EP1416586B1

EP1416586B1 - Antenne pourvue d'un assemblage de matériaux filtrant

Info

Publication number: EP1416586B1
Application number: EP03027264A
Authority: EP
Inventors: Marc Thevenot; Bernard Jecko; Alain Reineix
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1999-11-18
Filing date: 2000-11-17
Publication date: 2006-08-09
Anticipated expiration: 2020-11-17
Also published as: FR2801428A1; CA2360432A1; CN1519988A; EP1145379B1; ATE371964T1; FR2801428B1; DE60030013T2; CA2360432C; DE60036195T2; CN100424930C; ATE336091T1; ES2292491T3; EP1145379A1; AU1868401A; JP4727884B2; DE60036195D1; ES2269897T3; JP4714417B2; DE60030013D1; CN1337078A

Description

La présente invention concerne une antenne émettrice ou réceptrice atteignant des niveaux de directivité importants à des fréquences de l'ordre des micro-ondes.
On connaît des antennes comprenant au moins une sonde capable de transformer de l'énergie électrique en énergie électromagnétique et réciproquement.
Aujourd'hui, les antennes classiquement utilisées sont notamment des antennes à réflecteur parabolique, des antennes lentilles et des antennes de type cornet.
Les antennes à réflecteur parabolique comportent un plan réflecteur de forme parabolique au foyer duquel se trouve une sonde. Il en résulte un encombrement lié à la distance focale du réflecteur parabolique.
Les antennes lentilles comportent une lentille au foyer de laquelle se trouve une sonde. Outre l'encombrement lié à la distance focale, une telle antenne présente également un poids élevé, dû au poids de la lentille, lequel poids pouvant être pénalisant pour certaines applications.
Les antennes de type cornet sont encombrantes et lourdes pour atteindre des niveaux de directivité élevés.
Des antennes cylindriques comportant un empilement de couches diélectriques sont connues de GB-A-1 555 756 et de WO 95/33287 A. Le document GB-A- 1555756 décrit une antenne selon le préambule de la revendication 1.
Un dispositif résonnant comportant un matériau BIP à défaut est connu de US-A-5 471 180.
L'invention vise à remédier aux inconvénients des antennes classiques en créant une antenne moins encombrante et moins lourde, capable d'émettre ou recevoir une onde électromagnétique avec des niveaux de directivité importants.
L'invention a donc pour objet une antenne conforme à la revendication 1
Ladite antenne permet de la sorte d'obtenir un encombrement et un poids réduits par l'utilisation d'un système d'alimentation simplifié et d'un assemblage, de faible épaisseur, d'éléments en matériaux se différenciant par leur permittivité et/ou leur perméabilité et/ou leur conductivité.
L'antenne selon invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques qui apparaissent dans les revendications dépendantes.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :

la figure 1 représente une antenne selon l'invention dans le cas général ;
la figure 2 représente une antenne comprenant un plan réflecteur d'ondes électromagnétiques ;
la figure 3 représente schématiquement en perspective un exemple de structure de couches planes de matériaux se différenciant par leur permittivité et/ou par leur perméabilité et/ou leur conductivité agencées selon un motif périodique à une dimension ;
la figure 4 représente schématiquement en perspective un exemple de structure présentant une double périodicité selon deux directions spatiales distinctes des matériaux la constituant ;
la figure 5 représente schématiquement en perspective un exemple de structure présentant une triple périodicité selon trois directions spatiales distinctes des matériaux la constituant ;
la figure 6 représente schématiquement en perspective une autre antenne ;
la figure 7 représente une courbe donnant le coefficient de transmission en fonction de la fréquence de l'onde électromagnétique émise ou reçue par une antenne selon l'invention ;
la figure 8 représente un diagramme de directivité de l'antenne selon le mode de réalisation présenté dans la figure 6 ; et -
la figure 9 représente schématiquement en perspective une antenne selon un autre mode de réalisation.

Une antenne représentée à la figure 1 comporte :

une sonde 10 capable de transformer une onde électrique en onde électromagnétique et réciproquement. Des antennes, telles que des antennes plaque, les dipôles, les antennes à polarisation circulaire, les fentes, les antennes fil-plaque coplanaires peuvent par exemple convenir comme sonde 10 dans une antenne selon la présente invention.

Un assemblage 20 d'éléments en au moins deux matériaux se différenciant par leur permittivité et/ou par leur perméabilité et/ou par leur conductivité au sein duquel la sonde 10 est disposée. On choisira de préférence des matériaux à faibles pertes, tels que par exemple le plastique, la céramique, la ferrite, le métal, etc.
Un avantage de la présente invention est que la sonde 10 peut être très simple à concevoir à partir du moment où elle remplit le type de polarisation (linaire ou circulaire), le taux d'ellipticité et les caractéristiques électriques désirés par le constructeur, cette sonde 10 devant être néanmoins petite devant les dimensions globales de l'antenne.
Un intérêt de l'assemblage 20 est de permettre de concevoir une antenne autorisant un ou plusieurs modes fréquentiels de propagation à l'intérieur d'une bande non passante, selon une ou plusieurs directions spatiales autorisées d, le filtrage spatial étant lui-même dépendant de la fréquence et de la nature des matériaux que comporte l'assemblage 20.
Un autre intérêt de cet assemblage 20, comportant une structure 22 conçue sur le principe des matériaux à bande interdite photonique au sein de laquelle se trouve une ou plusieurs cavité(s) 21 est d'avoir un ou plusieurs mode(s) fréquentiel(s)de propagation très isolé(s) de ses (leurs) plus proches voisins.
Une structure conçue sur le principe des matériaux à bande interdite photonique est une structure d'éléments se différenciant par leur permittivité et/ou par leur perméabilité et/ou par leur conductiyité, laquelle structure présente une périodicité à au moins une dimension.
Une cavité 21 placée au sein de l'assemblage 20 lui confère, par l'association avec le matériau à bande interdite photonique 22, le comportement d'un matériau appelé par l'homme de l'art matériau à bande interdite photonique à défaut.
Elle peut être :

une modification locale des caractéristiques diélectriques et/ou magnétiques et/ou de conductivité des matériaux utilisés,
une modification locale des dimensions d'un ou plusieurs matériaux.

Une antenne représentée à la figure .2 peut en outre comporter un plan réflecteur électromagnétique 30 placé au milieu de l'assemblage 20 et contenant la sonde 10, permettant de réduire de moitié les dimensions de l'antenne, particulièrement lorsque le rayonnement n'est utile que dans un demi- espace.
Un intérêt d'une antenne comportant un plan réflecteur électromagnétique 30 est d'augmenter le gain du lobe principal du diagramme de directivité de ladite antenne.
Une antenne représentée à la figure 3 comporte une stucture 22 conçue sur le principe des matériaux à bande interdite photonique présentant une périodicité à une dimension, c'est-à-dire que ladite structure 22 comporte une alternance de couches planes de deux matériaux 23 et 24, par exemple respectivement de l'alumine et de l'air, se distinguant par leur permittivité et/ou par leur perméabilité et/ou par leur conductivité.
Une antenne représentée à la figure 4 comporte une structure 22 conçue sur le principe des matériaux à bande interdite photonique présentant une périodicité à deux dimensions, c'est-à-dire que ladite structure 22 comporte des barreaux, de forme cylindrique disposés de façon régulière, d'un premier matériau 25, par exemple de l'alumine, séparés entre eux par un deuxième matériau 26, par exemple de l'air, le deuxième matériau se distinguant du premier par sa permittivité et/ou sa perméabilité et/ou sa conductivité.
Par exemple, la structure est composée de barreaux de forme cylindrique disposés en une succession de couches superposées.
Dans chaque couche, les barreaux s'étendent parallèlement les uns aux autres et sont placés avec un pas régulier.
De plus, les barreaux de couches successives sont alignés avec un pas régulier. De préférence, les barreaux sont métalliques.
Une antenne représentée à la figure 5 comporte une structure 22 conçue sur le principe de matériaux à bande interdite photonique, présentant une périodicité à trois dimensions, telle que ladite structure 22 comporte une alternance de barreaux, par exemple de forme paralléllépipédique disposés de façon régulière, d'un premier matériau 27, par exemple de l'alumine ou du métal, séparés entre eux par un deuxième matériau 28, par exemple de l'air, ledit -deuxième matériau se distinguant du premier matériau par sa permittivité et/ou sa perméabilité et/ou sa conductivité.
Par exemple, la structure 22 est composée de barreaux de forme sensiblement parallélépipédique disposés en un empilage de couches superposées. Dans chaque couche, les barreaux s'étendent parallèlement les uns aux autres et sont placés selon un pas régulier et, les barreaux de deux couches voisines forment un angle constant, par exemple un angle de 90°.
De plus, les barreaux de couches séparées par une couche intermédiaire sont parallèles entre eux et alignés avec un pas régulier.
En référence à la figure 6, un mode préféré de réalisation d'une antenne comporte :

Une sonde plaque 10a utilisant un seul fil d'alimentation 11 ;

Un intérêt de cette sonde est d'être très simple de conception et de limiter les pertes métalliques et diélectriques de l'antenne.

Une plaque métallique formant un réflecteur plan électromagnétique 30a ;
Une couche plane formant une cavité 21a en contact avec le réflecteur plan 30a, ladite cavité 21a étant constituée d'un matériau, de préférence à faible permittivité ou perméabilité afin de limiter le guidage des ondes de surface, lequel matériau peut être de l'air comme représenté à la figure 6 à titre d'exemple ;
Une structure 22 dont les matériaux 23a, 24a, 23b se différenciant par leur permittivité et/ou leur perméabilité et/ou leur conductivité sont agencés en couches planes successives, selon un motif périodique à une dimension.

Le nombre de périodes utiles dans la direction orthogonale au plan de l'antenne dépend des contrastes de permittivité et/ou perméabilité et/ou conductivité des matériaux utilisés. Pour réduire le nombre de périodes, il faut augmenter les contrastes d'indice entre les différents matériaux.
A titre d'exemple, dans le mode de réalisation représenté figure 6, les matériaux utilisés sont l'alumine de fort indice de permittivité et l'air de faible indice de permittivité ce qui permet à la structure 22 de ne comporter que trois couches de matériaux.
La structure 22 est donc constituée d'une première couche plane 23a d'alumine en contact avec une deuxième couche plane 24a d'air elle-même en contact avec une troisème couche plane 23b d'alumine.
Dans le mode de réalisation tel que représenté figure 6, où l'assemblage 20 de couches planes successives de matériaux diélectriques ou magnétiques où la première couche 21 a constitue la cavité et où les suivantes 23a, 24a et 23b constituent la structure 22 :

a) L'épaisseur e_21a de la couche plane 21a constituée d'un matériau de permittivité relative ε_r et de perméabilité relative µ_r est donnée par la formule $e_{21 a} ~ 0, 5 \frac{λ}{\sqrt{ε r μ r}}$
où λ est la longueur d'onde correspondant à la fréquence de fonctionnement de l'antenne, et où le symbole "~" signifie " égal ou à peu près égal ".
A titre d'exemple, l'épaisseur de la couche plane d'air 21a représentée figure 6 vaut e_21a = 0,5 λ.
b) L'épaisseur e d'une couche plane d'un matériau diélectrique ou magnétique de permittivité relative ε_r et de perméabilité relative µ_r à l'intérieur de la structure 22 est donnée par la formule $e ~ 0, 25 \frac{λ}{\sqrt{ε r μ r}} .$

A titre d'exemple, l'épaisseur de la couche plane d'alumine 23a représentée figure 6 vaut environ e_23a = 0,08 λ ; l'épaisseur de la couche plane d'air 24a représentée figure 6 vaut e_24a = 0,25 λ ; l'épaisseur de la couche plane d'alumine 23b représentée figure 6 vaut environ e_23b = 0,08λ.
c) Les dimensions latérales de la structure 22, de la plaque 30a et de la cavité 21a sont choisies en fonction du gain désiré de l'antenne. La forme utile pour l'antenne s'inscrit dans un cercle dont le diamètre Φ est relié au gain recherché, selon la formule empirique connue suivante : $G_{dB} \geq 20 \log \frac{π Φ}{λ} - 2, 5.$

A titre d'exemple, pour obtenir un gain de 20 dB tel que représenté figure 8, un système d'antenne peut avoir des dimensions latérales de 4,3 λ. La forme latérale de l'antenne est ensuite choisie pour obtenir une certaine forme du rayonnement de l'antenne, selon un procédé connu.
d) Compte tenu des dimensions latérales et des épaisseurs des différentes couches de matériaux entrant dans la composition de l'antenne telle que décrite dans la figure 6, lesdites épaisseurs et dimensions latérales étant mentionnées ci-dessus, les dimensions générales de l'antenne sont donc: une épaisseur H d'environ λ et une dimension latérale L de 4,3 λ. Ainsi, pour une fréquence de fonctionnement de 10 Ghz correspondant à une longueur d'onde de 3 cm, un exemple particulier d'antenne tel que représenté figure 6 aura un volume de l'ordre de 3 x 13 x 13 cm³ , alors qu'un système d'antenne parabolique classique, fonctionnant à la même fréquence de 10 Ghz, qui a une distance focale d'environ 70 cm, occupe un volume nettement supérieur.

Il apparaît donc clairement que la présente invention améliore très nettement le problème d'encombrement lié aux antennes grâce notamment à la faible épaissseur d'une antenne selon l'invention.
De plus, étant donné que l'épaisseur des couches planes successives d'une antenne, telle que décrite à la figure 6, est proportionnelle à λ et donc inversement proportionnelle à la fréquence de fonctionnement de l'antenne, une telle réalisation permet de concevoir une antenne fonctionnant à très haute fréquence grâce aux technologies multicouches.
Une antenne telle que représentée à la figure 6 assure le rayonnement et un filtrage spatial et fréquentiel des ondes électromagnétiques produites ou reçues par ladite antenne, comme représenté à la figure 7. Ledit filtrage autorise notamment une ou plusieurs fréquence(s) de fonctionnement f de ladite antenne à l'intérieur d'une bande de fréquences non passante B.
Une antenne telle que représentée à la figure 6 est conçue pour atteindre un gain de 20db et présente un diagramme de rayonnement représenté à la figure 8.
Il apparaît que l'antenne selon l'invention permet d'atteindre des gains importants dans une direction donnée comme les antennes à ouverture classiques.
Il est également visible que ce diagramme de rayonnement présente de faibles niveaux de lobes secondaires.
Le fonctionnement de l'antenne décrite en référence à la figure 6, va maintenant être examiné. L'antenne possède deux modes de fonctionnement : un mode émetteur et un mode récepteur.
En mode de fonctionnement émetteur, un courant électrique conduit par le fil d'alimentation 11 parvient au niveau de la sonde 10a qui le transforme en onde électromagnétique. Cette onde électromagnétique traverse ensuite l'assemblage 20 d'éléments en matériaux se différenciant par leur permittivité et/ou par leur perméabilité et/ou leur conductivité, dont l'agencement permet d'opérer par construction un filtrage spatial et fréquentiel sur l'onde électromagnétique et de conformer ainsi le diagramme de rayonnement du système d'antenne selon des propriétés voulues par l'utilisateur.
En mode de fonctionnement récepteur, une onde électromagnétique parvenant au niveau de l'antenne est filtrée spatialement et fréquentiellement lors de sa traversée de l'assemblage 20 d'éléments en matériaux se différenciant par leur permittivité et/ou par leur perméabilité et/ou par leur conductivité, avant de pouvoir atteindre la sonde 10a. Puis, l'onde électromagnétique filtrée selon des propriétés voulues par construction de l'antenne, est transformée en courant électrique pa la sonde 10a et transmise au fil d'alimentation 11.
Selon un mode de réalisation particulier, la sonde de l'antenne est de nature capable de générer une polarisation linéaire ou circulaire dans l'antenne, entraînant un fonctionnement de celle-ci, soit en polarisation linéaire, soit en polarisation circulaire.
Selon un autre mode de réalisation particulier, la forme des couches planes est agencée de façon à obtenir un diagramme de rayonnement et de gain voulu conformément à la théorie des ouvertures rayonnantes.
Selon encore un mode de réalisation , les éléments constitutifs de la structure sont des cylindres coaxiaux entourant la sonde, l'agencement présentant ainsi une périodicité radiale, et l'élément cylindrique intérieur forme une cavité recevant ladite sonde.
Selon encore un autre mode de réalisation, les éléments constitutifs de la structure 22 sont des cylindres coaxiaux constitués de matériaux à bande interdite photonique présentant une périodicité dans deux ou trois dimensions.
Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, l'un des matériaux au moins a des caractéristiques diélectriques et/ou magnétiques variables en fonction d'une source extérieure telle qu'un champ électrique ou magnétique, de manière à permettre de réaliser des antennes accordables.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'assemblage présente des défauts de périodicité multiples générés par une cavité ou la juxtaposition de plusieurs cavités et permettant d'élargir la bande passante de l'antenne et/ou de créer des antennes multibandes.
Enfin, selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'assemblage d'éléments 20 présente une périodicité à au moins une dimension et au moins un défaut dans l'une des dimensions de cette périodicité qui génère au moins une cavité en son sein, les éléments restant disposés en un pas régulier dans les autres dimensions.
Ainsi, l'antenne représentée à la figure 9 comporte :

une sonde plaque 10a utilisant un seul fil d'alimentation 11;
une plaque métallique formant un réflecteur plan électromagnétique 30a ;
une couche plane formant une cavité 21 a en contact avec le réflecteur plan 30a, identique à celle représentée à la figure 6 ; et
une structure 22 en contact avec la couche plane formant cavité 21 a.

Cette structure présente une périodicité à deux dimensions : elle comporte des barreaux 25, de forme cylindrique disposés en deux couches 32 et 34 identiques et superposées. Dans chaque couche 32 et 34, les barreaux 25 s'étendent parallélement les uns aux autres et sont placés avec un pas régulier.
Ainsi, l'assemblage 20 constitué de la cavité 21 a et de la structure 22 présente un défaut dans sa périodicité, dans la dimension correspondant à la direction orthogonale au réflecteur plan 30a et aux couches 32 et 34. Par contre, la disposition périodique des barreaux 25 dans chaque couche 32 et 34 n'est pas affectée par la présence de la cavité 21 a.
Les dimensions de cette antenne sont par ailleurs dépendantes de la fréquence de fonctionnement pour laquelle elle a été conçue. Par exemple, pour fonctionner à une fréquence de 4,75 GHz, les dimensions latérales de l'antenne sont de 258 mm, l'épaisseur de la cavité 21 a est de 33,54 mm, les deux couches 32 et 34 sont distantes de 22,36 mm et dans chaque couche, les barreaux 25 ont un diamètre de 10,6 mm et leurs axes respectifs sont espacés de 22,36 mm.
Les barreaux peuvent être constitués de matériaux diélectriques, magnétiques ou métalliques.
Dans ces conditions, l'antenne représentée à la figure 9 présente comme celle représentée à la figure 6, un diagramme de rayonnement tel que celui représenté à la figure 8.
En variante, l'antenne comporte une multiplicité de sondes de natures différentes.
Une antenne selon l'invention peut être utilisée en tant que :

antenne haute fréquence à haut débit d'informations, en raison de sa capacité à fonctionner à des fréquences élevées grâce aux techniques de dépôts multicouches ;
antenne pour des applications embarquées de type aérospatial ou militaire, par exemple, en raison de son faible encombrement et en raison de ces caractéristiques de furtivité dues à l'étroitesse de sa bande passante ;
antenne à ouverture classique en remplacement des antennes à ouverture connues du type antenne parabolique ou antenne à lentille.

Claims

Antenne comprenant au moins une sonde (10) capable de transformer de l'énergie électrique en énergie électromagnétique et réciproquement, et comprenant aussi
un assemblage (20) d'éléments en au moins deux matériaux se différenciant par leur permittivité et/ou leur perméabilité et/ou leur conductivité au sein duquel ladite sonde est disposée, caractérisée en ce que l'assemblage comporte une structure (22) conçue sur le principe des matériau Bande Interdite Photonique (BiP) au sein de laquelle se trouvent une ou plusieurs cavités (21) conférant à l'assemblage le comportement d'un matériau BIP à défaut dans lequel la disposition des éléments dans ledit assemblage assure le rayonnement et un filtrage spatio-temporel des ondes électromagnétiques produites ou reçues par ladite sonde, lequel filtrage autorise notamment la transmission au travers de l'assemblage d'une ou plusieurs fréquences de fonctionnement (f) de l'antenne à l'intérieur d'une bande de fréquences non passante, et en ce que ledit assemblage d'éléments (20) présente une périodicité radiale et au moins un défaut (21) dans cette périodicité radiale.
Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit assemblage d'éléments (20) comprend un premier matériau de permittivité, perméabilité et conductivité données formant au moins une cavité (21 ;21a) et une structure (22) composée de deux autres matériaux (23,24 ;25,26 ;27,28 ;23a,23b,24a) se différenciant par leur permittivité et/ou leur perméabilité et/ou leur conductivité, ladite structure présentant une périodicité radiale.
Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que les éléments constitutifs de la structure (22) sont des cylindres coaxiaux entourant la sonde, l'agencement présentant ainsi une périodicité radiale, et en ce que l'élément cylindrique intérieur forme ladite au moins une cavité recevant ladite sonde.
Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit assemblage d'éléments comprend une première couche cylindrique de matériau (21 a) réalisée avec ledit premier matériau formant au moins une cavité au sein duquel est disposée la sonde, ladite première couche étant en contact avec au moins une succession de couches cylindriques (23a,23b,24a) de matériaux se différenciant par leur permittivité et/ou leur perméabilité et/ou leur conductivité, agencée(s) selon un motif périodique à au moins une dimension pour former ladite structure de cylindres coaxiaux.
Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que les cylindres coaxiaux sont homogènes.
Antenne selon les revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que les cylindres coaxiaux sont constitués de matériaux à bande interdite photonique présentant une périodicité dans deux ou trois dimensions.
Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un réflecteur d'ondes électromagnétiques (30 ; 30A) supportant ladite sonde et placé en contact avec ledit assemblage d'éléments.
Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comporte une plaque métallique cylindrique formant un réflecteur (30a) d'ondes électromagnétiques sur laquelle est disposée la sonde (10 ;10a), ladite plaque métallique cylindrique étant en contact avec la première couche cylindrique, l'épaisseur e₁ de ladite première couche étant donnée par la relation e₁ = 0,5 $\frac{λ}{\sqrt{ε r μ r}},$
ladite première couche étant elle-même en contact avec ladite succession de couches (23a,23b, 24a), l'épaisseur e de chacune des couches de ladite succession de couches étant donnée par la relation $e = 0, 25 \frac{λ}{\sqrt{ε r μ r}},$
où λ est la longueur d'onde correspondant à la fréquence de fonctionnement (f) de l'antenne souhaitée par l'utilisateur, ε_r et µ_r étant respectivement la permittivité relative et la perméabilité relative du matériau de la couche considérée.
Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la sonde de l'antenne est de nature capable de générer une polarisation linéaire ou circulaire dans l'antenne, entraînant un fonctionnement de celle-ci, soit en polarisation linéaire, soit en polarisation circulaire.
Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la sonde se trouve au sein de la cavité (21).
Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'un des matériaux au moins a des caractéristiques diélectriques et/ou magnétiques variables en fonction d'une source extérieure telle qu'un champs électrique ou magnétique, de manière à permettre de réaliser des antennes accordables.
Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'assemblage présente une cavité ou une justaxposition de plusieurs cavités formant des défauts multiples de périodicité permettant d'élargir la bande passante de l'antenne et/ou de créer des antennes multibandes.
Antenne selon la revendication 6, caractérisée en ce que la structure (22) comporte des barreaux métalliques agencés avec une périodicité à deux ou trois dimensions.