Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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Antenne à large bande ou multi-bandes.
L'invention est relative à une antenne à large bande ou multi-bandes, pour
micro-ondes, mise en ceuvre à partir de matériaux à bande interdite
photonique,
désignés matériaux BIP.
S L'utilisation des matériaux BlP pour la mise en oeuvre d'antennes pour
micro-ondes a déjà été proposée.
Les antennes de ce type, en référence à la figure 1 a relative à l'art
antérieur, comportent essentiellement un plan réflecteur, une prise
d'alimentation ou élément rayonnant en émission/réception, placée au
voisinage du plan réflecteur, et un assemblage d'au moins deux matériaux
diélectriques superposé au plan réflecteur et à la prise d'alimentation en
émission/réception. Les matériaux diélectriques utilisés se différencient par
leur
permittivité ou leur perméabilité, l'assemblage ainsi formé constituant un
matériau BIP.
En référence à la figure 1b, on rappelle qu'un matériau BIP est un
matériau qui possède la propriété de filtrer (absorber) certaines gammes de
fréquences, c'est-à-dire d'interdire toute transmission dans les gammes de
fréquences précitées. Le matériau est, dans ces conditions, qualifié matériau
BIP, à Bande Interdite Photonique.
Le matériau BIP est généralement constitué, ainsi que représenté en
figure 1 b, d'un arrangement périodique de diélectriques de permittivité et/ou
de
perméabilité variable.
L'introduction d'une rupture dans cette périodicité géométrique et/ou
radioélectrique, rupture encore appelée défaut, obtenu par suppression d'un
élément "central", permet d'engendrer un défaut d'absorption et donc la
création
d'une bande de transmission dans la bande interdite du matériau BIP. Le
matériau BIP est, dans ces conditions, désigné matériau BIP à défaut.
Pour une description plus détaillée d'un tel type d'antenne, on pourra
utilement se reporter à la demande de brevet français 99 1452112 801 428 mise
à la disposition du public le 25/05/2001.
Un tel type d'antenne donne satisfaction. .
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Toutefois, en raison de ia structure même de celui-ci, la bande passante
autorisée par un tel type d'antenne est relativement étroite et n'excède pas 4
à
5% de ia fréquence centrale, pour une atténuation de 6dB.
La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients et
limitations précités des antennes à matériau BIP à défaut de l'art antérieur.,
En particulier, un objet de la présente invention est la mise en oeuvre
d'une antenne à large bande, du type à matériau BIP à défaut, présentant une
bande passante sensiblement améliorée ou divisée en bandes passantes
multiples.
Un autre objet de la présente invention est, en outre, la mise en oeuvre
d'une antenne à large bande, présentant une structure simple, en l'absence
d'adjonction d'élément dispersif ou absorbant en rompant la régularité ou en
rendant la mise en oeuvre plus complexe.
L'antenne à large bande, objet de la présente invention, est remarquable
25 en ce qu'elle comporte au moins un plan, constituant réflecteur, et au
moins
une prise d'alimentation en émission/réception placée au voisinage de ce plan
constituant réflecteur. En outre, un assemblage d'éléments de matériau BIP à
défaut disposé sensiblement en superposition au plan constituant réflecteur et
à
la prise d'alimentation est prévu. Chaque élément de matériau BIP à défaut
formant l'assemblage est sensiblement plan et parallèle au plan constituant
réflecteur et l'une au moins des caractéristiques de permittivité
diélectrique, de
perméabilité magnétique etlou d'épaisseur dans la direction perpendiculaire au
plan constituant réflecteur de ces éléments est sensiblement différente d'un
élément de matériau BIP à défaut à l'autre, de sorte que l'ensemble formé par
le plan constituant réflecteur et l'assemblage d'éléments de matériau BIP à
défaut forme une cavité résonnante à fuites.
L'antenne à large bande, objet de la présente invention, trouve application,
notamment, dans la réalisation d'antennes hyperfréquences utilisables dans le
domaine de la radiotéléphonie mobile, des télécommunications par voie optique
dans le domaine du spectre visible ou invisible.
La structure et le mode opératoire de l'antenne à large bande ou multi-
bandes, objet de la présente invention, seront mieux compris à la lecture de
la
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description et à l'observation des dessins ci-après, dans lesquels, outre les
figures 1 a et 1 b relatives à l'art antérieur
- la figure 2a représente, à titre illustratif, une vue en perspective d'une
antenne à large bande ou multi-bandes conforme à l'objet de la présente
invention ;
- la figure 2b représente une vue en coupe, selon le plan de coupe P de
l'antenne à large bande ou multi-bandes, objet de l'invention, représentée en
figure 2a ;
- la figure 3a représente, à titre illustratif, une vue en coupe, selon le
même plan de coupe P représenté en figure 2a, d'une antenne équivalente à
celle représentée en figure 2a ou 2b ;
- la figure 3b représente un diagramme comparatif des coefficients de
transmission en fonction de la fréquence d'une antenne de l'art antérieur
illustrée par la demande de brevet français 2 801 428 précitée, courbe A,
respectivement d'une antenne conforme à l'objet de la présente invention telle
que représentée en figure 2a, 2b ou 3a, courbe B ;
- la figure 4 représente, à titre illustratif, un diagramme des formes d'ondes
engendrées dans la cavité résonnante à fuites constitutive de l'antenne à
large
bande ou multi-bandes, objet de la présente invention dans ses deux modes de
mise en oeuvre, selon les figures 2a, 2b et 3a ;
- la figure 5 représente un réseau d'antennes mis en oeuvre à partir d'une
antenne selon l'invention.
Une description plus détaillée d'une antenne à large bande ou multi-
bandes, conforme à l'objet de la présente invention, sera maintenant donnée en
liaison avec les. figures 2a-2b et les figures suivantes.
En référence à la figure 2a, on indique que l'antenne à large bande, objet
de la présente.invention, comporte au. moins un plan constituant un
réflecteur,
noté R, ce plan pouvant être constitué par une plaque métallique par exemple.
En outre, au voisinage du plan réflecteur R, est prévu au moins un
élément rayonnant en émission/réception noté ER. On indique, à titre
d'exemple non limitatif, que l'élément rayonnant ER peut être constitué par un
dipôle rayonnant, une fente rayonnante, une sondè ou un patch rayonnant par
exemple. Alors que dans le mode de réalisation tel que représenté en figure 2a
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un seul élément rayonnant ER est représenté, on indique que l'antenne à large
bande, objet de la présente invention, peut comporter une pluralité d'éléments
rayonnants ER non représentés au dessin.
En outre, ainsi que représenté en figure 2a, l'antenne à large bande ou
multi-bandes, objet de l'invention, comporte, disposé en superposition au plan
constituant le réflecteur R et à cet ou à ces éléments rayonnants ER, un
assemblage d'éléments de matériau BIP à défaut. Par assemblage d'éléments
de matériau BIP à défaut, on entend une pluralité d'éléments constitués par
des
lames ou structures de matériau diélectrique par exemple, notées LD, ces
éléments, formant des groupements ou motifs, étant empilés dans la direction
perpendiculaire au plan réflecteur R et séparés, chacun, par un autre matériau
diélectrique, par exemple, par une lame d'air, de l'alumine ou autre.
Chaque lame de matériau diélectrique LD est sensiblement plane, et
chaque élément de matériau BIP à défaut est parallèle au plan constituant le
réflecteur R. En outre, selon une caractéristique particulièrement avantageuse
de l'antenne à large bande conforme à l'objet de la présente invention, l'une
au
moins des caractéristiques de perméabilité magnétique, de permittivité
diélectrique et/ou d'épaisseur, notée e, dans la direction perpendiculaire au
plan
constituant le réflecteur R est sensiblement différente, d'un élément de
matériau
BIP à défaut à l'autre.
Dans ces conditions, l'ensemble formé par le plan constituant le
réflecteur R et l'assemblage d'éléments de matériau BIP à défaut forme une
cavité résonnante à fuites dans les conditions qui seront explicitées ci-après
dans la description.
En particulier, en référence à la figure 2a et à la figure 2b, on indique que
chaque lame de matériau diélectrique LD peut présenter une valeur de
permittivité diélectrique, de perméabilité magnétique ou une épaisseur e
différente, d'un élément de matériau BIP à défaut à l'autre, dans les
conditions
qui seront explicitées ci-après dans la description.
La figure 2b représente une vue en coupe selon le plan de coupe P de la
figure 2a de l'antenne à large bande, objet de l'invention, représentée sur la
figure précitée.
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Dans ces conditions, on désigne par A'g la longueur d'onde du signal
radioélectrique guidé lorsque le milieu de propagation est constitué par le
matériau, tel qu'un matériau diélectrique, de chacune des lames LD
respectivement par Ag la longueur d'onde du signal radioélectrique guidé par
les
5 intervalles séparant les lames LD et tes éléments de matériau BIP à défaut,
c'est-à-dire dans un mode de réalisation non limitatif par les lames d'air ou
d'alumine séparant les lames LD représentées en figure 2a et en figure 2b.
Dans ces conditions, la notation Ag désigne également la longueur d'onde
du signal radioélectrique guidé se propageant entre le plan formant réflecteur
R
et la première lame de matériau diélectrique LD placée en vis-à-vis de ce
dernier.
Sur la figure 2b, on a en particulier représenté un repère orthonormé
permettant d'assurer un repérage de l'ensemble des éléments constitutifs de
l'antenne à large bande objet de la présente invention.
Dans ces conditions et par définition, le plan , réflecteur R est à la cote 0
dans la direction Oz, les lames LD étant superposées successivement dans la
direction précitée et le plan de coupe P est parallèle au plan Ox, Oz. La
direction Oy est orthogonale au plan Ox, Oz précité.
Un mode de mise en oeuvre particulier non limitatif de l'antenne à large
bande objet de la présente invention sera maintenant décrit en liaison avec la
figure 2b dans un .cas particulièrement simple et simplifié où l'assemblage
d'éléments en matériau BIP à défaut et les lames en matériau LD sont
constitués par des lames en un même matériau diélectrique par exemple,
lesquelles, dans ces conditions, présentent des caractéristiques de
permittivité
diélectrique respectivement de perméabilité magnétique sensiblement
identiques d'une lame de matériau diélectrique à l'autre et d'un élément en
matériau BIP à défaut à l'autre.
Dans ces conditions, en référence à fa figure 2b, on indique que chaque
lame de matériau diélectrique LD présente avantageusement une épaisseur
constituant une fônction non décroissante par valeurs discrètes de la distance
de la lame de matériau diélectrique considérée au plan constituant le
réflecteur R.
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Ainsi que représenté sur la figure 2b, chaque lame de matériau
diélectrique formant l'assemblage est espacée d'une lame diélectrique voisine
d'une même distance égale à A9/4 où Ag désigne fa longueur d'onde guidée
associée au matériau séparant chaque lame de matériau diélectrique LD. Dans
le mode de réalisation dé la figure 2a, par exemple, Ag désigne la longueur
d'onde guidée associée à l'air ou à l'alumine séparant chaque lame de matériau
diélectrique LD. ,
De la même façon, ainsi que représenté de manière détaillée sur la figure
2b, la première lame de matériau diélectrique LD en vis-à-vis du plan
constituant le réflecteur R et voisine de ce plan est placée à une distance de
ce
dernier égale à Ag/2, ~9 désignant de la même manière la longueur d'onde
guidée associée au matériau séparant la première lame de matériau
diélectrique LD du plan constituant réflecteur R. De la même façon que
précédemment, A9 désigne ainsi la longueur d'onde guidée du signal
radioélectrique lorsque ce dernier se propage dans l'air ou l'alumine dans
l'exemple de mise en oeuvre non limitatif correspondant à la figure 2a ou 2b.
En outre, ainsi qu'il apparaît de manière détaillée à l'observatïon de la
figure 2b, et ce afin de constituer la cavité résonnante à fuites précédemment
mentionnée dans la description, on indique qu'une pluralité de lames de
matériau diélectrique successives LD présente une même épaisseur, cette
épaisseur étant sensiblement égale à une fraction de la longueur d'onde guidée
associée à ce matériau diélectrique pour constituer un groupement de lames de
matériau diélectrique successives. La cavité résonnante apparaït ainsi
constituée par une pluralité de groupements de lames de matériau diélectrique
successives formés chacun par un élément de matériau BIP à défaut, les
différents groupements étant couplés mutuellement par leur zone de défaut
pour constituer la cavité résonnante à fuite résultante.
Ainsi, sur la figure 2b, notamment, ~'g désigne la longueur d'onde du signal
radioélectrique guidé se propageant dans chaque lame ~ de matériau
diélectrique LD.
En outre, ainsi qu'on l'observera sur la figure .2b notamment, deux
groupements successifs de lames de matériau ~ diélectrique notés
respectivement G~ et G2 et superposés dans la direction perpendiculaire au
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plan constituant le réflecteur R, c'est-à-dire dans la direction Oz, sont
constitués
par des lames de matériau diélectrique d'épaisseur croissante en fonction du
rang de superposition des groupements précités.
Sur la figure 2b, on a ainsi représenté, de même que sur la figure 2a, les
groupements de lames G~ et G2, chaque groupement, à titre d'exemple non
limitatif, étant constitué par deux lames parallëles de même épaisseur,
respectivement e~ et e2.
Dans le cas du groupement de lames de matériau diélectrique G1, celui-ci
est constitué par des lames de même épaisseur e1= x'9/4, alors que, dans le
cas du groupement de lames du matériau diélectrique G2, chaque lame
constitutive du groupement G2 est constitué par une lame de même matériau
diélectrique d'épaisseur e2= ~'g/2.
Enfin, et dans un mode de réalisation préférentiel, on indique que
l'épaisseur e; des lames de matériau diélectrique LD constitutives de chaque
groupement G; de lames de matériau diélectrique est en progression
géométrique de raison q dans la direction de superposition des groupements G;
successifs.
Dans le mode de réalisation non limitatif de la figure 2b, le nombre de
groupements superposés est égal à 2, afin de ne pas surcharger le dessin, et
la
raison de la progression géométrique est également prise égale à 2. Ces
valeurs ne sont pas limitatives.
En outre, et de manière non limitative, on indique que l'assemblage des
éléments de matériau BIP à défaut peut étre formé par une structure répétitive
périodique des caractéristiques de perméabilité magnétique, de permittivité
diélectrique et d'épaisseur des lames de matériau dans une, deux ou trois
directions, une direction. perpendiculaire et une ou deux directions
parallèles au
plan constifiuarit le réflecteur, ainsi qu'il sera décrit ci-après dans la
description.
Ainsi, on comprend que la superposition des groupements G; constitue
une répétition de motifs de caractéristiques de perméabilité magnétique, de
permittivité diélectrique et d'épaisseur e; différentes, cette répétition
pouvant
être périodique.
Une description plus détaillée d'une antenne de strûcture différente de
celle représentée en figure 2a et 2b satisfaisant aux critères d'antenne à
large
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bande ou multi-bandes, conformément à l'objet de la présente invention, mais
présentant radioélectriquement un mode opératoire équivalent, sera maintenant
donnée en liaison avec fa figure 3a.
La structure de l'antenne à large bande ou multi-bandes conforme à l'objet
de la présente invention, telle que représentée en figure 3a, est mise en
oeuvre
à partir de la remarque préliminairè selon laquelle l'amplitude du champ
électrique au voisinage du plan constituant le réflecteur R est sensiblement
nulle en raison du principe de réflexion métallique des champs électriques au
voisinage de la surface d'un réflècteur métallique.
En conséquence, ainsi que représenté en figure 3a, la structure de
l'antenne à large bande ou multi-bandes, conforme à l'objet de la présente
invention, est obtenue en supprimant le plan constituant le réflecteur R et en
remplaçant ce dernier par un autre assemblage d'éléments de matériau BIP à
défaut symétrique, les lames de matériau diélectrique constitutives de l'autre
assemblage d'éléments de matériau BIP à défaut symétrique, en raison de la
symétrie précitée, étant notées LDS sur la figure 3a. La symétrie s'entend,
bien
entendu, par rapport à !'élément rayonnant ER ou par rapport à l'ensemble des
éléments rayonnants ER en émission/réception et par rapport au plan médian
matérialisant l'emplacement du plan constituant réflecteur supprimé R.
Pour cette raison, et en raison de la symétrie par rapport à l'emplacement
précitë, les groupements de l'autre assemblage de lames de matériau
diélectrique LDS sont désignés GIS, respectivement G2S en référence à la
figure
2b.
La figure 3b représente un diagramme des coefficients de transmission
exprimés en dB en fonction de la fréquence .pour une antenne à large bande
conforme à l'objet de la présente invention telle que représentée en figure
2a,
2b ou 3a, courbe B, en comparaison d'une antenne de l'art antérieur telle que
décrite dans la demande de brevet français précédemment citée dans la
description, courbe A.
A partir de la comparaison des courbes précitées, on constate un
accroissement important de la bande passante lorsque la structure d'antenne
conforme à l'objet de la présente invention est mise en oeuvrè.
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Ainsi, à titre d'exemple non limitatif, toutes choses égales par ailleurs,
pour
une atténuation de 6dB par rapport à la fréquence centrale à 14 Ghz, on
constate que la bande passante, lorsque la structure d'antenne à large bande
conforme à l'objet de la présente invention est mise en oeuvre, est au moins
deux fois plus importante que la largeur de bande correspondante à la même
fréquence et pour une valeur d'atténuation de 6dB, lorsqu'une structure
d'antenne de type classique est mise en oeuvre.
La figure 4 montre enfin les formes d'ondes obtenues lors de la mise en
oeuvre d'une antenne à large bande conforme à l'objet de la présente invention
par exemple dans le cas de la figure 3a, les formes d'ondes précitées étant
représentées par l'amplitude du champ électrique ~ E ~ respectivement la
valeur
de la partie réelle de ce champ E dans les différentes zones entre lames de
matériau diélectrique constitutives de la structure précitée.
On comprend bien entendu, en raison de la condition selon laquelle à la
cote z=0 l'amplitude du champ électrique est sensiblement nulle, que la forme
d'onde correspondant à la mise en oeuvre de l'antenne à large bande ou multi
bandes objet de la présente invention telle que représentée en figure 2a ou
2b,
correspond bien entendu à la partie supérieure de la figure 4 pour laquelle la
cote z est supérieure à 0.
On constate ainsi que la structure d'antenne à large bande ou multi-
bandes, conforme à l'objet de la présente invention, présente une symétrie
d'un
point de vue géométrique mais une antisymétrie au point de vue de la
répartition du champ électrique par rapport à la cote z=0.
D'une manière générale, on indique que la structure d'antenne à large
bande ou multi-bandes décrite conformément à l'objet de la présente invention
dans la présente description, n'est pas limitée au mode de réalisation décrit
en
liaison avec les figures 2a, 2b et 3a par exemple. En effet, -alors que ces
structures présentent une direction de répétition de motif unique, telle que
représentée en figures 2b ou 3a par exemple, dans la direction Oz, il est bien
entendu possible de prévoir deux directions de répétition et méme trois
directions de répétition dans les directions Oy et Ox du repère représenté en
figure 2b, 3a et 4 par exemple.
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Enfin, il est possible de remplacer les lames d'air séparant les lames de
matériau diélectrique LD par des lames diélectriques de nature différente ou,
le
cas échéant, de remplacer les lames de matériau par des matériaux présentant
des motifs répétitifs également suivant les directions x ou y, outre la
direction z
5 représentée en figure 2a, 2b, 3a et 4.
De méme, les éléments de matériau BIP à défaut constituant les
groupements ou motifs superposés peuvent comporter des lames ou éléments
métalliques ou en matériau magnétique par exemple.
Pour cette raison, dans les figures précitées, le repère orthonormé est .
10 désigné Oxyz, Ozxy, Oyzx pour tenir compte de la réalisation des motifs
répétitifs dans l'une, dans deux ou dans les trois directions.
En ce qui concerne la mise en oeuvre de motifs répétitifs dans une, dans
deux ou dans trois directions ou selon une combinaison de structures de
périodicité unidirectionnelle, bidirectionnelle ou tridirectionnelle vis à vis
du plan
réflecteur, on pourra utilement se reporter à la demande de brevet français
précitée 2 801 428, en particulier aux figures 3, 4 et 5 respectivement de
celle-
ci. L'introduction d'un défaut pour chacune des structures correspondantes
précitées consiste alors à supprimer en zone centrale, une lame, une rangée et
deux rangées respectivement.
En outre, pour réaliser une antenne multi=bandes conforme à l'objet de la
présente invention, l'assemblage d'éléments de matériau BIP à défaut est
configuré de manière à présenter une structure de répétition de groupements G;
dont les caractéristiques de perméabilité magnétique, de permittivité
magnétique et/ou d'épaisseur sont sensiblement discontinues. L'introduction
d'une telle discontinuité permet d'engendrer par couplage mutuel de la zone de
défaut des éléments de matériau BIP à défaut une pluralité de bandes
passantes disjointes.
Enfin, la structure d'antenne conforme à l'objet de la présente invention
permet de mettre en oeuvre un réseau d'antennes. Ainsi que représenté en
figure 5, le réseau d'antennes obtenu comporte une antenne conforme à l'objet
de l'invention telle que décrite précédemment dans la description dans
laquelle
une pluralité d'éléments en émission/réception ER~;k sont répartis
périodiquement au voisinage du plan réflecteur R. Les éléments rayonnants
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ER~;k peuvent être identiques. Le dimensionnement du réseau et le nombre J,K
d'éléments rayonnants dans les deux directions de répartition de ces derniers
sont choisis en fonctiorï de l'application ou de l'utilisation du réseau. De
tels
réseaux trouvent application aux télécommunications point à point et point
multipoints.
On a ainsi décrit une nouvelle structure d'antenne à large bande ou multi-
bandes, laquelle possède des propriétés particulièrement intéressantes en
termes de bande passante tout en conservant les propriétés de rayonnement et
d'encombrement de la structure d'antenne de l'art antérieur, telle que
mentionnée précédemment.
En particulier, la structure d'antenne à large bande ou multi-bandes objet
de la présente invention forme une cavité à fuites dont la fréquence de
fonctionnement est principalement fixée par la dimension de superposition de
l'arrangement d'éléments de matériau BIP à défaut. Les résultats obtenus ont
montré la mise en évidence d'un doublement de la bande passante par rapport
au dispositif de l'art antérieur précédemment décrit.
La structure d'antenne à large bande ou multi-bandes conforme à l'objet
de la présente invention permet de lever une des limites d'utilisation des
matériaux BIP pour la réalisation de dispositifs rayonnants.
