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| REVENDICATIONS 1. Antenne adaptée à recevoir ou émettre à au moins une fréquence de travail comprise dans une bande de fréquences kilométriques (30-300 kHz), hectométriques (0,3-3 MHz), décamétriques (3-30 M Hz) et métriques (30-300 M Hz), comprenant : au moins deux plaques en métal non ferreux s'étendant principalement selon un plan horizontal, au moins une première plaque formant une partie (4H ; , 4H2, 4H3, 4H4 ; 4H1, 4H2, 4H3, 4H4, 4H5, 4H6, 4H7, 4H8) rayonnante et une deuxième plaque formant un plan (4B) de masse, - au moins un substrat (1 ; llt 12 ; li, 12, I3, I4) s'étendant principalement selon un plan horizontal, disposé entre le plan (4B) de masse et la partie (4H) rayonnante, un excitateur (6) de longueur au moins égale à l'épaisseur du substrat, s'étendant entre le plan (4B) de masse et la partie (4H) rayonnante et relié à la partie (4H) rayonnante, et adapté pour alimenter l'antenne, ladite antenne étant caractérisée en ce que le substrat est un substrat ferromagnétique dispersif, dit ferrite (1) dispersif, présentant à ladite au moins une fréquence de travail comme caractéristiques magnétiques une haute perméabilité magnétique relative comprise entre 10 et 10000 et une haute tangente de pertes magnétiques supérieure à 0,1, ladite antenne comprenant des moyens de modification locale (5 ; 51( 52 ; 51( 52, 53, 54 ; 10) des caractéristiques magnétiques du ferrite (1 ; llt 12 ; llt 12, 13, 14) dispersif, de sorte à ce que la perméabilité magnétique relative et les pertes magnétiques du ferrite dispersif soient réduites graduellement et localement. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de modification locale (5 ; 5Χ, 52 ; 5Χ, 52, 53, 54 ; 10) des caractéristiques magnétiques du ferrite dispersif (1 ; llt 12 ; 1 12, 13, 14) sont un aimant (5 ; 5 52 ; 5 52, 53, 54 ) disposé sur une des plaques en métal non ferreux (4B ; 4H ; 4Hi, 4H2, 4H3, 4H4 ; 4Hi, 4H2, 4H3, 4H4, 4H5, 4H6, 4H7, 4H8) et générant un champ magnétique entraînant une réduction graduelle et locale de la perméabilité magnétique relative et des pertes magnétiques du ferrite dispersif. 3. Antenne selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'aimant (5) est disposé sur ladite au moins une première plaque formant une partie rayonnante (4H ; H1, 4H2, 4H3, H4 ; 4Hi, 4h2, 4h3, 4H4, 4H5, 4h6, 4H7, 4h8) de l'antenne. 4. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'aimant (5 ; 5i, 52 ; 5 52, 53, 54) est un aimant permanent. 5. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'aimant est un électroaimant, alimenté par un générateur (9) électrique de courant continu variable. 6. Antenne selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend une succession de ferrite dispersif (11( 12 ; llt 12, 13, 14) et d'aimant (51( 52 ; 51( 52, 53, 54) empilés alternativement entre la partie rayonnante (4H ; 4Hi, 4H2, 4H3, 4H4 ; 4Hi, 4H2, 4H3, 4H4, 4H5, 4H6, 4H7, 4H8) et le plan de masse (4B). 7. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que la partie rayonnante comprend une plaque en métal (4H2, 4H3, 4H4 ; 4H2, 4H3, 4H4, 4H5, 4H6, 4H7, 4H8) entre chaque ferrite (11( 12 ; 11( 12, 13, 14) et aimant (51( 52). 8. Antenne selon la revendication 6, caractérisée en ce que les plaques de métal sont reliées entre elles. 9. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de modification locale des caractéristiques magnétiques du ferrite (1) dispersif sont au moins une pièce (10) de matériau ayant une faible perméabilité magnétique relative et une faible tangente de pertes insérée dans le ferrite dispersif et entraînant une réduction graduelle et locale de la perméabilité magnétique et des pertes magnétiques du ferrite dispersif. 10. Antenne selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le ferrite (1) dispersif présente un encombrement dans le plan horizontal supérieur à l'encombrement des plaques en métal. 11. Antenne selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un court-circuit (2) reliant le plan (4B) de masse et la partie (4H) rayonnante, en contact avec un contour du ferrite (1) dispersif. |
1. Domaine technique de l'invention
L'invention concerne une antenne à substrat ferromagnétique. En particulier, l'invention concerne une antenne à substrat ferromagnétique ultracompacte dans le plan vertical comparée à la longueur d'onde, pouvant être utilisées en réception ou en émission dans les bandes de fréquences kilométriques (30-300 kHz), hectométriques (0,3-3 MHz), décamétriques (3-30 MHz) et métriques (30-300 MHz).
L'antenne est particulièrement adaptée par exemple dans les systèmes d'émission large bande ou bande étroite à moyenne et forte puissance véhiculant l'information sous forme de signaux modulés ou non et qui se propagent par voie hertzienne. Selon certains modes de réalisations, l'antenne favorise la propagation de l'onde dans une direction privilégiée (antenne directive).
2. Arrière-plan technologique
Les antennes électriquement petites ont une impédance présentant une forte composante réactive qui ne permet par leur utilisation d'une manière efficace et directe dans des systèmes à impédance réelle normalisée (typiquement 50 Ω).
L'adaptation d'impédance de ce type d'antenne est souvent difficile et permet généralement l'accord uniquement sur une bande de fréquences étroite. La bande passante étroite d'une telle antenne est souvent instable ce qui est particulièrement problématique à l'émission, en particulier pour les applications de forte puissance.
Des solutions ont été cherchées pour stabiliser cette variation de l'impédance et ainsi augmenter la bande passante de l'antenne. Toutefois, ces solutions diminuent de manière importante l'efficacité de rayonnement de l'antenne, la rendant ainsi non utilisable dans les conditions souhaitées.
Dans l'article intitulé "Magnetic tuning of a microstrip antenna on a ferrite substrate" publié dans Electronic Letters, 9th June 1998, Vol. 24, No. 12, pp. 730-731 (référencé Dl ci-après), D.M. Pozar et V. Sanchez décrivent l'adaptation d'impédance d'une antenne micro-ruban à substrat en ferrite pour des applications à hautes fréquences, i.e. supérieures à 2,8 GHz. Pour cela, il est décrit l'application d'un champ magnétique audit substrat constitué en YIG G-113 de type ferrimagnétique et présentant de faibles pertes à hautes fréquences. Il a été constaté que l'utilisation de ce matériau limite le facteur de miniaturisation de l'antenne.
Dans l'article intitulé "Magneto-dielectric properties of doped ferrite based nanosized ceramics over very high frequency range", publié dans Engineering Science and Technology, an International Journal 19 (2016) pp. 911-916, Ashish Saini et al. décrivent un matériau magnéto-diélectrique dont ils cherchent à réduire les pertes diélectriques et magnétiques pour miniaturiser des antennes radar opérant à environ 100 MHz. 3. Objectifs de l'invention
L'invention vise à pallier au moins certains des inconvénients des antennes électriquement petites connues.
En particulier, l'invention vise à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, une antenne à polarisation verticale ultracompacte dans le plan vertical et large bande qui peut fonctionner à l'émission.
L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, une antenne assurant une bonne efficacité de rayonnement tout en conservant une large bande passante par stabilisation de la variation de l'impédance.
L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, une antenne directionnelle (ou antenne directive).
4. Exposé de l'invention
Pour ce faire, l'invention concerne une antenne, comprenant :
au moins deux plaques en métal non ferreux s'étendant principalement selon un plan horizontal, au moins une première plaque formant une partie rayonnante et une deuxième plaque formant un plan de masse, au moins un substrat s'étendant principalement selon un plan horizontal, disposé entre le plan de masse et la partie rayonnante, un excitateur de longueur au moins égale à l'épaisseur du substrat, s'étendant entre le plan de masse et la partie rayonnante et relié à la partie rayonnante, et adapté pour alimenter l'antenne, caractérisée en ce que le substrat est un substrat ferromagnétique dispersif, dit ferrite dispersif, présentant comme caractéristiques magnétiques une haute perméabilité magnétique relative comprise entre 10 et 10000 et une haute tangente de pertes magnétiques supérieure à 0,1, ladite antenne comprenant des moyens de modification locale des caractéristiques magnétiques du ferrite dispersif, de sorte à ce que la perméabilité magnétique relative et les pertes magnétiques du ferrite dispersif soient réduites graduellement et localement.
Par définition, un ferrite dispersif présente de fortes pertes diélectriques et/ou de fortes pertes magnétiques. Le substrat ferromagnétique dispersif utilisé dans le cadre de la présente invention est constitué en particulier de ferrite spinelle qui est bien adapté à la fabrication d'antennes magnétiques à large bande passante et de faible dimension. Une antenne selon l'invention permet donc, grâce à l'utilisation d'un substrat ferromagnétique dispersif (ferrite dispersif) partiellement saturé (c'est-à-dire dont les pertes magnétiques et la perméabilité magnétique relative sont réduites localement et graduellement), d'assurer une bonne efficacité de rayonnement tout en conservant une large bande passante par stabilisation de la variation de l'impédance. En effet, le ferrite dispersif permet cette stabilisation de l'impédance, mais réduit fortement le rayonnement. De plus, le ferrite dispersif peut connaître un échauffement rapide et une dégradation de performances au voisinage du point de Curie lors d'émissions longue durée et forte puissance. La modification graduelle et locale des caractéristiques de du ferrite permet de compenser cette réduction de rayonnement afin d'atteindre un gain convenable, tout en conservant la stabilisation de l'impédance, et avec un échauffement réduit en mode émission.
L'antenne ainsi réalisée est une antenne à polarisation verticale ultracompacte dans le plan vertical (hauteur de λ/1400 par exemple à λ=30 MHz) et large bande qui peut fonctionner à l'émission. Les termes « plan vertical » et « plan horizontal » s'entendent en considérant l'antenne dans sa disposition pendant son fonctionnement préférentiel en polarisation verticale, l'antenne pouvant bien entendu avoir une orientation différente lorsqu'elle n'est pas en fonctionnement et/ou lorsque la polarisation souhaitée est différente (notamment horizontale).
Une haute perméabilité magnétique relative est typique des matériaux ferromagnétiques, et est largement supérieure à 1, en particulier comprise entre 10 et 10000. La haute tangente de pertes magnétiques, correspondant à de hautes pertes magnétiques, est souvent désignée par le symbole tan δ dont la valeur est supérieure à 0,1. La tangente de pertes magnétique correspond au rapport de la partie imaginaire sur la partie réelle de la perméabilité magnétique relative. La valeur haute de ces caractéristiques magnétiques dépend de la fréquence utilisée. Ces valeurs sont fournies à la fréquence de travail de l'antenne, c'est-à-dire à une fréquence comprise dans une bande de fréquences sur laquelle l'adaptation d'impédance de l'antenne est effectuée. Dans le cadre de la présente invention, on rappelle que l'antenne est adaptée à recevoir ou émettre à une fréquence comprise dans les bandes de fréquences kilométriques (30- 300 kHz), hectométriques (0,3-3 MHz), décamétriques (3-30 MHz) ou métriques (30-300 MHz). Ainsi, la fréquence maximale de travail de l'antenne est de l'ordre de 300 MHz (i.e. correspondant à la borne supérieure de la bande de fréquences métriques 30 - 300 MHz).
A ces fréquences, notamment à des fréquences situées en bas de bandes (i.e. 30 kHz, 0,3 MHz ou 30 MHz), la haute perméabilité magnétique relative du ferrite dispersif permet d'augmenter le facteur de miniaturisation de l'antenne. Par exemple, l'antenne illustrée à la figure 1 a une dimension maximale inférieure à 0,03 λ à une fréquence de travail égale à 30 MHz (λ désignant la longueur d'onde correspondante) ou inférieure à 0,01 λ en considérant uniquement les parties métalliques rayonnantes de l'antenne.
Par comparaison, la dimensions maximale de la partie rayonnante de l'antenne de Dl serait limitée à 0,22 λ à cette même fréquence de travail. Une telle limitation provient du fait que seule la permittivité élevée du matériau YIG G-113 participe à la réduction de taille de l'antenne. Au contraire, la perméabilité magnétique et la permittivité relative du ferrite dispersif selon les spécificités de l'invention contribuent toutes deux à augmenter le facteur de miniaturisation de l'antenne et avec la particularité que la contribution de la perméabilité magnétique est plus forte que celle de la permittivité. La modification graduelle et locale permet de réduire localement et graduellement ces valeurs, notamment jusqu'à une perméabilité magnétique relative inférieure à la perméabilité du ferrite, typiquement comprise entre 1 et 100 et toujours supérieure à 1, et une tangente de pertes magnétiques plus faibles. Le ferrite dispersive est ainsi non homogène. L'antenne présente en outre une directivité dans le plan horizontal, sans nécessiter d'être mise en réseau avec d'autres antennes ni avoir recours à un ou des éléments parasites extérieurs.
Le métal non ferreux formant les plaques est par exemple du cuivre, du laiton, de l'aluminium, etc.
Selon les modes de réalisation, les moyens de modification locale des caractéristiques magnétiques du ferrite dispersif sont un aimant (aimant permanent ou électroaimant), ou au moins une pièce de matériau ayant une faible perméabilité magnétique relative et une faible tangente de pertes.
L'aimant est disposé sur une plaque métallique de l'antenne, de préférence sur la partie rayonnante.
Lorsque l'aimant est un électroaimant, il est alimenté par un générateur de courant continu, de préférence variable, permettant ainsi de modifier la force du champ magnétique généré par l'électroaimant, modifiant ainsi les performances de l'antenne (paramètres S, gain et forme du diagramme de rayonnement). Le gain peut par exemple varier sur commande, ou l'impédance peut être réglée pour atteindre celle souhaitée dans le système auquel l'antenne est connectée, par exemple 50 Ω.
La ou les pièces de matériau insérées sont incluses à la fabrication du ferrite. L'agencement des pièces peut être configuré pour atteindre des performances désirées.
Avantageusement et selon l'invention, le ferrite dispersive présente un encombrement dans le plan horizontal supérieur à l'encombrement des plaques en métal.
Selon cet aspect de l'invention, l'encombrement des ferrites supérieur aux plaques de métal permet l'amélioration de l'efficacité du rayonnement. Si l'antenne est de type monopôle, cette caractéristique permet aussi d'augmenter la directivité. L'encombrement des ferrites peut être supérieur dans une seule direction. Avantageusement et selon l'invention, l'antenne comprend au moins un court- circuit reliant le plan de masse et la partie rayonnante, en contact avec un contour du ferrite dispersif.
Selon cet aspect de l'invention, une antenne sans court-circuit est une antenne de type monopôle, une antenne présentant un court-circuit est une antenne de type semi-ouvert, et une antenne présentant un court-circuit disposé à l'opposé de l'excitateur au niveau du contour du ferrite dispersif forme une antenne de type boucle.
Avantageusement et selon l'invention, l'antenne comprend une succession de ferrite dispersif et d'aimant empilés alternativement entre la partie rayonnante et le plan de masse.
Selon cet aspect de l'invention, l'antenne forme ainsi une antenne empilée.
Les antennes empilées permettent d'atteindre des gains plus élevés. Il est en outre possible de faire varier le degré de saturation des ferrites dispersifs selon les couches, permettant ainsi une modification de l'adaptation, du gain et du rayonnement.
Avantageusement et selon ce dernier aspect de l'invention, la partie rayonnante comprend une plaque en métal entre chaque ferrite et aimant.
Avantageusement et selon ce dernier aspect de l'invention, les plaques de métal sont reliées entre elles.
L'invention concerne également une antenne caractérisée en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après.
5. Liste des figures
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles :
- la figure 1 est une vue schématique en perspective éclatée d'une antenne selon un premier mode de réalisation de l'invention,
la figure 2 est une vue schématique en perspective éclatée d'une antenne selon un deuxième mode de réalisation de l'invention,
la figure 3 est une vue schématique en coupe latérale d'une antenne selon le premier mode de réalisation de l'invention,
la figure 4 est une vue schématique en coupe latérale d'une antenne selon un troisième mode de réalisation de l'invention,
la figure 5 est une vue schématique en coupe latérale d'une antenne selon le deuxième mode de réalisation de l'invention,
la figure 6 est une cartographie de champ magnétique représentant la distribution du champ magnétique radiofréquence dans le ferrite dispersif d'une antenne vue de dessus selon le premier mode de réalisation de l'invention sans aimant,
la figure 7 est une cartographie de champ magnétique représentant la distribution du champ magnétique radiofréquence dans le ferrite dispersif d'une antenne vue de dessus selon le premier mode de réalisation de l'invention avec aimant,
la figure 8 est une cartographie de champ magnétique représentant la distribution du champ magnétique statique dans le ferrite dispersif d'une antenne vue de dessus selon le premier mode de réalisation de l'invention avec aimant, la figure 9 est un graphique représentant la tangente de pertes magnétiques dans le ferrite dispersif d'une antenne selon un mode de réalisation de l'invention en fonction de la fréquence, en l'absence ou en présence d'aimants ayant différentes valeurs d'induction magnétique,
les figures 10a et 10b sont des graphiques représentant respectivement la partie réelle et la partie imaginaire de la perméabilité magnétique relative dans le ferrite dispersif d'une antenne selon un mode de réalisation de l'invention en fonction de la fréquence, en l'absence ou en présence d'aimants ayant différentes valeurs d'induction magnétique,
les figures lia, 11b et 11c sont des vues schématiques du dessus de le ferrite dispersif d'antennes selon différents modes de réalisation de l'invention, comprenant un aimant,
la figure 12 est une vue schématique du dessus d'une antenne selon un mode de réalisation de l'invention, comprenant un électro-aimant,
la figure 13 est un graphique représentant le coefficient de réflexion S u d'une antenne selon le premier mode de réalisation de l'invention en l'absence ou en présence d'aimants ayant différentes valeurs d'induction magnétique, la figure 14 est un graphique représentant le coefficient de réflexion S u d'une antenne selon le premier mode de réalisation de l'invention en l'absence ou en présence d'un aimant permanent de 2000 gauss (G),
la figure 15 est un graphique représentant le coefficient de réflexion S u d'une antenne selon le deuxième mode de réalisation de l'invention en l'absence ou en présence d'un aimant permanent de 2000 gauss (G),
la figure 16 est un diagramme de rayonnement d'une antenne selon le premier mode de réalisation de l'invention en l'absence ou en présence d'un aimant permanent de 2000 gauss (G),
la figure 17 est un diagramme de rayonnement d'une antenne selon le deuxième mode de réalisation de l'invention en l'absence ou en présence d'un aimant permanent de 2000 gauss (G),
les figures 18a, 18b et 18c sont des vues schématiques du dessus d'antennes selon différents modes de réalisation de l'invention, comprenant une pièce insérée,
la figure 19 est une vue schématique en perspective d'une antenne dite empilée selon un quatrième mode de réalisation de l'invention,
la figure 20 est une vue schématique en perspective d'une antenne dite empilée selon un cinquième mode de réalisation de l'invention,
la figure 21 est une vue schématique en perspective d'une antenne dite empilée selon un sixième mode de réalisation de l'invention,
la figure 22 est une vue schématique en perspective d'une antenne dite empilée selon un septième mode de réalisation de l'invention,
la figure 23 est une vue schématique en perspective d'une antenne dite empilée selon un huitième mode de réalisation de l'invention,
la figure 24 est une vue schématique en perspective d'une antenne dite empilée selon un neuvième mode de réalisation de l'invention,
la figure 25 est une vue schématique en perspective d'une antenne selon un dixième mode de réalisation de l'invention ;
la figure 26 illustre des exemples de positionnement de l'aimant sur la partie rayonnante de l'antenne dans le cas d'une antenne monopôle ; la figure 27 illustre un exemple de positionnement de l'aimant sur la partie rayonnante de l'antenne dans le cas d'une antenne semi-ouverte (boucle).
6. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention
Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées pour fournir d'autres réalisations. Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d'illustration et de clarté.
Les valeurs de l'induction magnétique des aimants est exprimé en gauss dans cette demande, 1 gauss (de symbole G) valant 10 "4 tesla (de symbole T).
Les antennes représentées sont disposées selon leur mode de fonctionnement préférentiel avec une polarisation verticale, λ désigne la longueur d'onde à la fréquence principale (fréquence centrale si émission sur une bande de fréquence) d'émission ou de réception de l'antenne.
La figure 1 représente schématiquement en perspective éclatée une antenne selon un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 3 représente schématiquement en coupe latérale une antenne selon le premier mode de réalisation de l'invention.
L'antenne comprend deux plaques en métal non ferreux (par exemple cuivre, laiton, aluminium, etc.), une première plaque formant une partie 4 H rayonnante et une deuxième plaque formant un plan 4 B de masse. Entre les deux plaques en métal est disposé un substrat ferromagnétique dispersif, dit ferrite 1 dispersif. Les plaques en métal et le ferrite 1 dispersif se présentent sous une forme plate s'étendant principalement selon un plan horizontal, de sorte à présenter un encombrement vertical minimal pour une antenne à polarisation verticale.
La partie 4 H rayonnante recouvre totalement ou partiellement le ferrite 1 dispersif, et peut être composée de plusieurs pièces ayant des formes différentes reliées entre elles. La partie 4 H rayonnante peut aussi se présenter sous plusieurs formes complexes, par exemple un méandre comme représenté en référence avec la figure 25 selon un mode de réalisation de l'invention.
Dans ce mode de réalisation, le ferrite 1 dispersif présente un encombrement horizontal supérieur aux plaques en métal, notamment selon une longueur (les plaques sont carrées tandis que le ferrite 1 dispersif est rectangulaire), ce qui permet une amélioration du rayonnement (gain supérieur). Selon d'autres modes de réalisation, le ferrite et les plaques ont le même encombrement dans le plan horizontal ou des formes différentes.
Le ferrite 1 dispersif comprend un orifice 8 permettant la traversée d'un excitateur 6 relié à un connecteur 7. Lorsque le connecteur 7 est une prise de type coaxiale, son âme est reliée à l'excitateur 6 et son conducteur extérieur est relié au plan de masse. La partie rayonnante et le plan de masse ne sont pas directement reliés par un élément conducteur tel qu'un court-circuit, l'antenne ainsi formée étant une antenne monopôle.
L'antenne comprend des moyens de modification locale des caractéristiques magnétiques du ferrite dispersif, ici un aimant 5 disposé sur une des plaques en métal, de préférence la partie rayonnante comme représenté dans ce mode de réalisation. En disposant l'aimant 5 sur la partie rayonnante de l'antenne, il est possible d'atteindre un rendement d'antenne plus élevé avec un gain plus élevé dans une direction donnée.
Par exemple, l'aimant 5 a une forme rectangulaire. Il a une longueur de 47 mm, une largeur de 22 mm et une hauteur de 12 mm. Le substrat est constitué par une tuile de ferrite en matériau référencé 4S60. La tuile est de forme carrée. Elle a une longueur de 100 mm, une largeur de 100 mm et une épaisseur de 7 mm. Ainsi, l'aimant 5 a une surface correspondant à environ 10,34 % de la surface totale du substrat. De telles proportions assurent notamment une modification locale et graduelle des caractéristiques magnétiques du ferrite dispersif par l'aimant.
La distance entre la partie rayonnante et le plan de masse, correspondant à l'épaisseur du ferrite, est généralement comprise entre λ/50 000 et λ/500 selon la fréquence utilisée.
La figure 2 représente schématiquement en perspective éclatée une antenne selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. La figure 5 représente schématiquement en coupe latérale une antenne selon le deuxième mode de réalisation de l'invention.
Le deuxième mode de réalisation est identique au premier mode de réalisation de l'invention, excepté la présence d'un court-circuit 2 reliant la partie rayonnante au plan de masse, le court-circuit 2 étant éloigné de l'excitateur 6 de sorte à former une antenne de type semi-ouverte (ou boucle semi-ouverte) grâce à l'absence de court- circuit au niveau de la zone 3 opposée au court-circuit 2.
La figure 4 représente schématiquement en coupe latérale une antenne selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
Ce mode de réalisation est similaire au deuxième mode de réalisation dans lequel l'excitateur 6 est disposé non plus au centre du ferrite et traversant celle-ci, mais sur un contour du ferrite de sorte à s'étendre entre le plan 4 B de masse et la partie rayonnante 4 H , au niveau de l'ouverture du deuxième mode de réalisation. L'excitateur 6, la partie rayonnante 4 H , le court-circuit 2 et le plan 4 B de masse forment ainsi une boucle, l'antenne étant ainsi une antenne de type boucle.
La figure 6 est une cartographie de champ magnétique représentant la distribution du champ magnétique radiofréquence dans le ferrite dispersif d'une antenne vue de dessus selon le premier mode de réalisation de l'invention sans aimant, et la figure 7 est une cartographie de champ magnétique représentant la distribution du champ magnétique radiofréquence dans le ferrite dispersif d'une antenne vue de dessus selon le premier mode de réalisation de l'invention avec aimant. Les champs magnétiques radiofréquence sont mesurés en άΒμΑ/m. La figure 8 est une cartographie de champ magnétique représentant la distribution du champ magnétique statique dans le ferrite dispersif d'une antenne vue de dessus selon le premier mode de réalisation de l'invention avec aimant. Le champ magnétique statique est exprimé en gauss (G). Par exemple, l'aimant 5 est un aimant permanent émettant un champ statique de 2000 G, soit 0.2 Tesla (T).
On remarque sur la figure 7 l'introduction d'une dissymétrie en amplitude due à l'inhomogénéité du champ statique de commande généré par l'aimant (représenté sur la figure 8). Ce champ statique généré par l'aimant provoque une modification locale des caractéristiques du ferrite dispersif. En particulier, cette modification est une réduction locale et graduelle de la perméabilité magnétique relative et des pertes magnétiques du ferrite dispersif. D'un point de vue du fonctionnement de l'antenne, cela se traduit par une dissymétrie dans le diagramme de rayonnement ce qui conduit à une augmentation de la directivité de l'antenne, comme visible par exemple sur la figure 16. En complément, comme la perméabilité magnétique relative et les pertes du ferrite sont réduites (voir figure 9), le gain est augmenté d'une manière très favorable.
Pour former cette dissymétrie, l'aimant 5 est avantageusement disposé excentré par rapport à l'excitateur 6. De préférence, l'aimant 5 jouxte un des côtés du substrat de ferrite l.Par exemple, lorsque l'antenne est de type monopôle, l'aimant 5 est de préférence disposé dans l'une des quatre zones 51, 52, 53, 54, comme illustré sur la figure 26. Lorsque l'antenne est de type semi-ouverte, l'aimant 5 est de préférence disposé au niveau de la zone qui forme l'ouverture (référence 3 figures 2 et 5). Dans ce cas, l'aimant 5 est disposé dans une zone excentrée 50, à l'opposé du court-circuit 2 comme illustré sur la figure 27.
Dans l'exemple décrit ci-dessus en référence à la figure 1, l'aimant 5 recouvre environ 10,34% de la surface du substrat 1. Toutefois, l'aimant 5 peut aussi recouvrir la totalité de la surface du ferrite, auquel cas le diagramme de rayonnement n'est pas modifié mais l'antenne a une meilleure efficacité de rayonnement.
Le ferrite dispersif sans modification locale des caractéristiques permet de stabiliser la variation de l'impédance de l'antenne et ainsi augmenter la bande passante de l'antenne, mais entraine une baisse de l'efficacité de rayonnement. La modification locale des caractéristiques permet de conserver cet avantage de stabilisation de la variation d'impédance et d'augmentation de bande passante tout en compensant la baisse de l'efficacité de rayonnement de sorte à obtenir une antenne performante.
La figure 9 est un graphique représentant sur une échelle logarithmique les pertes magnétiques, représentées par la tangente de pertes magnétiques dans le ferrite dispersif d'une antenne selon un mode de réalisation de l'invention, en fonction de la fréquence (en MHz sur une échelle logarithmique), en l'absence (courbe 0 G) ou en présence d'aimants ayant différentes valeurs d'induction magnétique (620 G, 1680 G et 2410 G). Les figures 10a et 10b sont des graphiques représentant respectivement la partie réelle et la partie imaginaire de la perméabilité magnétique relative dans le ferrite dispersif d'une antenne selon un mode de réalisation de l'invention en fonction de la fréquence (en MHz sur une échelle logarithmique), en l'absence (courbe 0 G) ou en présence d'aimants ayant différentes valeurs d'induction magnétique (620 G, 1680 G et 2410 G). Les résultats expérimentaux présentés sur les diagrammes des figures 9 et 10 ont été obtenus avec une ferrite NiZn, commercialement disponible sous référence la 4S60 et communément utilisée pour ses propriétés d'atténuation des ondes radio à des fréquences supérieures à 1 GHz.
Des résultats similaires pourront être obtenus avec d'autres ferrites dispersifs, notamment des ferrites spinelles, présentant à la fois une forte perméabilité magnétique relative comprise entre 10 et 10000 et une haute tangente de perte magnétique supérieure à 0,1. On rappelle que la perméabilité magnétique relative et la tangente de perte magnétique dépendent non seulement du matériau mais également de la fréquence de travail de l'antenne considérée. Dans le cadre de la présente invention, la fréquence de travail reste inférieure à 300 MHz.
Les parties réelles et imaginaires de la perméabilité magnétique relative sont communément désignées respectivement par les symboles μ' et μ".
La tangente de pertes magnétiques (souvent désignée par le symbole tan δ) est le rapport de la partie imaginaire sur la partie réelle de la perméabilité magnétique relative.
La tangente de pertes magnétiques et les parties réelles et imaginaires de la perméabilité magnétique relative sont mesurées dans le ferrite dispersif au niveau des zones où les caractéristiques magnétiques du ferrite dispersif sont modifiées.
Comme visible sur les graphiques, en présence d'un aimant, les pertes magnétiques et la perméabilité magnétique relative diminuent, permettant d'obtenir les effets sur le gain et le rayonnement décrit précédemment. Cette réduction est d'autant plus importante que la valeur de l'induction magnétique de l'aimant est importante.
Sur les graphiques des figures 10a et 10b, la réduction de la perméabilité magnétique relative est particulièrement visible dans les fréquences entre 1 et 30 MHz, qui fait partie de la bande de fréquence visée par l'invention. Au-delà de 100 MHz, la perméabilité magnétique relative est faible dans tous les cas.
Les ferrites spinelles dispersives, notamment NiZn, connues pour présenter une haute perméabilité magnétique sont généralement utilisées pour former des revêtements destinés à absorber les ondes électromagnétiques, en particulier les parois des chambres anéchoïdes opérant à des fréquences jusqu'à 1000 MHz. Dans le cadre de la présente invention, on utilise avantageusement ce type de ferrite.
Les figures lia, 11b et 11c représentent schématiquement du dessus des antennes selon différents modes de réalisation de l'invention, comprenant un aimant permanent. La forme des aimants peut être modifiée, entraînant ainsi une distribution différente du champ magnétique généré. Cette distribution différente entraine une modification du diagramme de rayonnement de l'antenne qui peut donc être adapté selon les besoins. Les formes représentées en exemple sont rectangulaires (figure lia), circulaires (figure 11b) ou triangulaires (figure 11c).
La figure 12 représente schématiquement du dessus une antenne selon un mode de réalisation de l'invention, comprenant un électroaimant 5. L'électroaimant peut remplacer un aimant permanent dans les différents modes de réalisation de l'antenne. L'électroaimant est alimenté par un générateur 9 de courant variable, permettant ainsi de modifier la valeur du champ magnétique qu'il génère. Il est ainsi possible d'influer sur des performances telles que les paramètres S de l'antenne, le gain et la forme du diagramme de rayonnement.
La figure 13 est un graphique représentant le coefficient de réflexion Su d'une antenne selon le premier mode de réalisation de l'invention en l'absence (courbe 0 G) ou en présence d'aimants ayant différentes valeurs d'induction magnétique (780 G, 850 G, 1430 G), par exemple d'un électro-aimant, en fonction de la fréquence (en MHz). Le coefficient de réflexion Su permet de déterminer l'adaptation d'impédance de l'antenne. À l'aide de l'aimant adapté ou par réglage avec un électro-aimant, il est ainsi possible de choisir la valeur du champ magnétique de sorte à avoir l'adaptation d'impédance souhaitée, par exemple 50 Ω.
La figure 14 est un graphique représentant le coefficient de réflexion S u d'une antenne selon le premier mode de réalisation de l'invention en l'absence (courbe SA pour « sans aimant ») ou en présence (courbe AA pour « avec aimant ») d'un aimant permanent de 2000 G, en fonction de la fréquence (en MHz). L'antenne est ici de type monopôle.
La figure 15 est un graphique représentant le coefficient de réflexion S u d'une antenne selon le deuxième mode de réalisation de l'invention en l'absence (courbe SA) ou en présence (courbe AA) d'un aimant permanent de 2000 G, en fonction de la fréquence (en MHz). L'antenne est ici de type semi-ouverte.
La figure 16 est un diagramme de rayonnement d'une antenne selon le premier mode de réalisation de l'invention en l'absence (courbe SA) ou en présence (courbe AA) d'un aimant permanent de 2000 G.
L'antenne sans aimant est une antenne omnidirectionnelle de faible gain, tandis que l'antenne de type monopôle avec un aimant selon l'invention est directionnelle et a un gain plus important dans toutes les directions. La figure 17 est un diagramme de rayonnement d'une antenne selon le deuxième mode de réalisation de l'invention en l'absence (courbe SA) ou en présence (courbe AA) d'un aimant permanent de 2000 G.
L'antenne sans aimant est une antenne directionnelle de faible gain, tandis que l'antenne semi-ouverte avec un aimant selon l'invention a un diagramme sensiblement similaire mais présente un gain plus important dans toutes les directions.
De manière générale, le diagramme de rayonnement de l'antenne tel que représenté aux figure 16 et 17 peut être également ajusté en fonction de la position relative de l'aimant 5 par rapport au substrat 1.
Les figures 18a, 18b et 18c sont des vues schématiques du dessus du ferrite dispersif d'antennes selon différents modes de réalisation de l'invention, comprenant une pièce insérée.
Les pièces 10 insérées sont des pièces de matériau ayant une faible perméabilité magnétique relative et de faibles pertes magnétiques insérées dans le ferrite dispersif et qui entraînent une réduction graduelle et locale de la perméabilité magnétique et des pertes magnétiques du ferrite dispersif.
Par faible perméabilité magnétique relative, on comprend des valeurs de perméabilité magnétique relative inférieure à 10. Par faibles pertes magnétiques, on comprend des valeurs de tangente de perte magnétique inférieures à 0,1. Comme indiqué ci-avant, ces valeurs sont à considérer à la fréquence de travail de l'antenne, c'est-à-dire à une fréquence comprise dans une bande de fréquences sur laquelle l'adaptation d'impédance de l'antenne est réalisée.
La ou les pièces 10 insérées peuvent prendre la place de l'aimant (permanent ou électroaimant) dans tous les modes de réalisation de l'antenne décrits précédemment. Comme l'aimant, elles peuvent prendre différentes formes comme par exemple celles présentées sur les figures 18a, 18b et 18c. Les figures sont similaires aux figures lia, 11b et 11c mais les pièces 10 sont ici insérées dans le ferrite 1 dispersif au lieu d'être disposées au-dessus sur une plaque métallique (comme l'aimant). Les zones hachurées représentées peuvent être composées d'une seule pièce insérée en un bloc ou de plusieurs pièces insérées agencées côte à côte. Différentes pièces insérées peuvent avoir des perméabilités et/ou tangente de pertes différentes (toujours plus faibles que le ferrite 1 dispersif).
Comme pour l'aimant, les formes peuvent agir sur les caractéristiques de l'antenne, notamment sa directivité.
La figure 19 représente schématiquement en perspective une antenne dite empilée selon un quatrième mode de réalisation de l'invention.
Une antenne empilée selon l'invention comprend plusieurs ferrites dispersifs et plusieurs aimants empilés entre le plan de masse et au moins une plaque en métal de la partie rayonnante.
Dans ce quatrième mode de réalisation de l'invention, la partie rayonnante 4 H est formée de plusieurs plaques en métal reliées en S ou en zigzag, entre lesquelles se situent alternativement un ferrite dispersif ou un aimant, de sorte qu'il y ait autant de ferrites dispersifs que d'aimants. Par exemple, ici, l'antenne comprend deux ferrites 1 1 et 1 2 dispersifs et deux aimants 5 1 et 5 2 permanents. La partie 4 H rayonnante est reliée au plan 4 B par un court-circuit 2. L'excitateur 6 traverse toutes les ferrites et aimants et ne touche que la plaque supérieure de la partie 4 H rayonnante.
La figure 20 représente schématiquement en perspective une antenne dite empilée selon un cinquième mode de réalisation de l'invention.
L'antenne de ce mode de réalisation est identique au quatrième mode de réalisation, sauf que l'excitateur est déporté à la place du court-circuit et alimente l'antenne entre le plan 4 B de masse et la plaque de la partie 4 H qui est la plus proche du plan 4 B de masse.
La figure 21 représente schématiquement en perspective une antenne dite empilée selon un sixième mode de réalisation de l'invention.
L'antenne de ce mode de réalisation est identique au quatrième mode de réalisation, sauf qu'elle ne comprend pas de court-circuit 2.
La figure 22 représente schématiquement en perspective une antenne dite empilée selon un septième mode de réalisation de l'invention.
Dans ce mode de réalisation, l'antenne comprend une seule plaque de métal formant la partie 4 H rayonnante, et entre la partie 4 H rayonnante et le plan 4 B de masse se trouve un empilement de ferrites dispersifs et d'aimants alternés, ici deux ferrites 1 1 et 1 2 dispersifs et deux aimants 5 1 et 5 2 permanents.
La figure 23 représente schématiquement en perspective une antenne dite empilée selon un huitième mode de réalisation de l'invention.
Dans ce mode de réalisation, l'antenne comprend plusieurs plaques métalliques 4m, 4 H2 , 4 H3 et 4 H4 formant la partie rayonnante. Chaque plaque métallique est reliée à l'excitateur 6. Entre le plan 4 B de masse et la plaque 4 H4 se trouve un ferrite 1 2 dispersif, entre la plaque 4 H4 et la plaque 4 H3 se trouve un aimant 5 2 , entre la plaque 4 H3 et la plaque 4 H2 se trouve un ferrite 1 1 dispersif et entre la plaque 4 H2 et la plaque A H1 se trouve un aimant 5i.
La figure 24 représente schématiquement en perspective une antenne dite empilée selon un neuvième mode de réalisation de l'invention.
L'antenne de ce mode de réalisation est similaire au huitième mode de réalisation, en ce qu'il contient une pluralité de plaq ues métalliques 4m, 4 2 , 4 3 , 4 4 , 4 4 4 et 4 de forme circulaire, formant la partie rayonnante et reliées à l'excitateur 6. Entre les plaques métalliques se trouvent alternativement un ferrite l lt 1 2 , 1 3 ou 1 4 dispersive de forme circulaire ou un aimant 5 1( 5 2 , 5 3 ou 5 4 de forme circulaire.
La figure 25 représente schématiquement en perspective une antenne dite empilée selon un neuvième mode de réalisation de l'invention.
L'antenne de ce mode de réalisation est similaire au premier mode de réalisation en ce qu'il comprend un aimant disposé sur la partie rayonnante 4H de l'antenne, celle-ci étant séparée du plan de masse 4B par le substrat de ferrite dispersif 1.
Selon une particularité de ce mode de réalisation, la deuxième plaque formant la partie rayonnante 4H est découpée de manière à former une spirale plate rectangulaire. Par exemple, cette spirale est centrée sur l'excitateur 6 de l'antenne.
L'invention ne se limite pas aux seuls modes de réalisation décrits. En particulier, les ferrites dispersifs, les aimants, les pièces insérées ou les plaques en métal peuvent prendre des formes différentes. Les aimants peuvent présenter des valeurs différentes de celles indiquées dans les graphiques. Les antennes empilées peuvent contenir davantage de couches.