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EP1387437A1 - Antenne multisources notamment pour système à reflecteur - Google Patents

Antenne multisources notamment pour système à reflecteur Download PDF

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Publication number
EP1387437A1
EP1387437A1 EP03291727A EP03291727A EP1387437A1 EP 1387437 A1 EP1387437 A1 EP 1387437A1 EP 03291727 A EP03291727 A EP 03291727A EP 03291727 A EP03291727 A EP 03291727A EP 1387437 A1 EP1387437 A1 EP 1387437A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
bip
antenna according
frequency
sources
arrangement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP03291727A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Hervé Legay
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Alcatel Lucent SAS
Original Assignee
Alcatel SA
Alcatel Lucent SAS
Nokia Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alcatel SA, Alcatel Lucent SAS, Nokia Inc filed Critical Alcatel SA
Publication of EP1387437A1 publication Critical patent/EP1387437A1/fr
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0013—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective
    • H01Q15/0026—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective said selective devices having a stacked geometry or having multiple layers

Definitions

  • the present invention relates to the field of telecommunications. It relates more particularly to an antenna of multisource telecommunications. This multisource antenna can in particular be used in a reflector system.
  • the present invention aims to provide an antenna multiband directive that is compact, so as to overcome problems of congestion related to the prior art represented by the reflective antenna dual-band source and the system with two planar antennas.
  • the object of the present invention is therefore to remedy the problems above.
  • the energy radiated by each of the sources of excitation is channeled over an apparent surface more important, while avoiding coupling between sources.
  • the source equivalent to the level of selectivity means is sufficient directive not to generate overflow losses, interleaving allowing to reduce losses by overlapping between two spots.
  • said means of spatial selectivity and frequency include a Photonic Forbidden Band network said BEEP.
  • the BIP network comprises a arrangement of dielectric plates with one-dimensional periodicity (says 1D arrangement).
  • the BIP network comprises a arrangement of dielectric bars with a periodicity of two dimensions (known as 2D arrangement).
  • the BIP network comprises a arrangement of dielectric bars with a periodicity of three dimensions (known as 3D arrangement), like a pile of wood.
  • the BIP network comprises a periodic arrangement of metallic patterns.
  • the BIP network comprises a periodic arrangement of slots in the ground plane.
  • the BIP network comprises a arrangement of metallic wires.
  • said excitation sources form a passive focal network, the interlacing of the radiating openings associated with each source of the passive focal network generating a channel of radiated energy on an apparent surface enlarged at the level of BIP network.
  • the excitation sources operate in different frequency bands and at the same aperture radiant.
  • the BIP network comprises a periodic arrangement of metallic wires, part of these wires being locally and periodically removed. These metallization withdrawals allow a second operating band to be produced, independent of the first.
  • the BIP network comprises a periodic arrangement of dielectric plates, the thickness of one of them it being modified compared to the others. This break in periodicity allows a second operating band, independent of the first one.
  • the BIP network comprises at least two metal plates with resonant patterns resonant to their own operating frequency and transparent to the other frequency of resonance.
  • the BIP network comprises a periodic arrangement of metallic patterns, and an arrangement periodic of slots in a ground plane. These periodic arrangements are resonant at their own frequency of operation and transparent at the other resonant frequency.
  • one of the metal plates forms a reflecting surface at the highest frequency and is transparent at the lowest operating frequency, being then placed at a length of half a wavelength corresponding to this high frequency of the ground plane (70), and in that a second metal plate forms a surface reflecting at the frequency and is transparent at the higher frequency (f h ), the latter being placed at a length of half a length of wave corresponding to this low frequency of the ground plane.
  • At least one of the sources works in one receiving frequency band and another from the sources operates in a transmit frequency band.
  • it is intended for operation in a reflector system.
  • the object of the present invention is to apply the potential of these antennas to innovative antenna concepts for satellite telecommunications systems (antenna on board a vehicle satellite or antenna type).
  • a BIP network can be realized by a periodic arrangement of metallic patterns, or dielectric patterns.
  • metallic patterns or dielectric patterns.
  • dielectric patterns Of course, there are countless ways to make a BIP network. For reasons of conciseness, it will be detailed, in the present request, only the networks to dielectric patterns or those with metallic patterns.
  • a BIP network can be made up of a regular arrangement of dielectric plates of permittivity ⁇ r1 and of thickness ⁇ / 4 sqrt ( ⁇ r1 ) and spaced by a medium of lower permittivity ⁇ r2 and of thickness ⁇ / 4 sqrt ( ⁇ r2 ). It can also be produced by an arrangement of dielectric bars of very high permittivity, and distant from ⁇ / 4.
  • a network with dielectric plates is for example in French patent application No. FR 99 14521.
  • FIG. 2 represents a multisource antenna 4.
  • This antenna comprises a focal network 5 and a BIP network consisting of an arrangement of dielectric plates 61.62 placed above the ground plane 70 on which are engraved with excitation probes 51,52, ... 5n forming the network 5.
  • This periodic arrangement of dielectric plates defines a resonant cavity.
  • the wave emitted by the excitation probe is then distributed over a large radiant surface.
  • the size of this surface depends on the reflectivity of the dielectric (or metallic layers in the case of grids metal).
  • the BIP network of FIG. 2a illustrates an arrangement one-dimensional dielectric plates.
  • Figures 2b, 2c and 2d respectively illustrate crystals electromagnetic dielectric with a periodicity at one, two and three dimensions.
  • the network 6 allows the interleaving of the radiant openings associated with each source of the passive focal network. he is to channel the energy radiated on an apparent surface more important than exciting sources, while avoiding too much coupling high between them.
  • the sources of the passive focal network thus become more directives that the surface they occupy in the lower network 5, and the overflow losses decrease.
  • sources frequency selective can be pellets microstrips, dielectric resonators or non-resonant slots, connected to frequency selective filters.
  • FIG. 3 represents a multisource antenna 7 according to a second embodiment of the invention.
  • two pads 81.82 are excited by two 91.92 excitation probes in two modes.
  • These two modes can be a fundamental mode and a harmonic, for example.
  • the antenna 7 is capable of producing several sources directives, operating in several frequency bands, in the same radiant opening. This results in a very significant space saving.
  • the arrangement of the dielectric layers 61,62 can be determined so as to generate several distinct resonances in the BIP material. Arrangements specific dielectric layers 61,62 (or metallized in the frame of metallized patterns) can in particular lead to bands of operation of the BIP material adapted to the ratio specific to the application, and no longer regularly spaced.
  • multiband BIP networks can be obtained using metallic BIP networks with resonant patterns. It is then a question of optimizing two BIP networks at each of the operating frequencies. Layers are resonant at their own frequency of operation and transparent to the other resonant frequency. This is a principle analogous to that of frequency selective surfaces. interweave these reflective layers, so as to respect the rules of distances between different layers operating at the same frequency ( ⁇ / 4), as well as the distance between the ground plane and the metallized layer associated with each operating frequency ( ⁇ / 2).
  • FIG. 4 represents such a BIP network produced in the form of metallic patterns.
  • it can be made of metal wires of the same direction, and distant from ⁇ / 4, or of a grid made up of two networks of orthogonal metal wires.
  • This type of BIP network is for example described in the French patent application filed by the applicant on 1 September 1997 under reference No 97 FR 10842.
  • Figure 1 of this application is shown an embodiment of a network BIP whose reflective surface consists of metallic patterns. In this case, these are circular pellets or rings. We can also consider braces, tripoles, etc.
  • the reflecting structure is consisting only of an interface. There may, however, be more than one. 40 as in FIG. 4. In this case, the metallized interfaces must be distant from ⁇ / 4 from each other. The main thing is to have the structure reflecting at ⁇ / 2 of the ground plane.
  • patch 41 can also be made by a slot in the plane of ground, or by a dielectric resonator, etc ...
  • FIG. 5 illustrates such an excitation by a slot 42.
  • the advantage of the implantation of such a slot is to allow feeding by a guide 43, and to be able to carry out the filtering necessary for the proper functioning of the antenna by a guide technology filter.
  • Iris 44 are implanted in the guide to allow adaptation. Such irises are, for example, described in the French patent application filed by the Applicant and cited above.
  • FIG. 6 illustrates an antenna 7 with an array 6 of layers dielectric, fed by a slot 42 '.
  • the main thing for this slot is that it is non-resonant, to limit the couplings between neighboring slots.
  • FIG. 7 represents an antenna according to an embodiment of the invention.
  • the 6 BIP network used is of the metallic type whose layers 61.62 are not resonant. They are made up of wires or tracks metal.
  • the network excitation means has not been illustrated.
  • FIG. 8 a multisource antenna is illustrated according to an embodiment of the invention.
  • Network 6, for simplicity, is made by a single resonant interface at each frequency.
  • the antenna 7 has two exciters 81, 82 operating at a respective natural frequency. These exciters are, in the figure, separate pellets placed side by side, but they can be slots.
  • the exciter can also be a dual band exciter, with one or two ports, such as a "patch" with a slit in the center, as illustrated by the partial representation of the variant in FIG. 9.
  • a reflecting surface at the highest frequency f h , and transparent at the lowest operating frequency f b , is placed at ⁇ fh / 2 from the ground plane.
  • the second reflecting surface at the frequency f b , and transparent at f h is placed at ⁇ fb / 2 from the ground plane.
  • the reflective interface at the highest frequency consists of the metallic patterns 45 of smaller size.
  • the distance between the patterns can be used to adjust the reflectivity of the interface. We may want a lower reflectivity, and compensate for it by a greater number of interfaces. In this case, the realization of elements multiband radiant is achieved by an interlacing of different structures operating at each frequency, as illustrated in Figure 10.
  • this can be done by locally modifying the thickness of a dielectric layer (or of a bar for 2D or 3D structures).
  • a reflective surface at a frequency consisting of perforated patterns and a reflective surface made up of metallic patterns, such as the element radiating operating at two separate bands of Figure 14 comprising a multiresonator structure with metallic resonators 47 and slots 46.
  • one of the sources can operate in a band Rx receiving frequency and another source can work in a transmission frequency Tx band.

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

L'invention concerne une antenne multisources (4,7), notamment pour système à réflecteur. Selon l'invention, l'antenne comprend : au moins deux sources (51,52,...5n,91,92) d'excitation, des moyens (6) de sélectivité spatiale et fréquentielle apte à canaliser spatialement l'énergie captée/rayonnée par lesdites sources d'excitation, et à permettre un découplage fréquentiel entre les bandes correspondantes respectivement aux ondes reçues/émises par les sources, les sources étant agencées sur un plan de masse (70) de sorte à générer un entrelacement d'ouvertures rayonnantes au niveau desdits moyens de sélectivité. <IMAGE>

Description

La présente invention est relative au domaine des télécommunications. Elle concerne plus particulièrement une antenne de télécommunications multisources. Cette antenne multisources peut notamment être utilisée dans un système à réflecteur.
Les systèmes focalisants sont couramment utilisés dans le domaine spatial car leurs performances permettent la couverture de plusieurs zones terrestres. Cependant, il n'est pas possible de réaliser une grille régulière de couvertures ou spots contigus avec une antenne à réflecteur associée à un réseau de multisources passives, chacune d'entre elles définissant un accès spot. Les sources d'un tel réseau focal passif doivent répondre à deux contraintes antagonistes :
  • la taille maximale des sources est limitée par la maille du réseau focal, et dépend directement de l'espacement entre les spots,
  • cette taille maximale est insuffisante ; le réflecteur étant mal illuminé, le rendement d'illumination est affecté de pertes par débordement ("spill over" en anglais) très élevées, et ne tient pas les spécifications demandées en termes de gain d'antenne requis.
Il s'ensuit qu'une couverture régulière de spots se réalise soit avec un système de quatre antennes réflecteur couplées à des multisources passives (ce qui représente la solution standard adoptée pour des couvertures en bande Ka), soit avec une seule antenne active ("FAFR" pour Focal Array Fed Reflector en anglais) dont le formateur de faisceau est complexe, et demeure toujours un point critique.
En effet, pour illuminer correctement un système 1 à réflecteur 2 avec un réseau 3 multisources, il est nécessaire d'entrelacer les sources primaires, comme le montre la figure 1. Une source primaire est alors réalisée par la combinaison de plusieurs sources de plus petite taille (FAFR et BFN associés). Des amplificateurs doivent être placés entre les sources et le formateur de faisceaux. Cette solution est, à l'évidence, complexe et chère.
Par ailleurs, outre l'objectif d'une antenne multisources pour couverture multispots, la présente invention vise à proposer une antenne directive multibande qui soit compacte, de manière à pallier les problèmes d'encombrement lié à l'art antérieur que représente l'antenne réflecteur à source bi-bandes et le système à deux antennes planes.
La présente invention a donc pour but de rémédier aux problèmes énoncés ci-dessus.
L'invention a donc pour objet une antenne multisources, caractérisée en ce que l'antenne comprend :
  • au moins deux sources d'excitation,
  • des moyens de sélectivité spatiale et fréquentielle apte à canaliser spatialement l'énergie captée/rayonnée par lesdites sources d'excitation, et à permettre un découplage fréquentiel entre les bandes correspondantes respectivement aux ondes reçues/émises par les sources,
       les sources étant agencées sur un plan de masse de sorte à générer un entrelacement d'ouvertures rayonnantes au niveau desdits moyens de sélectivité.
Ainsi, grâce à l'invention, l'énergie rayonnée par chacune des sources d'excitation est canalisée sur une surface apparente plus importante, tout en évitant des couplages entre sources. En outre, la source équivalente au niveau des moyens de sélectivité est suffisamment directive pour ne pas générer de pertes par débordement, l'entrelacement permettant de diminuer les pertes par recoupements entre deux spots.
Selon un mode de réalisation, ledits moyens de sélectivité spatiale et fréquentielle comprennent un réseau à Bande Interdite Photonique dit BIP.
Selon un mode de réalisation, le réseau BIP comprend un arrangement de plaques diélectriques avec une périodicité à une dimension (dit arrangement 1D).
Selon un mode de réalisation, le réseau BIP comprend un arrangement de barreaux diélectriques avec une périodicité à deux dimensions (dit arrangement 2D).
Selon un mode de réalisation, le réseau BIP comprend un arrangement de barreaux diélectriques avec une périodicité à trois dimensions (dit arrangement 3D), de type tas de bois.
Selon un mode de réalisation, le réseau BIP comprend un arrangement périodique de motifs métalliques.
Selon un mode de réalisation, le réseau BIP comprend un arrangement périodique de fentes dans le plan de masse.
Selon un mode de réalisation, le réseau BIP comprend un arrangement de fils métalliques.
Selon un mode de réalisation, lesdites sources d'excitation forment un réseau focal passif, l'entrelacement des ouvertures rayonnantes associées à chaque source du réseau focal passif générant un canal d'énergie rayonnée sur une surface apparente agrandie au niveau du réseau BIP.
Selon un mode de réalisation, les sources d'excitation fonctionnent dans différentes bandes de fréquence et selon la même ouverture rayonnante.
Selon un mode de réalisation, le réseau BIP comprend un arrangement périodique de fils métalliques, une partie de ces fils étant localement et périodiquement enlevés. Ces retraits de métallisation permettent de réaliser une seconde bande de fonctionnement, indépendante de la première.
Selon un mode de réalisation, le réseau BIP comprend un arrangement périodique de plaques diélectriques, l'épaisseur d'une d'entre elle étant modifiée par rapport aux autres. Cette rupture de la périodicité permet de réaliser une seconde bande de fonctionnement, indépendante de la première.
Selon un mode de réalisation, le réseau BIP comprend au moins deux plaques métalliques à motifs résonants résonantes à leur propre fréquence de fonctionnement et transparente à l'autre fréquence de résonance.
Selon un mode de réalisation, le réseau BIP comprend un arrangement périodique de motifs métalliques, et un arrangement périodique de fentes dans un plan de masse. Ces arrangements périodiques sont résonants à leur propre fréquence de fonctionnement et transparente à l'autre fréquence de résonance.
Selon un mode de réalisation, une des plaques métalliques forme surface réfléchissante à la plus haute fréquence et est transparente à la plus basse fréquence de fonctionnement, étant alors placée à une longueur d'une demi-longueur d'onde correspondant à cette haute fréquence du plan (70) de masse, et en ce qu'une seconde plaque métallique forme surface réfléchissante à la fréquence et est transparente à la fréquence plus haute (fh), cette dernière étant placée à une longueur d'une demi-longueur d'onde correspondant à cette basse fréquence du plan de masse.
Selon un mode de réalisation, au moins une des sources fonctionne dans une bande de fréquence de réception et une autre des sources fonctionne dans une bande de fréquence d'émission.
Selon un mode de réalisation, elle est destiné au fonctionnement dans un système à réflecteur.
Dans le but de mieux faire comprendre l'invention, on va en décrire maintenant plusieurs modes de mise en oeuvre donnés à titre d'exemples non limitatifs de la portée de l'invention, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
  • la figure 1, déjà décrite, illustre un réflecteur illuminé par un réseau multisources selon l'art antérieur,
  • - la figure 2a représente un premier mode de réalisation de l'antenne multisources selon l'invention, comprenant un réseau BIP avec un arrangement de plaques diélectriques avec une périodicité à une dimension, et les figures 2b, 2c et 2d illustrent respectivement des cristaux électromagnétiques diélectriques avec une périodicité à une, deux et trois dimensionsn,
  • - la figure 3 représente un second mode de réalisation de l'antenne multisources selon l'invention,
  • - la figure 4 représente un autre mode de réalisation de l'antenne multisources selon l'invention,
  • - la figure 5 représente un mode de réalisation de sources d'excitation selon l'invention,
  • - la figure 6 représente un autre mode de réalisation de l'antenne multisources selon l'invention,
  • - la figure 7a représente une antenne selon un autre mode de réalisation de l'invention, et la figure 7b illustre de façon plus détaillée l'agencement filaire métallique utilisé dans ce mode,
  • - sur la figure 8 est illustrée une antenne multisources selon un autre mode de réalisation de l'invention,
  • - la figure 9 représente partiellement une variante de la figure 8,
  • - sur la figure 10 est illustrée une antenne multisources selon un autre mode de réalisation de l'invention,
  • - la figure 11 illustre le spectre obtenu lors de l'insertion d'une bande passante sélective à l'intérieur d'une bande interdite,
  • - la figure 12 illustre l'insertion d'un défaut dans un cristal métallique,
  • - la figure 13 illustre une structure multirésonateurs à résonateurs métalliques et fentes.
    • Dans la présente demande de brevet, les éléments remplissant des fonctions similaires portent les mêmes références.
    Les antennes utilisant les propriétés de cristaux photoniques (en abrégé : BIP pour "Bande Interdite Photonique") ont connu récemment une forte attention dans la communauté scientifique.
    L'objet de la présente invention consiste à appliquer les potentialités de ces antennes à des concepts innovants d'antennes pour des systèmes de télécommunications par satellite (antenne à bord d'un véhicule spatial du type d'un satellite ou antenne-sol).
    La propriété fondamentale d'un réseau BIP est sa sélectivité spatiale et fréquentielle. Ainsi, différentes applications peuvent être envisagées pour les antennes à réseau BIP :
    • une première application consiste à tirer parti de la capacité du réseau BIP de canaliser dans une direction préalablement choisie l'énergie rayonnée à partir d'un élément excitateur simple (une pastille ou "patch" par exemple), ceci tout en élargissant la surface rayonnante. On obtient ainsi une antenne beaucoup plus directive que l'élément excitateur.
    • une seconde application réside dans la réalisation d'un filtre fréquentiel et spatial, avec suppression des ondes de surfaces, atténuation des lobes de réseau, augmentation du découplage entre éléments rayonnants, ...
    Un réseau BIP peut être réalisé par un agencement périodique de motifs métalliques, ou de motifs diélectriques. Bien entendu, il existe d'innombrables façons de réaliser un réseau BIP. Pour des raisons de concision, il ne sera détaillé, dans la présente demande, que les réseaux à motifs diélectriques ou ceux à motifs métalliques.
    Ainsi, un réseau BIP peut être constitué d'un agencement régulier de plaques diélectriques de permittivité εr1 et d'épaisseur λ/4 sqrt(εr1) et espacées par un milieu de plus faible permittivité εr2 et d'épaisseur λ/4 sqrt(εr2). Il peut également être réalisé par un agencement de barreaux diélectriques de très forte permittivité, et distants de λ/4. Un tel réseau à plaques diélectriques est par exemple dans la demande de brevet français n° FR 99 14521.
    Lorsqu'un réseau BIP est utilisé pour accroítre la directivité d'une source, et particulièrement pour entrelacer les ouvertures rayonnantes de plusieurs sources, il est nécessaire d'avoir les conditions supplémentaires suivantes :
    • comme expliqué ci-dessus, la première couche diélectrique (ou métallisée dans le cadre d'un mode de réalisation à motifs métallisés comme décrit dans la suite) est distante d'une demi longueur d'onde électrique du plan de masse,
    • la structure est excitée par une sonde, ou un patch près du plan de masse, ou par une ouverture rayonnante dans ce plan de masse.
    Dans la suite, en premier lieu, on prendra comme exemple de réseau BIP un réseau à couches diélectriques.
    La figure 2 représente une antenne multisources 4. Cette antenne comporte un réseau focal 5 et un réseau BIP constitué d'un arrangement de plaques diélectriques 61,62 placées au dessus du plan de masse 70 sur lequel sont gravées des sondes d'excitation 51,52,...5n formant le réseau 5.
    Cet arrangement périodique de plaques diélectriques définit une cavité résonante. L'onde émise par la sonde d'excitation se répartit alors sur une grande surface rayonnante. La taille de cette surface dépend de la réflectivité des couches diélectriques (ou métalliques dans le cas de grilles métalliques).
    On notera que le réseau BIP de la figure 2a illustre un arrangement de plaques diélectriques à une dimension.
    Les figures 2b, 2c et 2d illustrent respectivement des cristaux électromagnétiques diélectriques avec une périodicité à une, deux et trois dimensions.
    Plusieurs familles de matériaux partiellement réfléchissants sont mentionnés dans la présente demande :
    • matériaux diélectriques multicouches, dont plusieurs types d'agencement sont présentés dans les figures 2a à 2d,
         matériaux filaires métalliques, présentés aux figures 7a et 7b, matériaux constitués d'un réseau de motifs métalliques résonants.
    Ces matériaux, lorsqu'ils sont parfaitement périodiques, sont appelés cristaux électromagnétiques. Leur réponse à une onde électromagnétique incidente, varie entre la transmission totale dans les bandes de conduction, à la réflexion totale dans les bandes interdites.
    Dans le cas de la figure 2a, le réseau 6 permet l'entrelacement des ouvertures rayonnantes associées à chaque source du réseau focal passif. Il s'agit de canaliser l'énergie rayonnée sur une surface apparente plus importante que les sources excitatrices, tout en évitant des couplages trop élevés entre elles. Les sources du réseau focal passif deviennent ainsi plus directives que la surface qu'elles occupent dans le réseau inférieur 5, et les pertes par débordement diminuent.
    La minimisation du couplage s'obtient par l'utilisation de sources sélectives en fréquence. Ces sources peuvent être des pastilles microrubans, des résonateurs diélectriques ou des fentes non résonantes, connectées à des filtres sélectifs en fréquence.
    La figure 3 représente une antenne multisources 7 selon un second mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode, deux pastilles 81,82 sont excitées par deux sondes 91,92 d'excitation selon deux modes. Ces deux modes peuvent être un mode fondamental et un harmonique, par exemple.
    De la sorte, l'antenne 7 est capable de réaliser plusieurs sources directives, fonctionnant dans plusieurs bandes de fréquence, dans la même ouverture rayonnante. Il en résulte un gain de place très significatif.
    L'arrangement des couches diélectriques 61,62 (ou métallisées dans le cadre de motifs métallisés) peut être déterminé de sorte à générer plusieurs résonances distinctes dans le matériau BIP. Des arrangements spécifiques des couches diélectriques 61,62 (ou métallisées dans le cadre de motifs métallisés) peuvent notamment conduire à des bandes de fonctionnement du matériau BIP adaptées au ratio propre à l'application, et non plus régulièrement espacées.
    La réalisation de réseaux BIP multibandes peut s'obtenir à l'aide de réseaux BIP métalliques à motifs résonants. Il s'agit alors d'optimiser deux réseaux BIP à chacune des fréquences de fonctionnement. Les couches sont résonantes à leur propres fréquence de fonctionnement et transparente à l'autre fréquence de résonance. Il s'agit là d'un principe analogue à celui des surfaces sélectives en fréquence.On peut alors entrelacer ces couches réfléchissantes, de sorte à respecter les règles de distances entre les différentes couches fonctionnant à même fréquence (λ/4), ainsi que la distance entre le plan de masse et la couche métallisée inférieure associé à chaque fréquence de fonctionnement (λ/2).
    La figure 4 représente un tel réseau BIP réalisé sous forme de motifs métalliques. Par exemple, il peut être constitué de fils métalliques de même direction, et distants de λ/4, ou d'un grillage constitué de deux réseaux de fils métalliques orthogonaux. Ce type de réseau BIP est par exemple décrit dans la demande de brevet français déposée par la Demanderesse le 1er septembre 1997 sous la référence n° FR 97 10842. A la figure 1 de cette demande est représentée un mode de réalisation d'un réseau BIP dont la surface réfléchissante est constituée de motifs métalliques. En l'occurrence, il s'agit ici de pastilles circulaires ou d'anneaux. On peut également envisager des croisillons, des tripoles, etc.
    Dans ce dernier mode de réalisation, la structure réfléchissante est constituée uniquement d'une interface. Il peut toutefois y en avoir plusieurs 40 comme à la figure 4. Dans ce cas, les interfaces métallisées doivent être distantes de λ/4 les unes des autres. L'essentiel est d'avoir la structure réfléchissante à λ/2 du plan de masse.
    On notera que l'excitation ici représentée par une pastille 41 ("patch") peut être également réalisée par une fente dans le plan de masse, ou par un résonateur diélectrique, etc...
    La figure 5 illustre une telle excitation par une fente 42. L'intérêt de l'implantation d'une telle fente est de permettre l'alimentation par un guide 43, et de pouvoir réaliser le filtrage nécessaire au bon fonctionnement de l'antenne par un filtre en technologie de guide. Des iris 44 sont implantés dans le guide pour en permettre l'adaptation. De tels iris sont, par exemple, décrits dans la demande de brevet français déposée par la Demanderesse et citée plus haut.
    La figure 6 illustre une antenne 7 à réseau 6 de couches diélectriques, alimentée par une fente 42'. L'essentiel pour cette fente est qu'elle soit non résonante, pour limiter les couplages entre fentes voisines.
    La figure 7 représente une antenne selon un mode de réalisation de l'invention. Le réseau 6 BIP utilisé est du type métallique dont les couches 61,62 ne sont pas résonantes. Elles sont constituées de fils ou de pistes métalliques. Le moyen d'excitation du réseau n'a pas été illustré.
    Pour fonctionner dans les deux polarisations ou en polarisation circulaire, il est nécessaire que la structure 6 soit invariante par une translation de 90°. Ainsi, nous obtenons une structure de type "grillagée", comme l'illustre la figure.
    Les structures multi-bandes sont à présent abordées. Sur la figure 8 est illustrée une antenne multisources selon un mode de réalisation de l'invention. Le réseau 6, pour raison de simplicité, est réalisée par une seule interface résonante à chaque fréquence. L'antenne 7 comporte deux excitateurs 81, 82 fonctionnant à une fréquence propre respective. Ces excitateurs sont, sur la figure, des pastilles distinctes placées côte à côte, mais elles peuvent être des fentes. L'excitateur peut être également un excitateur bi-bande, à un ou deux accès, comme par exemple un "patch" avec une fente en son centre, comme l'illustre la représentation partielle de la variante sur la figure 9.
    Une surface réfléchissante à la plus haute fréquence fh, et transparente à la plus basse fréquence de fonctionnement fb, est placée à λfh/2 du plan de masse. La seconde surface réfléchissante à la fréquence fb, et transparente à fh, est placée à λfb/2 du plan de masse. Sur la figure 9, l'interface réfléchissante à la plus haute fréquence est constituée des motifs 45 métalliques de plus petite taille.
    Il est à souligner que des perturbations peuvent apparaítre, dues au caractère non totalement transparent des interfaces dans l'autre bande de fonctionnement. Dans ce cas, les solutions proposées dans la demande de brevet de la Demanderesse n° FR 97 10842 pourront avantageusement être mises en oeuvre :
    • modification légère du motif en fonction de sa position latérale
    • troncature des motifs dans l'objectif de repolariser l'onde, dans le cas d'un fonctionnement en polarisation circulaire, comme illustré sur la figure 6 de la demande n° FR 97 10842.
    La distance entre les motifs peut permettre de régler la réflectivité de l'interface. On peut désirer une moindre réflectivité, et la compenser par un plus grand nombre d'interfaces. Dans ce cas, la réalisation d'éléments rayonnants multibandes est réalisé par un entrelacement des différentes structures fonctionnant à chaque fréquence, comme illustré sur la figure 10.
    On revient ici sur la méthode d'obtention d'une seconde bande passante, de façon indépendante par rapport à la première. Si on perturbe la périodicité du cristal, alors il est possible de créer une bande passante sélective à l'intérieur d'une bande interdite. Le principe est analogue à celui des semi-conducteurs.
    Cette perturbation ou ce défaut peut être réalisé sur les structures filaires métalliques en enlevant régulièrement une partie des métallisations dans la grille.
    Pour les structures multicouches, cela peut être réalisée en modifiant localement l'épaisseur d'une couche diélectrique (ou d'un barreau pour les structures 2D ou 3D).
    On va désormais s'intéresser au cas des matériaux à motifs résonants
    Le cas de ces matériaux est particulier, puisque les motifs ont également des caractéristiques très variables en fréquence. Ce n'est donc pas leur seul mise en réseau de façon périodique qui dicte la réponse de ces matériaux en fréquence.
    Jusqu'à présent, il a été décrit les structures à résonateurs métalliques pour expliquer la façon dont on réalise l'ajout d'une seconde bande passante.
    Dans la suite, on explique comment les négatifs de ces structures sont également valables pour remplir la même fonction. Ces derniers sont constitués de perforations régulières dans le plan de masse, comme il est illustré sur la figure 13.
    Notons également la possibilité de réaliser des agencements mixtes : une surface réfléchissante à une fréquence constituée de motifs perforés, et une surface réfléchssante constituée de motifs métalliques, tel l'élément rayonnant fonctionnant à deux bandes distinctes de la figure 14 comportant une structure multirésonateurs à résonateurs métalliques 47 et fentes 46.
    Ainsi, grâce à l'invention exposée, on accède à une antenne multisources compacte, et ne nécessitant pas plusieurs antennes à la fois. La compacité vient de l'emploi de la technologie propre aux antennes planes.
    Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits dans la présente demande.
    On notera que l'une des sources peut fonctionner dans une bande Rx de fréquence de réception et une autre des sources peut fonctionner dans une bande Tx de fréquence d'émission.

    Claims (16)

    1. Antenne multisources (4,7),caractérisée en ce que l'antenne comprend :
      au moins deux sources (51,52,...5n,91,92) d'excitation,
      des moyens (6) de sélectivité spatiale et fréquentielle apte à canaliser spatialement l'énergie captée/rayonnée par lesdites sources d'excitation, et à permettre un découplage fréquentiel entre les bandes correspondantes respectivement aux ondes reçues/émises par les sources,
         les sources étant agencées sur un plan de masse (70) de sorte à générer un entrelacement d'ouvertures rayonnantes au niveau desdits moyens de sélectivité.
    2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledits moyens de sélectivité spatiale et fréquentielle comprennent un réseau (5) à Bande Interdite Photonique dit BIP.
    3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le réseau BIP comprend un arrangement de plaques diélectriques (61,62) avec une périodicité à une dimension, dit arrangement 1.
    4. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le réseau BIP comprend un arrangement de barreaux diélectriques avec une périodicité à deux dimensions, dit arrangement 2D.
    5. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le réseau BIP comprend un arrangement de barreaux diélectriques avec une périodicité à trois dimensions ,dit arrangement 3D, de type tas de bois.
    6. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le réseau BIP comprend un arrangement périodique de motifs métalliques.
    7. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le réseau BIP comprend un arrangement périodique de fentes dans le plan de masse.
    8. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le réseau BIP comprend un arrangement de fils métalliques.
    9. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdites sources d'excitation forment un réseau focal passif (5,51,52,...5n), l'entrelacement des ouvertures rayonnantes associées à chaque source du réseau focal passif générant un canal d'énergie rayonnée sur une surface apparente agrandie au niveau du réseau BIP.
    10. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les sources d'excitation fonctionnent dans différentes bandes de fréquence et selon la même ouverture rayonnante.
    11. Antenne selon la revendication précédente combinée à la revendication 2, caractérisée en ce que le réseau BIP comprend au moins deux plaques métalliques à motifs résonants résonantes à leur propre fréquence de fonctionnement et transparente à l'autre fréquence de résonance.
    12. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le réseau BIP comprend un arrangement périodique de fils métalliques, une partie de ces fils étant localement et périodiquement retirés de manière à former une seconde bande de fonctionnement indépendante de la première.
    13. Antenne selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'une des plaques métalliques forme surface réfléchissante à la plus haute fréquence (fh) et est transparente à la plus basse fréquence de fonctionnement (fb), étant alors placée à λfh/2 du plan (70) de masse, et en ce qu'une seconde plaque métallique forme surface réfléchissante à la fréquence (fb) et est transparente à la fréquence plus haute (fh), cette dernière étant placée à λfb/2 du plan de masse.
    14. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le réseau BIP comprend un arrangement périodique de plaques diélectriques, l'épaisseur d'une d'entre elles étant modifiée par rapport aux autres, cette rupture de la périodicité permettant de réaliser une seconde bande de fonctionnement indépendante de la première.
    15. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'au moins une des sources fonctionne dans une bande (Rx) de fréquence de réception et une autre des sources fonctionne dans une bande (Tx) de fréquence d'émission.
    16. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est destiné au fonctionnement dans un système (1) à réflecteur (2).
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