Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02448636 2007-10-24
1
ANTENNE POURVUE D'UN ASSEMBLAGE DE MATÉRIAUX FILTRANT
La présente invention concerne une antenne émettrice ou réceptrice
atteignant des niveaux de directivité irnportants à des fréquences de l'ordre
des
micro-ondes.
On connaît dès antennes comprenant au moins une sonde capable de
transformer de l'énergie électrique en énergie électromagnétique et
réciproquement.
~ Aujourd'hui, les antennes classiqùement 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. lI 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.
L'invention vise à remédier aux incônvénients 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.
La présente invention vise une antenne comprenant au moins une
sonde capable de transformer de l'énergie électrique en énergie électro-
magnétique et réciproquement, et comprenant aussi un assemblage 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 conçue sur le
principe des matériau Bande Interdite Photonique (BiP) au sein de laquelle se
CA 02448636 2007-10-24
2
trouvent une ou plusieurs cavités conférant à l'assemblage le comportement
d'un matériau BIP à défaut dans lequel la disposition des éléments daps ledit
assemblage assure le rayonnement et un filtrage spatiotemporel des ondes
électromagnétriques produites ou reçues par ladite sonde, lequel filtrage
autorise la transmission au travers de l'assemblage d'une ou plusieurs
fréquences de fonctionnement de l'antenne à l'intérieur d'une bande de
fréquences non passante, et en ce que ledit assemblage d'éléments présente
une périodicité radiale et au moins un défaut dans cette périodicité radiale.
L'invention a donc de préférence pour objet une antenne
comprenant au moins une sonde capable de transformer de l'énergie électrique
en énergie électromagnétique et réciproquement, caractérisée en ce qu'elle
comprend en outre un assemblage 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, la disposition des éléments dans
ledit
assemblage assurant le rayonnement et un filtrage spatial et fréquentiel des
ondes électromagnétiques produites ou reçues par ladite sonde, lequel filtrage
autorise notamment une ou plusieurs fréquences de fonctionnement de
l'antenne à l'intérieur d'une bande de fréquences non passante.
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 suivantes :
- Ledit assemblage d'éléments présente une périodicité à au moins
une dimension dans sa structure et au moins un défaut qui génère au moins une
cavité en son sein.
- Ledit assemblage d'éléments comprend un premier matériau de
perrnittivité et perméabilité et conductivité données formant u.ne cavité au
sein
d'une structure de deux autres matériaux se différenciant par, leur
permittivité
CA 02448636 2007-10-24
2a
et/ou leur perméabiilté et/ou leur conductivité, ladite structure présentant
une
triple périodicité selon trdis directions spatiales distinctes desdits deux
autres
matériaux.
- Ledit assemblage d'éléments comprend un premier matériau de
permittivité et perméabilité et conductivité données formant une cavité au
sein
d'une structure de deux autres matériaux se différenciant par leur
permittivité
etloù leur pérméabilité et/ou leur conductivité, ladite structure présentant
_une
double périodicité selon deux directions spatiales distinctes desdits deux
autres
matériaux.
- Ledit assemblage d'éléments est constitué de couches planes de
matériaux se différenciant par leur permittivité et/ou par leur perméabilité
et/ou
leur conductivité.
- Ledit assemblage d'éléments comprend une première couche plane
de matériau de pérmittivité et perméabilité et conductivité données, au sein
duquel est disposée la sonde, ladite première couche étant en contact avec au
moins une succession de couches planes de matériaux se différenciant par leur
permittivité et/ou leur perméabilité et/ou leur conductivité, agencée(s) selon
un
motif périodique à une dimension.
- Elle comporte en outre un réflecteur plan d'ondes
électromagnétiques supportant ladite sonde et placé en contact avec ledit
assemblage d'éléments.
De préférence, elle comporte une plaque métallique sur laquelle
est disposée une sonde, ladite plaque métallique formant réflecteur plan en
contact avec une première couche plane de matériau de permittivité et
perméabilité et conductivité
CA 02448636 2003-12-02
3
.données, l'épaisseur e; de ladite première couche plane étant donnée par la
relation e, = 0,5 ladite première couche étant elle-même en contact avec
. ~=r~~= _ une succession de couches planes de matériaux se différenciant par
leur
permittivité et/ou leur perméabilité et/ou leur conductivtté, l'épaisseur e de
chacune desdites couches planes étant donnée par la relation
R
e= 0,25 ~--~ , où X est la longueur d'onde correspondant à la fréquence de
Er
fonctionnement de l'antenne souhaitée par l'utilisateur, E, et , étant
respectivement la permittivité relative et la perméabilité relative du
matériau de la
couche plane considérée.
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 lésquels :
- la figure 1 représente une antenne selon,l'invention dans le cas
général ;
- la figure 2 représente une antenne selon l'invention comprenant un
plan réflecteur d'ondes électrornagnétiques ;
- la figure 3 représente schématiquement en perspective un exemple
de structure de couches planes de matériaux se différenciant par leur
perrnittivité
etlou par leur perméabilité et/où 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 spàtiales
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 antenne
selon un mode de réalisation particulier de l'invention ;
- 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 i'invention ;
CA 02448636 2003-12-02
4
- la figure"8 représente un diagramme de directivité de l'antenne selon
le mode de réalisàtion présenté dans la figure 6; et
- la figure 9 représente schématiquement en perspective une antenne
selon un autre mode de réalîsation.
Une antenne selon l'invention représentée à la figure 1 cômporte :
- une sonde 10 capable de transformer une onde électrique en onde
électromagnétique et réciproquemerit. Des antennes, telles que des antennes
plaque, les dipôles, les -.antennes à polarisation circulaire, les `fentes,
les
antènnes fil-plaque coplanaires peuvent par exemple convenir comme sonde 10
dans une antenne selon la présente invention. "
Un assemblage '20 d'éléments en aù moins deux matériaux se
différenciant par leur perrnittivité et/ou par leur perméabilité et/ou par.
leur
conductivité au se.in duquel la sonde 10 est disposée. On choisira de
préférence
des rnatériaux: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 oû elle remplit-le type de
polarisation
(linaire oû circulaire), le taux d'elGpticité et les caractéristiques
électriques désirés
par le constructeur, cette sonde 10 devant être néanmoins petite devant les
dimensions globales de l'antenne.
Un intérét de l'assemblage 20 est de permettre de concevoir une
antenne autorisant un ou plusieurs modès 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 structurè 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.
CA 02448636 2003-12-02
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.
5 Elle peut être :
- une modification locale des caractéristiques diéiectriques et/ou
magnétiques et/ou de conductivité des matériaux utilisés,
- une modification locale des dimensions d'un ou plusieurs matériaux.
Une antenne selon l'invention 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 selon l'invention comportant un plan
réflecteur électromagnétique 30 est d'augmenter le gain du lobe principal du
diagramme de directivité de ladite antenne.
Une antenne selon l'invention 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 selon i'invention 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.
CA 02448636 2003-12-02
6
De plus, les barreaux de couches successives sont alignés avec un
pas régulier. De préférence, les barreaux sont métalliques.
Une antenne selon l'invention 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 aEtemance 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 "ban=eaux 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 900.
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 préférë de réalisation d'une
antenne selon la présente invention comporte :
- Une sonde plaque 10a utilisant un seul fil d'alimentation 11 ;
Un intérêt de cette sonde est d'être très simple de conceptio.n 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 21 a 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
CA 02448636 2003-12-02
7
conductivité des matériaux utilisés. Pour réduire le hombre 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 eZ,a de la couche plane 21a constituée d'un matériau
de permittivité relative sf et de perméabilité relative , est donnée par la
formule
e218 -0,5 Å où X 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 e2,a = 0,5 X.
b) L'épaisseur e d'une couche plane d'un matériau diélectrique ou
magnétique de permittivité relative E, et de perméabiiité relative , à l'
intérieu r de
~
la structure 22 est donnée par la formule e- 0,25 ~--~ .
aA titre d'exemple, l'épaisseur de la couche plane d'aiumine 23a
représentée figure 6 vaut environ e2.a = 0,08 X; l'épaisseur de la couche
plane
d'air 24a représentée figure 6 vaut e24a = 0,25 l'épaisseur de la couche plane
d'alumine 23b représentée figure 6 vaut environ %b = 0,08h.
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
CA 02448636 2003-12-02
8
pour l'antenne s'inscrit dans un cercle dont le diamètre ~ est relié au gain
recherché, selon la formule empirique connue suivante : GdB >_ 201og ~- 2,5.
A titre d'exemple, pour. obtenir un gain de 20 dB tel que représenté
figure 8, un système d'antenne selon l'invention peut avoir des dimensions
latérales de 4,3 X. 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 rnatériaux 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 2, et une dimension latérale L de 4,3 X. Ainsi, pour une
fréquence de fonctionnement de 10 Ghz correspondant à une longueur d'onde
de 3 cm, un exemple particulier d'antenne selon la présente invention 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 selon l'invention, telle que décrite à la figure 6, est
proportionnelle
à1 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 selon l'invention 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.
CA 02448636 2003-12-02
9
Une antenne selon l'invention 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 B.
ll apparaît que l'antenne selon l' inveniion 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
i'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 constrùction 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.
CA 02448636 2003-12-02
Selon encore un autre 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.
5 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
rnatériaux au moins a des caractéristiques diélectriques etlou magnétiques
10 variables en fonction d'une source extérieure telle qu'ûn 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 etlou
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 forrrie cylindrique disposés en deux couches 32
et
34 identiques et superposées. Dans chaque couche 32 et 34, les barreaux 25
s'étendent parallélernent 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,
CA 02448636 2003-12-02
11
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 exempie, 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 ;
- anténne pour des applications embarquées de type aérospatial ou
militaire, par exernple, en raison de son faible encombrement et en raison de
ces
caractéristiques de furtivité dues à l'étroitessé de sa bande passante ;
- antenne à ouverture classique en remplacement des antennes à
ouverture connues du type antenne parabolique ou antenne à lentille.
