EP0145597A2

EP0145597A2 - Antenne périodique plane

Info

Publication number: EP0145597A2
Application number: EP84402523A
Authority: EP
Inventors: Alain Bizouard; Gérard Dubost
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1983-12-13
Filing date: 1984-12-06
Publication date: 1985-06-19
Also published as: EP0145597B1; DE3476496D1; FR2556510A1; EP0145597A3; FR2556510B1; US4652889A

Abstract

L'invention concerne une antenne périodique plane caractérisée en ce qu'elle comprend une plaque conductrice (1) comportant des éléments rayonnants formés de deux séries de dents planes (Dl-Dm), (Ql-Qp) dont les dimensions se déduisent les unes des autres à partir d'une homothétie de rapport τ et de pôle d'expansion O, les dents de l'une des séries étant intercalées entre les dents de l'autre série et l'extrémité (4) d'une dent donnée étant séparée du bord (5) de la plaque située entre deux dents de l'autre série par un intervalle prédéterminé (εn); une ligne d'alimentation (3) placée dans un plan proche du plan de la plaque (1) permet d'alimenter les dents à partir de l'intervalle prédéterminé (εn); un plan de masse (9) situé à une distance Hn de chaque dent, variant en fonction de la longueur d'onde λn de résonance de chaque dent. Application aux antennes embarquées large bande.

Description

La présente invention se rapporte aux antennes périodiques planes du type log-périodique.
De manière générale, les antennes périodiques sont des antennes très large bande, indépendantes de la fréquence du signal d'alimentation. Elles sont constituées par des éléments rayonnants dont les dimensions se déduisent les unes des autres par une homothétie de rapport T à partir d'un pôle d'expansion donné. Deux éléments rayonnants consécutifs présentent les mêmes propriétés l'un à une fréquence f qui est sa fréquence de résonance, et l'autre à la fréquence f/T ou f.τ . Le facteur T est généralement voisin de l'unité si bien que ce type d'antenne présente des caractéristiques assez peu différentes sur une grande bande de fréquence.
Les antennes périodiques planes sont formées d'éléments rayonnants plats par opposition aux éléments rayonnants filaires et de manière générale aux éléments volumétriques. On entend donc par antenne plane, une antenne dont les éléments rayonnants ont une faible épaisseur, cette dimension étant non significative par rapport aux longueurs et aux largeurs des éléments.
Classiquement, une antenne périodique plane est constituée de deux plaques dans un même plan formées chacune de deux séries de dents généralement trapézoïdales. L'antenne est par conséquent constituée de deux demi-antennes qui sont alimentées en symétrie à partir de leur sommet. Le diagramme de rayonnement est symétrique par rapport au plan de l'antenne avec des maxima suivant la normale à ce plan. L'antenne présente donc une directivité normale au plan de sa structure.
Dans certaines applications, notamment lorsqu'on désire placer l'antenne périodique sur une structure métallique plate ou galbée sans perturber l'aérodynamisme de cette structure, il est nécessaire d'utiliser des antennes périodiques planes. Or, le fonctionnement de l'antenne est perturbé car elle est plaquée sur la structure métallique qui se comporte alors comme un réflecteur non adapté au fonctionnement de l'antenne.
Par ailleurs, il est quelquefois également nécessaire d'obtenir un diagramme de rayonnement dont le faisceau principal est incliné par rapport à la structure de l'antenne. Or une antenne périodique plane classique ne permet pas d'avoir une inclinaison du lobe principal par rapport au plan de sa structure.
C'est pour pallier à ces deux inconvénients que l'invention propose une antenne périodique plane large bande permettant de fonctionner sans perturbation lorsqu'elle est encastrée sur une structure métallique plate ou galbée et de plus d'avoir un lobe principal incliné par rapport à la normale de la structure métallique.
L'invention propose donc une antenne périodique plane principalement caractérisée en ce qu'elle comprend des éléments rayonnants formés de deux séries de dents planes dont les dimensions se déduisent les unes des autres à partir d'une homothétie de rapport _T et de pôle d'expansion 0 , les dents de l'une des séries étant intercalées entre les dents de l'autre série et l'extrémité d'une dent donnée étant séparée du bord de la plaque situé entre deux dents de l'autre série par un intervalle prédéterminé ; une ligne d'alimentation placée dans un plan proche du plan de la plaque permet d'alimenter les dents à partir de l'intervalle prédéterminé ; un plan de masse situé à une distance H de chaque dent, variant en fonction de la longueur d'onde À _n de résonance de chaque dent, l'antenne pouvant ainsi être encastrée dans une structure métallique plate ou galbée sans changer l'aérodynamisme de cette structure.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-après, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins annexés sur lesquels :

- la figure 1 représente une coupe de l'antenne selon l'invention suivant le plan de sa structure rayonnante ;
- la figure 2 représente une coupe suivant un axe AB selon la figure 1 ;
- la figure 3 représente une coupe suivant un axe OD selon la figure 1 ;
- la figure 4 représente une variante de réalisation de l'antenne vue en coupe suivant l'axe AB.

Pour faciliter la compréhension, on définit le plan de la structure rayonnante P comme étant le plan de la feuille et l'axe OD, un axe qui passe par le pôle d'expansion 0 et qui est l'axe longitudinal de l'antenne.
La figure 2 représente donc une coupe suivant un plan contenant l'axe AB perpendiculaire à l'axe OD et la figure 3 représente une coupe suivant un plan perpendiculaire au plan P et contenant l'axe OD.
Par ailleurs, les figures 1, 2 et 3 représentées étant des coupes suivant trois plans différents de l'antenne périodique plane selon l'invention, sont décrites dans ce qui suit sans dissociation.
L'antenne représentée sur ces figures est une antenne périodique de pôle d'expansion 0. Une plaque conductrice 1 est constituée par une série de dents D₁ à D_m, et une série de dents Q₁ à Q_p, p=m ou p=m-1, s'intercalant entre les dents de la première série.
Le nombre de dents varie selon les caractéristiques de rayonnement désirées pour l'antenne. On s'est limité à ne représenter que trois dents dans la première série et deux dans la deuxième série (m = 3 et p=2).
Les dents ont une forme trapézoïdale selon une forme préférée de réalisation. Il est bien évident que l'invention s'applique également aux antennes dont les dents ont une forme couramment utilisées dans les antennes log-périodique classiques du type rectangulaire ou à axe en arc de cercle de centre le pôle d'expansion.
Les dimensions des dents D₁, D_2' D₃ se déduisent les unes des autres par une similitude de rapport _T ² et de pôle 0. De la même façon les dimensions Q₁ et Q₂ se déduisent l'une de l'autre par une similitude de rapport _T ² et de pôle 0, les dimensions de Q₁ par rapport à D₁ étant obtenues en multipliant par √τ .
De manière connue en soi, les dimensions de la dent la plus proche du pôle définissent une première fréquence de résonance f_M donnant l'ordre de grandeur de la limite supérieure de la bande passante de l'antenne de même que les dimensions de la dent la plus éloignée du pôle définissent une fréquence de résonance f_m donnant l'ordre de grandeur de la limite inférieure de la bande passante de l'antenne.
Les dents D₁, D₂ et D₃ s'inscrivent dans une enveloppe définie par les droites E₁ et E₂ sécantes au pôle 0 et faisant un angle a .
Les dents Q₁ et Q₂ s'inscrivent dans une enveloppe définie par les droites Flet F₂ sécantes également au pôle 0 et faisant le même angle α .
Cette plaque 1 est réalisée sur l'unique face métallisée d'un circuit imprimé 2 de faible épaisseur par rapport aux longueurs d'ondes de travail et qui est représenté en coupe sur la figure 2. La longueur d'onde λ de l'onde émise varie entre les longueurs d'ondes extrême λ _m et λ _M définies par la bande passante.
Une ligne d'alimentation 3 représentée en pointillés sur la figure 1 permet d'alimenter l'antenne en excitant les éléments rayonnants à partir de points 4 et 5 qui seront définis ultérieurement. Cette ligne d'alimentation 3 est réalisée par un ruban métallisé imprimé sur un circuit imprimé 6, également de faible épaisseur. La face métallisée de ce circuit 6 se trouve du côté de la face non métallisée du circuit 2, le circuit 6 joue ainsi un rôle de protection analogue à celui d'un radome vis-à-vis de l'extérieur. Ce circuit 6 est situé dans un plan proche du plan du circuit 2 et contenant par exemple le pôle d'expansion 0 ou encore dans un plan parallèle au plan du circuit 2 et à proximité de celui-ci. Les deux circuits 2 et 6 sont séparés par un diélectrique 8 qui peut être (à la limite) le milieu air ou un nid d'abeilles.
La ligne 3 décrit des dents trapézoïdales se déduisant par une similitude de pôle 0 et de rapport τ, dont les côtés sont parallèles aux côtés des dents rayonnantes et passent par les milieux 4 des segments l_n extrêmes de chaque dent et par les milieux 5 des segments opposés L . La coupure de largeur ε_n entre ces deux n points 4 et 5 permet d'exciter les éléments rayonnants.
Le circuit 2 est solidaire de la structure métallique 9 (son plan de masse) sur laquelle est plaquée l'antenne et le circuit 1 est maintenu en contact électrique avec cette structure 9 au niveau des tronçons de droites OE₁ et OF₂ passant par les points respectivement 5 et 15. Ce contact est assuré, par exemple au moyen de vis 10 et 11 représentées sur la figure 1.
La coupe représentée sur la figure 3 permet de mettre en évidence la hauteur H_n séparant le plan de masse de chaque élément rayonnant.
Bien entendu, les paramètres référencés avec un indice n varient en fonction de n où n est l'indice repérant la dent, le nombre total de dents étant désigné par N (N = 5 dans le cas de la figure 1). Pour la première dent, on aura donc une longueur h_l, un intervalle ε₁ et une hauteur H₁.
Les éléments rayonnants se comportent comme des demi- doublets court-circuités à la' résonance quart d'onde. Pour cela, on doit avoir la relation H_n + h_n= λ_n/4. Chaque élément rayonnant est donc court-circuité à l'une de ses extrémités 15 à la structure métallique 9 sur laquelle l'antenne est plaquée. L'autre extrémité 4 est isolée de la structure métallique et la coupure qui en résulte est excitée par la ligne d'alimentation. L'impédance de rayonnement de la plaque court-circuitée à la résonance quart d'onde s'insère en série dans la ligne microbande 3 à l'endroit de la coupure.
Le choix des dimensions des éléments rayonnants est effectué de telle sorte que, lorsque la ligne d'alimentation microbande 3 transmet une onde dont la fréquence est inférieure à la fréquence de résonance propre d'une dent donnée, celle-ci présente, au niveau de sa coupure, une impédance faible qui perturbe peu la transmission de la ligne.
- L'angle d'inclinaison du diagramme de rayonnement sur le plan de la structure est directement lié à la longueur k_n géométrique ou électrique de la ligne d'alimentation microbande 3 comprise entre les coupures de deux sources rayonnantes adjacentes. On considère la longueur électrique lorsque la ligne se trouve en présence d'un matériau diélectrique. Il est donc aisé par construction de modifier l'angle d'inclinaison en modifiant cette longueur. La relation existant entre l'angle d'inclinaison entre le faisceau principal et le plan de la structure de l'antenne et la longueur de la ligne k_n alimentant deux doublets court-circuités à la résonance quart d'onde résulte de calculs théoriques connus que l'on peut trouver dans les revues IEEE transaction dans les articles de G.DUBOST intitulés "Antennas and Propagation" de mai 1981 et 1983.
Cependant, une condition doit être respectée pour qu'il n'y ait pas d'aberration dans le fonctionnement. En effet, la longueur électrique K doit être inférieure à À_n/2 afin que l'antenne ne soit pas désadaptée. Ainsi, les réflexions partielles dues aux insertions des éléments rayonnants le long de la ligne ne se cumulent pas.
Le cas le plus favorable se présente lorsque cette longueur k_n est égale à λ_n/4 car elle permet une compensation pratiquement idéale de toutes les réflexions. Cependant, pour des raisons pratiques, une longueur intermédiaire s'impose par exemple 0,3 λ_n, ce qui correspond compte tenu des autres paramètres géométriques et électriques, à une impédance d'entrée bien adaptée. Pour obtenir la longueur la mieux adaptée, il est donc nécessaire que les éléments rayonnants soient intercalés.
Il est évident que pour modifier la longueur électrique de la ligne 3, on peut d'une part agir en modifiant le diélectrique 8, (sa constante diélectrique ou l'épaisseur) et d'autre part, donner une forme différente à la ligne de sorte que par exemple si on veut diminuer sa longueur géométrique elle ne suive pas rigoureusement l'axe médian de chaque plaque comme cela est représenté sur la figure 1, en passant toutefois au milieu des diverses coupures.
On peut également agir sur la longueur des plaques rayonnantes en plaçant un matériau diélectrique 12 dans l'espace compris entre la structure métallique 9 et la plaque métallique 1 (comportant les dents). En diminuant ainsi la longueur h de chaque élément rayonnant, cela permet de diminuer la longueur de la ligne 3 entre deux coupures.
La ligne 3 est fermée sur son impédance caractéristique au moyen d'une résistance 13 adaptée à son extrémité la plus éloignée du pôle 0. Cette résistance peut être un élément à constantes localisées ou un dipôle à constantes réparties.
Quelques résultats théoriques sont donnés ci-dessous pour un choix des différents paramètres et de la bande passante, déterminés. En choisissant :

R impédance caractéristique de la ligne 3 égale à 150 Ω et N = 50, on obtient les résultats suivants :
L'angle d'inclinaison théorique du faisceau, c'est-à-dire l'angle entre la direction du maximum de rayonnemant et la direction perpendiculaire au plan de la structure est de 50°.
L'ouverture à 3dB du faisceau principal sensiblement de révolution est égale à 45°.
Le rapport d'ondes stationnaires de l'impédance d'entrée de l'antenne rapportée à la résistance caractéristique de la ligne est inférieur à 2 dans toute la bande 0,9 GH - 9 GHz.
Sur la figure 4, on a représenté une variante de réalisation. L'antenne est vue en coupe comme sur la figure 2.
Dans cette variante, la ligne d'alimentation 3 est imprimée sur la face opposée du circuit 2, ce circuit comportant sur l'autre face les éléments rayonnants. C'est dans ce cas un substrat diélectrique métallisé sur ses deux faces. Cette variante est avantageuse sur le plan de l'encombrement.
La réalisation qui a été décrite est relative à une antenne plane, c'est-à-dire, à une antenne dont les éléments rayonnants ont une très faible épaisseur vis-à-vis de leur longueur et de leur largeur. Par ailleurs, cette antenne a une structure plane dans son ensemble, c'est-à-dire qu'elle peut être encastrée sur une structure métallique plane. Il est bien évident que l'invention concerne également les antennes à structure générale galbée destinées à être encastrées sur des structures métalliques galbées (du type avions). Il suffit pour cela de conformer les circuits sur lesquels sont placés les éléments de l'antenne à la forme de la structure métallique tout en respectant les conditions de fonctionnement données dans la description.
En conclusion, l'antenne selon l'invention a tout d'abord les avantages d'une antenne log-périodique classique, car elle a une très large bande passante. De plus, elle est facilement encastrable dans une structure métallique et ne modifie donc pas son aérodynamisme puisqu'elle est plane et que son plan de masse adapté à la réalisation peut être encastré dans la structure métallique.
Elle a en plus l'avantage de pouvoir rayonner suivant une direction incliné par rapport à la normale au plan de sa structure, ce qui est utile lorsque par exemple l'antenne est placée sur un avion.

Claims

1. Antenne périodique plane caractérisée en ce qu'elle comprend une plaque conductrice (1) comportant des éléments rayonnants formés de deux séries de dents planes (D₁-D_m), (Q₁-Q_p) dont les dimensions se déduisent les unes des autres à partir d'une homothétie de rapport _T et de pôle d'expansion 0 , les dents de l'une des séries étant intercalées entre les dents de l'autre série et l'extrémité (4) d'une dent donnée étant séparée du bord (5) de la plaque situé entre deux dents de l'autre série par un intervalle prédéterminé ( ε_n); une ligne d'alimentation (3) placée dans un plan proche du plan de la plaque (1) permet d'alimenter les dents à partir de l'intervalle prédéterminé (ε_n); un plan de masse (9) situé à une distance H de chaque dent, variant en fonction de la longueur d'onde λ_n de résonance de chaque dent, l'antenne pouvant ainsi être encastrée dans une structure métallique plate ou galbée, sans changer l'aérodynamisme de cette structure.

2. Antenne périodique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les axes longitudinaux des dents (D₁-D_m), (Q₁-Q_p) sont parallèles.

3. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les dents ont une forme trapézoïdale.

4. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la somme des longueurs H et h_n doit être sensiblement égale à λ_n, chaque dent et son plan de masse constituant ainsi un demi doublet court-circuité à la résonance quart d'onde, h_n étant la longueur d'une dent.

5. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les deux séries de dents sont réalisées sur la face métallisée (1) d'un premier circuit imprimé (2) de faible épaisseur par rapport aux longueurs d'ondes des fréquences d'émission.

6. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le plan de masse métallique (9) situé à la hauteur H de chaque dent, est solidaire du premier circuit imprimé (2) et est relié électriquement à la face métallisée (1) de ce circuit (2).

7. Antenne selon la revendication 6, caractérisée en ce que le plan de masse (9) est relié électriquement à la face métallisée (1) au moyen de vis (10, 11) placées sur l'ensemble de la plaque (1).

8. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'espace compris entre le plan de masse (9) et la plaque (1) est rempli d'un matériau diélectrique (12).

9. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la ligne d'alimentation (3) est une ligne microbande réalisée sur la face métallisée d'un deuxième circuit imprimé (6) de faible épaisseur par rapport aux longueurs d'ondes des fréquences d'émission.

10. Antenne selon la revendication 9, caractérisée en ce que la face métallisée du deuxième circuit imprimé (6) est située dans un plan contenant le pôle d'expansion (0) et proche du plan dans lequel se trouve le premier circuit (2) de sorte que la ligne d'alimentation (3) se trouve au milieu de l'intervalle ( En) définissant les coupures quart d'onde des dents.

11. Antenne selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'un matériau diélectrique (8) est placé entre les premiers (2) et deuxième circuit (6) imprimés.

12. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que la ligne d'alimentation (3) est une ligne microbande réalisée sur l'autre face métallisée du premier circuit imprimé (2).

13. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que la ligne d'alimentation (3) est fermée sur son impédance caractéristique (R) au moyen d'une résistance (13) a adaptée et en ce que la longueur k de la ligne (3) comprise en deux points de coupure est inférieure à λ_n/2ce qui contribue à obtenir un rayonnement de l'antenne dans une direction inclinée par rapport à la normale au plan (P) de la structure.

14. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que les plans dans lesquels se trouvent les éléments rayonnants (D₁-D_m), (Q₁-Q_p) et la ligne d'alimentation (3) sont galbés de manière à ce que l'antenne soit encastrable sur une structure métallique elle-même galbée, afin de ne pas modifier l'aérodynamisme de cette structure.