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EP0766342A1 - Elément d'antenne à hyperfréquences - Google Patents

Elément d'antenne à hyperfréquences Download PDF

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Publication number
EP0766342A1
EP0766342A1 EP96402027A EP96402027A EP0766342A1 EP 0766342 A1 EP0766342 A1 EP 0766342A1 EP 96402027 A EP96402027 A EP 96402027A EP 96402027 A EP96402027 A EP 96402027A EP 0766342 A1 EP0766342 A1 EP 0766342A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
ground plane
armature
antenna
antenna element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP96402027A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Patrick Lefèvre
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.)
Compagnie Generale dAutomatisme CGA HBS SA
Original Assignee
Compagnie Generale dAutomatisme CGA HBS SA
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 Compagnie Generale dAutomatisme CGA HBS SA filed Critical Compagnie Generale dAutomatisme CGA HBS SA
Publication of EP0766342A1 publication Critical patent/EP0766342A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0428—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna radiating a circular polarised wave
    • H01Q9/0435—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna radiating a circular polarised wave using two feed points
    • 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 a microwave antenna element.
  • One envisaged application is electronic toll collection.
  • the invention relates to the types of antennas comprising a dielectric substrate of which one of the surfaces bears, printed, a ground plane and whose other surface carries, printed, an armature of shape adapted to the polarization of the transmission microwave vector, said armature carrying one or more antenna outputs.
  • This frame is generally called "Patch”.
  • Microwave antennas of this type are printed in class 5 on a substrate specially dedicated to microwaves of low dielectric constant, for example a glass- "teflon” substrate known as: “Duroid” or cyanate-ester.
  • a substrate specially dedicated to microwaves of low dielectric constant for example a glass- "teflon” substrate known as: “Duroid” or cyanate-ester.
  • Such substrates are expensive, three or four times the price of standard substrates in "FR4" or epoxy glass of printed circuits, without otherwise having the mechanical characteristics.
  • the object of the invention is to propose a high-performance microwave antenna element at a much lower cost, of the order of four to five times, than current microwave antennas.
  • the subject of the invention is therefore a microwave antenna element comprising a ground plane, printed on an insulating substrate, an antenna frame with at least one antenna outlet, the ground plane and the frame being separated by a dielectric, characterized in that said dielectric separating the armature from the ground plane is air, in that said armature, of form adapted to the polarization of the microwave transmission vector, is constituted by a conductive plate, said armature plate comprising at least two legs come by stamping and folding, ensuring the support of the armature on the substrate, each leg passing through, through an orifice, the substrate, at least one of the legs constituting, in addition to its support function, an antenna outlet, an absence of a ground plane surrounding said orifice for the passage of such a tab in the substrate.
  • the orifice for passage of each tab is metallized, the metallization extending as far as the edges of the orifice on the face of the substrate opposite to that carrying the ground plane to ensure fixing, by welding, from the leg to the substrate.
  • said armature plate has a square geometry and comprises three said legs, one of which is located in the center of the plate and forms a short circuit between the armature plate and the ground plane, the other two legs constituting two antenna outputs respectively located on one and the other median of the armature plate and respectively forming a phase and quadrature connection.
  • each of the two said antenna outputs is respectively connected to an output terminal fixed to an edge of said insulating substrate by a rectilinear connection in printed circuit on the surface of the substrate opposite to the ground plane, the two connections being respectively perpendicular l to one another.
  • Figure 1 shows a microwave antenna element according to the invention in top view.
  • FIG. 2 shows the same antenna element, but seen from below.
  • Figure 3 shows the antenna element in section along III-III of Figure 1.
  • the example described is a C-band microwave element (5.8 GHz) with 9 dBi gain, 60 ° to -3 dB opening angles, bandwidth> 200 mHz, in left circular polarization with X polar ⁇ 15 dB in the axis and ⁇ à10 dB to -3 dB.
  • the armature plate 3 comprises three legs a, b, c ensuring its support and stability on the substrate 2 as well as the dimension e of the dielectric 4 separating the ground plane 1 and the armature plate 3.
  • Each lug has a tail 5 passing through the substrate 2 and slightly beyond it for soldering 6.
  • the orifice for the passage of the tail 5 of the lugs a, b and c includes a metallization 7 (by printed circuit ), this metallization 7 extending as far as the edges of the orifice on the face of the substrate 2 opposite to that carrying the ground plane 1.
  • each tab comprises a wider portion 8, the height of which determines the distance e.
  • the two legs b and c in addition to their support function, provide the antenna output function.
  • the tab b provides the phase connection and the tab c the quadrature connection.
  • These legs as seen in FIG. 1 or 2, are respectively located on the median M 1 and the median M 2 of the square geometric figure of the armature plate 3.
  • a reserve 9, or absence of ground plane is provided on the substrate 2 around the legs b and c.
  • the central tab a constitutes a short circuit between the armature 3 and the ground plane 1.
  • the tab b is connected to a first output terminal 10 by a rectilinear connection 11 in printed circuit and likewise, the tab c is connected to a second output terminal 12 by a rectilinear connection 13 in printed circuit.
  • the two connections 11 and 13 are perpendicular.
  • the output terminals 10 and 12 are fixed on two consecutive sides of the substrate 2.
  • the armature plate 3 is stamped in a copper sheet, but taking into account the small thickness of the latter, the edges are reassembled, as can be seen in FIG. 3, in order to ensure the rigidity of the assembly.
  • the invention uses a stamped copper foil as a radiating element and does not require additional parts for mounting on the substrate 2.
  • the latter is a conventional printed circuit substrate made of FR4 or epoxy glass. The entire component is compatible with automatic positioning machines used during mass production.
  • the invention can be applied in a wide variety of configurations, in particular for very different frequencies and multiple associations of basic elements (antennas made up of several elementary armatures and the shape of which is adapted to the polarization of the microwave transmission vector ).
  • the armature plate 3 is a square with a side of 21.2 mm
  • the substrate 2 with the ground plane 1 has a thickness of 0.8 mm
  • the distance e is 1.8 mm
  • the height of the tail 5 is 1 mm.

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Abstract

Elément d'antenne à hyperfréquences comprenant un plan de masse (1), imprimé sur un substrat isolant (2), une armature d'antenne (3) avec au moins une sortie d'antenne (b, c), le plan de masse (1) et l'armature (3) étant séparés par un diélectrique (4), caractérisé en ce que ledit diélectrique (4) séparant l'armature (3) du plan de masse (1) est de l'air, en ce que ladite armature (3), de forme adaptée à la polarisation du vecteur hyperfréquence de transmission, est constituée par une plaque conductrice, ladite plaque-armature (3) comprenant au moins deux pattes (a, b, c) venues par emboutissage et pliage, assurant le support de l'armature sur le substrat (2), chaque patte traversant, par un orifice, le substrat, au moins l'une des pattes (b, c) constituant, outre sa fonction support, une sortie d'antenne, une absence (9) de plan de masse entourant ledit orifice de passage d'une telle patte (b, c) dans le substrat. <IMAGE> <IMAGE>

Description

  • La présente invention concerne un élément d'antenne à hyperfréquences. Une application envisagée est le télépéage.
  • Plus particulièrement, l'invention se rapporte aux types d'antennes comportant un substrat diélectrique dont l'une des surfaces porte, imprimé, un plan de masse et dont l'autre surface porte, imprimé, une armature de forme adaptée à la polarisation du vecteur hyperfréquences de transmission, ladite armature portant une ou plusieurs sorties d'antenne. Cette armature est généralement appelée "Patch".
  • Les antennes à hyperfréquences de ce type sont imprimées en classe 5 sur un substrat dédié spécialement aux hyperfréquences de constante diélectrique faible, par exemple un substrat en verre-"téflon" connu sous le nom de : "Duroïde" ou en cyanate-ester. De tels substrats sont chers, trois ou quatre fois le prix des substrats standards en "FR4" ou verre époxy des circuits imprimés, sans en avoir par ailleurs les caractéristiques mécaniques.
  • En outre, l'impression de la circuiterie nécessite une précision de classe 5, ou mieux, pour une classe 3 ou 4 en circuit imprimé classique de série. Enfin, une fabrication en série nécessite un contrôle permanent de chaque lot de substrat car la valeur de la constante diélectrique εr n'est pas garantie d'un lot à l'autre.
  • Ainsi, l'invention a pour but de proposer un élément d'antenne à hyperfréquences de hautes performances à un coût bien moindre, de l'ordre de quatre à cinq fois, que les antennes à hyperfréquences actuelles.
  • L'invention a ainsi pour objet un élément d'antenne à hyperfréquences comprenant un plan de masse, imprimé sur un substrat isolant, une armature d'antenne avec au moins une sortie d'antenne, le plan de masse et l'armature étant séparés par un diélectrique, caractérisé en ce que ledit diélectrique séparant l'armature du plan de masse est de l'air, en ce que ladite armature, de forme adaptée à la polarisation du vecteur hyperfréquence de transmission, est constituée par une plaque conductrice, ladite plaque-armature comprenant au moins deux pattes venues par emboutissage et pliage, assurant le support de l'armature sur le substrat, chaque patte traversant, par un orifice, le substrat, au moins l'une des pattes constituant, outre sa fonction support, une sortie d'antenne, une absence de plan de masse entourant ledit orifice de passage d'une telle patte dans le substrat.
  • Selon une autre caractéristique, l'orifice de passage de chaque patte est métallisé, la métallisation s'étendant jusque sur les bords de l'orifice sur la face du substrat opposée à celle portant le plan de masse pour assurer la fixation, par soudure, de la patte au substrat.
  • Selon une réalisation particulière, pour une antenne à hyperfréquences en polarisation circulaire, ladite plaque-armature a une géométrie carrée et comprend trois dites pattes dont l'une est située au centre de la plaque et forme un court-circuit entre la plaque-armature et le plan de masse, les deux autres pattes constituant deux sorties d'antenne respectivement situées sur l'une et l'autre médiane de la plaque-armature et formant respectivement une liaison en phase et en quadrature.
  • Avantageusement, chacune des deux dites sorties d'antenne est respectivement reliée à une borne de sortie fixée à un bord dudit substrat isolant par une connexion rectiligne en circuit imprimé sur la surface du substrat opposée au plan de masse, les deux connexions étant respectivement perpendiculaires l'une à l'autre.
  • On va maintenant donner la description d'un exemple de mise en oeuvre de l'invention en se reportant au dessin annexé dans lequel :
  • La figure 1 montre un élément d'antenne à hyperfréquences selon l'invention en vue de dessus.
  • La figure 2 montre le même élément d'antenne, mais vue de dessous.
  • La figure 3 montre l'élément d'antenne en coupe selon III-III de la figure 1.
  • L'exemple décrit est un élément d'antenne à hyperfréquences en bande C (5,8 GHz) de gain 9 dBi, d'angles d'ouverture 60° à -3 dB, de bande passante > 200 mHz, en polarisation circulaire gauche avec X polar < 15 dB dans l'axe et < à10 dB à -3 dB.
  • En se référant aux figures, l'élément d'antenne comprend un plan de masse 1, imprimé sur toute la surface d'un substrat isolant 2 (de type standard utilisé dans les circuits imprimés tel que le FR4 ou le verre époxy) et une armature d'antenne 3. Elle est constituée d'une plaque carrée de cuivre, emboutie. Le diélectrique 4 séparant le plan de masse 1 de la plaque-armature 3 est de l'air. On a donc εr = 1.
  • La plaque-armature 3 comprend trois pattes a, b, c assurant son support et sa stabilité sur le substrat 2 ainsi que la cote e du diélectrique 4 séparant le plan de masse 1 et la plaque-armature 3.
  • Ces pattes a, b, c sont venues par emboutissage et pliage laissant donc une perforation, respectivement a', b' et c' dans la plaque 3.
  • Chaque patte comporte une queue 5 traversant le substrat 2 et le dépassant légèrement par en dessous pour la soudure 6. A cet effet, l'orifice de passage de la queue 5 des pattes a, b et c comprend une métallisation 7 (par circuit imprimé), cette métallisation 7 s'étendant jusque sur les bords de l'orifice sur la face du substrat 2 opposée à celle portant le plan de masse 1. Outre la queue 5, chaque patte comprend une portion plus large 8 dont la hauteur détermine la distance e.
  • Les deux pattes b et c, outre leur fonction de support, assurent la fonction de sortie d'antenne. Dans l'exemple décrit la patte b assure la liaison en phase et la patte c la liaison en quadrature. Ces pattes, comme on le voit sur la figure 1 ou 2 sont respectivement situées sur la médiane M1 et la médiane M2 de la figure géométrique carrée de la plaque-armature 3.
  • Pour éviter un court-circuit entre la plaque-armature 3 et le plan de masse 1, une réserve 9, ou absence de plan de masse, est ménagée sur le substrat 2 autour des pattes b et c. En revanche, la patte a, centrale, constitue un court-circuit entre l'armature 3 et le plan de masse 1.
  • Sur l'autre face du substrat 2, figure 2, la patte b est reliée à une première borne de sortie 10 par une connexion rectiligne 11 en circuit imprimé et de même, la patte c est reliée à une seconde borne de sortie 12 par une connexion rectiligne 13 en circuit imprimé. Les deux connexions 11 et 13 sont perpendiculaires. Les bornes de sortie 10 et 12 sont fixées sur deux côtés consécutifs du substrat 2.
  • La plaque-armature 3 est emboutie dans une feuille de cuivre, mais compte tenu de la faible épaisseur de celle-ci, les bords sont remontés, comme on le voit sur la figure 3, afin d'assurer la rigidité de l'ensemble.
  • On notera que ce relèvement des bords ainsi que la perforation a', b', c' n'entament en rien les performances de l'antenne dont les caractéristiques sont même supérieures à l'équivalent classique imprimé sur un diélectrique dédié spécialement aux antennes à hyperfréquences tel que décrit en introduction.
  • Ainsi, l'invention utilise une feuille de cuivre emboutie comme élément rayonnant et ne nécessitant pas de pièces complémentaires pour le montage sur le substrat 2. Celui-ci est un substrat classique de circuit imprimé en FR4 ou verre époxy. L'ensemble du composant est compatible avec des machines de positionnement automatique utilisées lors d'une production de série.
  • L'invention peut s'appliquer dans une large variété de configurations, notamment pour des fréquences très différentes et des associations multiples d'éléments de base (antennes constituées de plusieurs armatures élémentaires et dont la forme est adaptée à la polarisation du vecteur hyperfréquence de transmission).
  • A titre d'exemple, dans l'antenne décrite, la plaque-armature 3 est un carré de 21,2 mm de côté, le substrat 2 avec le plan de masse 1 a une épaisseur de 0,8 mm, la distance e est de 1,8 mm et la hauteur de la queue 5 est de 1 mm.

Claims (4)

  1. Elément d'antenne à hyperfréquences comprenant un plan de masse (1), imprimé sur un substrat isolant (2), une armature d'antenne (3) avec au moins une sortie d'antenne (b, c), le plan de masse (1) et l'armature (3) étant séparés par un diélectrique (4), caractérisé en ce que ledit diélectrique (4) séparant l'armature (3) du plan de masse (1) est de l'air, en ce que ladite armature (3), de forme adaptée à la polarisation du vecteur hyperfréquence de transmission, est constituée par une plaque conductrice, ladite plaque-armature (3) comprenant au moins deux pattes (a, b, c) venues par emboutissage et pliage, assurant le support de l'armature sur le substrat (2), chaque patte traversant, par un orifice, le substrat, au moins l'une des pattes (b, c) constituant, outre sa fonction support, une sortie d'antenne, une absence (9) de plan de masse entourant ledit orifice de passage d'une telle patte (b, c) dans le substrat.
  2. Elément d'antenne à hyperfréquences selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'orifice de passage de chaque patte est métallisé (7), la métallisation s'étendant jusque sur les bords de l'orifice sur la face du substrat opposée à celle portant le plan de masse (1) pour assurer la fixation, par soudure (6), de la patte au substrat.
  3. Elément d'antenne à hyperfréquences selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite plaque-armature (3) a une géométrie carrée et qu'elle comprend trois dites pattes (a, b, c) dont l'une (a) est située au centre de la plaque (3) et forme un court-circuit entre la plaque-armature (3) et le plan de masse (1), les deux autres pattes (b, c) constituant deux sorties d'antenne respectivement situées sur l'une (M1) et l'autre (M2) médiane de la plaque-armature (3) et formant respectivement une liaison en phase et en quadrature.
  4. Elément d'antenne à hyperfréquences selon la revendication 3, caractérisé en ce que chacune des deux dites sorties d'antenne (b, c) est respectivement reliée à une borne de sortie (10, 12) fixée à un bord dudit substrat isolant par une connexion rectiligne (11, 13) en circuit imprimé sur la surface du substrat (2) opposée au plan de masse (1), les deux connexions (11, 13) étant respectivement perpendiculaires l'une à l'autre.
EP96402027A 1995-09-27 1996-09-25 Elément d'antenne à hyperfréquences Withdrawn EP0766342A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR9511316 1995-09-27
FR9511316A FR2739225B1 (fr) 1995-09-27 1995-09-27 Element d'antenne a hyperfrequences

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP0766342A1 true EP0766342A1 (fr) 1997-04-02

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ID=9482954

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EP96402027A Withdrawn EP0766342A1 (fr) 1995-09-27 1996-09-25 Elément d'antenne à hyperfréquences

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US (1) US5831578A (fr)
EP (1) EP0766342A1 (fr)
JP (1) JPH09167915A (fr)
FR (1) FR2739225B1 (fr)
IL (1) IL119295A (fr)
NO (1) NO319736B1 (fr)

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