EP0708492B1 - Antenne à microbande notamment pour des applications horlogères - Google Patents

Antenne à microbande notamment pour des applications horlogères Download PDF

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EP0708492B1
EP0708492B1 EP95116148A EP95116148A EP0708492B1 EP 0708492 B1 EP0708492 B1 EP 0708492B1 EP 95116148 A EP95116148 A EP 95116148A EP 95116148 A EP95116148 A EP 95116148A EP 0708492 B1 EP0708492 B1 EP 0708492B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
conductive element
antenna
frequency adjustment
center
adjustment plate
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP95116148A
Other languages
German (de)
English (en)
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EP0708492A1 (fr
Inventor
Syed Bokhari
Jean-François Zürcher
Juan Ramon Mosig
Freddy Gardiol
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.)
Asulab AG
Original Assignee
Asulab AG
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 Asulab AG filed Critical Asulab AG
Publication of EP0708492A1 publication Critical patent/EP0708492A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0708492B1 publication Critical patent/EP0708492B1/fr
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/273—Adaptation for carrying or wearing by persons or animals
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to antennas intended for convert an alternating voltage into a microwave and vice versa and, more particularly, to antennas of this type comprising a separate conductive element and a ground plane by a dielectric substrate. These antennas are also known under the English name "microstrip patch antennas".
  • the invention can be used to transmit and / or receive GPS signals ("Global Positioning System"), and, moreover, it can be incorporated into watches or other products watchmakers. The invention will therefore be described in the context of this application example. However, it will be understood that the invention is of course not limited to this application.
  • the miniaturization of the antennas of the type described above is usually accomplished by using a substrate of a very high permittivity. This invariably involves the use of a ceramic substrate. The costs of manufacture of such a substrate are often high.
  • a miniaturized antenna is known from the patent application EP-A-0 525 726.
  • This document describes a polarized antenna circular comprising a dielectric substrate having two opposite sides. On one side is fixed a ground plane and on the other side is fixed a conductive element.
  • This element conductor is provided with an electrical excitation point off-center with respect to the axis of rotation of the antenna. It is also provided with slots placed at its periphery and passing virtually through its center. The characteristics of these slots, such as their length or positioning at the periphery of the conductive element, used to determine the resonant frequency of the antenna.
  • Another antenna of this type is also known from the publication IEEE Transactions on vehicular technology, vol.40, no.2, May 1991, New York US pages 483-486, entitled "A flat energy density antenna system for mobile telephone ”.
  • This publication also describes the use of slots allowing in particular to increase the resonant frequency of the antenna by reducing the effective radius of the element conductor, i.e. by reducing the length of the slots used.
  • Miniature antennas of this type have a width very narrow band. Therefore, under tolerances manufacturing, design and construction of these antennas is a difficult task.
  • the mechanical adjustment of edges of the conductive element is a technique used long time to get the resonant frequency of the desired antenna.
  • such a solution is both destructive and cumbersome.
  • the object of the present invention is to provide an antenna miniaturized of the type defined above which remedies everything less in part to the disadvantages of state antennas prior art.
  • Another object of the invention is to provide an antenna miniaturized of the type defined above which is compact, and which is relatively easy and inexpensive to manufacture.
  • an object of the invention is to provide a miniaturized antenna of the type defined above which allows a simple adjustment of its resonant frequency.
  • Another object of the invention is to provide an antenna miniaturized of the type defined above which is capable of being used in a watch.
  • the invention therefore relates to an antenna intended to convert an alternating voltage, coming from a antenna circuit, in a wave with linear polarization and vice versa, the characteristics of which are set out in claim 1.
  • the invention also relates to an antenna intended for convert alternating voltage from a circuit antenna, in a wave with linear or circular polarization and vice versa, the characteristics of which are set out in claim 8.
  • the invention allows the creation of a miniaturized antenna without requiring the use of a very high permittivity substrate.
  • the antenna comprises an adjustment plate frequency, mounted on the center of the conductive element and on an axis perpendicular to the plane of the conductive element, the distance between the periphery and the center of the plate, the along the axis where the slots extend, being variable by so that, by rotation, the adjustment plate frequency acts to modify the effective length of the slots.
  • the rotation of the plate frequency adjustment around its axis allows, an adjustment simple and precise antenna resonant frequency, and this over a bandwidth greater than the width of conductive element strip.
  • the arrangement of the miniaturized antenna 1 according to the invention shown in Figures 1 and 2 includes a dielectric substrate 2, a conductive element 3 and a ground plane 4.
  • the conductive element 3 has the form general of a disc and according to the Anglo-Saxon denomination is called "radiating patch".
  • the conductive element 3 and the ground plane 4 are deposited on surfaces opposite of the dielectric substrate 2.
  • the antenna 1 has a geometry suitable for receiving and emitting waves at linear polarization.
  • the conductive element 3 has slots 5 and 6 diametrically opposite and aligned along the axis 7. These slots 5 and 6 extend from the periphery towards the center of the conductive element 3.
  • An excitation point 8 is located in the plane of the conductive element 3, on a axis 9 which is perpendicular to axis 7. The excitation is ensured by means of a coaxial cable whose conductor central 10 passes through the substrate 2 and is welded to the element conductor 3 at the point of excitation 8.
  • FIG. 3 shows more precisely the geometry of the conductive element 3. It can be seen that the slots 5 and 6 both have a length r x and that the conductive element 3 has a diameter 2R, R being the radius of the latter.
  • the slots 5 and 6 constitute a capacitive load for the antenna 1.
  • Theoretical considerations which will not be repeated here since they go beyond the scope of the present patent application, show that the resonance frequency of the antenna 1 strongly depends of the length r x of the slots 5 and 6. According to these considerations, when r x is zero, the antenna 1 resonates at a frequency f c . However, when the value of r x approaches R, the resonant frequency approaches f c / 2.
  • the diameter 2R of the antenna is a function of the inverse of the resonance frequency f c thereof.
  • the resonance frequency f c is close to f c / 2 for a certain dimension 2R, one can also choose to reduce the dimension 2R by half for a certain resonance frequency f c . That is to say, the maximum dimension of the antenna 1 can be reduced by a factor of 2 when the slots extend substantially over the entire distance separating the periphery from the center of said conductive element.
  • the slots 5 and 6 can be produced by cutting the conductive element 3 by means of a laser beam. Of course, the slots 5 and 6 can also be produced by etching or any other chemical or mechanical treatment of the conductive element 3.
  • the circular shape of the element conductor 3 of figures 2 and 3 represents only one example of a form of the conductive element of the invention.
  • a square shape can also be used, as well as any other conductive element which is delimited at its periphery by an edge which gives this element a double planar symmetry along two axes perpendicular.
  • the excitation point is on one of the two axes of symmetry of the conductive element and the slots 5 and 6 extend on the other axis of symmetry.
  • Figure 4 shows the geometry of an element conductor 20 capable of receiving and transmitting both circularly polarized signals as signals to linear polarization.
  • the conductive element 20 comprises slots 21 and 22 which extend from its periphery towards the center and which are aligned on the same axis 23.
  • the conductive element 20 includes slots 24 and 25 which extend from its periphery towards the center and which are aligned on the same axis 26 perpendicular to the axis 23.
  • An excitation point 27 is located on an axis 45 ° offset from the two axes 23 and 24.
  • the lengths r x of the slots 21 and 22 and r y of the slots 24 and 25 must be equal.
  • a right circular polarization is obtained if, for an excitation point 27 as described above, r x is greater than r y according to a suitable choice.
  • the circular shape of the conductive element 20 of FIG. 4 only represents a particular shape of the conductive element of the invention. It goes without saying that a square shape can also be used or any other form of conductive element delimited at its periphery by an edge which gives it a double planar symmetry along two perpendicular axes.
  • the excitation point 27 of the conductive element is on a bisecting axis of the angle formed between the two axes of symmetry.
  • the pairs of slots 21, 22 and 23, 24 extend respectively on the two axes of symmetry.
  • the resonant frequency of the antenna according to the invention varies as a function of the distance r, if we consider the conductive element 3 of FIG. 3, or as a function of the distances r x and r y , if we consider the conductive element shown in FIG. 4.
  • r the distance between the conductive elements 3 of FIG. 3
  • r x and r y the distance between the conductive elements shown in FIG. 4.
  • Figures 5, 6, 7 and 8 show respectively examples 30, 31, 32 and 33 of geometries of such a plate frequency adjustment, the distance between the periphery and the center of said plate, along at least one of axes defined by the slots of the conductive element, varying according to the angle of rotation of the plate about an axis perpendicular A to the plane of the plate and passing through the center of the plate relative to the element driver.
  • the structures shown in Figures 5 to 8 can be done in several ways. For example, they can be printed on a dielectric substrate or machined from a metal block. Several forms of plates are possible and the choice of these depends on the necessary tuning range as well as the finesse of the agreement.
  • Figures 9 and 10 show an antenna 40 comprising a dielectric substrate 41, a ground plane 42, a conductive element 43 and an adjustment plate frequency 44, the latter being separated from the element conductor 43 by another dielectric substrate 45.
  • the conductive element 43 has orthogonal slots 46, 47, 48 and 49.
  • the rotation of the adjustment plate frequency 44 around axis A with respect to the element conductor 43 changes the effective lengths of the slots 46 to 49 and, therefore, changes the frequency of antenna resonance 40.
  • the antenna 40 also comprises a coaxial connector whose central conductor 50 passes through the substrate 41.
  • the central conductor. 50 is welded to the element conductor 43, while the outer conductor is soldered to ground plane 42.
  • the two conductors of the connector coaxial are also connected to an antenna circuit.
  • the antenna 40 converts an alternating voltage from of the antenna circuit, between the two conductors of the coaxial connector, into a microwave and vice versa.
  • the antenna 40 has a central support 51 which passes through openings 52, 53 and 54 in the center of the structure shown in Figure 9 and which maintains the alignment of the various elements of the antenna 40.
  • the central support 51 can be realized either in material insulating or conductive material, the difference related to the use of one or the other of these two materials being a small change in the resonant frequency. This difference can be offset anyway by a rotation of the frequency adjustment plate 44.
  • the center of the conductive element 43 is a point of zero tension and that the fact that this point either in open circuit or in short circuit with ground does not affect the characteristics of the antenna.
  • the conductive element 20 is linearly polarized along a line passing through the center of the conductive element 20 and by the excitation point 27.
  • this linear polarization can be adjusted.
  • adjusting the resonant frequency of an antenna is only required for overcome the uncertainty of the value of the permittivity of the substrate.
  • the antenna can be adjusted by using the disturbance segments that come to be described.
  • Frequency adjustment plates simple narrow band can be used so that the antenna can be tuned to a desired frequency.
  • Figures 13, 14 and 15 show examples of shape plates 70, 71 and 72.
  • Figure 16 shows the arrangement of the frequency adjustment plate 70 of FIG. 13 and of the conductive element 65 of FIG. 12.
  • FIG. 17 shows the arrangement of the frequency adjustment plate 72 of FIG. 15 and of the conductive element 64 of the figure 11. Note that the shape and size of the frequency adjustment plates 70, 71 and 72 relative to to the corresponding conductive elements are such that the distance between the periphery and the center of the plates 70, 71 and 72 vary little depending on the angle of rotation.
  • FIGS. 7 and 8 show an example of such a combination of plates.
  • the frequency adjustment plates 32 and 33 are supported above the conductive element 20 of FIG. 4.
  • the adjustment plate can first be rotated 32 to establish linear polarization at a desired frequency.
  • the frequency adjustment plate 33 can be rotated to introduce a controlled offset between the dimensions r x and r y , which leads the antenna to circular polarization operation.
  • the use of two frequency adjustment plates makes it possible to be able to provide wider manufacturing tolerances for the antenna.
  • a conductive element having the shape shown in FIG. 3 is etched from a substrate made of a material sold under the trade designation ULTRALAM®.
  • the initial dimensions of the substrate were 144 x 1.5 mm 3 and its relative permittivity is 2.5.
  • a circular hole with a diameter of 1 mm is drilled in the center of the substrate.
  • the antenna is energized by means of a signal applied to the conductive element 3 via a standard 50 ⁇ SMA coaxial cable.
  • a hole with a diameter equal to 3 ⁇ is formed in the center of the conductive element.
  • a frequency adjustment plate was used having the shape shown in Figure 5.
  • the arrangement of the antenna is represented in figure 19.
  • the plate of frequency setting is burned from a disc circular in epoxy. We chose this material in this case due to its great rigidity.
  • the circular disc has a thickness of 0.8 mm and a diameter of 60 mm.
  • another epoxy disc such as that referenced 45 in Figure 9. This disc serves as a plate spacing between the conductive element and the plate frequency setting.
  • the spacer plate has a thickness of 0.1 mm and a diameter of 25 mm.
  • the angle of rotation of the plate frequency adjustment 33 of the antenna shown in the figure 19 is limited to a value of 90 °.
  • the use of the frequency adjustment plate shown in Figure 6 allows rotation by an angle 180 ° and therefore a finer adjustment of the frequency in the same frequency range.
  • An antenna was made having an arrangement such as that shown in FIG. 18. This antenna was excited at a single point situated on an axis bisecting the angle formed between the two orthogonal axes of the slots of the conductive element.
  • this excitation technique is quite sensitive compared to other known techniques and that it requires a precise separation between the two degenerate modes of the antenna.
  • the geometry of the conductive element shown in Figure 4 can be adapted for this purpose using an asymmetrical frequency adjustment structure.
  • a circularly polarized excitation requires asymmetry in the dimensions of the slots of the conductive element.
  • the fact that the length r x is greater than the length r y leads to circular polarization to the right.
  • the conductive element is etched from a substrate made of a material sold under the trade designation ULTRALAM®.
  • the initial dimensions of the substrate were 144 x 144 x 1.5 mm 3 and its relative permittivity is 2.5.
  • a circular hole with a diameter of 1 mm is drilled in the center of the substrate.
  • the antenna is energized by means of a signal applied to the conductive element 3 via a standard 50 ⁇ SMA coaxial cable.
  • a hole with a diameter equal to 3 ⁇ is provided in the center of the conductive element.
  • Frequency adjusting plates having the form shown in Figures 7 and 8 are used.
  • the antenna layout is shown in Figure 18.
  • the frequency adjustment plate of figure 7 is engraved from a circular epoxy disc.
  • the disc circular has a thickness of 0.1 mm and a diameter of 60 mm.
  • the frequency adjustment plate of figure 8 is also engraved from a circular disc in epoxy.
  • the circular disc has a thickness of 0.8 mm and a diameter of 50 mm.
  • Another epoxy disc like that designated by the reference numeral 45 in FIG. 9, is used as a spacer plate and is arranged between the conductive element and the frequency adjustment plate.
  • the spacer plate has a thickness of 0.1 mm and a 25 mm diameter. No spacer disc is used between the two frequency adjustment plates.
  • the range of adjustment of the resonant frequency of the antenna is slightly lower than the adjustment range from the previous example due to the lag between two degenerate modes of the antenna in the second example. This variation is around 10%.
  • the report standing waves in tension, measured at resonance, is better than 2 at a frequency of 2.306 MHz.
  • a conductive element having the shape shown in FIG. 11 is etched from a substrate made of a material sold under the trade name TMM-10®, this conductive element comprising disturbance segments allowing operation with circular polarization to the right.
  • the substrate is circular and has a diameter of 34.5 mm.
  • the thickness of the substrate is 0.635 mm and its relative permittivity is 9.2.
  • a circular hole with a diameter of 1.4 mm is drilled in the center of the substrate.
  • the antenna is energized by means of a signal applied to the conductive element via a standard 50 ⁇ SMA coaxial cable.
  • a frequency adjustment plate was used having the shape shown in Figure 15.
  • the arrangement of the antenna is represented in figure 17.
  • the plate of frequency setting is burned from a disc circular in epoxy. This material is preferred here in because of its great rigidity.
  • the circular disc has a 0.8 mm thick and 25 mm in diameter.
  • a disk TEFLON® dielectric is used as a plate and is arranged between the conductive element and the frequency adjustment plate.
  • the spacer plate has a thickness of 0.254 mm and a diameter of 25 mm. This structure provides a range of adjustment frequency of the order of 2%.
  • the antenna is adjusted to the frequency of GPS signals (1.57542 GHz) by the rotation of the adjustment plate frequency.
  • the measured axial ratio is 2.54 dB and the bandwidth, with a standing wave ratio in voltage equal to 2, is 12 MHz.
  • the gain measured is -6 dBi.
  • Example 4 Circular polarization and band adjustment narrow.
  • This example uses a conductive element comprising disturbance segments for operation with right-hand circular polarization.
  • a conductive element having the shape shown in FIG. 12 is etched from a TMM-10® substrate.
  • the substrate is circular and has a diameter of 34.5 mm.
  • the thickness of the substrate is 1.27 mm and its relative permittivity is 9.2.
  • a circular hole with a diameter of 1.4 mm is drilled in the center of the substrate.
  • the antenna is energized by means of a signal applied to the conductive element via a standard 50 ⁇ SMA coaxial cable.
  • a hole with a diameter equal to 1.631 mm is drilled in the center of the conductive element.
  • a frequency adjustment plate having the form shown in figure 13 is machined from a block of copper. No spacer disc is used, but an air gap is created by supporting the adjustment plate frequency 0.2 mm above the conductive element at by means of a central support element.
  • the layout of the antenna is illustrated in Figure 16.
  • the plate geometry frequency setting 70 is such that the distance between its periphery and its origin varies linearly between 4.5 mm and 8.75 mm depending on the angle of rotation thereof.
  • the antenna in this example is mounted in a housing plastic and is set to the frequency of GPS signals (1.57542 GHz) by rotation of the adjustment plate frequency.
  • the measured axial ratio, with the housing fixed at the antenna ground plane, is 1.78 dB and the bandwidth when the standing wave ratio in voltage is equal to 2 is 11 MHz.
  • the gain measured is -4.0 dB.
  • the frequency adjustment plate 70 can be replaced by the frequency adjustment plate 71 of FIG. 14.
  • This frequency adjustment plate is easier to manufacture because it can be made from bars currently available in the trade.
  • the adjustment range in this case is around 3% and the maximum angle of rotation is 45 °.
  • the geometry of the element conductor allows proper size control. of the current shapes such as circular shapes or rectangular have a fixed size according to the frequency of desired resonance and according to the characteristics of the substrate used. Using a slot length variable, you can modify the antenna dimensions by a factor of 2. Furthermore, the shape of the conductive element allows optimal use of the available space, because there is little unmetallized surface. Consequently, the invention allows miniaturization of the antenna while keeping an optimal gain / size ratio.
  • Examples 3 and 4 above describe antennas which are intended to receive, waves of GPS signals transmitted by satellite.
  • the dimensions of the antenna are as it can be mounted in a watch case.
  • the antenna can for example be arranged between the engine and the needles.
  • FIG 20 is a sectional view of a watch 80 comprising a box 81, a bottom 82 and a glass 83.
  • the watch 80 has a dielectric substrate 85, a plane of earth 86 connected to the box 81, a conductive element 87 and a frequency adjustment plate 88, the latter being separated from the conductive element 87 by another dielectric substrate 89.
  • the conductive element comprises two pairs of orthogonal slots. The length of one of pairs of slots is greater than the length of the other pair, to ensure circular polarization antenna 87.
  • the rotation of an adjustment plate frequency 88 with respect to the conductive element 87 modifies the lengths of the two pairs of orthogonal slots and, therefore, changes the resonant frequency of antenna 84.
  • Watch 80 also includes a coaxial cable 90 whose central conductor crosses the substrate dielectric 85. This central conductor is soldered to the conductive element 87, while the external conductor is soldered to ground plane 86. The two conductors of the coaxial cable are also connected to an antenna circuit 91, arranged in watch 80, between the back 82 and the plane mass 86.
  • watch 80 has a central support 92 on which the hour and minute hands are mounted and seconds, respectively 93, 94 and 95.
  • the support central 92 is connected to a watch movement 96 which is also arranged between the bottom 82 and the ground plane 86.
  • the watch movement 96 turns the hands 93 to 95 of watch 80 via the central support 92 to indicate the standard time.
  • the central support 92 serves to maintain the alignment various elements 85 to 88 of the antenna 80.
  • the environment close to antenna 80 has a certain effect on the resonant frequency of the antenna.
  • the angular positions of the needles 93 to 95 by compared to the slots of the conductive member 87 have a some effect on the resonant frequency of the antenna.
  • the hands 93 to 95 are brought by the watch movement 96 in angular positions that have little influence on the resonant frequency of the antenna 80.
  • these angular positions are such that none of the needles 93 to 95 are superimposed on the slots of the conductive member 87.
  • the needles 93 to 95 can be brought in the same positions angular during each reception / transmission, so that the influence of needles 93 to 95 on the frequency of resonance of antenna 80 is always the same.
  • the frequency adjustment structures of resonance of the antenna which have just been described, allow on the one hand, compensation for the non homogeneity of the characteristics of the substrate material, and, on the other hand, a frequency adjustment on a band large.
  • the dimensions of the antenna remain minimum because the frequency adjustment structures only slightly increase the thickness of the antenna.

Landscapes

  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Support Of Aerials (AREA)
  • Transceivers (AREA)

Description

La présente invention est relative aux antennes destinées à convertir une tension alternative en une micro-onde et vice-versa et, plus particulièrement, à des antennes de ce type comprenant un élément conducteur et un plan de masse séparés par un substrat diélectrique. Ces antennes sont aussi connues sous l'appellation anglaise "microstrip patch antennas". L'invention peut être utilisée pour émettre et/ou recevoir des signaux GPS ("Global Positioning System"), et, en outre, elle peut être incorporée dans des montres ou d'autres produits horlogers. On décrira donc l'invention dans le cadre de cet exemple d'application. Toutefois, on comprendra que l'invention n'est bien entendu pas limitée à cette application.
La miniaturisation des antennes du type décrit ci-dessus est généralement accomplie en utilisant un substrat d'une permittivité très grande. Ceci implique invariablement l'utilisation d'un substrat en céramique. Les coûts de fabrication d'un tel substrat sont souvent élevés.
Une antenne miniaturisée est connue de la demande de brevet EP-A-0 525 726. Ce document décrit une antenne à polarisation circulaire comprenant un substrat diélectrique ayant deux faces opposées. Sur une face est fixé un plan de masse et sur l'autre face est fixé un élément conducteur. Cet élément conducteur est pourvu d'un point d'excitation électrique décentré par rapport à l'axe de rotation de l'antenne. Il est également pourvu de fentes placées à sa périphérie et passant virtuellement par son centre. Les caractéristiques de ces fentes, telles que leur longueur ou leur positionnement à la périphérie de l'élément conducteur, permettent de déterminer la fréquence de résonance de l'antenne.
Une autre antenne de ce type est également connue de la publication IEEE Transactions on vehicular technology, vol.40, no.2, Mai 1991, New York US pages 483-486, intitulée « A flat energy density antenna system for mobile telephone ». Cette publication décrit également l'utilisation de fentes permettant notamment d'augmenter la fréquence de résonance de l'antenne en réduisant le rayon efficace de l'élément conducteur, c'est-à-dire en diminuant la longueur des fentes utilisées.
Les antennes miniaturisées de ce type possèdent une largeur de bande très étroite. Par conséquent, en vertu des tolérances de fabrication, la conception et la construction de ces antennes est une tâche difficile. L'ajustement mécanique des bords de l'élément conducteur est une technique utilisée depuis longtemps pour obtenir la fréquence de résonance de l'antenne désirée. Cependant, une telle solution est à la fois destructrice et encombrante.
La présente invention a pour but de fournir une antenne miniaturisée du type défini ci-dessus qui remédie tout au moins en partie aux inconvénients des antennes de l'état de l'art antérieur.
Un autre but de l'invention est de fournir une antenne miniaturisée du type défini ci-dessus qui soit compacte, et qui soit relativement facile et peu coûteuse à fabriquer.
En particulier, un but de l'invention est de fournir une antenne miniaturisée du type défini ci-dessus qui permette un réglage simple de sa fréquence de résonance.
Un autre but de l'invention est de fournir une antenne miniaturisée du type défini ci-dessus qui soit apte à être utilisée dans une montre.
A cet effet, l'invention a donc pour objet une antenne destinée à convertir une tension alternative, provenant d'un circuit d'antenne, en une onde à polarisation linéaire et vice versa, dont les caractéristiques sont énoncées à la revendication 1.
L'invention a aussi pour objet une antenne destinée à convertir une tension alternative provenant d'un circuit d'antenne, en une onde à polarisation linéaire ou circulaire et vice-versa, dont les caractéristiques sont énoncées à la revendication 8.
Grâce à ces caractéristiques, l'invention permet la réalisation d'une antenne miniaturisée sans exiger l'utilisation d'un substrat d'une permittivité très élevée.
Selon l'invention, l'antenne comprend une plaque de réglage de fréquence, montée sur le centre de l'élément conducteur et sur un axe perpendiculaire au plan de l'élément conducteur, la distance entre la périphérie et le centre de la plaque, le long de l'axe où s'étendent les fentes, étant variable de telle sorte que, par rotation, la plaque de réglage de fréquence agit de manière à modifier la longueur effective des fentes.
Grâce à ces caractéristiques, la rotation de la plaque de réglage de fréquence autour de son axe permet, un réglage simple et précis de la fréquence de résonance de l'antenne, et ceci sur une largeur de bande plus grande que la largeur de bande de l'élément conducteur.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaítront au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels:
  • la figure 1 est une vue en coupe d'une antenne selon la présente invention;
  • la figure 2 est une vue en perspective de l'antenne de la figure 1;
  • la figure 3 est une vue en plan de l'élément conducteur de l'antenne des figures 1 et 2;
  • la figure 4 est une vue en plan d'une variante de réalisation de l'élément conducteur de la figure 3;
  • la figure 5 est une vue en plan d'une plaque de réglage de fréquence destinée à régler la fréquence de résonance de l'antenne de la figure 1;
  • la figure 6 est une première variante de réalisation de la plaque de réglage de fréquence de la figure 5;
  • la figure 7 est une deuxième variante de réalisation de la plaque de réglage de fréquence de la figure 5;
  • la figure 8 est une troisième variante de réalisation de la plaque de réglage de fréquence de la figure 5;
  • la figure 9 est une vue éclatée et en perspective d'une autre antenne selon l'invention;
  • la figure 10 est une vue en coupe de l'antenne de la figure 9;
  • la figure 11 est une vue en plan d'une autre variante de réalisation de l'élément conducteur de l'invention;
  • la figure 12 est une vue en plan d'une autre variante de réalisation de l'élément conducteur de l'invention;
  • la figure 13 est un vue en plan d'une autre variante de réalisation de la plaque de réglage de fréquence de la figure 5;
  • la figure 14 est un vue en plan d'une autre variante de réalisation de la plaque de réglage de fréquence de la figure 5;
  • la figure 15 est un vue en plan d'une autre variante du plaque de réglage de fréquence de la figure 5 ;
  • la figure 16 est une vue en plan de l'agencement de la plaque de réglage de fréquence de la figure 13 et de l'élément conducteur de la figure 12;
  • la figure 17 est une vue en plan de l'agencement de la plaque de réglage de fréquence de la figure 15 et de l'élément conducteur de la figure 11;
  • la figure 18 est une vue en plan de l'agencement des plaques de réglage de fréquence des figures 7 et 8 et de l'élément conducteur de la figure 4;
  • la figure 19 est une vue en plan de l'agencement de la plaque de réglage de fréquence de la figure 5 et de l'élément conducteur de la figure 3; et
  • la figure 20 est une vue en coupe d'une montre comportant une antenne selon la présente invention.
L'agencement de l'antenne miniaturisée 1 selon l'invention représentée aux figures 1 et 2 comprend un substrat diélectrique 2, un élément conducteur 3 et un plan de masse 4. L'élément conducteur 3 a la forme générale d'un disque et selon la dénomination anglo-saxonne est appelé "radiating patch". L'élément conducteur 3 et le plan de masse 4 sont déposés sur des surfaces opposées du substrat diélectrique 2. L'antenne 1 a une géométrie apte à recevoir et émettre des ondes à polarisation linéaire.
L'élément conducteur 3 comporte des fentes 5 et 6 diamétralement opposées et alignées selon l'axe 7. Ces fentes 5 et 6 s'étendent à partir de la périphérie vers le centre de l'élément conducteur 3. Un point d'excitation 8 est situé dans le plan de l'élément conducteur 3, sur un axe 9 qui est perpendiculaire à l'axe 7. L'excitation est assurée au moyen d'un câble coaxial dont le conducteur central 10 traverse le substrat 2 et est soudé à l'élément conducteur 3 à l'endroit du point d'excitation 8.
La figure 3 montre plus précisément la géométrie de l'élément conducteur 3. On voit que les fentes 5 et 6 ont toutes deux une longueur rx et que l'élément conducteur 3 a un diamètre 2R, R étant le rayon de ce dernier.
Les fentes 5 et 6 constituent une charge capacitive pour l'antenne 1. Des considérations théoriques, qui ne seront pas reprises ici car elles dépassent le cadre de la présente demande de brevet, montrent que la fréquence de résonance de l'antenne 1 dépend fortement de la longueur rx des fentes 5 et 6. Selon ces considérations, lorsque rx est nul, l'antenne 1 résonne à une fréquence fc. Mais, lorsque la valeur de rx s'approche de R, la fréquence de résonance s'approche de fc/2. On sait par ailleurs que le diamètre 2R de l'antenne est une fonction de l'inverse de la fréquence de résonance fc de celle-ci. Puisque la fréquence de résonance fc est proche de fc/2 pour une certaine dimension 2R, on peut également choisir de réduire la dimension 2R de moitié pour une certaine fréquence de résonance fc. C'est-à-dire, on peut diminuer la dimension maximale de l'antenne 1 d'un facteur de 2 lorsque les fentes s'étendent sensiblement sur toute la distance séparant la périphérie du centre dudit élément conducteur. On notera à ce propos que les fentes 5 et 6 peuvent être réalisées par découpage de l'élément conducteur 3 au moyen d'un faisceau laser. Bien entendu les fentes 5 et 6 peuvent être également être réalisées par gravage ou tout autre traitement chimique ou mécanique de l'élément conducteur 3.
Il faut noter que la forme circulaire de l'élément conducteur 3 des figures 2 et 3 ne représente qu'un exemple d'une forme de l'élément conducteur de l'invention. Une forme carrée peut également être utilisée, ainsi que tout autre élément conducteur qui est délimité à sa périphérie par un bord qui confère à cet élément une double symétrie planaire selon deux axes perpendiculaires.
Dans le cas d'une antenne à polarisation linéaire, le point d'excitation se trouve sur un des deux axes de symétrie de l'élément conducteur et les fentes 5 et 6 s'étendent sur l'autre axe de symétrie.
La figure 4 montre la géométrie d'un élément conducteur 20 apte à recevoir et à émettre aussi bien des signaux à polarisation circulaire que des signaux à polarisation linéaire. L'élément conducteur 20 comporte des fentes 21 et 22 qui s'étendent à partir de sa périphérie vers le centre et qui sont alignées sur un même axe 23. En outre, l'élément conducteur 20 comporte des fentes 24 et 25 qui s'étendent à partir de sa périphérie vers le centre et qui sont alignées sur un même axe 26 perpendiculaire à l'axe 23. Un point d'excitation 27 est situé sur un axe décalé de 45° par rapport aux deux axes 23 et 24.
Pour que l'antenne ait une polarisation linéaire, les longueurs rx des fentes 21 et 22 et ry des fentes 24 et 25 doivent être égales. Par contre, on obtient une polarisation circulaire droite si, pour un point d'excitation 27 tel que décrit ci-dessus, rx est supérieur à ry selon un choix convenable. On comprendra que la forme circulaire de l'élément conducteur 20 de la figure 4 ne représente qu'une forme particulière de l'élément conducteur de l'invention. Il va de soi qu'une forme carrée peut être également utilisée ou encore tout autre forme d'élément conducteur délimitée à sa périphérie par un bord qui lui confère une double symétrie planaire selon deux axes perpendiculaires. Dans le cas d'une antenne à polarisation linéaire ou circulaire, comme, par exemple, une antenne comportant l'élément conducteur 20 de la figure 4, le point d'excitation 27 de l'élément conducteur se trouve sur un axe bissecteur de l'angle formé entre les deux axes de symétrie. Dans ce cas, les paires de fentes 21, 22 et 23, 24 s'étendent respectivement sur les deux axes de symétrie.
La fréquence de résonance de l'antenne selon l'invention varie en fonction de la distance r, si l'on considère l'élément conducteur 3 de la figure 3, ou en fonction des distances rx et ry, si l'on considère l'élément conducteur montré à la figure 4. Comme on le verra par la suite, en utilisant une ou plusieurs plaques de réglage de fréquence de forme particulière comme couche supérieure, on peut effectivement faire varier les dimensions r, et le cas échéant les dimensions rx et ry, par une simple rotation de cette plaque.
Les figures 5, 6, 7 et 8 montrent respectivement des exemples 30, 31, 32 et 33 de géométries d'une telle plaque de réglage de fréquence, la distance entre la périphérie et le centre de ladite plaque, le long d'au moins un des axes définis par les fentes de l'élément conducteur, variant en fonction de l'angle de rotation de la plaque autour d'un axe perpendiculaire A au plan de la plaque et passant par le centre de la plaque par rapport à l'élément conducteur. Les structures montrées aux figures 5 à 8 peuvent être réalisées de plusieurs manières. Par exemple, elles peuvent être imprimées sur un substrat diélectrique ou usinées à partir d'un bloc de métal. Plusieurs formes de plaques sont envisageables et le choix de celles-ci dépend de la plage d'accord nécessaire ainsi que de la finesse de l'accord.
Un contact électrique avec la surface de l'élément conducteur n'est pas nécessaire car le principe consistant à faire varier la capacité à travers les fentes fonctionne également lorsque le plaque et l'élément conducteur sont isolés l'un de l'autre. Aussi, si l'on désire conserver un contact électrique, le contact doit être uniforme sur toutes les fentes ce qui complique la conception de la plaque de réglage de fréquence. En conséquence, il est plus facile d'obtenir une isolation en utilisant une plaque diélectrique ou un entrefer entre la plaque de réglage de fréquence et les fentes de l'élément conducteur. De plus, on notera que dans ce cas la fréquence de résonance est moins sensible aux variations de rx et ry.
Les figures 9 et 10 montrent une antenne 40 comportant un substrat diélectrique 41, un plan de masse 42, un élément conducteur 43 et une plaque de réglage de fréquence 44, cette dernière étant séparée de l'élément conducteur 43 par un autre substrat diélectrique 45. L'élément conducteur 43 comporte des fentes orthogonales 46, 47, 48 et 49. La rotation de la plaque de réglage de fréquence 44 autour de l'axe A par rapport à l'élément conducteur 43 modifie les longueurs effectives des fentes 46 à 49 et, par conséquent, modifie la fréquence de résonance de l'antenne 40.
L'antenne 40 comporte en outre un connecteur coaxial dont le conducteur central 50 passe à travers le substrat 41. Le conducteur central. 50 est soudé à l'élément conducteur 43, tandis que le conducteur externe est soudé au plan de masse 42. Les deux conducteurs du connecteur coaxial sont également reliés à un circuit d'antenne. L'antenne 40 convertit une tension alternative provenant du circuit d'antenne, entre les deux conducteurs du connecteur coaxial, en une micro-onde et vice-versa.
De plus, l'antenne 40 comporte un support central 51 qui passe par des ouvertures 52, 53 et 54 au centre de la structure montrée à la figure 9 et qui maintient l'alignement des divers éléments de l'antenne 40. Le support central 51 peut être réalisé soit en matière isolante soit en matière conductrice, la différence liée à l'utilisation de l'une ou l'autre de ces deux matières étant un faible changement de la fréquence de résonance. Cette différence peut être compensée de toute façon par une rotation de la plaque de réglage de fréquence 44.
On notera que le centre de l'élément conducteur 43 est un point de tension nul et que le fait que ce point soit en circuit ouvert ou en court-circuit avec la masse n'affecte pas les caractéristiques de l'antenne. On utilisera de préférence, un support central métallique, car dans ce cas le potentiel électrostatique de l'élément conducteur 43 et celui de la plaque de réglage de fréquence 44 sont à la masse. Ceci peut être avantageux du point de vue de la compatibilité électromagnétique de l'antenne 40.
Lorsque la longueur rx des fentes 21 et 22 et la longueur ry des fentes 24 et 25 de la figure 4 sont égales, l'élément conducteur 20 est polarisé linéairement le long d'une ligne passant par le centre de l'élément conducteur 20 et par le point d'excitation 27. En utilisant une plaque de réglage de fréquence comme cela est représenté à la figure 7 ou à la figure 9, on peut régler cette polarisation linéaire.
Cependant, une polarisation circulaire de l'antenne ayant un seul point d'excitation exige l'introduction d'une asymétrie dans l'élément conducteur 20 afin que deux modes orthogonaux de résonance soient établis. Une manière de le faire consiste à introduire des segments de perturbations dans l'élément conducteur 20. Divers exemples de la forme de ces segments de perturbations sont représentés par les références 60, 61, 62 et 63 des éléments conducteurs 64 et 65 aux figures 11 et 12. Ensuite, ces segments de perturbations 60 à 63 peuvent être coupés pour introduire l'asymétrie désirée.
Dans certaines applications, le réglage de la fréquence de résonance d'une antenne n'est requis que pour surmonter l'incertitude de la valeur de la permittivité du substrat. Dans ces cas, l'antenne peut être réglée en utilisant les segments de perturbations qui viennent d'être décrits. Des plaques de réglage de fréquence simples à bande étroite peuvent être utilisées pour que l'antenne puisse être accordée sur une fréquence désirée. Les figures 13, 14 et 15 montrent des exemples de forme des plaques 70, 71 et 72. La figure 16 montre l'agencement de la plaque de réglage de fréquence 70 de la figure 13 et de l'élément conducteur 65 de la figure 12. La figure 17 montre l'agencement de la plaque de réglage de fréquence 72 de la figure 15 et de l'élément conducteur 64 de la figure 11. On remarquera que la forme et la taille des plaques de réglage de fréquence 70, 71 et 72 par rapport aux éléments conducteurs correspondants sont telles que la distance entre la périphérie et le centre des plaques 70, 71 et 72 varie peu en fonction de l'angle de rotation.
Cette asymétrie peut être également introduite, dans le cas où la structure de l'antenne est telle que les longueurs des fentes rx et ry ont la même valeur, en utilisant une combinaison de deux plaques de réglage de fréquence. La figure 18 montre un exemple d'une telle combinaison de plaques. Dans cet exemple, les plaques de réglage de fréquence 32 et 33, respectivement montrées aux figures 7 et 8, sont supportées au-dessus de l'élément conducteur 20 de la figure 4. On peut tout d'abord faire tourner le plaque de réglage de fréquence 32 pour établir une polarisation linéaire à une fréquence désirée. Ensuite, la plaque de réglage de fréquence 33 peut être tournée pour introduire un décalage contrôlé entre les dimensions rx et ry, ce qui conduit l'antenne à un fonctionnement à polarisation circulaire. Avantageusement, l'utilisation de deux plaques de réglage de fréquence permet de pouvoir prévoir des tolérances de fabrication de l'antenne plus larges.
Cette description va maintenant être complétée en se référant à des exemples pratiques de construction d'une antenne selon l'invention. Puisque les antennes étaient conçues en utilisant un plan numérique qui divise la surface de l'élément conducteur en cellules carrées, les dimensions exprimées dans ces exemples sont dans les termes de "taille de cellule Δ".
Exemple 1 : Polarisation linéaire et réglage à large bande
Un élément conducteur ayant la forme représentée à la figure 3 est gravé à partir d'un substrat en un matériau vendu sous la désignation commerciale ULTRALAM®. Les dimensions initiales du substrat étaient de 144 x 1,5 mm3 et sa permittivité relative est de 2,5. Un trou circulaire d'un diamètre de 1 mm est percé au centre du substrat. L'antenne est excitée au moyen d'un signal appliqué sur l'élément conducteur 3 via un câble coaxial standard 50 Ω SMA. Les dimensions de l'élément conducteur sont les suivantes :
Δ = 40/61 mm, 2R = 30,5 Δ, r = 19 Δ, w = 0,5 Δ, yf = 7 Δ.
En outre, un trou d'un diamètre égal à 3 Δ est formé au centre de l'élément conducteur.
On a utilisé une plaque de réglage de fréquence ayant la forme représentée à la figure 5. L'agencement de l'antenne est représenté à la figure 19. La plaque de réglage de fréquence est gravée à partir d'un disque circulaire en époxy. On a choisi cette matière dans ce cas en raison de sa grande rigidité. Le disque circulaire a une épaisseur de 0,8 mm et un diamètre de 60 mm. On a également utilisé un autre disque en époxy tel que celui référencé 45 à la figure 9. Ce disque sert de plaque d'espacement entre l'élément conducteur et la plaque de réglage de fréquence. La plaque d'espacement a une épaisseur de 0,1 mm et un diamètre de 25 mm.
On a mesuré la fréquence de résonance de l'antenne et on a constaté que cette fréquence variait entre 2,118 GHz (lorsque l'angle 1 = 90°) et 2,448 GHz (lorsque l'angle 1 = 0°). Cette variation correspond à une plage de réglage de la fréquence de 14,5%. Le rapport d'ondes stationnaires en tension, mesuré à la fréquence de résonance, est meilleur que 2 sur la totalité de la bande. Les diagrammes de rayonnement ont été mesurés dans une enceinte anechoïque à trois fréquences différentes, à savoir, 2,118, 2,296 et 2,448 GHz, ces trois fréquences correspondant respectivement à trois positions angulaires différentes de la structure de réglage de fréquence. Les diagrammes de co-polarisation sont dans ces cas sensiblement les mêmes que les diagrammes de co-polarisation pour un élément conducteur circulaire. De plus, les niveaux de polarisation croisée sont inférieurs à -20 dB, ce qui indique que la structure de réglage de fréquence n'introduit aucun niveau de rayonnement à polarisation croisée inacceptable.
On notera que l'angle de rotation de la plaque de réglage de fréquence 33 de l'antenne représentée à la figure 19 est limité à une valeur de 90°. Cependant, l'utilisation de la plaque de réglage de fréquence représentée à la figure 6 autorise une rotation d'un angle de 180° et par conséquent un réglage plus fin de la fréquence dans la même plage de fréquence.
Exemple 2 : Polarisation circulaire et réglage à bande large
On a fabriqué une antenne ayant un agencement tel que celui représenté à la figure 18. Cette antenne a été excitée en un seul point situé sur un axe bissecteur de l'angle formé entre les deux axes orthogonaux des fentes de l'élément conducteur. On sait que cette technique d'excitation est assez sensible par rapport aux autres techniques connues et qu'elle exige une séparation précise entre les deux modes dégénérés de l'antenne. En particulier, les deux fréquences de résonance doivent être séparées d'une fréquence α où α = 2βf(β + f2) et où β est la largeur de bande de l'élément conducteur à la fréquence de résonance fc lors du traitement d'un signal à polarisation circulaire dans le cas où le rapport d'ondes stationnaires en tension est égale à 2. La géométrie de l'élément conducteur représenté à la figure 4 peut être adaptée à cette fin en utilisant une structure de réglage de fréquence asymétrique. Une excitation à polarisation circulaire nécessite une asymétrie dans les dimensions des fentes de l'élément conducteur. En particulier, dans le cas d'un élément conducteur qui est excité en un point situé dans le troisième cadran, comme cela est le cas à la figure 18, le fait que la longueur rx soit plus grande que la longueur ry conduit à une polarisation circulaire à droite.
Des expériences pratiques ont montré que la largeur de bande de l'antenne varie en fonction du réglage de la fréquence. Cette variation peut compliquer la conception d'une simple plaque de réglage de fréquence car une connaissance précise de son effet est requise. L'utilisation de deux plaques de réglage de fréquence, comme les deux plaques représentées à la figure 18, peut pallier ce problème. En outre, l'utilisation de deux plaques de réglage de fréquence permet de pouvoir prévoir des tolérances de fabrication de l'antenne plus larges.
Dans cet exemple, l'élément conducteur est gravé à partir d'un substrat en un matériau vendu sous la désignation commerciale ULTRALAM®. Les dimensions initiales du substrat étaient de 144 x 144 x 1,5 mm3 et sa permittivité relative est de 2,5. Un trou circulaire d'un diamètre de 1 mm est percé au centre du substrat. L'antenne est excitée au moyen d'un signal appliqué sur l'élément conducteur 3 via un câble coaxial standard 50 Ω SMA. Les dimensions de l'élément conducteur sont les suivantes :
   Δ = 40/61 mm, 2R = 30,5 Δ, rx = ry = 19 Δ, w = 0,5 Δ,
         xf = yf = 7 Δ.
En outre, un trou d'un diamètre égal à 3 Δ est prévu au centre de l'élément conducteur.
Des plaques de réglage de fréquence ayant la forme représentée aux figures 7 et 8 sont utilisées. L'agencement de l'antenne est représenté à la figure 18. La plaque de réglage de fréquence de la figure 7 est gravée à partir d'un disque circulaire en époxy. Le disque circulaire a une épaisseur de 0,1 mm et un diamètre de 60 mm. La plaque de réglage de fréquence de la figure 8 est également gravée à partir d'un disque circulaire en époxy. Le disque circulaire a une épaisseur de 0,8 mm et un diamètre de 50 mm. Un autre disque en époxy, comme celui désigné par la référence numérique 45 à la figure 9, est utilisé comme plaque d'espacement et est disposé entre l'élément conducteur et la plaque de réglage de fréquence. La plaque d'espacement a une épaisseur de 0,1 mm et un diamètre de 25 mm. Aucun disque d'espacement n'est utilisé entre les deux plaques de réglage de fréquence.
La gamme de réglage de la fréquence de résonance de l'antenne est légèrement inférieure à la gamme de réglage de l'exemple précédent en raison du décalage entre les deux modes dégénérés de l'antenne dans le deuxième exemple. Cette variation est de l'ordre de 10%. Le rapport d'ondes stationnaires en tension, mesuré à la résonance, est meilleur que 2 à une fréquence de 2,306 MHz.
Alors que l'agencement montré à la figure 18 engendre une polarisation circulaire à droite, on notera que la rotation de la plaque 33 d'un angle de 90° engendre une polarisation circulaire à gauche.
Exemple 3 : Polarisation circulaire et réglage à bande étroite
On grave à partir d'un substrat en un matériau vendu sous la désignation commerciale TMM-10® un élément conducteur ayant la forme représentée à la figure 11, cet élément conducteur comportant des segments de perturbations permettant un fonctionnement à polarisation circulaire à droite. Le substrat est circulaire et a un diamètre de 34,5 mm. L'épaisseur du substrat est de 0,635 mm et sa permittivité relative est de 9,2. Un trou circulaire d'un diamètre de 1,4 mm est percé au centre du substrat. L'antenne est excitée au moyen d'un signal appliqué sur l'élément conducteur via un câble coaxial standard 50 Ω SMA. Les dimensions de l'élément conducteur sont les suivantes:
   2R = 14,75 mm, rx = ry = 9,5 mm, w = 0,25 mm,
         xf = yf = 3,5 mm.
En outre, un trou d'un diamètre égal à 1,693 mm est percé au centre de l'élément conducteur.
On a utilisé une plaque de réglage de fréquence ayant la forme représentée à la figure 15. L'agencement de l'antenne est représenté à la figure 17. La plaque de réglage de fréquence est gravée à partir d'un disque circulaire en époxy. Cette matière est préférée ici en raison de sa grande rigidité. Le disque circulaire a une épaisseur de 0,8 mm et un diamètre de 25 mm. Un disque diélectrique en TEFLON® est utilisé comme plaque d'espacement et est disposé entre l'élément conducteur et la plaque de réglage de fréquence. La plaque d'espacement a une épaisseur de 0,254 mm et un diamètre de 25 mm. Cette structure permet d'obtenir une gamme de réglage de fréquence de l'ordre de 2 %.
L'antenne est réglée à la fréquence des signaux GPS (1,57542 GHz) par la rotation de la plaque de réglage de fréquence. Le rapport axial mesuré est de 2,54 dB et la largeur de bande, avec un rapport d'ondes stationnaires en tension égale à 2, est de 12 MHz. Le gain mesuré est de -6 dBi.
Exemple 4 : Polarisation circulaire et réglage à bande étroite.
Cet exemple utilise un élément conducteur comprenant des segments de perturbations pour un fonctionnement à polarisation circulaire à droite. Un élément conducteur ayant la forme représentée à la figure 12 est gravé à partir d'un substrat en TMM-10®. Le substrat est circulaire et a un diamètre de 34,5 mm. L'épaisseur du substrat est de 1,27 mm et sa permittivité relative est de 9,2. Un trou circulaire d'un diamètre de 1,4 mm est percé au centre du substrat. L'antenne est excitée au moyen d'un signal appliqué sur l'élément conducteur via un câble coaxial standard 50 Ω SMA. Les dimensions de l'élément conducteur sont les suivantes :
   2R = 14,7 mm, rx = ry = 10,12 mm, w = 0,25, et
         xf = yf = 1,93 mm.
En outre, un trou d'un diamètre égal à 1,631 mm est percé au centre de l'élément conducteur.
Une plaque de réglage de fréquence ayant la forme représentée à la figure 13 est usinée à partir d'un bloc de cuivre. Aucun disque d'espacement n'est utilisé, mais un entrefer est créé en supportant la plaque de réglage de fréquence à 0,2 mm au-dessus de l'élément conducteur au moyen d'un élément de support central. L'agencement de l'antenne est illustré à la figure 16.
Dans cet exemple, on peut faire tourner la plaque de réglage de fréquence de 90° pour obtenir une gamme de réglage de fréquence de 6%. La géométrie de la plaque de réglage de fréquence 70 est telle que la distance entre sa périphérie et son origine varie linéairement entre 4,5 mm et 8,75 mm en fonction de l'angle de rotation de celle-ci.
L'antenne de cet exemple est montée dans un boítier en plastique et est réglée à la fréquence des signaux GPS (1,57542 GHz) par rotation de la plaque de réglage de fréquence. Le rapport axial mesuré, avec le boítier fixé au plan de masse de l'antenne, est de 1,78 dB et la largeur de bande lorsque le rapport d'ondes stationnaires en tension est égale à 2 est de 11 MHz. Le gain mesuré est de -4,0 dB.
Selon une variante de cet exemple de réalisation, la plaque de réglage de fréquence 70 peut être remplacée par la plaque de réglage de fréquence 71 de la figure 14. Cette plaque de réglage de fréquence est plus facile à fabriquer car elle peut être réalisée à partir de barres parallélipédiques actuellement disponibles dans le commerce. La gamme de réglage dans ce cas est de l'ordre de 3 % et l'angle de rotation maximale est de 45°.
L'invention permet un certain nombre d'applications intéressantes. D'abord, la géométrie de l'élément conducteur permet un contrôle convenable de sa taille. Des formes actuelles telles que des formes circulaires ou rectangulaires ont une taille fixe selon la fréquence de résonance désirée et selon les caractéristiques du substrat utilisé. En utilisant une longueur de fente variable, on peut modifier les dimensions de l'antenne d'un facteur 2. En outre, la forme de l'élément conducteur permet une utilisation optimale de la surface disponible, car il y a peu de surface non métallisée. En conséquence, l'invention permet une miniaturisation de l'antenne tout en gardant un rapport gain/taille optimal.
Les exemples 3 et 4 ci-dessus décrivent des antennes qui sont destinées à recevoir, des ondes de signaux GPS transmis par satellite. Les dimensions de l'antenne sont telles qu'elle peut être montée dans une boíte de montre. Dans une montre, l'antenne peut être par exemple disposée entre le moteur et les aiguilles.
La figure 20 est une vue en coupe d'une montre 80 comportant une boíte 81, un fond 82 et un verre 83. La montre 80 comporte un substrat diélectrique 85, un plan de masse 86 relié à la boíte 81, un élément conducteur 87 et une plaque de réglage de fréquence 88, cette dernière étant séparée de l'élément conducteur 87 par un autre substrat diélectrique 89. L'élément conducteur comporte deux paires de fentes orthogonales. La longueur d'une des paires de fentes est plus grande que la longueur de l'autre paire, afin d'assurer une polarisation circulaire de l'antenne 87. La rotation d'une plaque de réglage de fréquence 88 par rapport à l'élément conducteur 87 modifie les longueurs des deux paires de fentes orthogonales et, par conséquent, modifie la fréquence de résonance de l'antenne 84.
La montre 80 comporte en outre un câble coaxial 90 dont le conducteur central traverse le substrat diélectrique 85. Ce conducteur central est soudé à l'élément conducteur 87, tandis que le conducteur externe est soudé au plan de masse 86. Les deux conducteurs du câble coaxial sont également reliés à un circuit d'antenne 91, disposé dans la montre 80, entre le fond 82 et le plan de masse 86.
De plus, la montre 80 comporte un support central 92 sur lequel sont montées les aiguilles d'heures, de minutes et de secondes, respectivement 93, 94 et 95. Le support central 92 est relié à un mouvement d'horlogerie 96 qui est également disposé entre le fond 82 et le plan de masse 86. Le mouvement d'horlogerie 96 fait tourner les aiguilles 93 à 95 de la montre 80 par l'intermédiaire du support central 92 afin d'indiquer l'heure standard. En outre, le support central 92 sert à maintenir l'alignement des divers éléments 85 à 88 de l'antenne 80.
L'environnement proche de l'antenne 80 a un certain effet sur la fréquence de résonance de l'antenne. A cet égard, les positions angulaires des aiguilles 93 à 95 par rapport aux fentes de l'élément conducteur 87 ont un certain effet sur la fréquence de résonance de l'antenne. Pour compenser cet effet, lors de la réception ou de la transmission d'un signal par l'antenne 80, les aiguilles 93 à 95 sont amenées par le mouvement d'horlogerie 96 dans des positions angulaires qui ont peu d'influence sur la fréquence de résonance de l'antenne 80.
De préférence, ces positions angulaires sont telles qu'aucune des aiguilles 93 à 95 ne sont superposées aux fentes de l'élément conducteur 87. En outre, les aiguilles 93 à 95 peuvent être amenées dans les mêmes positions angulaires lors de chaque réception/transmission, afin que l'influence des aiguilles 93 à 95 sur la fréquence de résonance de l'antenne 80 soit toujours la même.
Les structures de réglage de la fréquence de résonance de l'antenne qui viennent d'être décrites, permettent d'une part, une compensation de la non homogénéité des caractéristiques du matériau du substrat, et, d'autre part, un réglage de fréquence sur une bande large. De plus, les dimensions de l'antenne restent minimum car les structures de réglage de fréquence n'augmentent que très légèrement l'épaisseur de l'antenne.
On notera que pour obtenir une telle taille avec une antenne circulaire connue, il est nécessaire d'utiliser un substrat ayant une permittivité relative de l'ordre de 15. Une telle permittivité nécessite l'utilisation d'un substrat en céramique et conduit à des frais de fabrication plus élevés. A noter en outre que ces substrats en céramique présentent des caractéristiques thermiques insuffisantes dans de nombreuses applications. Par exemple, l'environnement proche de l'antenne a un certain effet sur la fréquence de résonance de l'antenne. Cet effet peut être compensé par une simple rotation de la plaque de réglage de fréquence de l'antenne. A cet égard, les aiguilles d'une montre comportant l'antenne de l'invention sont, de préférence, réalisées en plastique, ou en toute autre matière non métallique, pour diminuer cet effet.

Claims (19)

  1. Antenne destinée à convertir une tension alternative, provenant d'un circuit d'antenne, en une micro-onde à polarisation linéaire et vice versa, comprenant :
    un premier substrat diélectrique (2; 41) comportant deux côtés opposés;
    un élément conducteur (3) fixé sur un premier côté dudit premier substrat diélectrique, ledit élément conducteur étant délimité à sa périphérie par un bord qui confère à cet élément une double symétrie planaire selon deux axes perpendiculaires (7, 9) ; et
    un plan de masse (4; 42) fixé sur le deuxième côté dudit premier substrat diélectrique;
    ledit élément conducteur comportant un point d'excitation (8) par lequel il est relié audit circuit d'antenne, ce dernier délivrant ladite tension alternative entre le point d'excitation et ledit plan de masse;
    ledit point d'excitation (8) se trouvant sur un premier (9) desdits axes (7, 9);
    ledit élément conducteur (3) comportant en outre :
    une première paire de fentes (5, 6) qui s'étendent, sur le deuxième (7) desdits axes (7, 9), à partir de la périphérie vers le centre dudit élément conducteur sur sensiblement la totalité de la distance séparant la périphérie du centre dudit élément conducteur;
    ladite antenne étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre :
    une première plaque de réglage de fréquence (30; 31; 32; 33; 44; 70; 71; 72) montée sur le centre dudit élément conducteur et sur un axe perpendiculaire au plan dudit élément conducteur, la distance entre la périphérie et le centre de ladite première plaque, le long dudit deuxième axe, étant variable de telle sorte que, par rotation, ladite première plaque de réglage de fréquence agit de manière à modifier la longueur effective desdites fentes (5, 6).
  2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite plaque de réglage de fréquence est usinée à partir d'un bloc en métal.
  3. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite plaque de réglage de fréquence est imprimée sur un deuxième substrat diélectrique.
  4. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre
    un disque d'espacement (45) qui sépare ledit premier élément conducteur de ladite plaque de réglage de fréquence.
  5. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite plaque de réglage de fréquence et ledit élément conducteur sont séparés par un entrefer.
  6. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre
    un support central (51) qui traverse le premier substrat diélectrique et ladite plaque de réglage de fréquence, et sur lequel ces éléments sont montés.
  7. Antenne selon la revendication 6, caractérisée en ce que ledit support central est fabriqué en une matière conductrice.
  8. Antenne destinée à convertir une tension alternative, provenant d'un circuit d'antenne, en une micro-onde à polarisation linéaire ou circulaire et vice-versa, comprenant:
    un premier substrat diélectrique (2; 41) comportant deux côtés opposés;
    un élément conducteur (20; 43; 64; 65) fixé sur un premier côté dudit premier substrat diélectrique, ledit élément conducteur étant délimité à sa périphérie par un bord qui confère à cet élément une double symétrie planaire selon deux axes perpendiculaires (23, 26); et
    un plan de masse (4; 42) fixé sur le deuxième côté dudit premier substrat diélectrique;
    ledit élément conducteur comportant un point d'excitation (27) par lequel il est relié audit circuit d'antenne, ce dernier délivrant ladite tension alternative entre le point d'excitation et ledit plan de masse;
    ledit point d'excitation (27) se trouvant sur un troisième axe bissecteur de l'angle formé entre les premier et deuxième axes (23; 26);
    ledit élément conducteur (20; 43; 64; 65) comportant en outre :
    une première paire des fentes (21, 22; 46, 47) qui s'étendent, sur ledit premier axe (23), à partir de la périphérie vers le centre dudit élément conducteur sur sensiblement la totalité de la distance séparant la périphérie du centre dudit élément conducteur; et
    une deuxième paire de fentes (24, 25; 48, 49) qui s'étendent, sur ledit deuxième axe (26), à partir de la périphérie vers le centre dudit élément conducteur sur sensiblement la totalité de la distance séparant la périphérie du centre dudit élément conducteur;
    ladite antenne étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre:
    une première plaque de réglage de fréquence (30; 31; 32; 33; 44; 70; 71; 72) montée sur le centre dudit élément conducteur et sur un axe perpendiculaire au plan dudit élément conducteur, la distance entre la périphérie et le centre de ladite première plaque, le long dudit deuxième axe, étant variable de telle sorte que, par rotation, ladite première plaque de réglage de fréquence agit de manière à modifier la longueur effective de ladite deuxième paire de fentes (24, 25; 48, 49).
  9. Antenne selon la revendication 8, caractérisée en ce que la longueur de ladite première paire de fentes (21, 22; 46, 46) est supérieure à la longueur de ladite deuxième paire de fentes (24, 25; 48, 49) pour engendrer lesdites micro-ondes à polarisation circulaire.
  10. Antenne selon l'une quelconque des revendications 8 à 9, caractérisée en ce que la distance entre la périphérie et le centre de ladite première plaque, le long dudit premier axe, est variable de telle sorte que, par rotation, ladite première plaque de réglage de fréquence agit de manière à modifier la longueur effective de ladite première paire de fentes (21, 22; 46, 47).
  11. Antenne selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre
    une deuxième plaque de réglage de fréquence montée sur le centre dudit élément conducteur et sur un axe perpendiculaire au plan dudit élément conducteur, la distance entre la périphérie et le centre de ladite deuxième plaque, le long dudit premier axe, étant variable de telle sorte que, par rotation, ladite deuxième plaque de réglage de fréquence agit de manière à modifier la longueur effective de ladite première paire de fentes (21, 22; 46, 47).
  12. Antenne selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisée en ce qu'au moins une desdites plaques de réglage de fréquence est usinée à partir d'un bloc en métal.
  13. Antenne selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisée en ce qu'au moins une desdites plaques de réglage de fréquence est imprimée sur un deuxième substrat diélectrique.
  14. Antenne selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre
    un disque d'espacement (45) qui sépare ledit élément conducteur et au moins une desdites plaques de réglage de fréquence.
  15. Antenne selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, caractérisée en ce qu'au moins une desdites plaques de fréquence et ledit élément conducteur sont séparés par un entrefer.
  16. Antenne selon l'une quelconque des revendications 8 à 15, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre
    un support central (51) qui traverse le premier substrat diélectrique et au moins l'une desdites plaques de réglage de fréquence, et sur lequel ces éléments sont montés.
  17. Antenne selon la revendication 16, caractérisée en ce que ledit support central est réalisé en une matière conductrice.
  18. Montre comportant une antenne selon l'une quelconque des revendications 6 à 7 et 16 à 17, ladite montre comprenant
    des aiguilles;
    une boíte;
    un moteur; et
    un arbre pour relier ledit moteur aux dites aiguilles;
    ladite montre étant caractérisée en ce que
    ladite antenne est disposée entre ledit moteur et lesdites aiguilles, en ce que ledit support central est creusé le long de son axe longitudinal, et en ce que ledit arbre s'étend à l'intérieur dudit support central.
  19. Montre selon la revendication 18, caractérisée en ce que lesdites aiguilles sont réalisées en plastique.
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