Les antennes imprimées pour les laptops

Depuis ces dernières années, le domaine des télécommunications connait un essor considérable, aussi bien dans le nombre de services offerts que dans le nombre de systèmes proposés. Il permet à un large public d’accéder aux nouvelles technologies. Ainsi, les systèmes de transmission en espace libre utilisant des antennes présentent de nombreux avantages. Ces systèmes répondent aux contraintes de mobilité, facilité d’accès et selon la fréquence utilisée, ils peuvent avoir une portée suffisante sans amplification. Le choix de l’antenne se fait en fonction des contraintes de l’application telles que bande de fréquence, gain, coût, couverture, poids etc. Parmi les antennes développées au cours de ces dernières années qui font l’objet de nombreux travaux de recherche et de développement, nous citons les antennes imprimées (antennes à résonateur microbande) dont la forme et les dimensions leur permettent d’être intégrées dans les modules d’émission ou de réception sur le même substrat.

Une antenne à éléments rayonnants imprimée, communément appelée «antenne patch» est une ligne MICRORUBAN (en anglais MICROSTRIP) de forme particulière. Elle se compose d’un plan de masse et d’un substrat diélectrique dont la surface porte un ou plusieurs éléments métalliques. Il convient de souligner leur faible poids, un encombrement réduit, un faible coût de revient et une configuration planaire compatible avec les circuits intégrés et éventuellement conformable. L’emploi d’antennes plaquées s’est quasiment généralisé dans tous les systèmes de communications mobiles. Ces antennes sont légères, peu encombrantes et peu coûteuses. Elles sont fabriquées selon la technique photo lithographique des circuits imprimés. Selon l’utilisation, on trouve différentes formes d’éléments rayonnants, différents types de substrats ou encore différents types d’alimentation [1].

Les caractéristiques des antennes imprimées

Les antennes microbandes construites par la technique des circuits imprimés, ont en général des bandes de fréquences étroites dans leurs structures de base. L’antenne microbande, est constituée d’un mince conducteur métallique (habituellement de 17,5 à 35 µm d’épaisseur en hyperfréquence et 9 µm en millimétrique) de forme arbitraire, appelé élément rayonnant, déposé sur un substrat épais utilisé pour augmenter la puissance rayonnée par l’antenne et réduire les pertes par l’effet joule et amélioré la bande passante de l’antenne. La face inférieure est entièrement métallisée pour réaliser un plan de masse [2,3].

Une antenne à éléments rayonnants imprimés est constituée d’un plan de masse, d’un ou plusieurs couches de substrats diélectriques et d’un ou plusieurs motifs conducteurs rayonnants de forme quelconque. Cette surface horizontale pourrait être aussi verticale (antenne bowtie) [4].

Une antenne est généralement caractérisée par plusieurs paramètres : l’adaptation, le gain, la directivité, la bande passante, et son efficacité totale.

Les formes d’une antenne imprimée 

Les antennes imprimées utilisant généralement une seule couche de substrat, et sont très répandu dans le domaine des micro-ondes et des ondes millimétriques. Elles se présentent sous une forme géométrique quelconque   et sont disposées sur un substrat diélectrique et un plan de masse. Ces éléments rayonnants présentent différentes formes : carrée, rectangulaire, triangulaire, circulaire, elliptique ou d’autres formes plus complexes [4].

Les avantages et les inconvénients des antennes imprimées 

Les antennes imprimées (microruban) présentent de nombreux avantages comparées aux antennes micro-ondes classiques. De plus, elles sont opérationnelles sur un large domaine de fréquence: 100MHz à 100 GHz [12-13-14].
– On peut énumérer les avantages suivants :
• Faible poids, encombrement réduit, conformations possibles.
• Faible coût de fabrication, production en masse facile.
• Rayonnement en polarisation linéaire et circulaire possibles.
• Antennes multi bandes, multi polarisations.
• Compatibilité avec les circuits hybrides (composants discrets rapportés sur le substrat) et les MMIC (Microwave Monolithic Integrated Circuit, composants intégrés dans les substrats AsGa ou Si).
• Réseaux d’alimentation et d’adaptation fabriqués simultanément avec l’antenne.
– Les antennes microruban ont également des limitations que ne présentent pas les antennes traditionnelles :
• Bande passante étroite, souvent associée avec les problèmes de tolérances de fabrication.
• Généralement faible gain (6 dB).
• Sur un grand plan de masse, ces antennes rayonnent uniquement dans le demiplan.
• Supportent uniquement des faibles puissances (<100 W).
• Pertes de rayonnement par ondes de surfaces dans le substrat diélectrique.

Ces limitations sont connues depuis plusieurs années et des progrès considérables ont été réalisés depuis pour améliorer les performances des antennes patch. Notamment, leur bande passante peut être augmentée jusqu’à 70 % en utilisant une configuration multicouche et leur gain peut s’accroître de 30 % en mettant en réseau plusieurs antennes.

Alimentation par fente (ou par ouverture) 

Le transfert d’énergie de la ligne à l’élément se fait par couplage depuis la ligne à travers une fente. C’est une méthode dont le positionnement des différents éléments patch, fente, ligne micro-ruban est très délicat, mais elle apporte divers avantages :
• Isolation du circuit d’alimentation de l’antenne.
• Diminution des rayonnements parasites au niveau de l’élément rayonnant.
• Faible bande passante.
Mais également un inconvénient :
• Difficile à mettre en œuvre.
Cependant, il apparait un rayonnement arrière du faite que la fente se comporte comme un élément rayonnant. Pour éliminer cet inconvénient, on peut disposer sous la ligne, une plaque de substrat avec une partie métallisée sur sa face inférieure pour créer un nouveau plan de masse [15].