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ANTE~E I~JIA1~RE RÉSC8~~1NTE DE TYPE ~C3tORU8AN DE FORME
AIaI~LAIRE
L'invention est relative à une antenne d'émission ou de
réception du domaine des hyperfréquences. Elle concerne plus par-
ticulièrement une antenne plate réalisée en technologie micro-
ruban, qui a la forme générale d'un anneau, et est de type réson-
nante.
Les antennes de ce type présentent un faible encombre-
ment et une faible masse. Elles sont donc utilisées pour les
applications embarquées, notamment pour les véhicules spatiaux et
les satellites.
On a souvent besoin, en particulier pour les applica-
tions spatiales, d'antennes cmmidirectionnelles, c'est-à-dire
pouvar.~t émettre ou recevoir dans un angle solide de grande
valeur.
Mais on a constaté que l'exigence d'onmidirectionnalité
est d~_fficile à concilier avec l'exigence de conservation de la
puretÉ~ de la polarisation des ondes électromagnétiques à émettre
ou recevoir.
En particulier, quand l'onde à émettre (ou recevoir)
doit présenter une polarisation circulaire, il faut conserver un
taux d'ellipticité proche de 1 dans toutes les directions d'émis
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-,
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sion (ou de rëception). Cette contrainte n'est pas aisée â res-
pecter pour les antennes planes.
L'invention vise â fournir une antenne résonnante de
forme annulaire qui soit: d'un encombrement mïnimal et qui pré
s sente une couverture angulaire maximale avec une pureté de pola
risation préservée dans cette couverture angulaire.
Elle est ca.ractérisêe en ce que l'antenne plate, de
type rësonnante, a la forme générale d'un anneau avec méandres ou
créneaux comprenant des parties radiales.
Cetté~ forme d'anneau â méandres ou créneaux perniet de
maximiser la longueur de la pêriphërie dans un encombrement pré-
déterminë, c'est-à-dire de minimïser l'encombrement pour une lon-
gueur d'onde déterminée. En effet, la longueur d'onde guidée dans
l'antenne étant proportionnel~.e â la longueur de la périphêrie,
1~ pour une même longueur d'onde, l'encombrement (c'est-â-dire la
surface occupée) d'une antenne selon l'invention est plus faible
que l'encombrement d'une antenne du même type â anneau circu-
laire.
La diminution de la taille de l'antenne est favorable â
l'augmentation de son omnidirectionnalïté.
Par ailleurs, on a constaté que, malgrë la présence de
parties sensiblement radiales, par rapport à une antenne en forme
d'anneau circulaire (sans créneaux ou méandresj, la pureté de la
polarisation, en par,-.iculi.er de la polarisation circulaire,
2S n'était: pas altérée. Ce résultat est surprenant car chaque
portion radiale engendre un champ électrique perpendiculaire,
parasite pour la polarisation. On. pense que le maintien de la
pureté de polarisation a pour origine le fait qu à chaque portion
ou brin radial, est as:~ocié une autre portïon ou brin radial cré-
ont un champ en sens contraire quï compense le champ parasite de
la première portion.
De préférence, selon une autre disposition de l'in-
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vention, deux portlorlS 2_ad7.ales successives doivent
présenter une orientation et des di.mensaons telles qu'elles
engendrent des champs parasites qui. se a.-;ompensent. I1 est
préférable que la di.stanc:~e entre cep,; portions radiales
successives soit faible.
De préférence, les portion :e:adiales sont, dans
leur ensemble, confcrmées de façon telle qu'elles ne
produisent pas de champ ;pe:rturbat~~Lrr de la polarisation du
signal à émettre.
Dans un mode préférentiel de l'invention,
l'excitation de l'antienne est effectuée sur la section
extérieure de l'anneau.
De préférence, le rapport du plus grand diamêtre
au plus petit diamêtre est au plus égal à deux.
Dans un exemple, l' anneau comporte huit ou seize
sections au total.
De préfêrence, l'anneau â méandres ou crêneaux
est soit un dépôt métallique sur un substrat, soit une
fente prévue dans un dépôt ïnét::.allique.
De préférence, pour minimiser les dimensions de
1 ' antenne, on sait aussi ~.lu' on a intérêt ,~ augmenter la
permittivité diélectrique di.z substrat car la longueur
d'onde guidée dans l'ant.enne est sensiblement
proportionnelle à 1a rac~ir!e carree de cette permittivité
diélectrique . Torrtew~:c~is, 1 ' au.grrn_~mtation de cette
permittivité n' est pas, nom plus, favorable au maintien de
la pureté de polarisation. L1n degré c«nvenable de pureté de
polarisation pourrait êtrF: maintenu ::~i la permittivité
diélectrique était de l'ordre de 1.,5. Mais on ne dispose
pas d'un matériau ayant cette p~er_rnitt.i.v_itE~. Toutefois, avec
un matériau de permittivité 2, 5 er:viror, on peut conserver
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un bon degré de pureté â con<~itiom que L'antenne annulaire
soit dëposée sur un substrat q~..;i comporte également un
logement: à parois métall iqlres :~~ensib:lemeent perpendiculaires
au plan du substrat, par exemple de forme cylindrique de
section circulaire. F~in~i., on obtient une miniaturisation
accrue de l'élément rayonnant, avec conservation de la
pureté c~e polarisat:ioi,. sur un angle irnportant, en combinant
cette dernière disposï~tion -- qui ~~onLSi_:~te en un chargement
diélectrique - aver_ le crénelage de 1'ar~neau.
De préférence, dans un mode cze réalisation, pour
lequel 1.e nombre de méandres ou ~~réneau~~ est égal â quatre,
la largeur de ces mé-~~n.dres c>u créneaux: est de l' ordre de
0,2 fois; le diamètre.
D'autres carae~téristiques et avantages de l'invention
apparaîtront avec la description de certains de ses modes de
réalisation, celle-ci étant effectuée en se réfërant aux dessins
ci-annexës sur lesquels .
la figure 1 est un schéma en coupe d' une antenne selon
l'invention, utilisable pour deux bandes de fréquences,
les figures la, 1b et 1c sont des dïagrammes mettant en
évidence des avantages de l'antenne de la figure 1,
la figure 2 est un schéma en plan d'un anneau d'une
antenne conforme â l'invention,
la figure ~ est un schéma en plan des deux anneaux
d'une antenne selon l'invention, mais pour un autre mode de réa-
lisation,
la figure 4 est un schëma en perspective éclatée d'une
antenne du type de celle de la figure 1,
la figure 5 est uzi schêma ëlectrique d'alimentation
d'un anneau de l'antenne de la figure 4,
la figure 6 est un schéma correspondant â un mode de
réalisation de la figure 5,
la figure 7 est un schéma correspondant aussi â un mode
de rêalisation de la figure 5,
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~ ci
la figure 8 est un schéma simplifié correspondant à
celui de la figure 1, mais pour une variante, et
la figure 9 est un schéma en plan d'un anneau pour une
variante.
L'antenne reprësentée sur la figure 1 est destinée â
recevoir ou émettre des signaux hyperfréquences selon deux ban-
des, à savoir, d'une part., la bande S à ~ GHz et, d'autre part,
la bande LfFiF à 4 0 0 Ngiz .
Cette antenne est principalement destinée à être
implantée sur des satel:Lites de petite taille, tels que des
sate~_lites affectés à la localisation d'objets ou pour des mis-
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sions de mesure ou de téléco~ande avec des satellites conven-
tionnE~ls. Du fait de cette application, elle doit présenter un
encomY~rement réduit, une large couverture angulaire pour les deux
bander de fréquences ainsi qu'une polarisation circulaire avec un
5 taux d'ellipticité convenable sur cette large couverture angu-
laire, notamment pour les orientations les plus éloignées de
l'axe.
L'antenne 10 représentée sur la figure 1 est du type
combiné. Elle est formée par l'association de deux antennes pla
naires concentriques, respectivement 14 et 16. Chacune des
antennes 14 et 16 et l'ensemble 10 présentent un axe 12 de symé
trie de rotation. L'antenne centrale 14, de plus petites dimen
sions, est destinée à la bande S à 2 GHz et l'antenne extérieure
16, de' plus grandes dimensions, est destinée à la bande UI7F à 400
MHz.
Chacune des antennes individuelles 14, 16 comporte un
substrat diélectrique, respectivement 18 et 20, sur lequel est
déposé un anneau conducteur, respectivement 22 et 24. Les deux
anneaux 22 et 24 sont centrés sur l'axe 12.
Des exemples de réalisation des anneaux conducteurs 22
et 24 seront décrits ci-après en relation avec les figures 2 et
3.
Chacun des substrats est enferm dans un logement
mtal7.ique de forme cylindrique logement
d'axe 12. Le pour l'an-
tenue 14 a la rfrence 25 et le logement r l'antenne16 a
pou la
rfrE:nce 26. Ce dernier logement est limit, d'une part,par une
paroi extrieure cylindrique 261 et, d'autrepart, par
une paroi
cylincirique intrieure 262 faib le distance du loge-
de la paroi
ment a!5.
L'espace 28 ménagé entre la paroi du logement 25 et la
paroi 262 a une longueur tdans la direction de l'axe 12) égale au
quart de la longueur des ondes en bande S, c'est-à-dire 35 mm
environ. I1 est ouvert, en 29, du côté où se produit l'émission.
I1 constitue un piège destiné à empêcher la propagation des cou
rants de fuite de l'anneau 22 vers l'anneau 24.
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Un anneau métallique de remplissage 36 peut être dis-
posé au fond de l'espace 28 pour ajuster la longueur (parallèle-
ment à l'axe 12) de cet espace 28 afin qu'elle soit égale au
quart de la longueur d'onde de la bande S.
Les parois 25 et 262 peuvent être formées à partir de
la même feuille de métal.
Autour du logement 26, sensi-blement dans le plan de
l'annESau 24, et donc perpendiculaire à l'axe 12, se trouve un
anneau ou couronne métallique 30.
Le rebord intérieur 32 de la couronne 30 se raccorde à
une jupe 34 s'éloignant, d'une part, de la couronne 30 en direc-
tion du fond du logement 26 et, d' autre part, de l' axe 12 . Dans
un exemple l'angle formé, dans le plan de la figure 1, par le
plan de la couronne 30 et la jupe 34 est de l'ordre de 45°.
L'anneau 22 rayonne dans un cône d'axe 12 de demi-angle
au scxanet 8 égal à environ 60°. I1 subsiste cependant un rayonne-
ment E=xtérieur à ce cône. La couronne 30 a pour but de diffracter
les ondes déviées vers l' extérieur afin d' augmenter l' ort~midirec-
tionn~ilité de l'antenne 14.
Cependant, on a constaté que la couronne 30 avait ten
dance à dégrader la polarisation circulaire du rayonnement,
c'est--à-dire à dégrader le taux d'ellipticité., L'expérience a
montrée que la jupe 34 permettait de conserver un taux d'ellip
ticitÉ~ des ondes à polarisation circulaire proche de 1, surtout
pour .Les directions formant un grand angle avec l'axe 12.
Le taux d'ellipticité peut être réglé empiriquement en
faisant varier l'orientation de la jupe 34, c'est-à-dire l'angle
qu'el:Le forme avec le plan de la couronne 30 ainsi qu'en faisant
varier ses dimensions.
L'arête extérieure 341 de la jupe 34 est plus éloignëe
de l'~ixe 12 que l'arête extérieure 301 de la couronne 30.
Dans un exectple, le diamètre intérieur de la couronne
30 est. de 256 mm, son diamètre extérieur de 300 mm, tandis que le
diamètre extérieur de la jupe 34 - qui a une forme générale tron
conique - est de 348 mm.
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On pense que la jupe 34 crée une diffraction des ondes
en bande S qui s'oppose à l'effet négatif de la couronne diffrac-
tante 30 sur le taux d'ellipticité des ondes en bande S.
I1 est à noter que les logements ou cavités 25 et 26
contribuent à symétriser le diagramme de rayonnement autour de
l'axe 12_ et à améliorer le taux d'ellipticité.
Dans l'exemple, les substrats diélectriques 18 et 20
présentent une permittivité diélectrique relative sr de l'ordre
de 2, 5~ . Comme indiqué ci-dessus, plus cette permittivité diélec-
trique est élevée, plus les dimensions des antennes peuvent être
réduites. Cependant, l'augmentation de la constante diélectrique
est dÉ~favorable au maintien de la polarisation circulaire . C' est
pourquoi, dans l'exemple, la constante er ne dépasse pas la
valeur 2,5.
Les figures la, lb et 1c sont des diagrammes permettant
de metare en évidence les avantages, d'une part, du piège quart
d'onde constitué par l'espace annulaire 28 et, d'autre part, des
éléments diffractants 30 et 34.
Sur chacun de ces diagrammes, on a porté en abscisses,
l'élévation 8 (en degrés), c'est-à-dire le demi-angle du cône
d'émission d'axe 12, et en ordonnées, les amplitudes en décibels
des rayonnements en polarisation normale et en polarisation croi
sée.
La figure la est un diagramme pour une antenne analogue
à celle de la figure 1 mais dépourvue, d'une part, du piège quart
d'onde 28 et, d'autre part, des éléments diffractants 30 et 34.
La courbe 40 correspond à la polarisation normale et
les courbes 41 correspondent â la polarisation croisée. La pureté
de la polarisation circulaire est d'autant plus grande qu'est
grand l'écart entre les courbes 40 et 41. On voit ainsi que pour
un anale 8 de 0°, c'est-à-dire selon l'axe 12, l'émission est
selon une polarisation circulaire. Par contre, quand on s'éloigne
de l'axe 12, la polarisation circulaire se dégrade notablement.
~ outre, l'émission s'affaiblit sensiblement dès qu'on
s'éloigne de l'axe 12.
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La figure lb correspond à une antenne analogue à celle
de la figure 1, avec un piège 28 quart d'onde, cependant dépour-
vue df~s éléments diffractants 30 et 34.
On constate que l'onmidirectionnalité ainsi que la
puretÉ~ de polarisation circulaire sont améliorés par rapport au
cas de la figure la. Toutefois, la pureté de polarisation circu
laire n'est pas entièrement satisfaisante entre 30° et 60°, la
dista~lce entre les courbes 411 et 401 restant relativement
faiblES .
Le diagramme de la figure 1c correspond à l'antenne
représentée sur la figure 1, avec un piège quart d'onde 28, la
couroizne 30 et la jupe 34. On constate, par rapport à la figure
lb, q~ie l' aimidirectionnalité est tout à fait satisfaisante jus-
qu'à ~.u1 angle 8 de 60°. E~ outre, la pureté de polarisation cir-
culaire est nettement améliorée entre les angles 30° et 60°, la
distance entre les courbes 402 et 412 étant sensiblement plus
importante .
Selon une disposition de l'invention, la compacité de
l'antesnne est augmentée en conférant une forme crénelée ou en
méandres aux anneaux 22 et 24.
Dans l'exe~le de la figure 2, l'anneau 22 comporte,
régul_Lèrement répartis autour de l'axe 12, huit segments internes
461 à 46g alternés avec huit segments externes 481 à 488. Ces
segments 46 et 48 en forme d'arcs de cercles se raccordent à
leurs extrémités par des segments rectilignes 50, de directions
radia_Les . Ainsi, les segments radiaux sont, dans cet exemple, au
nombrf~ de seize . Bien que non représenté sur la figure 2 , l' an-
neau 24 est hc~nothétique de l'anneau 22.
Dans l'exemple de la figure 3, on prévoit, pour les
antennes S 22' et Uf~ 24' , quatre segments internes et quatre
segments externes.
La longueur d'onde guidée du rayonnement à transmettre
est directement proportionnelle à la longueur électrique de l'an-
neau de l'antenne résonnante 14 (14') ou 16 (16'). Cette longueur
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électrique est égale à la sam~e des longueurs de tous les seg-
ments 46, 48 et 50.
Ainsi, pour une même longueur d'onde guidée, c'est-à
dire pour une même fréquence, une antenne selon l' invention pré
s sente un encanbrement plus réduit qu'une antenne ayant une forme
simplement circulaire. En effet, on constate que, par rapport à
un anneau circulaire ayant le même diamètre que le cercle sur
lequel sont disposés les segments 48, la longueur électrique est
augmentée d'environ la somme des longueurs des segments 50.
Cependant, on a constaté que plus la longueur des seg-
ments 50 est grande et plus le rendement de l'antenne diminue.
L'impédance de rayonnement de l'antenne diminue car le ruban
métallique masque davantage l'ouverture ; ainsi, la proportion
d'énergie dissipée dans le conducteur ou le diélectrique est plus
importante. I1 est donc préférable que le rapport entre le dia-
mètre extérieur et le diamètre intérieur soit au plus de l'ordre
de deux.
Pa.r ailleurs, on a observé que la présence des segments
50 de directions radiales n'altérait pratiquement pas le taux
d'ellipticité de la polarisation du rayonnement. ~ effet, un
segment de direction radiale a aussi pour inconvénient de per
turber le taux d'ellipticité. Toutefois, on pense que c'est la
succession de segments parcourus par des courants en sens
contraires qui compense l'effet négatif sur le taux d'ellipti
cité.
I1 faut donc prendre garde à disposer ces segments de
façon telle que l'on obtienne cette cc~ensation.
La figure 4 montre, en perspective éclatée, les divers
éléments constitutifs de l'antenne combinée avec des anneaux 22'
et 24' du type de ceux de la figure 3.
C~ on peut le voir sur cette figure, la couronne 30
et la jupe 34 inclinée à 45° constituent une pièce d'un seul
tenant 50.
Les anneaux 24' et 22' sont réalisés par gravure sur
des substrats diélectriques, respectivement 18 et 20, en un maté-
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riau clénaamé "polypenco". Sur la figure 4, on a représenté les
anneaux 22' et 24' séparés des substrats 18 et 20 ; mais il va de
soi qu.e ces anneaux sont déposés sur les substrats respectifs 18
et 20.
5 Entre le fond 52 du logement 25 et le substrat 18 est
disposé un répartiteur 54 qui sera décrit plus loin en relation
avec les figures 5 à 7.
Un câble coaxial 60 traverse le fond 52 du logement 25
pour amener le signal d'excitation au répartiteur 54. Le rôle de
10 ce dernier est de répartir, avec des déphasages appropriés, le
signal d'excitation entre les quatre segments extérieurs 48' de
l'anneau 14'.
De même, entre le fond 56 du logement 26 et le diélec-
trique 20, est disposé un répartiteur 58.
Un câble coaxial 62 traverse le fond 56 pour amener le
signal d'excitation UHF vers le répartiteur 58 qui distribue,
avec d.es déphasages appropriés, ce signal d'excitation entre les
quatre segments extérieurs de l'anneau 24'.
Les figures 5, 6 et 7 représentent le répartiteur 54.
Les circuits 64, représentés sur les figures 5 et 6,
perniettent, à partir du signal d'excitation fourni par le coaxial
60, d'obtenir une polarisation circulaire. A cet effet, ils
alimentent les quatre segments extérieurs 48' avec des déphasages
successifs de 90°.
Le signal amené par le coaxial 60 est appliqué sur une
entrée 66 qui, camp montré sur la figure 5, est connectée à
l'entrée d'un déphaseur 70 de 180° par l'intermédiaire d'un
transforn~ateur 68. La sortie 701 sans déphasage du déphaseur 70
est reliée à un port 74 qui est connecté lui-même à un déphaseur
78 de 90° par l'internyédiaire d'un transformateur 76. La sortie
702 à déphasage de 180° du déphaseur 70 est reliée à un autre
port 80, lequel est connecté à un second déphaseur 84 de 90° par
l'intern~édiaire d'un transformateur 82.
La sortie 781 sans déphasage du déphaseur 78 est reliée
à une première sortie 901 du circuit 64 par l'intermédiaire d'un
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transf:orn~ateur 86 et d'un adaptateur 88. La sortie 901 est
connecaée à un premier segment extérieur de l'anneau 22'.
De tt~ême, la sortie 782 de déphasage 90° du déphaseur 78
est r~=liée à une seconde sortie 902, par l'intermédiaire d'un
autre transformateur et d'un autre adaptateur. La sortie 902 est
reliée à un second segment extérieur de l'anneau 22'.
La sortie sans déphasage 841 du déphaseur 84 est reliée
à la troisième sortie 903 par l' intern~édiaire d'un transforniateur
et d'iin adaptateur. Cette sortie 903 est reliée à un troisiême
segmer.~t extérieur de l'anneau 22'.
Enfin, la sortie 842 de déphasage de 90° du déphaseur
84 est: reliée à la quatrième sortie 904 du circuit 64 par l' in-
tern~écliaire d' un transforn~ateur et d' un adaptateur. Cette sortie
904 e~;t reliée à un quatrième segment extérieur de l'anneau 22'.
Le signal sur la sortie 901 est en phase avec le signal
d' entrée sur le premier port 66, tandis que les signaux sur les
sorties 902, 903 et 904 sont déphasés respectivement de 90°,
180°
et 270° par rapport au signal d'entrée.
Les divers éléments du circuit de la figure 5 sont réa
lisés â l'aide de découpes métalliques représentées sur la
figurer 6. Sur cette dernière, on a indiqué les mêmes éléments que
ceux cle la figure 5, avec les mêmes chiffres de références.
Les sorties 901 à 904 se trouvent à la périphérie des
découF~es et régulièrement réparties; ces sorties sont au droit
des segments extérieurs de l'anneau 22' auxquels elles sont rac
cordées .
Came on peut le voir sur figure 7, les dcoupes
la
mtalliques sont en sandwich dilectriques rparti-
entre des
teurs, respectivement 102 et 104.
La connexion de chaque au seg-
sortie
90
du
circuit
64
ment extrieur correspondant de l'anneau s'effectue l'inter-
par
mdiai.re d'une sonde 92. On prvoit donc quatre sondes.Sur la
figure 7, on a reprsent la sonde 921.
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Le répartiteur 64, 102, 104 est enfermé dans un loge-
ment métallique 106 constituant un piège empêchant l'excitation
d'onde de surface sur le répartiteur.
En variante, à la place de rubans, ou découpes métal
ligues, le circuit 64 est réalisé à l'aide de gravures métal
liques sur un substrat.
Dans l'exemple représenté sur la figure 8, on prévoit
trois antennes concentriques, respectivement 110, pour l'antenne
centrale, 112 pour l'antenne intermédiaire et 114 pour l'antenne
la plus extérieure.
Came dans la réalisation représentée sur la figure 1,
une couronne 30 de diffraction entoure l'antenne la plus exté-
rieure et cette couronne 30 est solidaire d'une jupe 34 orientée
sensiblement à 45° par rapport au plan de la couronne 30. Égale-
ment c.~ dans la réalisation de la figure 1, un piège quart
d'onde 28 empêche la propagation d'un courant de fuite de la
cavité excitée vers les cavités environnantes. De façon analogue,
un piège quart d'onde 116 empêche la propagation d'un courant de
fuite vers l'antenne 114.
Le piège 116 est de longueur (selon l'axe) plus grande
que 1E' piège 28 car il est destiné à éliminer des longueurs
d'onde plus grandes, celles des signaux émis par l'antenne 112.
Bien entendu, on peut prévoir un nombre d'antennes
concentriques supérieur à trois.
Bien que les exemples décrits ci-dessus concernent des
antennes à anneaux résonnants formés par un conducteur métal-
lique, on co~rend aisément que l'invention s'applique aussi à
une antenne réalisée par une fente dans un conducteur. Pour cer-
taines applications, notamment celles pour lesquelles l'échauffe-
ment doit être minimisé, cette réalisation à fente sera préférée.
La variante représentée sur la figure 9 représente une
cavité annulaire résonnante qui s'applique plus particulièrement
à une antenne à fente. Toutefois, cet exemple pourrait s'appli
quer aussi à une antenne à anneau résonnant foi par un conduc
teur métallique.
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L'anneau 130 est constitué par une fente 132 dans un
conducteur métallique 134. Cet anneau 130 forme des méandres
ayant chacun sensiblement la forme d'un pétale. Le nombre de
pétales est, dans cette réalisation, égal à 8.
Bien que dans les exemples décrits ci-dessus, l'excita-
tion soit réalisée sur les segments extérieurs à l'aide d'un
câble coaxial, on peut également prévoir une excitation par cou-
plage de proximité avec une ligne micro ruban ou avec une fente
dans le plan de masse, c'est-à-dire dans un fond de cavité.
