Intégration du filtre dans l’élément rayonnant

La première méthode pour la conception d’antenne filtrante est l’intégration du filtre à l’intérieur même de l’élément rayonnant. Que ce soit pour des structures planaires ou volumiques, le filtre est souvent constitué de fentes insérées dans la géométrie de l’antenne. Il est possible de créer un filtrage coupe-bande [2.48] ou de générer une autre résonance par cette méthode. Par ailleurs les structures sont simples à fabriquer. Nous présentons dans cette partie quelques exemples d’intégration de filtres directement sur l’élément rayonnant.

¾ Exemple d’antenne volumique avec filtre de type fente

Les monopôles volumiques présentent l’intérêt d’être large bande, l’impédance d’entrée restant constante sur une large bande de fréquences qui peut dépasser une décade. La forme et la dimension influencent à la fois la bande passante et le diagramme de rayonnement. Une antenne monopole volumique [2.48] (Figure 2.35) à symétrie de révolution peut être considérée comme une ligne de transmission servant à adapter l’impédance de charge de l’antenne sur l’impédance de rayonnement, l’impédance de charge n’étant pas forcément constante.

Dans cet exemple, la fonction de filtrage est un simple stub permettant de ramener un court circuit au voisinage de la fréquence indésirable ce, juste au niveau de l’alimentation de l’antenne.

Structure sans filtre

Coefficient de réflexion avec et sans filtre

Structure avec insertion d’une fonction de filtrage (par stub quart d’onde court-circuité)

Diagramme de rayonnement spatio-fréquentiel en Directivité

Figure 2.35 : Antenne monopôle volumique avec filtre de type de fente

¾ Exemple d’antenne planaire avec filtre de type fente

Le principe consiste à utiliser un résonateur à saut d’impédance qui a la propriété de présenter des fréquences de résonance non harmoniques l’une de l’autre [2.49, 2.50]. Cette antenne est constituée de 3 tronçons de lignes dont l’une est de largeur réduite par rapport aux deux autres, autrement dit d’impédance forte. La position relative de ces deux résonances dépend directement du rapport entre les impédances caractéristiques des différents tronçons. L’antenne est réalisée sur

substrat FR4 (εr=4,4 et h=1,58mm) et a pour dimensions totales 51mm×27mm pour une fréquence

de résonance basse à 1GHz (Figure 2.36 [2.49]). Les bandes passantes obtenues sont étroites : pas de bande passante à -10dB à la première fréquence de résonance et la 2éme est de 1,8%.

Figure 2.36 a : Antenne à saut d’impédance

Figure 2.36 b : Réponse en fréquence

¾ Exemples d’intégration d’une fente résonante non débouchante dans un monopôle planaire Plusieurs exemples apparaissent dans la littérature. Dans un premier exemple, l’antenne est un monopôle planaire en forme de demi-disque (figure 2.37 [2.51]). Elle a pour rayon 13mm, le plan de masse fait 12,85×10,9mm² et le substrat 30×30×0,762mm3 de permittivité 4,5. La structure est alimentée via une ligne coplanaire. Les résultats de mesure sont proposés ci-dessous. L’antenne est initialement une antenne très large bande [3GHz ; 11,8GHz]. Les fentes permettent d’obtenir un filtrage coupe bande sur la bande WLAN autour de 5GHz.

Figure 2.37 a : Monopole plaqué

Figure 2.37 b : Réponse en fréquence avec et sans fente

Figure 2.37c : Gain de la structure

Un autre exemple présenté ci-dessous est dans la même lignée que l’antenne précédente. Il s’agit là aussi d’un dipôle planaire en forme de disque [2.8] (Figure 2.38). Sa taille totale, en intégrant le plan de masse, est de 30×26mm² sur substrat FR4 (épaisseur 1.6mm, permittivité relative 4,4). L’objectif est d’éviter l’interférence de la bande haute UWB avec la bande WLAN à 5GHz. Le stub a pour objectif de diminuer la fréquence de résonance de l’antenne. La bande passante obtenue va de 2,9GHz à 12,1GHz sans la fente. La bande rejetée liée à la fente va de 4,9GHz à 6GHz. Le diagramme de rayonnement obtenu est omnidirectionnel. Le gain hors bande de réjection est de l’ordre de 2 à 5dBi, et dans la bande rejetée, il est inférieur à -5dBi.

Figure 2.38 a : Monopole disque à fente et stub

Figure 2.38 b : Réponses en fréquence (avec ou sans fente et en fonction de la longueur du stub)

Figure 2.38 c : Diagrammes de rayonnement à 4,85GHz

Une autre antenne a été développée sur un substrat de permittivité 10,2 et d’épaisseur 1.9mm. Ses dimensions globales sont 36×45mm² [2.52, 2.53]. La structure offrant une réponse optimale en termes de VSWR est celle pour laquelle le rayon de l’antenne est de 7mm, chaque plan de masse latéral a pour largeur 8,2mm et pour longueur 14,2mm. L’antenne est alimentée par une ligne coplanaire 50Ω. Le diagramme de rayonnement de l’antenne reste très proche du diagramme de rayonnement d’un monopôle (Figure 2.39). La bande rejetée est de 20%, de 4,55GHz à 5,9GHz, sur une bande passante totale qui va de 3GHz à 10,6GHz. Le ROS est inférieur à 1,5 sur la bande de 2GHz à 7GHz sauf dans la bande rejetée dans laquelle il est supérieur à 10.

Figure 2.39 a : Monopole à fente

Figure 2.39 b : Réponse en fréquence en fonction de la longueur et de la largeur de la fente Une autre géométrie permet d’aboutir aux résultats présentés figure 2.40 [2.54], la bande rejetée va de 2,93GHz à 3,12GHz pour un gain d’antenne de l’ordre de 2dBi sauf dans la bande rejetée. Le gain de la bande passante rejetée est inférieur à -5dBi.

Figure 2.40 a : Géométrie proposée _{Figure 2.40 b : Réponse en fréquence}

La méthodologie qui a été suivie pour développer ces antennes débute avec des antennes planaires, monopôles ou dipôles plaqués, qui sont adaptées sur une bande passante très large. Une fente résonante est ajoutée dans l’élément rayonnant pour obtenir la bande rejetée, qui est contrôlée par les dimensions de la fente. Cependant, il y a plusieurs problèmes à résoudre. En premier lieu, celui de l’influence de cette fente sur le diagramme de rayonnement dans la bande utile mais aussi le fait que, dans bien des cas, la fente rayonne de l’énergie lorsqu’elle est à la résonance, ce qui limite les capacités de filtrage de l’antenne dans les directions où ce rayonnement est important.

Par ailleurs, un des inconvénients majeurs de ces structures est qu’elles sont encombrantes, et donc non recommandées pour les applications en communications mobiles fonctionnant à basse fréquence.