L'antenne en F inversé (Inverted-F Antenna ou IFA)

2.1.4.1. Présentation

L'antenne IFA est à notre connaissance introduite pour la première fois par Guertler [57]. Son principe de fonctionnement consiste à établir un mode de résonance quart d'onde sur

2.1. Inventaire des structures une structure assimilable à un tronçon de ligne de transmission. Pour forcer l'établissement du mode, outre le choix d'une longueur adaptée à la fréquence à exciter, on impose une condition de circuit ouvert à l'une des extrémités de la ligne et une condition de court- circuit à l'autre extrémité. Il reste alors à exciter le mode en un point d'impédance adaptée à la source d'alimentation. Sonde d’alimentation Toit Court circuit Jtoit Jcc y z

Fig. 2.15.: Antenne en F inversé (Inverted-F Antenna ou IFA)

L'antenne IFA ne présente pas des caractéristiques de rayonnement aussi pures en terme d'isotopie de puissance ou d'uniformité de polarisation, ni une aussi bonne couverture que les antennes présentées précédemment. Cependant il nous semble intéressant de la présenter pour plusieurs raisons :

 Elle est très utilisée sur les objets communicants actuels tel que les télephones mobiles. Ses performances et caractéristiques sont généralement bien connues. Elle peut donc servir de référence dans le comparatif de couverture établi à la section 3.6.3.

 Si on l'évalue sur ses rapports couverture/dimension et couverture/simplicité de mise en oeuvre, elle peut se révéler très compétitive par rapport aux antennes de cet état de l'art. Ceci peut expliquer en partie son utilisation fréquente dans les dispositifs actuels.  Elle présente une forte analogie avec l'antenne en U présentée plus haut dans cet état

de l'art.

 Enn nous verrons à la partie suivante qu'elle nous sert d'élément de base pour la conception d'une nouvelle antenne isotrope, il est donc important de la présenter au préalable.

2.1.4.2. Modèle analytique du champ rayonné par une antenne IFA sur plan de masse inni

Guertler donne une expression analytique du champ lointain pour une antenne IFA idéale [57] sur un plan de masse inni :

F (θ, ϕ) = cos ϕh− sinπ 2cos (θ)  + j cosπ 2cos (θ) i_−→ uθ+ sin(ϕ)−→uϕ (2.4)

2. Etat de l'art

Cette expression repose sur l'hypothèse d'un plan de masse inni et d'une distribution de courant idéalisée à la surface du toit et du court-circuit de l'IFA. Le plan de masse étant inni, l'expression n'est valable que dans l'hémisphère supérieur c'est à dire pour (0<< 90).

La gure 2.16 représente la décomposition du champ d'une IFA idéale. Etant donné que le plan de masse est présumé inni, l'antenne ne rayonne que dans un hémisphère. Dans la pratique, le champ lointain d'une IFA est assez diérent de ce rayonnement idéal, car le plan de masse est limité. Lorsqu'elle est montée sur un plan de masse du même ordre de grandeur que le toit, son rayonnement devient moins pure en terme de polarisation et moins régulier en terme de directivité. La couverture est améliorée car l'antenne rayonne sous le plan de masse.

φ (deg) θ (deg) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 −25 −20 −15 −10 −5 φ (deg) θ (deg) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 −25 −20 −15 −10 −5

Fig. 2.16.: Directivité selon Eθ et Eφ d'une antenne IFA sur plan de masse inni dans

son hémisphère supérieur (D'après [57]).

2.1.4.3. Analogie entre antenne IFA et antenne en U

L'antenne IFA et l'antenne en U présentée à la section 2.1.2 présentent une analogie dans leur principe de fonctionnement via la théorie des images. Cette analogie est illustrée à la gure 2.17. Dans le cas où l'antenne IFA est montée sur un plan de masse parfait et inni, celle-ci est équivalente à une structure en U. Ceci explique que les rayonnements représentés aux gures 2.10 et 2.16 soient similaires dans l'hémisphère supérieur.

I_a ~ I_s I_a

Fig. 2.17.: Analogie entre l'antenne IFA sur plan de masse inni et l'antenne en U par la théorie des images.

Diérentes versions modiées de l'antenne IFA ont été proposées, notamment en utilisant la thérorie des images [58] pour transformer le plan de masse en court-circuit et passer ainsi de structures équilibrées à des structures non équilibrées [59].

2.1. Inventaire des structures 2.1.4.4. Simulation 31.4 mm @ 2 Gh z (λ/4.8) 42.5 mm @ 2Ghz _(λ/3.5) z x y

Fig. 2.18.: Antenne IFA simulée sur un petit plan de masse.

L'intégration d'une antenne IFA sur un boitier rectangulaire de dimension nie est étudiée dans [60]. Une antenne IFA montée sur un plan de masse de petite dimension est présentée à la gure 2.22 et simulée. La longueur du toit est légèrement inférieure à λ/4. L'antenne est adaptée à 2GHz. Sa bande passante est de 1.25%.

2.1.4.5. Caractéristiques de rayonnement

Le rayonnement présente une direction d'atténuation importante (gure 2.19), l'isotropie en puissance n'est donc pas très bonne comparée aux autres antennes de l'état de l'art. Le rapport axial témoigne de quatre lobes de polarisation circulaire. La polarisation présente une très mauvaise uniformité. elle est circulaire dans certaines directions, rectiligne dans d'autre. φ (deg) θ (deg) 0 50 100 150 200 250 300 350 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 −4 −3 −2 −1 0 1 2 3 4

2. Etat de l'art φ (deg) θ (deg) 0 50 100 150 200 250 300 350 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Fig. 2.20.: Antenne IFA : Rapport axial

(En échelle linéaire : 0 = polarisation rectiligne / 1 = polarisation circulaire)

φ (deg) θ (deg) 0 50 100 150 200 250 300 350 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 −25 −20 −15 −10 −5 0 φ (deg) θ (deg) 0 50 100 150 200 250 300 350 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 −30 −25 −20 −15 −10 −5

Fig. 2.21.: Antenne IFA : Diagramme de directivité 3D selon Eθ (à gauche) et Eφ (à

droite).

Il est intéressant de comparer le rayonnement de l'IFA dans le cas du plan de masse inni (gure 2.16) et dans le cas du petit plan de masse (gure 2.21). Dans l'hémisphère

supérieur, le rayonnement est similaire selon la composante Eφ. Selon la composante Eθ,

les annulations existantes dans les directions du plans de masse inni disparaissent dans le cas du petit plan de masse en raison de la diraction existante aux bords du plan du masse.

2.1. Inventaire des structures

2.1.5. L'antenne quadrilaire en hélice (Quadri Filar Helix