Antenne patch

Le concept d’antennes imprimées ou micro ruban est apparu dans les années 50, mais ce n’est que vingt ans plus tard que les premières réalisations apparaissent. Dans un premiers temps essentiellement réservées à des applications militaire puis à l’industrie à partir des années 1990. Elles sont aujourd’hui implantées dans de nombreux dispositifs électroniques et constituent le type d’antenne privilégié pour les applications VHF (Very High Frequency) et notamment pour la Wi-Fi et la radio amateur.

Une antenne imprimée est constituée d’un plan de masse et d’un substrat diélectrique, dont la surface porte un ou plusieurs éléments métallisés, appelé en anglais « patch ». Les patchs se déclinent suivant différentes formes qui vont influer sur la nature du rayonnement de l’antenne.  On trouve en pratique des éléments rayonnants de la forme d’un rectangle ou d’un carré, d’un disque circulaire ou d’un anneau, d’un triangle ou d’un dipôle. L’élément le plus utilisé est celui de forme rectangulaire.

Les dimensions du patch sont généralement de l’ordre de λ/2 à λ, définit par la fréquence de résonance à donner à  l’antenne. Les caractéristiques du substrat influent sur celles de l’antenne, celui-ci doit être de permittivité faible ( εr<3 ) pour permettre le rayonnement. De plus, son épaisseur doit être négligeable devant la longueur d’onde.

• Alimentation

L’excitation est un point important pour l’antenne patch, en effet, selon la méthode, il est possible d’influer directement  sur son rayonnement et modifier ses performances. L’alimentation de l’antenne dépend de la manière dont l’antenne va être intégrée dans un dispositif.

Les méthodes d’alimentations peuvent être classées en deux catégories :

• Les alimentations par contact (sonde coaxiale ou ligne microruban).
• Les alimentations par proximité (couplage électromagnétique par ligne ou fente).

Antenne Patch (substrat FR4) alimentation par ligne microruban

Les antennes patchs ont étés développer pour répondre à des contraintes tels que le coût et l’encombrement.  Leurs applications couvrent une large bande de fréquence, de 100 MHz à 100 GHz.

Parmi les avantages de ces antennes, on peut citer :

• Faible poids, faible encombrement, possibilité d’être placé au plus près des systèmes.
• Structure planaire pouvant être conformée.
• Faible coût, facile à réaliser, convient à la production en série.
• Antenne multi bande, multi polarisation possible (linéaire et circulaire)
• Possibilité de mettre plusieurs antennes en réseaux pour améliorer les caractéristiques de rayonnement globale (plusieurs dizaines ou centaines d’éléments)

Cependant elles ont aussi leurs limitations :

• Bande passante étroite (1 à 5%).
• Gain moyen
• Faible puissance (quelques dizaines de watts)
• sensible aux dispersions technologiques

Caractérisation d’une antenne

• Le diagramme  de  rayonnement d’une  antenne  permet  de  visualiser  ces  lobes  dans  les  trois dimensions, dans le plan horizontal ou dans le plan vertical incluant le lobe le plus important.Le diagramme de rayonnement de l’antenne permet donc d’apprécier la directivité de l’antenne. La figure n°3 présente un diagramme de rayonnement d’une antenne patch dans deux plans de coupe horizontal et vertical et en 3 dimensions.

diagramme de rayonnement plan E et plan H (b) diagramme de rayonnement en 3D

• L’angle d’ouverture d’une antenne caractérise la portion de l’espace (l’angle de direction) dans laquelle la puissance rayonnée est la moitié (-3dB) de la puissance rayonnée dans la direction de rayonnement maximal. Il est donc représentatif de la directivité de l’antenne. Plus cet angle est étroit plus l’antenne est directive.
• Le gain  d’une  antenne correspond au gain dans la direction de rayonnement maximal. Cette propriété caractérise la capacité d’une antenne à  focaliser la puissance rayonnée dans une direction. Le gain d’une antenne s’exprime en dBi, en prenant pour référence une antenne isotrope, qui rayonne uniformément dans toutes les directions.