de masse permet d'éviter de réaliser des plots verticaux reliant ces éléments au plan de masse ce qui simplifie la fabrication de l'antenne planaire et contribue également à la miniaturisation de l'antenne ;
- faire tourner la polarisation du champ électromagnétique en fonction de la fréquence d'un angle pouvant aller de 0° à 90°.
- the use of the two openings at positions one-third to one-quarter of the length of the electromagnetic wave emitted or received, or the use of the "L" slot in alignment with a corner of a conducting or radiating elements, makes it possible to excite two propagation modes of the electromagnetic field of the antenna;
- the use, for one of the conductive elements, of a multi-alternating anisotropic magneto-dielectric composite substrate with adjustable permeability and relative permittivity, in particular greater than 10 for 2 GHz, makes it possible to increase the bandwidth of the planar antenna while contributing to its miniaturization;
- the use of an "L" slot in the alignment of a corner of one of the conductive elements is a device for supply / excitation simple realization and allows to have only one access to excite the two orthogonal propagation modes of the electromagnetic field in the antenna to maintain a desired type of polarization;
- electrically isolating the radiating elements or conductors of the ground plane avoids making vertical studs connecting these elements to the ground plane which simplifies the manufacture of the planar antenna and also contributes to the miniaturization of the antenna;
- rotate the polarization of the electromagnetic field according to the frequency of an angle ranging from 0 ° to 90 °.
D'autres caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description détaillée donnée à titre d'exemple et non limitative qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent :
- la
figure 1 , une représentation en perspective d'un premier mode de réalisation d'une antenne selon l'invention ; - les
figures 2 sont une représentation en perspective et en coupe respectivement d'un deuxième mode de réalisation de l'antenne selon l'invention ;et 3 - la
figure 4 , des courbes représentant l'évolution en fonction de la fréquence, la perméabilité complexe d'un matériau anisotrope utilisé pour former un des éléments conducteurs de l'antenne pour modifier les conditions de résonance selon une seule direction de l'antenne ;
- les
figures 5a, 5b , une représentation schématique simplifiée d'exemples de modes d'alimentation d'une antenne selon l'invention ; - les
figures 6a et 6b , respectivement la partie réelle et la partie imaginaire de l'impédance d'entrée d'une antenne selon l'invention ; - les
figures 7a, 7b et 7c , des schémas simplifiés représentant trois types d'antenne différents, le premier type de lafigure 7a étant connu de l'art antérieur ; - la
figure 8 , des courbes représentant le coefficient de réflexion en fonction de la fréquence, pour les types d'antenne représentés enfigures 7a, 7b, 7c ; - la
figure 9 , une courbe représentant l'efficacité de rayonnement de l'antenne de lafigure 7c en fonction de la fréquence ; - les
figures 10a et 10b , des schémas représentatifs de trois différents plans de coupe et de la distribution du champ électromagnétique se propageant dans l'antenne selon l'invention ; - les
figures 11 a et 11 b, l'évolution du rapport axial des composantes du champ électromagnétique en fonction de la fréquence ; - les
figures 12a et 12b , l'évolution de l'angle alpha entre un plan de coupe et une direction du champ électromagnétique en fonction de la fréquence - les
figures 13a à 13i , des exemples selon des schémas simplifiés de l'antenne de l'invention, selon la géométrie de l'antenne et la position de la fente (ou des ouvertures) par rapport à un bord de l'antenne.
- the
figure 1 , a perspective representation of a first embodiment of an antenna according to the invention; - the
Figures 2 and 3 are a representation in perspective and in section respectively of a second embodiment of the antenna according to the invention; - the
figure 4 , curves representing the evolution as a function of frequency, the complex permeability of an anisotropic material used to form one of the conductive elements of the antenna to modify the resonance conditions in a single direction of the antenna;
- the
Figures 5a, 5b , a simplified schematic representation of examples of feeding modes of an antenna according to the invention; - the
Figures 6a and 6b respectively the real part and the imaginary part of the input impedance of an antenna according to the invention; - the
Figures 7a, 7b and 7c , simplified diagrams representing three different types of antenna, the first type of thefigure 7a being known from the prior art; - the
figure 8 , curves representing the reflection coefficient as a function of frequency, for the types of antenna represented inFigures 7a, 7b, 7c ; - the
figure 9 , a curve representing the radiation efficiency of the antenna of theFigure 7c according to the frequency; - the
Figures 10a and 10b representative diagrams of three different section planes and the distribution of the electromagnetic field propagating in the antenna according to the invention; - the
figures 11 a and 11b, the evolution of the axial ratio of the components of the electromagnetic field as a function of frequency; - the
Figures 12a and 12b , the evolution of the alpha angle between a section plane and a direction of the electromagnetic field as a function of the frequency - the
Figures 13a to 13i , examples according to simplified diagrams of the antenna of the invention, according to the geometry of the antenna and the position of the slot (or openings) with respect to an edge of the antenna.
Pour des commodités de représentation, les figures ne sont pas à l'échelle notamment en ce qui concerne les épaisseurs ainsi que les tailles des ouvertures.For convenience of representation, the figures are not to scale especially with regard to the thicknesses as well as the sizes of the openings.
Dans cette description, les figures sont orientées par rapport à un repère XYZ comportant deux directions horizontales orthogonales X et Y et une direction verticale Y. Les termes « haut » / « bas », au-dessus » / « au-dessous », « sur » / « sous » sont définis par rapport à cette direction Z.In this description, the figures are oriented with respect to a reference XYZ comprising two orthogonal horizontal directions X and Y and a vertical direction Y. The terms "up" / "down", above "/" below "," on "/" under "are defined with respect to this direction Z.
Dans la suite de la description, les caractéristiques et les fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détail.In the following description, the features and functions well known to those skilled in the art are not described in detail.
Dans la
L'antenne 101 de l'invention est une antenne planaire micro ruban, apte à émettre et/ou à recevoir des ondes électromagnétiques à une fréquence de travail fT correspondant à une longueur d'onde λT. Typiquement, la fréquence fT est comprise entre 100 MHz et 100 GHz et, de préférence, entre 1 GHz et 10 GHz.The
L'antenne planaire 101, de préférence en technologie micro ruban, émet essentiellement des ondes électromagnétiques dans le demi-espace supérieur au plan XY. Ici, la direction principale d'émission/réception est perpendiculaire au plan XY et confondue avec la direction Z.The
Ici, l'antenne 101 comprend un empilement, selon la direction Z, de différentes couches s'étendant essentiellement dans un plan horizontal.Here, the
L'empilement comporte un premier élément conducteur ou rayonnant 111 disposé au dessus d'un plan de masse 115, ou un substrat ayant pour fonction la masse. Dans le cas particulier décrit ici, le premier élément conducteur se présente sous la forme d'une plaque horizontale, de préférence sensiblement rectangulaire ou sensiblement carrée, mais peut avoir d'autres géométries comme on le verra plus loin.The stack comprises a first conductive or radiating
Dans ce mode de réalisation, le premier élément conducteur 111 présente une face avant horizontale exposée aux rayonnements électromagnétiques.In this embodiment, the first
Pour isoler électriquement le premier élément conducteur 111 et le plan de masse 115, ces deux derniers sont séparés par une couche diélectrique ou un substrat 116 d'une hauteur h correspondant à l'épaisseur de cette couche qui est par exemple de l'ordre de 500 à 700 µm.To electrically isolate the first
Le substrat 116 peut être dans l'exemple une couche mince diélectrique de type ROGERS commercialisé sous la marque ROGERS 4003 de permittivité relative égale à 3.55 et d'épaisseur égale à 0.8 mm. Le plan de masse 115 peut être réalisé en cuivre et peut avoir une épaisseur de plusieurs micromètres, par exemple, de 9 µm à plusieurs mm.In the example, the
Une ligne de transmission micro ruban est placée en dessous du plan de masse 115 pour alimenter le premier élément conducteur ou rayonnant 111 à travers une fente 120 pratiquée dans le plan de masse 115.A micro-ribbon transmission line is placed below the
Ici, la ligne de transmission peut être une ligne micro ruban imprimée sur un substrat du type ROGERS 4003 et d'impédance caractéristique égale à 50 ohms. Les dimensions de cette ligne peuvent être déterminées à partir de l'épaisseur et la permittivité du substrat, par exemple, elles peuvent être de largeur de 1,2 mm et de longueur de 6cm.Here, the transmission line may be a micro ribbon line printed on a ROGERS 4003 type substrate and with a characteristic impedance of 50 ohms. The dimensions of this line can be determined from the thickness and the permittivity of the substrate, for example, they can be 1.2 mm wide and 6 cm long.
Une couche formant substrat, non représentée, peut être prévue entre le plan de masse 115 et la ligne de transmission 117 pour la maintenir au dessous de ce plan et de l'isoler électriquement de ce dernier.A substrate layer, not shown, may be provided between the
Le plan de masse 115 isole la ligne de transmission 117 de l'élément rayonnant 111 et limite l'interférence du rayonnement parasite sur le diagramme de rayonnement de l'antenne offrant ainsi une pureté de polarisation.The
De manière connue, la ligne de transmission, les paramètres électriques et les dimensions des différentes couches composant l'antenne ainsi que la taille de la fente sont utilisés pour optimiser l'antenne.In a known manner, the transmission line, the electrical parameters and the dimensions of the various layers composing the antenna as well as the size of the slot are used to optimize the antenna.
Selon l'invention, la position de la fente 120 par rapport à l'élément conducteur ainsi que sa forme ont une incidence sur les performances de l'antenne, en particulier sa bande passante, comme on le verra plus loin.According to the invention, the position of the
Selon le premier mode de réalisation de l'invention, le premier élément conducteur ou rayonnant 111 est réalisé par un substrat composite magnéto-diélectrique anisotrope en couche mince et à perméabilité et permittivité réglables.According to the first embodiment of the invention, the first conductive or radiating
Le matériau divulgué dans la demande de brevet européen publiée sous le numéro
Plus particulièrement, le premier élément conducteur est réalisé par au moins une couche en matériau ferromagnétique dont la perméabilité relative est supérieure à 10 dans la bande de fréquence d'intérêt, par exemple, pour une fréquence de 2 GHz, et dont l'épaisseur est strictement inférieure à l'épaisseur de peau de ce matériau ferromagnétique. Cette épaisseur peut être de l'ordre de 25 à 80 nm.More particularly, the first conductive element is formed by at least one layer of ferromagnetic material whose relative permeability is greater than 10 in the frequency band of interest, for example, for a frequency of 2 GHz, and whose thickness is strictly lower than the skin thickness of this ferromagnetic material. This thickness can be of the order of 25 to 80 nm.
Une couche diélectrique peut être prévue entre cette couche en matériau ferromagnétique et le plan de masse 115 pour isoler électriquement cette couche du plan de masse.A dielectric layer may be provided between this layer of ferromagnetic material and the
Il est également possible que le substrat composite soit réalisé par un empilement de couches minces diélectriques, magnétiques et conductrices. Cet empilement permet de modifier les conditions de résonance de la couche conductrice formée par la couche 111.It is also possible that the composite substrate is made by a stack of thin dielectric layers, magnetic and conductive. This stack makes it possible to modify the resonance conditions of the conductive layer formed by the
Le matériau des couches magnétique peut être un matériau ferromagnétique utilisé seul ou couplé à un matériau antiferromagnétique.The material of the magnetic layers may be a ferromagnetic material used alone or coupled to an antiferromagnetic material.
Par exemple, ce matériau composite comprend un premier empilement de plusieurs sous-couches fines ferromagnétiques superposé sur une sous-couche fine isolante elle-même superposée sur un deuxième empilement de plusieurs sous-couches fines ferromagnétiques.For example, this composite material comprises a first stack of several ferromagnetic fine sub-layers superimposed on a thin insulating sub-layer itself superimposed on a second stack of several ferromagnetic fine sub-layers.
L'empilement de sous-couches fines ferromagnétiques peut être composé, par exemple, d'une première sous-couche intermédiaire assurant l'interface entre une première sous-couche ferromagnétique et une sous-couche diélectrique, d'une sous-couche ferromagnétique, d'une sous-couche antiferromagnétique, d'une deuxième sous-couche ferromagnétique, et d'une deuxième sous-couche intermédiaire.The stack of ferromagnetic fine sublayers may be composed of, for example, a first intermediate sublayer providing the interface between a first ferromagnetic sublayer and a dielectric underlayer, of a ferromagnetic sublayer, an antiferromagnetic sub-layer, a second ferromagnetic sub-layer, and a second intermediate sub-layer.
La première sous-couche intermédiaire est par exemple réalisée en ruthénium (Ru), en tantale (Ta) ou en platine (Pt). Son épaisseur peut être inférieure à 10 nm.The first intermediate sublayer is for example made of ruthenium (Ru), tantalum (Ta) or platinum (Pt). Its thickness may be less than 10 nm.
La première sous-couche ferromagnétique présente une épaisseur inférieure à l'épaisseur de peau du matériau ferromagnétique et, de préférence, inférieure à la moitié ou au tiers de cette épaisseur de peau. Ici, son épaisseur est inférieure à 100 nm et, de préférence, inférieure à 50 ou 25 nm. Un tel choix de l'épaisseur de la sous-couche ferromagnétique limite les pertes magnétiques du matériau.The first ferromagnetic sublayer has a thickness less than the skin thickness of the ferromagnetic material and preferably less than half or one third of this skin thickness. Here, its thickness is less than 100 nm and preferably less than 50 or 25 nm. Such a choice of the thickness of the ferromagnetic sublayer limits the magnetic losses of the material.
Typiquement, cette sous-couche est réalisée dans un alliage de fer et/ou de cobalt et/ou de nickel. Il peut notamment s'agir d'un alliage fer Cobalt FeCo ou d'un alliage FeCoB. Ici, il s'agit d'un alliage Fe65Co35.Typically, this underlayer is made of an alloy of iron and / or cobalt and / or nickel. It may especially be a Cobalt FeCo iron alloy or a FeCoB alloy. Here it is a Fe 65 Co 35 alloy.
La sous-couche antiferromagnétique est par exemple réalisée dans un alliage de manganèse et notamment dans un alliage de manganèse et de nickel. Par exemple, ici, il s'agit d'un alliage Nikel Magnésium Ni50Mn50. La présence de la couche antiferromagnétique permet de créer un couplage d'échange afin que le matériau soit autopolarisé et ne nécessite donc pas pour cela la présence d'un champ magnétique extérieur artificiel.The antiferromagnetic sub-layer is for example made in a manganese alloy and in particular in a manganese and nickel alloy. For example, here it is a Nikel Magnesium Ni 50 Mn 50 alloy. The presence of the antiferromagnetic layer makes it possible to create an exchange coupling so that the material is self-polarized and does not therefore require the presence of an artificial external magnetic field.
Typiquement, l'épaisseur de cette sous-couche est inférieure à 100 nm et, par exemple, inférieure à 50 nm.Typically, the thickness of this sublayer is less than 100 nm and, for example, less than 50 nm.
La deuxième sous-couche ferromagnétique est par exemple identique à la première sous-couche ferromagnétique. De même, la deuxième sous-couche intermédiaire est par exemple identique à la première sous-couche.The second ferromagnetic sublayer is for example identical to the first ferromagnetic sublayer. Similarly, the second intermediate sublayer is for example identical to the first sub-layer.
La sous-couche isolante est réalisée dans un matériau diélectrique présentant une permittivité relative supérieure à 10 et, de préférence, supérieure à 100 dans la bande de fréquences d'intérêt, par exemple à 2 ou 3 GHz. Cette sous-couche est typiquement réalisée à l'aide d'un oxyde de strontium (Sr) et de titane (Ti). Par exemple, il s'agit de titane de strontium (SrTiO3). L'épaisseur de la sous-couche diélectrique est inférieure à 10 µm ou 1 µm. Elle est généralement plus épaisse que les sous-couches ferromagnétiques et antiferromagnétique.The insulating underlayer is made of a dielectric material having a relative permittivity greater than 10 and, preferably, greater than 100 in the frequency band of interest, for example at 2 or 3 GHz. This sublayer is typically made using a strontium (Sr) oxide and titanium (Ti). For example, it is titanium strontium (SrTiO 3 ). The thickness of the dielectric underlayer is less than 10 μm or 1 μm. It is generally thicker than ferromagnetic and antiferromagnetic sublayers.
Le deuxième empilement est par exemple identique au premier empilement et ne sera donc pas décrit plus en détail.The second stack is for example identical to the first stack and will not be described in more detail.
Selon une variante de ce mode de réalisation, l'élément conducteur 111 et la couche diélectrique séparant cet élément du plan de masse peuvent être remplacées par une alternance de couches minces en matériau magnétique anisotrope à forte perméabilité et de couches minces en matériau diélectrique à forte permittivité.According to a variant of this embodiment, the
L'épaisseur typique des couches minces est avantageusement située entre λ/300 et λ/100, λ étant la longueur de l'onde émise ou reçue par l'antenne, par exemple, de quelques dizaines à centaines de nanomètres.The typical thickness of the thin layers is advantageously between λ / 300 and λ / 100, where λ is the length of the wave emitted or received by the antenna, for example from a few tens to hundreds of nanometers.
Le nombre d'alternances peut approximativement varier de 1 à 10.The number of alternations can vary approximately from 1 to 10.
Selon un deuxième mode de réalisation illustré sur les
L'élément conducteur 213 du dessus de l'empilement est par exemple constitué d'or et présente une face avant horizontale exposée aux rayonnements électromagnétiques. Son épaisseur est par exemple de 2 µm.The
La couche intermédiaire 212 est réalisée en dioxyde de silicium et a pour rôle une isolation électrique entre les deux éléments conducteurs. Son épaisseur est égale à 1 µm dans l'exemple, mais l'espacement entre le premier élément conducteur 211 et le deuxième élément conducteur 213 peut être plus important, selon le niveau d'adaptation d'impédance souhaité.The
La couche diélectrique 214 peut comprendre un substrat, par exemple du verre.The
L'élément conducteur 211 est identique à l'élément conducteur du premier mode de réalisation. Cet élément conducteur peut être réalisé en matériau conducteur de conductivité élevée ou peut être réalisé par un substrat composite magnéto-diélectrique anisotrope en couche mince et à perméabilité et permittivité réglables, comme on le verra plus loin.The
L'empilement de ce deuxième mode de réalisation forme, dans l'exemple, un parallélépipède rectangle de longueur L égale à 35 mm, de largeur W identique, de hauteur H égale à 500 µm, et disposé sur la couche métallique 215 formant le plan de masse surmontant une couche de substrat 216 - dans l'exemple un substrat de type ROGERS 4003 précité d'épaisseur égale à 0,8 mm.The stack of this second embodiment forms, in the example, a rectangular parallelepiped of length L equal to 35 mm, of identical width W, of height H equal to 500 μm, and disposed on the
Comme on le verra plus loin, avec ces dimensions la fréquence de résonance de l'antenne pour le mode fondamental TM100 est de 2.1 GHz.As will be seen below, with these dimensions the resonance frequency of the antenna for the fundamental mode TM 100 is 2.1 GHz.
De la même manière que dans le premier mode de réalisation, une ligne de transmission micro ruban 217 (
Un connecteur SMA peut être utilisé pour alimenter l'antenne via l'extrémité de la ligne de transmission 217.An SMA connector may be used to power the antenna via the end of the
Les éléments conducteurs ou rayonnants sont par exemple réalisés dans un matériau conducteur dont la conductivité est supérieure à 100 S/m et, de préférence, supérieure à 1000 S/m ou 1 MS/m. Ici, la conductivité des éléments résonnants 14 est supérieure ou égale à 5 MS/m.The conductive or radiating elements are for example made of a conductive material whose conductivity is greater than 100 S / m and, preferably, greater than 1000 S / m or 1 MS / m. Here, the conductivity of the resonant elements 14 is greater than or equal to 5 MS / m.
Pour concevoir une antenne à bande passante élargie, les deux éléments conducteurs sont métalliques, et leurs dimensions suivant les directions X et Y sont inégales. On dit que l'antenne présente alors une dissymétrie dans ses dimensions.To design an antenna with an enlarged bandwidth, the two conductive elements are metallic, and their dimensions in the X and Y directions are unequal. It is said that the antenna then has an asymmetry in its dimensions.
Cependant, les dimensions de cette antenne peuvent demeurer identiques (pour une antenne carrée) et avoir une bande passante élargie en réalisant l'élément conducteur 213 en un matériau métallique et l'élément conducteur 211 en un substrat composite anisotrope.However, the dimensions of this antenna can remain identical (for a square antenna) and have an enlarged bandwidth by producing the
La
Il apparaît que le caractère anisotrope du matériau en couches minces se traduit par la présence de propriétés radioélectriques différentes selon les deux axes précités, la perméabilité relative selon le premier axe étant de l'ordre de 200 à une fréquence de 2GHz, tandis qu'elle est proche de l'unité selon le deuxième axe.It appears that the anisotropic character of the material in thin layers results in the presence of different radioelectric properties along the two aforementioned axes, the relative permeability along the first axis being of the order of 200 at a frequency of 2 GHz, while is close to the unit along the second axis.
Par conséquent, l'utilisation d'un tel matériau pour constituer l'une des couches conductrices de l'antenne permet d'obtenir deux couches conductrices superposées (couche 211 et couche 213, cf.
De plus, il en résulte que le matériau composite anisotrope satisfait aux besoins d'une compacité et d'une intégration élevée de l'antenne.In addition, it follows that the anisotropic composite material satisfies the needs of compactness and high integration of the antenna.
Les
Pour faciliter la lecture de ces figures, seul l'élément conducteur 111 ou 211 est représenté.To facilitate the reading of these figures, only the
Selon les
Sur la
Une première ouverture 512a et une deuxième ouverture 512b de forme rectangulaires fines sont pratiquées dans le plan de masse 551.A
La première ouverture 512a s'étend dans une direction formant un angle compris entre 30° et 60° avec un des bords 520 de l'élément conducteur 511. Avantageusement, ladite ouverture 512a forme un angle de 45° avec ce bord.The
La deuxième ouverture 512b s'étend dans une direction formant un angle compris entre -30° et +30° avec la direction de la première ouverture 512a.The
De manière préférentielle, les deux ouvertures sont situées chacune à une distance maximale, égale au tiers voire au quart de la longueur de l'onde électromagnétique, d'un coin 522 de l'élément conducteur 511. Elles peuvent être toutes les deux proches d'un même coin, ou chacune proche d'un coin différent.Preferably, the two openings are each located at a maximum distance, equal to one third or even one quarter of the length of the electromagnetic wave, of a
Les deux ouvertures 512a et 512b sont situées sensiblement sur la diagonale reliant deux coins opposés de l'élément conducteur. Elles peuvent être sur la même diagonale et proches d'un même coin, ou chacune proche d'un côté opposé à l'autre. Elles peuvent également se situer sur deux diagonales différentes reliant deux coins opposés différents et proches d'un même bord 520 de l'élément rayonnant ou conducteur 511, ou chacune disposée sur ces deux diagonales proche de deux bords opposés de l'élément conducteur 511.The two
Les deux ouvertures peuvent également se croiser et former un point médian 512c proche d'un coin 522 de l'élément conducteur 511.The two openings can also cross and form a
De cette manière, on force deux modes de propagation d'un champ électromagnétique à se propager dans l'antenne.In this way, two modes of propagating an electromagnetic field to propagate in the antenna are forced.
La disposition de ces deux ouvertures est contraire à la disposition des ouvertures selon l'état de la technique dans lequel ces ouvertures pratiquées dans le plan de masse sont situées vers le centre de l'élément conducteur ou à une distance égale à la moitié de la longueur de l'onde électromagnétique émise ou reçue par l'antenne, ce qui entraîne une excitation d'un seul mode de propagation ou, s'ils existent, de deux modes de propagation confondus.The arrangement of these two openings is contrary to the arrangement of the openings according to the state of the art in which these openings in the ground plane are located towards the center of the conductive element or at a distance equal to half of the length of the electromagnetic wave emitted or received by the antenna, resulting in excitation of a single propagation mode or, if they exist, two propagation modes combined.
Une ligne de transmission 505 de type micro ruban est disposée en biais sous le plan de masse 551 pour alimenter l'élément conducteur 511. Cette ligne croise chaque ouverture selon un angle compris entre 30° et 150° avec la direction dans laquelle s'étend l'ouverture, l'ouverture étant choisie plus longue à mesure que l'angle s'éloigne de la valeur de 90°. Cette longueur peut être situé dans un intervalle de entre 1/6 à ½ de la largeur de l'élément rayonnant.A
Sur la
Les deux ouvertures sont rapprochées et forment une fente 503 en forme de « L » pratiquée dans le plan de masse 551 et placée près d'un coin 522 du patch 501.The two openings are close together and form an L-shaped
La ligne de transmission 505 est disposée en biais sous le patch, selon un angle d'environ 45° avec chacune des branches 513a ,513b du « L », de manière à exciter l'antenne par couplage et provoquer les deux modes orthogonaux de propagation séparés.The
La ligne de transmission 505 croise et dépasse, d'une longueur non négligeable, la fente 503 au niveau de l'angle du « L », de manière à assurer l'adaptation en impédance de l'antenne. Typiquement, ce dépassement de la longueur peut être supérieur à λ/20.The
La ligne de transmission 505 peut croiser la fente 503 avec un angle différent de 45°, mais de préférence dans une plage de 30° à 60° avec l'une des deux branches 513a, 513b, de manière à ce que chacun des deux modes soit suffisamment alimenté.The
Ainsi, si l'on pivote la ligne de transmission autour d'un axe orthogonal au plan de l'antenne et passant par un point médian 514 entre l'angle extérieur du « L » et l'angle intérieur du « L », on doit dans le même temps adapter la longueur de chacune des branches 513a, 513b pour compenser le déséquilibre engendré par l'angle différent de 45°. Par exemple, si l'angle entre l'une des branches 513a, 513b et la ligne de transmission 505 diminue, il convient d'augmenter la longueur de cette branche, de manière à renforcer le mode de propagation dû à cette branche.Thus, if the transmission line is rotated about an axis orthogonal to the plane of the antenna and passing through a
Un avantage de ce deuxième mode d'alimentation réside dans le fait qu'on n'a besoin que d'un seul accès d'excitation pour amener la ligne de transmission 505 à exciter l'élément conducteur 511. Il en résulte qu'on a un dispositif d'alimentation/d'excitation simple à réaliser.An advantage of this second power mode lies in the fact that only one excitation port is needed to bring the line of
Contrairement à l'invention, l'antenne de l'état de la technique a besoin, pour exciter deux modes différents l'un de l'autre, de deux ports d'excitation, chacun des ports permet à une ligne de transmission distincte d'amener l'excitation à l'élément conducteur. L'antenne connue peut n'avoir qu'une seule ligne de transmission, mais dans ce cas, deux accès d'excitation sont nécessaires pour avoir deux modes, et un circuit d'alimentation plus encombrant.Unlike the invention, the antenna of the state of the art needs, to excite two modes different from each other, two excitation ports, each of the ports allows a separate transmission line d bring the excitation to the conductive element. The known antenna may have only one transmission line, but in this case, two excitation accesses are necessary to have two modes, and a more bulky power supply circuit.
Selon encore un autre mode de réalisation de l'antenne selon l'invention, l'alimentation est effectuée par contact avec une sonde coaxiale. L'antenne peut comprendre un élément rayonnant placé en surface d'un substrat surmontant un plan de masse. L'âme centrale d'une sonde coaxiale est préférablement connectée sur un premier axe de symétrie de l'élément rayonnant de l'antenne (mais pas en son centre), tandis que l'âme centrale d'une deuxième sonde coaxiale est connectée sur un deuxième axe de symétrie de l'élément rayonnant de l'antenne (mais pas en son centre) de manière à exciter deux modes orthogonaux différents.According to yet another embodiment of the antenna according to the invention, the supply is made by contact with a coaxial probe. The antenna may comprise a radiating element placed on the surface of a substrate surmounting a ground plane. The central core of a coaxial probe is preferably connected to a first axis of symmetry of the radiating element of the antenna (but not at its center), while the central core of a second coaxial probe is connected to a second axis of symmetry of the radiating element of the antenna (but not at its center) so as to excite two different orthogonal modes.
Selon encore un autre mode d'alimentation d'une antenne selon l'invention, l'élément rayonnant est directement alimenté par contact avec des lignes microruban.According to yet another mode of feeding an antenna according to the invention, the radiating element is directly powered by contact with microstrip lines.
Selon encore un autre mode d'alimentation d'une antenne selon l'invention, celle-ci est alimentée en utilisant une combinaison de moyens d'alimentation différents, parmi lesquels l'utilisation de sondes, lignes microruban, ou fente résonnante.According to yet another mode of feeding an antenna according to the invention, it is fed using a combination of different feed means, among which the use of probes, microstrip lines, or resonant slot.
Les
On observe sur la courbe 601 montrant la partie réelle de l'impédance d'entrée une première résonnance 611 à la fréquence de 2,1 GHz représentant la fréquence de résonance haute de l'antenne de l'invention et une seconde résonnance 612 à une fréquence de 2,04 GHz représentant la fréquence de résonance basse de cette antenne.On the
Ces deux fréquences de résonances basse et haute sont obtenues grâce à plusieurs paramètres, par exemple, les dimensions des éléments conducteurs, la forme et la position de la fente permettant d'exciter deux modes de propagation fondamentaux orthogonaux entre eux et distincts du champ électromagnétique se propageant dans les éléments rayonnants.These two frequencies of low and high resonances are obtained thanks to several parameters, for example, the dimensions of the conductive elements, the shape and position of the slot for exciting two fundamental propagation modes orthogonal to each other and distinct from the electromagnetic field propagating in the radiating elements.
Le fonctionnement optimal de l'antenne de l'invention est obtenu par le meilleur compromis entre tous ces paramètres.The optimal operation of the antenna of the invention is obtained by the best compromise between all these parameters.
Lorsque la fente est rectangulaire et est située vers le milieu des éléments rayonnants, un seul mode est excité, ou plusieurs différents modes peuvent exister mais sont confondus. En d'autres termes, on ne contrôle pas l'excitation de ces différents modes.When the slot is rectangular and is located towards the middle of the radiating elements, only one mode is excited, or several different modes can exist but are confused. In other words, we do not control the excitation of these different modes.
L'idée de l'invention de concevoir une antenne avec des modes d'alimentation des éléments conducteurs la composant, tels que décrits en relation aux
De plus, grâce au dimensionnement et à la composition des éléments conducteurs, les deux modes de propagation vont générer deux fréquences de résonance différentes convenablement positionnée l'une par rapport à l'autre pour ne former qu'une seule bande de fréquences de fonctionnement, comme on le verra ci-après.In addition, thanks to the design and composition of the conductive elements, the two propagation modes will generate two different resonant frequencies suitably positioned relative to each other to form a single operating frequency band, as will be seen below.
Les
Le premier type d'antenne, illustré en
La fente a une longueur environ égale à un quart de la longueur d'onde centrale d'utilisation de l'antenne, et une largeur égale à environ un dixième de cette longueur d'onde. La ligne de transmission alimentant l'antenne coupe la fente 711, de manière à exciter les éléments rayonnants de l'antenne. Les deux modes orthogonaux de propagation, s'ils existent sont alors confondus, de sorte que la bande passante n'est environ égale qu'à 1% (cf.
Pour le deuxième type d'antenne selon l'invention, illustré en
La fente en « L » 712 comprend une première branche 712a du « L » parallèle à la longueur de l'élément rayonnant et une deuxième branche 712b du « L » 712b perpendiculaire à la première branche 712a.The "L"
Le coin 712c du « L » est placé près d'un coin 722 de l'élément rayonnant, sensiblement sur la diagonale reliant ce coin 722 au coin opposé 724 de l'élément rayonnant.The
En outre, la première branche 712a est plus longue que la deuxième branche 712b, selon un rapport sensiblement égal au rapport de longueur L/W entre deux côtés adjacents de l'élément rayonnant. Autrement dit, plus le côté de l'antenne perpendiculaire à une branche de l'élément rayonnant est long, plus la longueur de cette branche est choisie grande.In addition, the
Dans cet exemple, l'antenne 702 ne comprend pas de matériau anisotrope dans l'une de ses couches conductrices ; les dimensions asymétriques de l'élément rayonnant, couplées aux dimensions inégales des deux branches de la fente en « L » permet de créer deux modes orthogonaux de propagation séparés et proches en fréquence, comme l'illustre la
Il est à noter que le point de la fente en « L » qui est proximal au coin 722 de l'antenne (dans l'exemple, le coin extérieur 712c du « L ») peut être rapprochée du centre de l'élément rayonnant 702, sans toutefois s'éloigner dudit coin de cet élément d'une distance supérieure à un tiers de longueur de l'onde électromagnétique, sous peine de voir les deux modes orthogonaux se rapprocher en fréquence jusqu'à se confondre, et ainsi perdre l'effet bénéfique de la séparation en fréquence des deux modes.It should be noted that the point of the "L" slot which is proximal to the
Avantageusement, le point médian entre l'angle extérieur du « L » et l'angle intérieur du « L », dénommé ci-après « point milieu » de la fente, est situé sur la diagonale reliant deux coins opposés de l'élément rayonnant et à une distance approximativement égale à un quart de la longueur de l'onde électromagnétique.Advantageously, the midpoint between the outer corner of the "L" and the inside corner of the "L", hereinafter referred to as the "middle point" of the slot, is located on the diagonal connecting two opposite corners of the radiating element and at a distance approximately equal to a quarter of the length of the electromagnetic wave.
Le troisième type d'antenne selon l'invention, illustré en
Cet élément conducteur 703 est réalisé en substrat d'un matériau composite anisotrope, par exemple le matériau décrit en relation aux
Par longueur électrique, on entend la longueur physique divisée par la racine carrée du produit de la perméabilité effective avec la permittivité effective du matériau.
La perméabilité (ou la permittivité) effective est une grandeur qui est telle que son rapport avec la perméabilité (ou la permittivité) spécifique donne la perméabilité (ou permittivité) relative.Permeability (or permittivity) is a magnitude that is such that its relationship to specific permeability (or permittivity) gives relative permeability (or permittivity).
En d'autres termes, au lieu de modifier la longueur physique de l'élément conducteur, comme en
Grâce à l'utilisation des propriétés d'anisotropie du matériau, chacun des éléments conducteurs de forme carré et de même dimensions conduit à une fréquence de résonance différente, les deux fréquences étant suffisamment rapprochées pour que la bande passante de l'antenne soit élargie.Thanks to the use of the anisotropic properties of the material, each of the conductive elements of square shape and of the same dimensions leads to a different resonant frequency, the two frequencies being sufficiently close together for the bandwidth of the antenna to be widened.
Aussi, les dimensions des branches 713a, 713b de la fente en L, c'est-à-dire de sa composante verticale 713b et horizontale 713a, sont choisies en fonction de la perméabilité du matériau dans chacune des directions correspondant aux branches du L, et également en fonction des dimensions des éléments conducteurs, c'est-à-dire leur largeur et leur longueur.Also, the dimensions of the
De même, les dimensions de chacune des composantes 713a, 713b de la fente dépend également de la position de la ligne de transmission conduisant le signal d'excitation vers l'antenne, comme expliqué plus haut en regard des
La bande passante à -6dB de cette antenne est environ égale à 4,3%.The bandwidth at -6 dB of this antenna is approximately equal to 4.3%.
Il est à noter que la largeur de la bande passante peut être ajustée via le réglage de l'espacement entre les deux couches conductrices 211, 213 (cf.
Un avantage des deuxième et troisième type d'antenne est qu'ils ne nécessitent chacun qu'un seul accès pour exciter les éléments rayonnants, ce qui facilite l'intégration de l'antenne dans un circuit ; en effet, une seule ligne de transmission, sans circuiterie supplémentaire est requise.An advantage of the second and third type of antenna is that they each require only one access to excite the radiating elements, which facilitates the integration of the antenna in a circuit; indeed, a single transmission line, without additional circuitry is required.
Un autre avantage de ces antennes, est que l'utilisation d'un seul accès d'alimentation pour exciter deux modes orthogonaux de propagation du champ électromagnétique, permet de maintenir une polarisation rectiligne dans la mesure où aucun déphasage n'est introduit entre les deux modes de propagation.Another advantage of these antennas is that the use of a single power supply to excite two orthogonal modes of propagation of the electromagnetic field makes it possible to maintain rectilinear polarization insofar as no phase shift is introduced between the two. propagation modes.
Un autre avantage de ces antennes, illustré plus loin en
Un avantage du troisième type d'antenne est que la réduction de la longueur électrique de l'une des deux couches conductrices, grâce à la perméabilité du matériau, contribue à la miniaturisation de l'antenne car il n'est plus nécessaire d'en augmenter une dimension (cf.
De plus, seule une faible épaisseur d'isolation est nécessaire entre les deux couches conductrices pour supprimer les courants de Foucault, ce qui permet d'obtenir une antenne de très faible épaisseur, donc un encombrement réduit.In addition, only a small thickness of insulation is required between the two conductive layers to remove the eddy currents, which allows to obtain an antenna of very small thickness, so a small footprint.
Corollairement, l'élargissement de la bande passante de l'antenne peut avantageusement être utilisé pour réduire la longueur physique de l'antenne lorsqu'une bande étroite suffit pour l'application visée.As a corollary, the broadening of the bandwidth of the antenna can advantageously be used to reduce the physical length of the antenna when a narrow band is sufficient for the intended application.
La
Une première courbe 801 représente l'évolution en fonction de la fréquence du module du coefficient de réflexion, noté S11, du premier type d'antenne représenté en
Une deuxième courbe 802 représente l'évolution en fonction de la fréquence du module du coefficient de réflexion du deuxième type d'antenne représenté en
L'apparition du premier pic 821, de manière séparée du deuxième pic 822, est due à l'allongement de l'une des dimensions de l'antenne. Chacun de ces pics 821, 822 correspond à un mode de propagation de l'onde électromagnétique ; deux modes de propagation orthogonaux sont donc séparés en fréquence, du fait des dimensions physiques différentes de l'antenne de la
Grâce à l'apparition de ces deux modes orthogonaux séparés, la bande passante à -6dB est nettement plus large que pour la première antenne de la
Il faut que les paramètres de l'antenne tels que, par exemple, les dimensions de la fente, les dimensions de l'antenne, l'espacement entre les deux couches conductrices, soient choisis pour que les deux modes ne soient pas trop éloignés en fréquence, sinon la bande passante est scindée en deux parties disjointes correspondant aux deux pics 821, 822.It is necessary that the parameters of the antenna such as, for example, the dimensions of the slot, the dimensions of the antenna, the spacing between the two conductive layers, are chosen so that the two modes are not too far apart. frequency, otherwise the bandwidth is split into two disjoint parts corresponding to the two
Une troisième courbe 803 représente l'évolution en fonction de la fréquence du module du coefficient de réflexion du troisième type d'antenne représenté en
L'apparition du premier pic 831, de manière séparée du deuxième pic 832, est due à l'utilisation d'un matériau magnétique anisotrope modifiant les conditions de résonance dans une direction de l'antenne.The appearance of the
Deux modes de propagation orthogonaux sont donc séparés en fréquence, grâce à l'utilisation de ce matériau anisotrope. Grâce à l'apparition de ces deux modes orthogonaux séparés, la bande passante à -6dB pour cette troisième antenne est encore plus large que pour la deuxième antenne 702 de la
Cependant, dans ce cas particulier, on note une diminution de la valeur des pics 822, 832 par rapport à la valeur du pic 811 due à la position de l'excitation (fente, ligne de transmission) par rapport aux éléments conducteurs.However, in this particular case, there is a decrease in the value of the
Les deux courbes 802 et 803 présentent un plateau approximativement autour d'une fréquence proche de 2 GHz et qui est à -6 dB. Ce plateau peut être abaissé vers des valeurs inférieures à -6dB, par exemple à -10 dB (correspondant à la valeur de la bande passante pour certains standards de communication), en jouant sur les paramètres tels que la composition et les dimensions des éléments conducteurs ou rayonnants, les dispositions de la fente et de la ligne de transmission entre elles ainsi que leur géométrie respective, et la disposition de la fente par rapport à un coin d'un des éléments rayonnants.The two
Pour évaluer les performances de l'antenne selon l'invention, la
On note que l'efficacité est très bonne à la fréquence de résonance haute qui correspond au mode non sollicité par le matériau anisotrope. Elle est cependant moins importante quand on va vers la fréquence de résonance basse. Ceci est dû aux pertes ohmiques du matériau dues aux courants de Foucault créés dans la couche conductrice par la variation au cours du temps du champ électromagnétique.It is noted that the efficiency is very good at the high resonance frequency which corresponds to the mode not solicited by the anisotropic material. It is however less important when one goes towards the low resonant frequency. This is due to the ohmic losses of the material due to the eddy currents created in the conductive layer by the variation over time of the electromagnetic field.
Comme annoncé plus haut, un des avantages de l'invention, plus particulièrement l'antenne selon le deuxième mode de réalisation pourvu d'un seul accès d'excitation pour la ligne de transmission, réside dans le fait que la polarisation du champ électromagnétique se propageant dans l'antenne selon l'invention évolue en fonction de la fréquence et varie selon un angle allant de 0° à 90°.As announced above, one of the advantages of the invention, more particularly the antenna according to the second embodiment provided with a single excitation access for the transmission line, lies in the fact that the polarization of the electromagnetic field is propagating in the antenna according to the invention changes according to the frequency and varies at an angle ranging from 0 ° to 90 °.
Dans l'état de la technique, deux accès d'excitation conduisent à deux polarisations distinctes du champ électromagnétique. On se rend compte que grâce à l'invention, à savoir avoir un accès d'excitation et deux modes de polarisation orthogonaux, on obtient une polarisation tournante.In the state of the art, two excitation accesses lead to two distinct polarizations of the electromagnetic field. It is realized that, thanks to the invention, namely having an excitation port and two orthogonal polarization modes, a rotating polarization is obtained.
Pour comprendre ce phénomène, nous allons décrire les
Les
Les plans P1, P2 et P3 sont définis comme références pour mettre en évidence les variations de la polarisation en fonction de la fréquence. Ils sont tels que le plan P1 coïncide avec le plan de la direction X, le plan P3 coïncidant avec le plan de la direction Y, le plan P2 étant situé entre les deux.The planes P1, P2 and P3 are defined as references to highlight the polarization variations as a function of frequency. They are such that the plane P1 coincides with the plane of the direction X, the plane P3 coinciding with the plane of the direction Y, the plane P2 being situated between the two.
Plus particulièrement, lorsque le champ électromagnétique est défini en coordonnées polaires ou cylindriques connus, les plans P1 et P2 définissent entre eux un angle égal à l'angle ϕ et le plan P3 et le plan de la direction Z définissent un angle égal à l'angle θ. Le plan P1 est tel que ϕ=0°, pour le plan P2 ϕ =45° et pour le plan P3, ϕ =90°.More particularly, when the electromagnetic field is defined in known polar or cylindrical coordinates, the planes P1 and P2 define between them an angle equal to the angle φ and the plane P3 and the plane of the direction Z define an angle equal to angle θ. The plane P1 is such that φ = 0 °, for the plane P2 φ = 45 ° and for the plane P3, φ = 90 °.
Le champ électromagnétique, plus particulièrement la composante E de ce champ a deux composantes, l'une Eϕ suivant le plan horizontal comprenant l'angle ϕ et Eθ est suivant le plan vertical comprenant l'angle θ.The electromagnetic field, in particular the component E of the field has two components, one E φ along the horizontal plane including the angle φ and θ E is the vertical plane comprising the θ angle.
Le mode de polarisation du champ électromagnétique choisi dans cet exemple est la polarisation rectiligne. D'autres polarisations peuvent être envisagées, telle qu'une polarisation elliptique ou une polarisation circulaire, par exemple.The polarization mode of the electromagnetic field chosen in this example is the rectilinear polarization. Other polarizations may be envisaged, such as elliptical polarization or circular polarization, for example.
Il est à noter que dans le plan P1, on retrouve la fréquence de résonance basse de l'antenne correspondant au mode de propagation du champ électromagnétique se propageant dans l'antenne pourvue du matériau anisotrope. Dans lé plan P3, on retrouve la fréquence de résonance haute de l'antenne correspondant au mode de propagation du champ se propageant dans l'antenne sans l'influence du matériau anisotrope (qui n'intervient que sur une seule direction). Dans le plan P2, les deux modes de propagation du champ coexistent.It should be noted that in the plane P1, we find the low resonance frequency of the antenna corresponding to the propagation mode of the electromagnetic field propagating in the antenna provided with the anisotropic material. In the plane P3, we find the high resonant frequency of the antenna corresponding to the mode of propagation of the field propagating in the antenna without the influence of the anisotropic material (which intervenes only on a single direction). In the plane P2, the two modes of propagation of the field coexist.
De manière connue, on définit un rapport axial qui est, pour une polarisation elliptique, le rapport entre le grand axe de l'ellipse sur le petit axe de cette ellipse. Si on approxime la polarisation elliptique par une polarisation rectiligne, ce rapport vaut soit 0 soit l'infini tout dépend de l'axe sur lequel on se place.In known manner, an axial ratio is defined which is, for an elliptical polarization, the ratio between the major axis of the ellipse on the minor axis of this ellipse. If one approximates the elliptic polarization by a rectilinear polarization, this ratio is worth either 0 or infinity all depends on the axis on which one is placed.
Les
On constate que le rapport axial pour le plan P1 est bas pour la fréquence de résonance haute de l'antenne puis augmente au fur et à mesure que l'on s'approche de la fréquence de résonance basse de l'antenne.It can be seen that the axial ratio for the plane P1 is low for the high resonance frequency of the antenna and then increases as one approaches the low resonance frequency of the antenna.
A l'inverse, le rapport pour le plan P3, diminue lorsque la fréquence diminue de la fréquence de résonance haute à la fréquence de résonance basse.Conversely, the ratio for plane P3 decreases as the frequency decreases from the high resonance frequency to the low resonant frequency.
Un point commun existe entre les deux rapports axiaux des plans P1 et P3 et correspond à un point pour lequel ce rapport est nul. Ce point est situé entre les deux fréquences, où les deux composantes Eθ et Eϕ sont égales. Ce point commun correspond à un angle ϕ =45°.A common point exists between the two axial ratios of the planes P1 and P3 and corresponds to a point for which this ratio is zero. This point is located between the two frequencies, where the two components E θ and E φ are equal. This common point corresponds to an angle φ = 45 °.
Sur la
Sur les
La
Les
Ici, soit on a deux ouvertures séparées distinctes et deux lignes de transmission disposées selon deux directions orthogonales entre elles pour exciter les deux modes de propagation orthogonaux du champ électromagnétique se propageant dans l'antenne, soit on a une seule fente avec une seule ligne de transmission excitant les deux modes.Here, either there are two separate separate openings and two transmission lines arranged in two directions orthogonal to each other to excite the two orthogonal propagation modes of the electromagnetic field propagating in the antenna, or there is a single slot with a single line of transmission exciting both modes.
Notons que les deux ouvertures peuvent se rapprocher pour réaliser une seule fente en « T », comme illustré sur la
On peut également noter qu'il est possible d'obtenir une fente en forme de triangle comme illustrée sur la
Il est aussi possible d'utiliser un élément rayonnant de forme circulaire pour lequel deux ouvertures sont nécessaires pour avoir l'excitation des deux modes de propagation orthogonaux, tel qu'illustré sur la
Une géométrie de l'élément rayonnant en ellipse comme illustré sur la
De nombreux autres modes de réalisation sont possibles.Many other embodiments are possible.
De nombreuses formes sont possibles pour chaque élément rayonnant. Par exemple, il peut s'agir d'une pastille carrée, orthogonale, en forme de diamant ou d'un dipôle. Généralement, cette forme présente un axe de symétrie par rapport à un axe orthogonal au plan dans lequel s'étend l'essentiel de cet élément rayonnant.Many shapes are possible for each radiating element. For example, it may be a square pellet, orthogonal, diamond-shaped or a dipole. Generally, this shape has an axis of symmetry with respect to an axis orthogonal to the plane in which the essential of this radiating element extends.
Dans un mode de réalisation simplifié, le deuxième empilement et la sous-couche diélectrique de l'élément rayonnant 111, 211 sont omis. Dans un mode de réalisation encore plus simplifié, l'élément conducteur ou rayonnant est constitué d'une seule sous-couche fine en matériau ferromagnétique dont l'épaisseur est inférieure à l'épaisseur de peau de ce matériau ferromagnétique.In a simplified embodiment, the second stack and the dielectric underlayer of the radiating
En variante, d'autres matériaux peuvent être utilisés comme diélectrique. Par exemple, il peut s'agir d'un oxyde de baryum (Ba) et de titane (Ti), notamment du titane de baryum BaTiO3, d'un oxyde de hafnium (Hf), notamment du HfO2, ou de tantale (Ta), notamment du Ta2O5 (ferroélectrique). On préférera néanmoins les pérovskites comme BaTiO3 ou SrTiO3 par exemple qui présentent une permittivité relative plus élevée (de l'ordre de 100 contre 10 pour les oxydes de baryum ou d' hafnium à 2 ou 3 GHz).Alternatively, other materials may be used as the dielectric. For example, it may be an oxide of barium (Ba) and titanium (Ti), in particular barium titanium BaTiO 3 , hafnium oxide (Hf), in particular HfO 2 , or tantalum (Ta), especially Ta 2 O 5 (ferroelectric). Perovskites, however, are preferred, such as BaTiO 3 or SrTiO 3 for example, which have a higher relative permittivity (of the order of 100 versus 10 for barium or hafnium oxides at 2 or 3 GHz).
D'autres matériaux sont également possibles pour la couche antiferromagnétique comme un alliage PtMn ou IrMn et plus généralement tout alliage à base de manganèse ou encore les oxydes de fer ou de cobalt ou de nickel.Other materials are also possible for the antiferromagnetic layer such as a PtMn or IrMn alloy and more generally any manganese-based alloy or iron oxides or cobalt or nickel.
Pour la couche ferromagnétique, on privilégiera les alliages CoFeB, FeN et CoFeN, mais d'autres matériaux sont possibles, notamment tous les alliages associant deux ou trois des éléments choisis parmi le fer, le cobalt et le nickel. Ces alliages pourront éventuellement être dopés, par exemple en bore ou en azote. Ils pourront également être associés à d'autres éléments comme Al, Si, Ta, Hf, Zr.For the ferromagnetic layer, the alloys CoFeB, FeN and CoFeN will be preferred, but other materials are possible, especially all the alloys combining two or three of the elements chosen from iron, cobalt and nickel. These alloys may optionally be doped, for example boron or nitrogen. They may also be associated with other elements such as Al, Si, Ta, Hf, Zr.
Le conducteur rayonnant 213 peut être un simple fil.The radiating
Par ailleurs, au moins deux antennes selon l'invention peuvent être regroupées dans un réseau d'antennes pour tout type de système de communication pour augmenter l'efficacité du rayonnement ainsi que le gain de l'antenne.Moreover, at least two antennas according to the invention can be grouped together in an antenna array for any type of communication system to increase the efficiency of the radiation as well as the gain of the antenna.
Claims (13)
- A planar antenna (201) designed to transmit or receive an electromagnetic wave, said antenna comprising at least one first conducting element (211, 511) disposed above a ground plane (215) and separated therefrom, means (505, 565, 575, 585, 589) for exciting said at least one first conducting element, which means are configured to excite two distinct orthogonal propagation modes, characterised in that said at least one first conducting element (211, 511) is formed by a substrate comprising at least one thin layer of an anisotropic material with relative permeability of more than 10 for 2 GHz.
- The planar antenna according to claim 1, wherein said substrate comprises at least one thin layer of a dielectric material with relative permittivity of more than 10 for 2 GHz.
- The planar antenna according to claim 1 or 2, wherein said substrate comprises a stack of at least one thin layer of anisotropic material and at least one thin layer of dielectric material that are alternating, with the thickness of said thin layers being between λ/300 to λ/100.
- The planar antenna according to any one of claims 1 to 3, wherein said at least one first conducting element (211) has equal dimensions along two orthogonal directions (X, Y), advantageously equal to half of the length of the guided electromagnetic wave.
- The planar antenna according to any one of claims 1 to 3, wherein said at least one first conducting element (211, 511, 702) has different dimensions along two orthogonal directions (X, Y).
- The planar antenna according to any one of the preceding claims, characterised in that it comprises at least one second conducting element (213) located above said at least one first conducting element (211, 511, 702, 703) and separated from said first conducting element by an intermediate layer (212).
- The planar antenna according to claim 6, wherein said at least one first conducting element (211, 511, 702, 703) and said at least one second conducting element (213) have the same dimensions.
- The planar antenna according to any one of the preceding claims, wherein at least one slot (120, 220) is formed in said ground plane (115, 215, 501) and is configured so that at least one first conducting element (111, 211) is fed by electromagnetic coupling by at least one transmission line (117, 217, 505), characterised in that said at least one slot (120, 220) is formed by a first opening (512a, 513a, 712a, 713a) extending in a direction forming an angle of between 30° and 60° with said transmission line (505), and by a second opening (512b, 513b, 712b, 713b) extending along a direction forming a second angle of between -30° and +30° with the direction of said first opening.
- The planar antenna according to claim 8, wherein each opening (512a, 513a, 712a, 713a; 512b, 513b, 712b, 713b) comprises a proximal point (512c, 712c) at a corner (522, 722) of said at least one first conducting element (111, 211, 511, 702, 703) substantially located at a maximum distance from said corner that is equal to a third of the length of the electromagnetic wave, advantageously equal to a quarter of this length of the electromagnetic wave.
- The planar antenna according to claim 9, wherein said proximal point (512c, 712c) is substantially located on the diagonal linking said corner to the opposite corner (524, 724) of said at least one first conducting element (111, 211, 511, 702, 703).
- The planar antenna according to any one of claims 8 to 10, wherein said at least one transmission line (117, 217, 505) crosses each opening with an angle of between 30° and 150° with the direction in which the opening extends.
- The planar antenna according to any one of claims 8 to 11, wherein said openings (513a, 712a, 713a; 513b, 712b, 713b) are brought together so as to form a single slot (512, 712, 713) in the alignment of a corner (522, 722) of said at least one first conducting element, and said at least one transmission line (505) is disposed facing said slot so as to produce an electromagnetic coupling, through said first opening (513a, 712a, 713a) and through said second opening (513b, 712b, 713b), with said at least one first and one second conducting elements (211, 511, 702, 703; 213).
- The planar antenna according to claim 12, wherein said single slot forms an "L"-shape (512, 712, 713) and said transmission line (505) is disposed facing the corner of said "L"-shape so as to form, in the plane of said at least one conducting element (211, 511, 702, 703; 213), an angle of between 30° and 60° with each of the two axes of the "L"-shape, advantageously forming an angle of 45° with these axes.
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