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EP3671953A1 - Antenne fil-plaque monopolaire - Google Patents

Antenne fil-plaque monopolaire Download PDF

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Publication number
EP3671953A1
EP3671953A1 EP19217247.6A EP19217247A EP3671953A1 EP 3671953 A1 EP3671953 A1 EP 3671953A1 EP 19217247 A EP19217247 A EP 19217247A EP 3671953 A1 EP3671953 A1 EP 3671953A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
short
magneto
antenna
dielectric material
ground plane
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19217247.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Christophe Delaveaud
Lotfi Batel
Jean-François PINTOS
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP3671953A1 publication Critical patent/EP3671953A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0421—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with a shorting wall or a shorting pin at one end of the element
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/48—Earthing means; Earth screens; Counterpoises
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
    • H01Q9/32—Vertical arrangement of element
    • H01Q9/36—Vertical arrangement of element with top loading

Definitions

  • the invention relates to the technical field of monopolar wire-plate antennas.
  • the invention finds its application in particular in the Internet of Things IoT (acronym for " Internet of Things " in English), radio identification RFID (acronym for " Radio Frequency IDentification " in English), communication for networks of sensors, communication between M2M machines (“ Machine-to-Machine ” in English), communication in the fields of aeronautics and space.
  • IoT Internet of Things
  • RFID Radio Frequency IDentification
  • Such an antenna of the state of the art thanks to the magneto-dielectric material coating the short-circuit wire, can have dimensions reduced by around 15% compared to an architecture without magneto-dielectric material, and this while maintaining similar performance.
  • a monopolar wire-plate antenna architecture is sought which makes it possible to improve the miniaturization of the antenna, with an equal quantity of magneto-dielectric material.
  • such an antenna according to the invention makes it possible to improve the miniaturization of the antenna, with an equal amount of magneto-dielectric material, thanks to the paralleling of a plurality of short-circuit wires each coated with a magneto-dielectric material.
  • the inventors have found that, with an equal quantity of magneto-dielectric material, placing a set of short-circuit wires in parallel, each coated with a magneto-dielectric material, makes it possible to reduce the resonance frequency of the antenna to low frequencies by more than 30% compared to a single equivalent short-circuit wire, coated with a magneto-dielectric material.
  • the parallel connection of a set of short-circuit wires, each coated with a magneto-dielectric material allows better interaction between the antenna and the magneto-dielectric material, and therefore a better miniaturization efficiency of the antenna loaded by the magneto-dielectric material.
  • the antenna according to the invention may include one or more of the following characteristics.
  • the supply probe is arranged in the center of the ground plane, and the set of short-circuit wires comprises at least one pair of short-circuit wires arranged around the probe. feeding in a central symmetry.
  • an advantage obtained is to obtain a symmetry for the radiation of the antenna and to reduce the cross polarization (“ cross polarization ” in English language).
  • the set of short-circuit wires comprises a number of short-circuit wires chosen so that, for a given quantity of magneto-dielectric material, the capacitive roof and the supply probe each have a maximum characteristic dimension such that the antenna is contained in a sphere with an electric radius less than or equal to ⁇ / 2 ⁇ , where ⁇ is the operating wavelength of the antenna.
  • an advantage provided is to obtain a miniature antenna.
  • miniature is meant that the antenna is contained in a sphere (called Wheeler's), with an electric radius less than or equal to ⁇ / 2 ⁇ .
  • Wheeler's a sphere
  • the radius of the Wheeler sphere is the hypotenuse of the right triangle whose right angle is formed by the radius of the capacitive roof and by the height of the antenna, and which must be less than or equal to ⁇ / 2 ⁇ .
  • the supply probe is coated with the magneto-dielectric material.
  • an advantage provided is to increase the quantity of magneto-dielectric material in the antenna, and thereby the efficiency of the loading of the antenna with the magneto-dielectric material to reduce its dimensions.
  • the antenna comprises a magneto-dielectric layer extending between the ground plane and the capacitive roof so as to coat each short-circuit wire and the supply probe.
  • an advantage provided is the simplicity of manufacturing the antenna.
  • the capacitive roof and the ground plane delimit a cylindrical volume
  • the magneto-dielectric layer extends in all or part of the cylindrical volume.
  • cylindrical designates the shape of a cylinder whose surface is generated by a family of lines of the same direction (generatrices).
  • the cross section of the cylinder i.e. the intersection of the surface with a plane perpendicular to the direction of the generators
  • can be circular or quadrangular e.g. rectangular.
  • ⁇ r > ⁇ r > 1 makes it possible to favor a high ⁇ r over a high ⁇ r , because too high ⁇ r generally leads to a high concentration of the electromagnetic field in the antenna, with potential impedance matching problems, and thus leading to a loss of transfer of electromagnetic power (eg radiofrequency) in free space.
  • the monopolar wire-plate antenna interacts effectively with the magnetic properties of the material via the short-circuit wires, which gives it a specific magnetic behavior in the near field.
  • the magneto-dielectric material is chosen from Ni 0.5 Zn 0.3 Co 0.2 In 0.75 Fe 1.925 O 4 , Ni 0.76 Mn 0.24-x Co x Fe 2 O 4 with x between 0 and 0.04, and Ni 0.61 Zn 0.35 Co 0.04 Fe 1.98 O 4 .
  • an advantage provided by such materials is to verify ⁇ r > ⁇ r > 1.
  • the short-circuit wires are separated from the supply probe by a distance chosen to adapt the input impedance of the antenna to 50 ohms.
  • an advantage provided is to maximize the transfer of electromagnetic power.
  • Such a method according to the invention makes it possible to easily manufacture a monopolar wire-plate antenna, from a substrate made of a magneto-dielectric material which coats both the supply probe and the set of wires. short circuit.
  • interconnection hole (" via " in English) means a metallized hole for establishing an electrical connection between two interconnection levels.
  • the ground plane 1 can be made of a metallic material, such as copper.
  • the ground plane 1 can be circular, as illustrated in Figures 1 and 2 . However, other shapes can be envisaged for the ground plane 1, such as a rectangular shape (illustrated in figures 3 to 5 ) or square.
  • the ground plane 1 can be formed on a dielectric substrate (not shown). An opening is made in the ground plane 1 (and if necessary in the dielectric substrate) to allow the passage of the supply probe 3.
  • ground plane 1 It is possible to equip the ground plane 1 with components, for example a direct current circuit (DC), a radio frequency circuit (RF) or even a power supply battery, and this without altering the operation of the antenna.
  • DC direct current circuit
  • RF radio frequency circuit
  • the capacitive roof 2 has an electrically conductive, preferably metallic, flat surface.
  • the capacitive roof 2 advantageously extends parallel to the ground plane 1.
  • the term “parallel” is understood within the usual tolerances linked to the experimental conditions of formation of the elements of the antenna, and not as perfect parallelism in the mathematical sense ( geometric) of the term.
  • the capacitive roof 2 can have an inclination relative to the ground plane 1 as soon as a capacitive effect is created with the ground plane 1.
  • the angle of inclination formed between the capacitive roof 2 and the ground plane 1 is preferably less than or equal to 30 °.
  • the capacitive roof 2 thus creates a capacitive effect with the ground plane 1 making it possible to lower the resonant frequency of the antenna, or reduce the length of the monopole (ie the supply probe 3) for a given resonant frequency.
  • the capacitive roof 2 is preferably circular in shape, for example with a radius of the order of ⁇ / 11, where ⁇ is the operating wavelength of the antenna.
  • ⁇ is the operating wavelength of the antenna.
  • the radius of the capacitive roof 2 is of the order of 200 mm.
  • the capacitive roof 2 can be envisaged for the capacitive roof 2, such as a square, rectangular, elliptical, or even star shape.
  • the supply probe 3 is not in contact with the ground plane 1 so as to be electrically isolated from the ground plane 1.
  • the supply probe 3 can be made integral with the plane of ground 1 using a spacer (not shown) which is not electrically conductive.
  • the feed probe 3 advantageously extends perpendicular to the ground plane 1, and therefore perpendicular to the capacitive roof 2, in order to overcome the disturbance of the radiation pattern of the antenna by the ground plane 1.
  • the probe supply 3 can be connected to a central core 30, metallic, of a coaxial waveguide.
  • the feed probe 3 extends between the ground plane 1 and the capacitive roof 2, for example over a height of the order of ⁇ / 11, where ⁇ is the operating wavelength of the antenna.
  • VHF very High frequency band
  • the height of the supply probe 3 is of the order of 200 mm.
  • the feed probe 3 is preferably arranged in the center of the ground plane 1, as illustrated in Figures 1 to 5 .
  • the feed probe 3 is advantageously coated with the magneto-dielectric material 5, as illustrated in Figures 4 and 5 .
  • the supply probe 3 is intended to be connected to a transmission line allowing the guided propagation of electromagnetic waves (eg in the radio frequency field), the transmission line being able to be a coaxial supply cable or another guide of 'wave.
  • the set of short-circuit wires 4 preferably metallic, advantageously extends perpendicular to the ground plane 1, and therefore perpendicular to the capacitive roof 2.
  • the short-circuit wires 4 of the assembly are mutually parallel .
  • the set of short-circuit wires 4 advantageously comprises at least one pair of short-circuit wires 4 arranged around the supply probe 3 according to central symmetry.
  • the set of short-circuit wires 4 comprises a number (denoted N) of short-circuit wires 4 chosen so that, for a given quantity of magneto-dielectric material 5, the capacitive roof 2 and the supply probe 3 each have a maximum characteristic dimension such that the antenna is contained in a sphere with an electric radius less than or equal to ⁇ / 2 ⁇ , where ⁇ is the operating wavelength of the antenna.
  • each short-circuit wire 4 has a radius, noted a, and that each short-circuit wire 4 is separated by a distance, noted b, from the supply probe 3, the inventors have shown that the set of short-circuit wires 4 is equivalent to a single wire having a radius (called equivalent radius R eq ) verifying:
  • the inventors have found that, with an equal quantity of magneto-dielectric material 5, placing a set of N short-circuit wires 4 in parallel, each coated with a magneto-dielectric material 5, makes it possible to reduce the frequency of resonance of the antenna towards low frequencies of more than 30% compared to a single short-circuit wire 4, coated with the magneto-dielectric material 5, and having an equivalent radius R eq calculated by the preceding formulas.
  • putting in parallel a set of N short-circuit wires 4, each coated with a magneto-dielectric material 5 allows better efficiency of the antenna loading by the magneto-dielectric material 5.
  • a volume of magneto-dielectric material would be 20 times greater to reduce the resonant frequency of the antenna at low frequencies by more than 30 %, which would lead to substantial bulk, additional losses (linked to the quantity of additional material), and a higher weight of the antenna.
  • the set of short-circuit wires 4 may comprise three pairs of short-circuit wires 4 arranged around the supply probe 3 according to a central symmetry.
  • Each short circuit wire 4 can have a radius (a) of the order of 2.4 mm.
  • Each pair of short-circuit wires 4 can be separated by a distance (b) of the order of 80 mm on either side of the supply probe 3 according to a central symmetry.
  • the short-circuit wires 4 are advantageously separated from the supply probe 3 by a distance chosen to adapt the input impedance of the antenna to 50 ohms.
  • the set of short-circuit wires 4 may comprise an odd number of short-circuit wires 4. However, this may lead to an asymmetry for the radiation of the antenna and to the appearance of '' cross polarization ''.
  • the magneto-dielectric material 5 is advantageously chosen from Ni 0.5 Zn 0.3 Co 0.2 In 0.075 Fe 1.925 O 4 , Ni 0.76 Mn 0.24-x Co x Fe 2 O 4 with x between 0 and 0.04, and Ni 0.61 Zn 0.35 Co 0.04 Fe 1.98 O 4 .
  • the antenna advantageously comprises a magneto-dielectric layer 5 (made of magneto-dielectric material) extending between the ground plane 1 and the capacitive roof 2 so as to coat each short-circuit wire 4 and the probe d 'power 3.
  • the capacitive roof 2 and the ground plane 1 define a cylindrical volume, and the magneto-dielectric layer 5 extends in all or part of the cylindrical volume.
  • the magneto-dielectric material 5 can also be produced in the form of a hollow cylinder inside which extends a short-circuit wire 4 or the supply probe 3.
  • the interconnection holes 7a, 7b can be metallized by sputtering .
  • step e the set of short-circuit wires 4 and the supply probe 3 are coated with the magneto-dielectric material 5 of the substrate 6.

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Abstract

Cette antenne comporte :- un plan de masse (1) ;- un toit capacitif (2), s'étendant parallèlement au plan de masse (1) ;- une sonde d'alimentation (3, 30), électriquement isolée du plan de masse (1), et s'étendant entre le plan de masse (1) et le toit capacitif (2) de manière à alimenter électriquement le toit capacitif (2), la sonde d'alimentation (3, 30) étant destinée à être connectée à une ligne de transmission ;- un ensemble de fils de court-circuit (4), agencés parallèlement autour de la sonde d'alimentation (3, 30) de sorte que chaque fil de court-circuit (4) connecte électriquement le toit capacitif (2) au plan de masse (1), chaque fil de court-circuit (4) étant enrobé d'un matériau magnéto-diélectrique (5).

Description

    Domaine technique
  • L'invention se rapporte au domaine technique des antennes fil-plaque monopolaires.
  • L'invention trouve notamment son application dans l'internet des objets IoT (acronyme pour « Internet of Things » en langue anglaise), la radio-identification RFID (acronyme pour « Radio Frequency IDentification » en langue anglaise), la communication pour des réseaux de capteurs, la communication entre machines M2M (« Machine-to-Machine » en langue anglaise), la communication dans les domaines de l'aéronautique et du spatial.
    • Etat de la technique antérieure
  • Une antenne fil-plaque monopolaire connue de l'état de la technique, notamment du document L. Batel et al., «Design of a monopolar wire-plate antenna loaded with magneto-dielectric material», Conférence EuCAP (European Conference on Antennas and Propagation), avril 2018, comporte :
    • un plan de masse ;
    • un toit capacitif, s'étendant parallèlement au plan de masse ;
    • une sonde d'alimentation, électriquement isolée du plan de masse, et s'étendant entre le plan de masse et le toit capacitif de manière à alimenter électriquement le toit capacitif, la sonde d'alimentation étant destinée à être connectée à une ligne de transmission ;
    • un unique fil de court-circuit, agencé à distance de la sonde d'alimentation de sorte que le fil de court-circuit connecte électriquement le toit capacitif au plan de masse, le fil de court-circuit étant enrobé d'un matériau magnéto-diélectrique.
  • Une telle antenne de l'état de la technique, grâce au matériau magnéto-diélectrique enrobant le fil de court-circuit, peut avoir des dimensions réduites de l'ordre de 15% par rapport à une architecture sans matériau magnéto-diélectrique, et ce tout en conservant des performances similaires.
  • Il est recherché une architecture d'antenne fil-plaque monopolaire permettant d'améliorer la miniaturisation de l'antenne, à quantité égale de matériau magnéto-diélectrique.
    • Exposé de l'invention
  • A cet effet, l'invention a pour objet une antenne fil-plaque monopolaire, comportant :
    • un plan de masse ;
    • un toit capacitif ;
    • une sonde d'alimentation, électriquement isolée du plan de masse, et s'étendant entre le plan de masse et le toit capacitif de manière à alimenter électriquement le toit capacitif, la sonde d'alimentation étant destinée à être connectée à une ligne de transmission ;
    • un ensemble de fils de court-circuit, agencés parallèlement autour de la sonde d'alimentation de sorte que chaque fil de court-circuit connecte électriquement le toit capacitif au plan de masse, chaque fil de court-circuit étant enrobé d'un matériau magnéto-diélectrique.
  • Ainsi, une telle antenne selon l'invention permet d'améliorer la miniaturisation de l'antenne, à quantité égale de matériau magnéto-diélectrique, grâce à la mise en parallèle d'une pluralité de fils de court-circuit enrobés chacun d'un matériau magnéto-diélectrique.
  • Il est connu que la mise en parallèle d'une pluralité de fils est équivalente à la présence d'un unique fil présentant un rayon équivalent supérieur au rayon individuel des fils mis en parallèle, comme mentionné dans le document E.A. Wolff « Antenna analysis », Wiley, 1966, ou encore dans le document C. Harrison et al., « Folded dipoles and loops », IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.9, issue 2, pp.171-187, 1961.
  • Cependant, les inventeurs ont constaté qu'à quantité égale de matériau magnéto-diélectrique, la mise en parallèle d'un ensemble de fils de court-circuit, enrobés chacun d'un matériau magnéto-diélectrique, permet de réduire la fréquence de résonance de l'antenne vers les basses fréquences de plus de 30% par rapport à un unique fil équivalent de court-circuit, enrobé d'un matériau magnéto-diélectrique. En d'autres termes, la mise en parallèle d'un ensemble de fils de court-circuit, enrobés chacun d'un matériau magnéto-diélectrique, permet une meilleure interaction entre l'antenne et le matériau magnéto-diélectrique, et par conséquent une meilleure efficacité de miniaturisation de l'antenne chargée par le matériau magnéto-diélectrique. Pour une architecture à un unique fil de court-circuit, il est estimé qu'il faudrait un volume de matériau magnéto-diélectrique 20 fois supérieur pour réduire la fréquence de résonance de l'antenne vers les basses fréquences de plus de 30%, ce qui conduirait à un encombrement substantiel, des pertes supplémentaires (liées à la quantité de matériau additionnel), et un poids supérieur de l'antenne.
    • Définitions
    • Par «toit capacitif», on entend une surface généralement plane, électriquement conductrice, pouvant être par exemple de forme rectangulaire ou circulaire, et créant un effet capacitif avec le plan de masse. Le terme « plane » s'entend dans les tolérances usuelles liées aux conditions expérimentales de formation du toit capacitif, et non comme une planéité parfaite au sens géométrique du terme.
    • Par « sonde d'alimentation », on entend une sonde d'excitation de l'antenne, classiquement reliée à une âme centrale d'un guide coaxial, et électriquement connectée au toit capacitif.
    • Par « ligne de transmission », on entend un élément permettant la propagation guidée d'ondes électromagnétiques (e.g. dans le domaine des radiofréquences), la ligne de transmission pouvant être un câble coaxial d'alimentation ou un autre guide d'onde.
    • Par « enrobé », on entend que le matériau magnéto-diélectrique recouvre (en contact) la totalité de la surface libre du fil de court-circuit correspondant.
    • Par « matériau magnéto-diélectrique », on entend un matériau possédant, à la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne, une permittivité relative (εr) strictement supérieure à 1 et une perméabilité relative (µr) strictement supérieure à 1.
  • L'antenne selon l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes.
  • Selon une caractéristique de l'invention, la sonde d'alimentation est agencée au centre du plan de masse, et l'ensemble de fils de court-circuit comporte au moins un couple de fils de court-circuit agencé autour de la sonde d'alimentation selon une symétrie centrale.
  • Ainsi, un avantage procuré est d'obtenir une symétrie pour le rayonnement de l'antenne et de réduire la polarisation croisée (« cross polarization » en langue anglaise).
  • Selon une caractéristique de l'invention, l'ensemble de fils de court-circuit comporte un nombre de fils de court-circuit choisi de sorte que, pour une quantité donnée de matériau magnéto-diélectrique, le toit capacitif et la sonde d'alimentation présentent chacun une dimension caractéristique maximale telle que l'antenne est contenue dans une sphère avec un rayon électrique inférieur ou égal à λ/2π, où λ est la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne.
  • Ainsi, un avantage procuré est d'obtenir une antenne miniature. Par « miniature », on entend que l'antenne est contenue dans une sphère (dite de Wheeler), de rayon électrique inférieur ou égal à λ/2π. Par exemple, dans le cas d'un toit capacitif circulaire, le rayon de la sphère de Wheeler est l'hypoténuse du triangle rectangle dont l'angle droit est formé par le rayon du toit capacitif et par la hauteur de l'antenne, et qui doit être inférieur ou égal à λ/2π.
  • Selon une caractéristique de l'invention, la sonde d'alimentation est enrobée du matériau magnéto-diélectrique.
  • Ainsi, un avantage procuré est d'augmenter la quantité de matériau magnéto-diélectrique dans l'antenne, et par là-même l'efficacité du chargement de l'antenne par le matériau magnéto-diélectrique pour réduire ses dimensions.
  • Selon une caractéristique de l'invention, l'antenne comporte une couche magnéto-diélectrique s'étendant entre le plan de masse et le toit capacitif de manière à enrober chaque fil de court-circuit et la sonde d'alimentation.
  • Ainsi, un avantage procuré est la simplicité de fabrication de l'antenne.
  • Selon une caractéristique de l'invention, le toit capacitif et le plan de masse délimitent un volume cylindrique, et la couche magnéto-diélectrique s'étend dans tout ou partie du volume cylindrique.
  • Le terme « cylindrique » désigne la forme d'un cylindre dont la surface est engendrée par une famille de droites de même direction (génératrices). A titre d'exemples, la section droite du cylindre (i.e. l'intersection de la surface avec un plan perpendiculaire à la direction des génératrices) peut être circulaire ou quadrangulaire (e.g. rectangulaire).
  • Selon une caractéristique de l'invention, le matériau magnéto-diélectrique est choisi de sorte que la relation µr > εr >1 est vérifiée à la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne, où :
    • µr est la perméabilité relative du matériau magnéto-diélectrique,
    • εr est la permittivité relative du matériau magnéto-diélectrique.
  • Ainsi, un avantage procuré par un matériau magnéto-diélectrique est de contribuer à la miniaturisation de l'antenne en réduisant la longueur d'onde guidée (λg) dans le matériau selon la formule ci-après : λ g = λ ε r µ ,
    Figure imgb0001
     où λ est la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne.
  • On cherche donc un produit εr µr le plus élevé possible pour favoriser la miniaturisation de l'antenne.
  • Plus précisément, le fait que µr > εr >1 permet de privilégier un µr élevé par rapport à un εr élevé, car un εr trop élevé conduit généralement à une forte concentration du champ électromagnétique dans l'antenne, avec des problèmes potentiels d'adaptation d'impédance, et menant ainsi à une perte de transfert de puissance électromagnétique (e.g. radiofréquence) en espace libre. D'autre part, l'antenne fil-plaque monopolaire interagit efficacement avec les propriétés magnétiques du matériau par l'intermédiaire des fils de court-circuit, ce qui lui confère un comportement magnétique spécifique en champ proche.
  • Selon une caractéristique de l'invention, le matériau magnéto-diélectrique est choisi parmi Ni0,5Zn0,3Co0,2In0,75Fe1,925O4, Ni0,76Mn0,24-xCoxFe2O4 avec x compris entre 0 et 0,04, et Ni0,61Zn0,35Co0,04Fe1,98O4.
  • Ainsi, un avantage procuré par de tels matériaux est de vérifier µr > εr > 1.
  • Selon une caractéristique de l'invention, les fils de court-circuit sont séparés de la sonde d'alimentation d'une distance choisie pour adapter l'impédance d'entrée de l'antenne à 50 ohms.
  • Ainsi, un avantage procuré est de maximiser le transfert de puissance électromagnétique.
  • L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une antenne fil-plaque monopolaire, comportant les étapes :
    1. a) prévoir un substrat, réalisé dans un matériau magnéto-diélectrique, et présentant des première et seconde surfaces planes opposées ;
    2. b) former un premier trou d'interconnexion à travers le substrat de manière à obtenir une sonde d'alimentation ;
    3. c) former un ensemble de trous d'interconnexion à travers le substrat, agencés parallèlement autour du premier trou d'interconnexion, de manière à obtenir un ensemble de fils de court-circuit ;
    4. d) former un toit capacitif à la première surface du substrat ;
    5. e) former un plan de masse à la seconde surface du substrat ; l'étape e) étant exécutée de sorte que la sonde d'alimentation est électriquement isolée du plan de masse.
  • Ainsi, un tel procédé selon l'invention permet de fabriquer aisément une antenne fil-plaque monopolaire, à partir d'un substrat réalisé dans un matériau magnéto-diélectrique qui enrobe à la fois la sonde d'alimentation et l'ensemble de fils de court-circuit.
  • Par «trou d'interconnexion» («via» en langue anglaise), on entend un trou métallisé permettant d'établir une liaison électrique entre deux niveaux d'interconnexion.
    • Brève description des dessins
  • D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans l'exposé détaillé de différents modes de réalisation de l'invention, l'exposé étant assorti d'exemples et de références aux dessins joints.
    • Figure 1 est une vue schématique en perspective d'une antenne fil-plaque monopolaire, illustrant un ensemble de fils de court-circuit, agencés parallèlement autour de la sonde d'alimentation de sorte que chaque fil de court-circuit connecte électriquement le toit capacitif au plan de masse, les fils de court-circuit n'étant pas enrobés d'un matériau magnéto-diélectrique.
    • Figure 2 est une vue schématique analogue à la figure 1, à l'échelle agrandie, où les fils de court-circuit sont enrobés d'un matériau magnéto-diélectrique.
    • Figure 3 est une vue schématique en perspective d'une antenne selon l'invention, illustrant un premier mode de réalisation de l'enrobage (enrobage individuel des fils de court-circuit) par le matériau magnéto-diélectrique.
    • Figure 4 est une vue schématique en perspective d'une antenne selon l'invention, illustrant un deuxième mode de réalisation de l'enrobage (enrobage individuel des fils de court-circuit et de la sonde d'alimentation) par le matériau magnéto-diélectrique.
    • Figure 5 est une vue schématique en perspective d'une antenne selon l'invention, illustrant un troisième mode de réalisation de l'enrobage (enrobage global des fils de court-circuit et de la sonde d'alimentation) par le matériau magnéto-diélectrique.
    • Figure 6 est une vue schématique de dessus (en transparence) d'un substrat magnéto-diélectrique dans lequel sont formés des trous d'interconnexion de manière à obtenir une antenne fil-plaque monopolaire conforme à l'invention.
    • Figure 7 est une vue schématique en coupe selon l'axe A-A du substrat magnéto-diélectrique illustré à la figure 6.
  • Il est à noter que les dessins décrits ci-avant sont schématiques et ne sont pas à l'échelle par souci de lisibilité.
    • Exposé détaillé des modes de réalisation
  • Les éléments identiques ou assurant la même fonction porteront les mêmes références pour les différents modes de réalisation, par souci de simplification.
  • Comme illustré aux figures 1 à 5, un objet de l'invention est une antenne fil-plaque monopolaire, comportant :
    • un plan de masse 1 ;
    • un toit capacitif 2 ;
    • une sonde d'alimentation 3, électriquement isolée du plan de masse 1, et s'étendant entre le plan de masse 1 et le toit capacitif 2 de manière à alimenter électriquement le toit capacitif 2, la sonde d'alimentation 3 étant destinée à être connectée à une ligne de transmission (non illustrée) ;
    • un ensemble de fils de court-circuit 4, agencés parallèlement autour de la sonde d'alimentation 3 de sorte que chaque fil de court-circuit 4 connecte électriquement le toit capacitif 2 au plan de masse 1, chaque fil de court-circuit 4 étant enrobé d'un matériau magnéto-diélectrique 5.
    Plan de masse
  • Le plan de masse 1 peut être réalisé dans un matériau métallique, tel que le cuivre. Le plan de masse 1 peut être de forme circulaire, comme illustré aux figures 1 et 2. Cependant, d'autres formes sont envisageables pour le plan de masse 1, telles qu'une forme rectangulaire (illustrée aux figures 3 à 5) ou carrée.
  • Le plan de masse 1 peut être formé sur un substrat diélectrique (non illustré). Une ouverture est réalisée dans le plan de masse 1 (et le cas échéant dans le substrat diélectrique) pour permettre le passage de la sonde d'alimentation 3.
  • Il est possible d'équiper le plan de masse 1 de composants, par exemple un circuit de courant continu (DC), un circuit radiofréquences (RF) ou encore une pile d'alimentation, et ce sans altérer le fonctionnement de l'antenne.
    • Toit capacitif
  • Le toit capacitif 2 comporte une surface plane électriquement conductrice, de préférence métallique. Le toit capacitif 2 s'étend avantageusement parallèlement au plan de masse 1. Le terme « parallèlement » s'entend dans les tolérances usuelles liées aux conditions expérimentales de formation des éléments de l'antenne, et non comme un parallélisme parfait au sens mathématique (géométrique) du terme. Toutefois, le toit capacitif 2 peut présenter une inclinaison par rapport au plan de masse 1 dès lors qu'un effet capacitif est créé avec le plan de masse 1. L'angle d'inclinaison formé entre le toit capacitif 2 et le plan de masse 1 est préférentiellement inférieur ou égal à 30°.
  • Le toit capacitif 2 créé ainsi un effet capacitif avec le plan de masse 1 permettant d'abaisser la fréquence de résonance de l'antenne, ou réduire la longueur du monopôle (i.e. la sonde d'alimentation 3) pour une fréquence de résonance donnée.
  • Le toit capacitif 2 est de préférence de forme circulaire, par exemple avec un rayon de l'ordre de λ/11, où λ est la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne. A titre d'exemple non limitatif, dans la bande des très hautes fréquences (VHF pour « Very High Frequency » en langue anglaise), à 135 MHz, le rayon du toit capacitif 2 est de l'ordre de 200 mm.
  • Toutefois, d'autres formes sont envisageables pour le toit capacitif 2, telles qu'une forme carrée, rectangulaire, elliptique, ou encore en étoile.
    • Sonde d'alimentation
  • La sonde d'alimentation 3 n'est pas en contact du plan de masse 1 de manière à être électriquement isolée du plan de masse 1. A titre d'exemple non limitatif, la sonde d'alimentation 3 peut être rendue solidaire du plan de masse 1 à l'aide d'une entretoise (non illustrée) qui n'est pas électriquement conductrice.
  • La sonde d'alimentation 3 s'étend avantageusement perpendiculairement au plan de masse 1, et donc perpendiculairement au toit capacitif 2, afin de s'affranchir de la perturbation du diagramme de rayonnement de l'antenne par le plan de masse 1. La sonde d'alimentation 3 peut être reliée à une âme centrale 30, métallique, d'un guide d'onde coaxial. La sonde d'alimentation 3 s'étend entre le plan de masse 1 et le toit capacitif 2, par exemple sur une hauteur de l'ordre de λ/11, où λ est la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne. A titre d'exemple non limitatif, dans la bande des très hautes fréquences (VHF pour « Very High Frequency » en langue anglaise), à 135 MHz, la hauteur de la sonde d'alimentation 3 (entre le plan de masse 1 et le toit capacitif 2) est de l'ordre de 200 mm.
  • La sonde d'alimentation 3 est préférentiellement agencée au centre du plan de masse 1, comme illustré aux figures 1 à 5. La sonde d'alimentation 3 est avantageusement enrobée du matériau magnéto-diélectrique 5, comme illustré aux figures 4 et 5.
  • La sonde d'alimentation 3 est destinée à être connectée à une ligne de transmission permettant la propagation guidée d'ondes électromagnétiques (e.g. dans le domaine des radiofréquences), la ligne de transmission pouvant être un câble coaxial d'alimentation ou un autre guide d'onde.
    • Ensemble de fils de court-circuit
  • Comme illustré aux figures 1 à 5, l'ensemble de fils de court-circuit 4, de préférence métalliques, s'étend avantageusement perpendiculairement au plan de masse 1, et donc perpendiculairement au toit capacitif 2. Les fils de court-circuit 4 de l'ensemble sont parallèles entre eux.
  • Lorsque la sonde d'alimentation 3 est agencée au centre du plan de masse 1, l'ensemble de fils de court-circuit 4 comporte avantageusement au moins un couple de fils de court-circuit 4 agencé autour de la sonde d'alimentation 3 selon une symétrie centrale. L'ensemble de fils de court-circuit 4 comporte un nombre (noté N) de fils de court-circuit 4 choisi de sorte que, pour une quantité donnée de matériau magnéto-diélectrique 5, le toit capacitif 2 et la sonde d'alimentation 3 présentent chacun une dimension caractéristique maximale telle que l'antenne est contenue dans une sphère avec un rayon électrique inférieur ou égal à λ/2π, où λ est la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne.
  • Si l'on considère que chaque fil de court-circuit 4 possède un rayon, noté a, et que chaque fil de court-circuit 4 est séparé d'une distance, notée b, de la sonde d'alimentation 3, les inventeurs ont montré que l'ensemble des fils de court-circuit 4 est équivalent à un unique fil possédant un rayon (dit rayon équivalent Req) vérifiant :
    Figure imgb0002
  • Les inventeurs postulent que cette formule fonctionne quel que soit le nombre de fils de court-circuit 4 séparés d'une distance, notée b, de la sonde d'alimentation 3, c'est-à-dire que l'ensemble des fils de court-circuit 4 est équivalent à un unique fil possédant un rayon équivalent Req vérifiant : R eq = ab N − 1 1 / N , N ∈ N *
    Figure imgb0003
  • Les inventeurs ont constaté qu'à quantité égale de matériau magnéto-diélectrique 5, la mise en parallèle d'un ensemble de N fils de court-circuit 4, enrobés chacun d'un matériau magnéto-diélectrique 5, permet de réduire la fréquence de résonance de l'antenne vers les basses fréquences de plus de 30% par rapport à un unique fil de court-circuit 4, enrobé du matériau magnéto-diélectrique 5, et possédant un rayon équivalent Req calculé par les formules précédentes. En d'autres termes, la mise en parallèle d'un ensemble de N fils de court-circuit 4, enrobés chacun d'un matériau magnéto-diélectrique 5, permet une meilleure efficacité du chargement de l'antenne par le matériau magnéto-diélectrique 5. Pour une architecture à un unique fil de court-circuit 4, il est estimé qu'il faudrait un volume de matériau magnéto-diélectrique 20 fois supérieur pour réduire la fréquence de résonance de l'antenne vers les basses fréquences de plus de 30%, ce qui conduirait à un encombrement substantiel, des pertes supplémentaires (liées à la quantité de matériau additionnel), et un poids supérieur de l'antenne.
  • A titre d'exemples non limitatifs, comme illustré aux figures 1 et 2, l'ensemble de fils de court-circuit 4 peut comporter trois couples de fils de court-circuit 4 agencés autour de la sonde d'alimentation 3 selon une symétrie centrale. Chaque fil de court-circuit 4 peut présenter un rayon (a) de l'ordre de 2,4 mm. Chaque couple de fils de court-circuit 4 peut être séparé d'une distance (b) de l'ordre de 80 mm de part et d'autre de la sonde d'alimentation 3 selon une symétrie centrale.
  • Les fils de court-circuit 4 sont avantageusement séparés de la sonde d'alimentation 3 d'une distance choisie pour adapter l'impédance d'entrée de l'antenne à 50 ohms.
  • Comme illustré aux figures 3 à 5, il est à noter que l'ensemble de fils de court-circuit 4 peut comporter un nombre impair de fils de court-circuit 4. Toutefois, cela peut conduire à une dissymétrie pour le rayonnement de l'antenne et à l'apparition d'une polarisation croisée (« cross polarization » en langue anglaise).
    • Matériau magnéto-diélectrique
  • Le matériau magnéto-diélectrique 5 est avantageusement choisi de sorte que la relation µr > εr >1 est vérifiée à la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne, où :
    • µr est la perméabilité relative du matériau magnéto-diélectrique 5,
    • εr est la permittivité relative du matériau magnéto-diélectrique 5.
  • Le matériau magnéto-diélectrique 5 est avantageusement choisi parmi Ni0,5Zn0,3Co0,2In0,075Fe1,925O4, Ni0,76Mn0,24-xCoxFe2O4 avec x compris entre 0 et 0,04, et Ni0,61Zn0,35Co0,04Fe1,98O4.
  • Comme illustré à la figure 5, l'antenne comporte avantageusement une couche magnéto-diélectrique 5 (réalisée dans le matériau magnéto-diélectrique) s'étendant entre le plan de masse 1 et le toit capacitif 2 de manière à enrober chaque fil de court-circuit 4 et la sonde d'alimentation 3. Le toit capacitif 2 et le plan de masse 1 délimitent un volume cylindrique, et la couche magnéto-diélectrique 5 s'étend dans tout ou partie du volume cylindrique.
  • Comme illustré aux figures 3 et 4, le matériau magnéto-diélectrique 5 peut également être réalisé sous la forme d'un cylindre creux à l'intérieur duquel s'étend un fil de court-circuit 4 ou la sonde d'alimentation 3.
    • Procédé de fabrication
  • Comme illustré aux figures 6 et 7, un objet de l'invention est un procédé de fabrication d'une antenne fil-plaque monopolaire, comportant les étapes :
    1. a) prévoir un substrat 6, réalisé dans un matériau magnéto-diélectrique 5, et présentant des première et seconde surfaces 60, 61 planes opposées ;
    2. b) former un premier trou d'interconnexion 7a à travers le substrat 6 de manière à obtenir une sonde d'alimentation 3 ;
    3. c) former un ensemble de trous d'interconnexion 7b à travers le substrat 6, agencés parallèlement autour du premier trou d'interconnexion 7a, de manière à obtenir un ensemble de fils de court-circuit 4 ;
    4. d) former un toit capacitif 2 à la première surface 60 du substrat 6 ;
    5. e) former un plan de masse 1 à la seconde surface 61 du substrat 6 ; l'étape e) étant exécutée de sorte que la sonde d'alimentation 3 est électriquement isolée du plan de masse 1.
  • Les trous d'interconnexion 7a, 7b peuvent être métallisés par pulvérisation cathodique (« sputtering » en langue anglaise).
  • A l'issue de l'étape e), l'ensemble de fils de court-circuit 4 et la sonde d'alimentation 3 sont enrobés du matériau magnéto-diélectrique 5 du substrat 6.
  • L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation exposés. L'homme du métier est mis à même de considérer leurs combinaisons techniquement opérantes, et de leur substituer des équivalents.

Claims (10)

  1. Antenne fil-plaque monopolaire, comportant :
    - un plan de masse (1) ;
    - un toit capacitif (2) ;
    - une sonde d'alimentation (3, 30), électriquement isolée du plan de masse (1), et s'étendant entre le plan de masse (1) et le toit capacitif (2) de manière à alimenter électriquement le toit capacitif (2), la sonde d'alimentation (3, 30) étant destinée à être connectée à une ligne de transmission ;
    - un ensemble de fils de court-circuit (4), agencés parallèlement autour de la sonde d'alimentation (3, 30) de sorte que chaque fil de court-circuit (4) connecte électriquement le toit capacitif (2) au plan de masse (1), chaque fil de court-circuit (4) étant enrobé d'un matériau magnéto-diélectrique (5).
  2. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle la sonde d'alimentation (3, 30) est agencée au centre du plan de masse (1), et l'ensemble de fils de court-circuit (4) comporte au moins un couple de fils de court-circuit (4) agencé autour de la sonde d'alimentation (3, 30) selon une symétrie centrale.
  3. Antenne selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle l'ensemble de fils de court-circuit (4) comporte un nombre de fils de court-circuit (4) choisi de sorte que, pour une quantité donnée de matériau magnéto-diélectrique (5), le toit capacitif (2) et la sonde d'alimentation (3, 30) présentent chacun une dimension caractéristique maximale telle que l'antenne est contenue dans une sphère avec un rayon électrique inférieur ou égal à λ/2π, où λ est la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne.
  4. Antenne selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle la sonde d'alimentation (3, 30) est enrobée du matériau magnéto-diélectrique (5).
  5. Antenne selon l'une des revendications 1 à 4, comportant une couche magnéto-diélectrique (5) s'étendant entre le plan de masse (1) et le toit capacitif (2) de manière à enrober chaque fil de court-circuit (4) et la sonde d'alimentation (3, 30).
  6. Antenne selon la revendication 5, dans laquelle le toit capacitif (2) et le plan de masse (1) délimitent un volume cylindrique, et la couche magnéto-diélectrique (5) s'étend dans tout ou partie du volume cylindrique.
  7. Antenne selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle le matériau magnéto-diélectrique (5) est choisi de sorte que la relation µr > εr >1 est vérifiée à la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne, où :
    - µr est la perméabilité relative du matériau magnéto-diélectrique (5),
    - εr est la permittivité relative du matériau magnéto-diélectrique (5).
  8. Antenne selon l'une des revendications 1 à 7, dans laquelle le matériau magnéto-diélectrique (5) est choisi parmi Ni0,5Zn0,3Co0,2In0,075Fe1,925O4, Ni0,76Mn0,24-xCoxFe2O4 avec x compris entre 0 et 0,04, et Ni0,61Zn0,35Co0,04Fe1,98O4.
  9. Antenne selon l'une des revendications 1 à 8, dans laquelle les fils de court-circuit (4) sont séparés de la sonde d'alimentation (3, 30) d'une distance choisie pour adapter l'impédance d'entrée de l'antenne à 50 ohms.
  10. Procédé de fabrication d'une antenne fil-plaque monopolaire, comportant les étapes :
    a) prévoir un substrat (6), réalisé dans un matériau magnéto-diélectrique (5), et présentant des première et seconde surfaces (60, 61) planes opposées ;
    b) former un premier trou d'interconnexion (7a) à travers le substrat (6) de manière à obtenir une sonde d'alimentation (3, 30) ;
    c) former un ensemble de trous d'interconnexion (7b) à travers le substrat (6), agencés parallèlement autour du premier trou d'interconnexion (7a), de manière à obtenir un ensemble de fils de court-circuit (4) ;
    d) former un toit capacitif (2) à la première surface (60) du substrat (6) ;
    e) former un plan de masse (1) à la seconde surface (61) du substrat (6) ; l'étape e) étant exécutée de sorte que la sonde d'alimentation (3, 30) est électriquement isolée du plan de masse (1).
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