Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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Antenne à matériau BIP (Bande Interdite Photonique)
à paroi latérale entourant un axe
La présente invention concerne une antenne à matériau BIP (Bande Interdite
Photonique) à paroi latérale entourant un axe.
Des antennes connues à matériau BIP comportent :
- une paroi latérale en matériau BIP entourant complètement un axe central
et espacé de cet axe central pour ménager une cavité centrale résonante propre
à
créer au moins une bande étroite de fréquences passantes au sein d'une large
bande de fréquences non passantes du matériau BIP, et
- au moins un élément rayonnant placé à l'intérieur de la cavité, apte à
exciter
un champ électromagnétique pour rayonner ou recevoir un rayonnement
électromagnétique à une fréquence de travail donnée située à l'intérieur de la
bande
étroite de fréquences passantes.
Par exemple, la demande de brevet FR 99 14 521 propose de réaliser une
antenne à matériau BIP ayant une paroi latérale formée de cylindres coaxiaux
entourant la sonde. Dans cette demande de brevet, les modes de réalisation
préférés décrits utilisent une sonde plaque ou sonde Patch. Toutefois, le gain
de
telles antennes équipées d'une sonde Patch n'est pas très élevé.
L'invention vise à améliorer le gain de ces antennes.
L'invention a donc pour objet une antenne en matériau BIP (Bande Interdite
Photonique), présentant un diagramme de rayonnement symétrique par rotation
autour d'un axe central, comportant :
- une paroi latérale en un matériau BIP entourant complètement l'axe central
espacé de cet axe central pour ménager une cavité centrale résonante propre à
créer au moins une bande étroite de fréquences passantes au sein d'une large
bande de fréquences non passantes du matériau BIP, et
- au moins un élément rayonnant placé à l'intérieur de la cavité, apte à
exciter un champ électromagnétique pour rayonner ou recevoir un rayonnement
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la
électromagnétique à une fréquence de travail souhaitée située à l'intérieur de
la
bande étroite de fréquences passantes,
caractérisé en ce qu'un diamètre dc de la cavité centrale résonante est choisi
en fonction de la fréquence de travail souhaitée pour l'antenne selon la
relation
suivante : dc = a . /1, g2 = c. a /(fr. er2 )
OU g2 est la longueur d'onde de la fréquence de travail dans un
matériau
remplissant la cavité centrale résonante, a est un coefficient constant choisi
entre
0,75 et 0,85, c est la célérité de la lumière, et fT est la fréquence de
travail souhaitée
pour l'antenne et Er2 est la permittivité relative du matériau remplissant la
cavité
centrale résonante ;
et en ce que le ou chaque élément rayonnant est positionné à l'intérieur de la
cavité pour exciter soit un champ électrique parallèle à l'axe central de
manière à
exciter uniquement les modes transverses magnétiques de la cavité centrale
résonante, soit un champ magnétique parallèle à l'axe central de manière à
exciter
les modes transverses électriques de la cavité centrale résonante.
Il a été constaté qu'il est possible d'accroître le gain de ces antennes à
matériau BIP en positionnant et en choisissant la ou chaque sonde comme
indiqué ci-dessus. Ici, par résonance radiale on désigne les résonances qui
s'établissent dans un plan perpendiculaire à l'axe central. Ces modes de la
cavité présentant une résonance radiale sont également connus sous les termes
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de modes TE lorsqu'ils sont excités par un champ magnétique H, ou modes
TM lorsqu'ils sont excités par un champ électrique E.
De préférence, les modes de réalisation de l'antenne à matériau BIP peuvent
comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le ou chaque élément rayonnant est apte à exciter uniquement les modes
de la cavité centrale présentant une résonance radiale,
- au moins l'un des éléments rayonnant forme un dipôle électrique
élémentaire parallèle à ou confondu avec l'axe central,
- au moins l'un des éléments rayonnants forme un dipôle magnétique
élémentaire parallèle à ou confondu avec l'axe central ;
- l'antenne comporte au moins une sonde placée à l'intérieur de la cavité, la
ou chaque sonde ayant l'un ou plusieurs desdits éléments rayonnants ;
- au moins un plan conducteur perpendiculaire à l'axe central, et la ou
chaque sonde est supportée par le ou l'un de ces plans conducteurs ;
- au moins deux sondes disposées l'une par rapport à l'autre de manière à ce
que l'une de ces sondes soit l'image électrique de l'autre sonde par une
symétrie
par rapport au plan conducteur ;
- une âme centrale en matériau conducteur aligné sur l'axe central, et en
ce
que la ou chaque sonde est supportée par cette âme centrale ;
- un conducteur électrique d'alimentation de la ou de chaque sonde passant
à l'intérieur de l'âme centrale ;
- plusieurs éléments rayonnants uniformément répartis autour de la
périphérie de l'âme centrale ;
- un support pour maintenir en place la ou chaque sonde dans la cavité, ce
support étant réalisé dans un matériau dont la permittivité relative est égale
à la
permittivité relative du matériau remplissant la cavité à +1- 3 prêt,
- la ou chaque sonde est choisie dans un ensemble composé d'un dipôle
électrique ou d'une sonde fil-plaques ;
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- plusieurs éléments rayonnants disposés à des hauteurs différentes le long
de l'axe central,
- plusieurs éléments rayonnants disposés à une même hauteur le long de
l'axe central ;
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- la cavité centrale présente deux extrémités débouchantes traversées
par l'axe central, et l'antenne comporte au moins un capot d'obturation d'une
des
extrémités débouchantes, ce capot d'obturation étant réalisé dans un matériau
diélectrique dont la permittivité relative est comprise entre 1 et 3;
- la paroi latérale en matériau BIP comporte une structure en matériau
BIP métallique ;
- les éléments rayonnants sont adaptés pour travailler à la même
fréquence de travail, et le ou chaque élément rayonnant formant un dipôle
électrique élémentaire est excité en quadrature de phase par rapport au ou à
chaque élément rayonnant formant un dipôle magnétique élémentaire de
manière à créer une polarisation circulaire ;
- la cavité présente la forme d'un tonneau, l'axe de symétrie du
tonneau étant confondu avec l'axe central,
- la cavité est un cylindre de révolution dont l'axe de révolution est
confondu avec l'axe central,
- la cavité centrale présente deux extrémités débouchantes traversées
par l'axe central, et l'âme centrale comporte deux portions évasées reliées
l'une
à l'autre pàr une portion plus fine, chacune de ces portions évasées obturant
partiellement une extrémité débouchante respective.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va
suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux
dessins
sur lesquels :
- la figure 1 est une vue en perspective schématique et partielle d'un
premier mode de réalisation d'une antenne à matériau BIP;
- la figure 2 est une vue en coupe de l'antenne de la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue en coupe d'un second mode de réalisation
d'une antenne à matériau BIP;
- la figure 4 est une vue en perspective schématique et partielle d'un
troisième mode de réalisation d'une antenne à matériau BIP;
- la figure 5A est une vue en coupe de l'antenne de la figure 4;
- la figure 5B est une vue en perspective schématique d'une sonde
utilisée dans l'antenne de la figure 4;
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4
- la figure 6A est une vue en coupe d'un quatrième mode de
réalisation d'une antenne à matériau BIP;
- les figures 6B et 6C sont des vues schématiques respectivement
avant et arrière d'une sonde utilisée dans l'antenne de la figure 6A;
- les figures 7, 8 et 9 sont des vues simplifiées en perspective
respectivement d'un cinquième, sixième et septième modes de réalisation d'une
antenne à matériau BIP ; et
- la figure 10 est une vue simplifiée en coupe et en perspective d'un
huitième mode de réalisation d'une antenne à matériau BIP.
La figure 1 représente une antenne à matériau BIP désignée par la
référence générale 2. L'antenne 2 comporte une paroi latérale verticale 4
entourant complètement un axe central 6 et espacé de cet axe central pour
ménager une cavité centrale résonante 8.
La paroi 4 est un cylindre de révolution ayant pour axe de révolution l'axe
6. Cette paroi 4 est réalisée en matériau BIP à une dimension présentant une
périodicité radiale. Par exemple, ce matériau BIP comporte successivement un
cylindre intérieur 10, un cylindre intermédiaire 12 et un cylindre extérieur
14. Le
cylindre intérieur 10 est réalisé dans un matériau diélectrique de
permittivité
relative E ri et d'épaisseur constante di. Le diamètre intérieur de ce
cylindre 10
correspond au diamètre extérieur de la cavité 8. A titre d'exemple, E ri est
égal à
neuf dans la suite de cette description.
Le cylindre 12 est réalisé dans un matériau de permittivité relative E r2 et
d'épaisseur constante d2. La permittivité relative S r2 est différente de E
ri. Ici,
par exemple, le matériau est de l'air et E r2 est égal à 1.
Le cylindre 14 est réalisé dans un matériau de permittivité relative égale à
celle du cylindre 10 et d'épaisseur constante dl.
La cavité 8 est remplie d'un même matériau que le cylindre 12 de manière
à correspondre à un défaut de la périodicité radiale du matériau BIP.
Le diamètre dc de la cavité 8 est choisi de manière à ce que celle-ci soit
une cavité résonante propre à créer au moins une bande étroite de fréquences
passantes au sein d'une large bande de fréquences non passantes du matériau
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BIP formant la paroi 4. Pour cela, le diamètre dc de la cavité 8 est choisi en
fonction
de la fréquence de travail souhaitée pour l'antenne 2 selon la relation
suivante :
(1) dc = a. 2 g2 = C. a /(fr. -µ12)
où:
5 -
.1g2 est la longueur d'onde de la fréquence de travail dans le matériau
remplissant la cavité 8,
- a est un coefficient constant choisi entre 0,75 et 0,85 et de
préférence égal à 0,8;
- c est la célérité de la lumière, et
- fT est la fréquence de travail souhaitée pour l'antenne 2.
La valeur du coefficient a est déterminée de façon expérimentale pour créer
la bande étroite de fréquences passantes au sein d'une large bande de
fréquences
non passantes du matériau BIP.
Les épaisseurs d1 et d2 sont également choisies en fonction de la fréquence
de travail souhaitée selon les relations suivantes :
(2) d1 = ¨41 = c / (4.fr
4
(3) d2 = 42/4 = c / (4.fi- Nij2. )
où 2 gi et 2 g2 sont respectivement les longueurs d'ondes correspondant à la
fréquence de travail dans les matériaux des cylindres 10 et 12.
Le coefficient de transmission d'une telle antenne à matériau BIP est
similaire
à celui illustré à la figure 7 de la demande de brevet FR 99 14521.
A titre d'exemple, dans la suite de cette description, la fréquence de travail
souhaitée fT est égale à 5,5 GHz, dc est égal à 43 mm, di est égal à 10,5mm et
d2
est égal à 3,5mm.
En ce qui concerne la hauteur H de la paroi 4 dans la direction parallèle à
l'axe 6, celle-ci est choisie pour correspondre à un bon compromis entre d'une
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part le gain et d'autre part la largeur de la bande passante de l'antenne 2.
D'une
façon générale, plus la hauteur augmente plus le gain augmente et plus la
largeur de la bande passante de l'antenne 2 diminue. Ici, la hauteur de
l'antenne
2 est choisie égale à 214 mm.
Dans ce mode de réalisation, l'antenne 2 comporte un plan conducteur 20
perpendiculaire à l'axe 6 et coupant l'antenne 2 à mi-hauteur. Ici, ce plan
conducteur est une plaque cylindrique dont l'épaisseur est faible devant sa
largeur. Cette plaque est centrée sur l'axe 6 et son diamètre est supérieur au
diamètre extérieur du cylindre 14. Par exemple, le diamètre du plan 20 est de
95mm.
Sur la figure 2, les éléments de l'antenne 2 déjà décrits en regard de la
figure 1 portent les mêmes références.
A l'intérieur de la cavité 8 sont placées deux sondes fils-plaques 24, 26
identiques. Ces sondes 24, 26 sont réalisées conformément à l'enseignement de
la demande de brevet FR 93 10 597. On rappellera simplement ici que chaque
sonde fil¨plaques est formée de deux plaques conductrices 30, 32 parallèles et
d'un élément rayonnant 34 s'étendant perpendiculairement aux plaques
conductrices et raccordant électriquement ces deux plaques conductrices.
Chaque plaque 30, 32 est circulaire et présente un diamètre de 13mm. La
longueur de l'élément rayonnant 34 qui s'étend entre les plaques 30 et 32 est
fonction de la fréquence de travail souhaitée fT. Ici la longueur est choisie
égale
à 0,8mm.
Les plaques 30 et 32 sont raccordées à un générateur/récepteur 38
d'énergie électrique tel qu'un générateur/récepteur de tension ou de courant.
A
cet effet, des conducteurs électriques 40, 42 raccorde respectivement les
plaques 30 et 32 de la sonde 24 à des entrées respectives du
générateur/récepteur 38. De même, des conducteurs électriques 44, 46
raccordent respectivement les plaques 30 et 32 de la sonde 26 à des entrées
respectives du générateur/récepteur 38.
Ces conducteurs 40, 42, 44 et 46 sont fixés à la surface du plan 20 ou
incorporés dans l'épaisseur de ce plan 20 pour ne pas perturber le champ
électrique rayonné par les sondes 24 et 26.
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L'élément rayonnant d'une sonde fil¨plaques est équivalent à un dipôle
électrique élémentaire dont l'axe est confondu avec celui de l'élément
rayonnant.
Dés lors, ici, les sondes 24 et 26 sont positionnées à l'intérieur de la
cavité 8 de
manière à ce que les axes des éléments rayonnants 34 soient alignés sur l'axe
6. Ainsi, chacune des sondes 24, 26 forme un dipôle électrique élémentaire
dont
l'axe est confondu avec l'axe 6. Dans ces conditions, chaque sonde 24 et 26
excite uniquement un champ électrique Ez parallèle à l'axe 6. L'intérêt d'une
telle
caractéristique apparaîtra lors de la description du fonctionnement de cette
antenne.
Les sondes 24 et 26 sont disposées de part et d'autre du plan 20 de
manière à ce que l'une des sondes soit l'image électrique de l'autre sonde par
une symétrie par rapport au plan 20. Ainsi, le plan 20 n'introduit aucune
dissymétrie dans le diagramme de rayonnement de l'antenne 2.
Les sondes 24 et 26 sont maintenues en place à l'intérieur de la cavité 8
par le plan 20. Plus précisément, ici, chaque sonde 24, 26 est fixée au plan
20
par l'intermédiaire d'une cale respective 50, 52. Pour ne pas perturber la
répartition des champs électriques à l'intérieur de la cavité 8, ces cales 50
et 52
sont réalisées dans un matériau dont la permittivité relative est égale à +/-3
prêt
à celle du matériau remplissant la cavité 8. Ici, le matériau utilisé pour ces
cales
est, par exemple, une mousse de Rhoacel dont la permittivité relative est égal
à
1.
A titre d'exemple, ces cales ont une épaisseur de 5mm pour surélever
chaque sonde 24, 26 de 5mm par rapport à la surface du plan 20. Ces cales
permettent d'accroître le gain de l'antenne.
Afin d'empêcher que des saletés puissent pénétrer dans la cavité 8 ou
dans le cylindre 12, l'antenne 2 comporte aux deux extrémités ouvertes de la
cavité 8 un capot d'obturation circulaire 54, 56. Le diamètre de chaque capot
54
et 56 est choisi suffisamment grand pour obturer à la fois l'extrémité
débouchante de la cavité 8 ainsi que l'extrémité du cylindre 12. Le diamètre
des
capots 54 et 56 est donc, par exemple, égal au diamètre extérieur du cylindre
14. Pour ne pas perturber la répartition des champs électromagnétiques à
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l'intérieur de la cavité 8 ces capots sont réalisés dans un matériau
diélectrique
dont la permittivité relative est comprise entre 1 et 3.
Lors du fonctionnement de l'antenne 2, les sondes 24 et 26 excitent
uniquement le champ E. Par conséquent seuls les modes TM de la cavité sont
excités. Les autres modes de la cavité ne sont pas excités, ce qui explique
ses
meilleures performances.
A titre d'exemple, dans le cas particulier de l'antenne 2 décrite ici, les
performances simulées suivantes sont obtenues :
- le gain intrinsèque maximal de l'antenne est d'environ 9,4 dB,
- la bande passante en rayonnement à -3dB et comprise entre 5,4 et
5,8 GHz, et
- le produit gain-bande de l'antenne est égal à 62.
Le produit gain-bande est obtenu en multipliant le gain intrinsèque
maximal de l'antenne en linéaire (c'est-à-dire non exprimé en décibels) par la
bande passante exprimée en pourcents. La bande passante exprimée en
pourcents s'obtient en divisant la largeur de la bande passante par la
fréquence
centrale, le tout multiplié par cent.
Le diagramme de rayonnement de l'antenne 2 est symétrique par rapport
au plan 20 et présente également une symétrie de révolution par rapport à
l'axe
6. Ceci est principalement dû à la disposition des sondes 24 et 26 dans la
cavité
8.
La valeur du gain intrinsèque de l'antenne 2 est meilleure que celle qui
serait obtenue avec une antenne similaire mais équipée d'une sonde Patch
disposée parallèlement au plan 20 ou encore d'une sonde fil-plaques mais dont
l'axe de l'élément rayonnant ne serait pas aligné sur l'axe 6. L'amélioration
du
gain obtenu s'explique par le choix d'un type particulier de sonde et par la
position particulière de cette sonde à l'intérieur de la cavité 8. En effet,
il a été
constaté qu'il existe dans l'antenne 2 deux modes de fonctionnement distincts
appelés par la suite respectivement mode de fonctionnement guidé et mode de
fonctionnement rayonnant. Dans le mode de fonctionnement guidé, l'énergie est
guidée le long de l'axe 6 et n'est pas rayonnée au travers de la paroi 4. Le
mode
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de fonctionnement guidé n'est pas utile lors de l'utilisation de l'antenne 2
et
correspond à de l'énergie perdue. Au contraire, dans le mode de fonctionnement
rayonnant, l'énergie est rayonnée au travers de la paroi 4 et n'est pas guidée
le
long de l'axe 6. Le mode de fonctionnement rayonnant correspond aux modes
de la cavité 8 présentant une résonance radiale, c'est-à-dire les modes TE et
TM.
Ainsi en excitant préférentiellement les modes de la cavité présentant une
résonance radiale, les performances de l'antenne et en particulier son gain
sont
améliorés.
La figure 3 représente une autre antenne 60 à matériau BIP. Dans cette
figure 3, les éléments déjà décrits en regard de la figure 2 portent les mêmes
références et ne seront pas décrits à nouveau.
L'antenne 60 diffère essentiellement de l'antenne 2 par le fait qu'elle ne
comporte qu'une seule sonde fil-plaques 62 et par le mode de fixation de cette
sonde à l'intérieur de la cavité 8. La sonde 62 ne diffère des sondes 24 ou 26
que par ses dimensions. Ici, le diamètre des plaques 30 et 32 est égal à 9mm
et
la longueur de l'élément rayonnant 34 est égal à 5mm. Comme pour les sondes
24 et 26, l'élément rayonnant 34 de la sonde 62 est aligné sur l'axe 6 et
placé
sensiblement à mi-hauteur de la cavité 8. Chaque plaque 30, 32 est raccordée
au générateur/récepteur 38 par l'intermédiaire d'un conducteur électrique
respectif 66, 68. Toutefois, contrairement aux conducteurs 40 et 42, les
conducteurs 66 et 68 s'étendent verticalement le long de l'axe 6 et sont
formés,
par exemple, chacun par un câble coaxial de manière à ne pas perturber les
champs électromagnétiques à l'intérieur de la cavité 8.
Ici, la sonde 62 est posée ou fixée sur un support 70 en matériau
diélectrique. Ici, ce support 70 est, par exemple, fixé sur le capot 56 de
manière
à maintenir en place la sonde 62 au milieu de la cavité 8. De façon similaire
à ce
qui a été décrit pour les cales 50 et 52, le support 70 est réalisé dans un
matériau diélectrique dont la permittivité relative est égale à celle du
matériau
diélectrique remplissant la cavité 8 à +/-3 prêt. Le matériau du support 70
est,
par exemple, de la mousse Rhoacel.
Les conducteurs électriques 66 et 68 traversent le support 70.
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Comme dans l'antenne 2, la sonde 62 excite uniquement les modes TM
de la cavité 8. L'amélioration des performances de l'antenne 60 s'explique
donc
de la même façon que pour l'antenne 2.
La figure 4 représente une antenne 80 comportant une paroi latérale 82
5
entourant complètement un axe central 84 et espacé de cet axe central par une
cavité résonante 86. L'antenne 80 comporte une âme centrale cylindrique 88 en
matériau conducteur qui s'étend le long de l'axe 84.
La paroi 82 est un matériau BIP à une dimension qui, comme pour la
paroi 4 de l'antenne 2, est formée d'une juxtaposition de trois cylindres
verticaux
10 90,
92 et 94. Le cylindre 90 est le cylindre intérieur dont le diamètre intérieur
défini le diamètre extérieur dc de la cavité 86. Lorsque l'antenne comporte
une
âme centrale, la relation (I) est remplacée par la relation suivante :
(4) dc = 42+ clac = c / (fr -472) + clac
OU clac est le diamètre de l'âme centrale 88.
L'épaisseur des cylindres 90, 92 et 94 est calculée à l'aide des relations
(2) et (3) précédentes.
Comme pour l'antenne 2, la cavité 86 ainsi construite crée une bande
étroite de fréquences passantes au sein d'une large bande de fréquences non
passantes du matériau BIP.
La hauteur de la paroi 82 est choisie en fonction d'un compromis entre,
d'une part le gain, et d'autre part, la largeur de la bande passante.
L'âme 88 est ici un cylindre creux en matériau conducteur dont le
diamètre extérieur est de 4mm.
Comme cela va maintenant être décrit plus en détail en regard de la figure
5A, cette âme 88 sert à maintenir en place une sonde fil-plaques 98 à
l'intérieur
de la cavité 86. L'âme 88 est aussi utilisée comme blindage pour deux
conducteurs électriques 100 et 102 d'alimentation de la sonde 98.
La figure 5B représente plus en détail la sonde 98. Cette sonde, comporte
deux plaques conductrices circulaires parallèles 104 et 106 raccordées
électriquement l'une à l'autre par quatre éléments rayonnants 108 à 111
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s'étendant perpendiculairement aux plaques 104 et 106. Les éléments
rayonnants sont, par exemple, de section carrée. Ici, leurs sections est de
1mm2.
La hauteur de chacun des éléments rayonnants est de 5mm.
Les plaques 104 et 106 comportent chacune un orifice central 114 et 116
propre à recevoir l'âme 88. Les éléments rayonnants 108 à 111 sont
uniformément répartis autour de ces orifices centraux 114 et 116. Ici, la
largeur
Li entre l'orifice central 114 ou 116 et la périphérie extérieure des plaques
104
ou 106 mesure 5,5mm. Le diamètre de chaque orifice central est de 9mm.
La sonde 98 comporte également une tige conductrice 118 s'étendant
parallèlement aux éléments rayonnants 108 à 111 entre les plaques 104 et 106.
Cette tige 118 est fixée par l'une de ses extrémités à la plaque 104 tandis
que
l'autre extrémité est libre. Ainsi cette tige est électriquement raccordée à
la
plaque 104 et électriquement isolée de la plaque 106. L'extrémité libre de la
tige
118 est raccordée au conducteur 100. Le conducteur 102 est quant à lui
raccordé électriquement à la plaque 106.
La sonde 98 est maintenue en place à l'intérieur de la cavité 86 par l'âme
88 à mi-hauteur de la paroi 82. Plus précisément, l'âme 88 traverse les
orifices
114 et 116 et la sonde 98 est fixée sur cette âme 88 par l'intermédiaire d'un
anneau 120 en matériau diélectrique. La permittivité relative du matériau de
l'anneau 120 est égale ou proche de la permittivité relative du matériau
remplissant la cavité 86. Par exemple, ici, ce matériau est de la mousse de
Rhoacel (marque déposée).
Les extrémités des conducteurs 100 et 102, raccordées à la sonde 98,
s'étendent au travers de l'anneau 120 dans un plan perpendiculaire à l'axe 84
pour ne pas perturber les champs électromagnétiques à l'intérieur de la cavité
86. Une partie intermédiaire des conducteurs 100 et 102 est logée à
l'intérieur de
l'âme 88 et relie ces extrémités à un générateur/récepteur 122 d'énergie
électrique identique au générateur/récepteur 38.
Les conducteurs 101 et 102 étant séparés de la cavité 86 par un matériau
conducteur, leur rayonnement électromagnétique n'interfère pas avec celui de
la
sonde 98.
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Grâce au fait que les éléments rayonnants de la sonde 98 sont
uniformément répartis autour de l'axe 84, le diagramme de rayonnement de
l'antenne 80 présente, d'une part une symétrie par rapport à un plan
perpendiculaire à l'axe 84 et passant par le milieu de ces éléments rayonnants
et, d'autre part, une symétrie de révolution par rapport à l'axe 84.
La sonde 98 est équivalente à quatre dipôles électriques élémentaires et
excite uniquement les modes TM de la cavité 8.
Jusqu'à présent, les antennes 2, 60 et 80 ont été décrites dans le cas
particulier où elles comportent des sondes fil-plaques. La figure 6A
représente
une antenne 130 dont la structure est identique à celle de l'antenne 80 à
l'exception du fait que la sonde 98 est remplacée par quatre dipôles
électriques
identiques. Les éléments de l'antenne 130 déjà décrits en regard de la figure
5A
portent les mêmes références sur la figure 6A et ne seront pas décrits à
nouveau.
Ici, pour simplifier l'illustration, seuls trois dipôles imprimés 132 à 134
ont
été représentés sur les quatre que comporte l'antenne 130. Les faces arrière
et
avant de l'un de ces dipôles sont représentées plus en détail respectivement
sur
les figures 6B à 6C.
Chaque dipôle imprimé se compose d'un substrat diélectrique
rectangulaire 138. Le substrat fait ici 8,1mm de largeur et 42mm de longueur.
La
face arrière comporte une bande 140 en matériau conducteur occupant toute la
partie supérieure de la face arrière. Cette bande 140 présente ici une
longueur
de 22mm à partir de l'extrémité supérieure du substrat. A l'inverse, sur la
face
avant, une bande 142 de matériau conducteur occupe toute la partie inférieure
de la face avant. Cette bande 142 mesure également 22mm de long en partant
de l'extrémité inférieure du substrat.
Ces bandes 140 et 142 sont raccordées par l'intermédiaire de
conducteurs électriques respectifs 144, 146 à un générateur/récepteur 150
d'énergie électrique.
Les dipôles sont maintenus en place à l'intérieur de la cavité 86 par l'âme
88. Plus précisément, chaque dipôle est espacé de la surface extérieure de
l'âme 88 par un intervalle d'air d'une épaisseur de 0,81mm pour améliorer le
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gain de l'antenne. Ici, les conducteurs électriques 144 et 146 sont choisis
suffisamment rigides pour que leurs extrémités raccordées aux dipôles imprimés
servent d'élément de fixation des dipôles à l'âme 88 sans avoir recours à une
cale ou à un autre support.
Ici, les dipôles imprimés sont placés à différentes hauteurs le long de
l'âme 88 ce qui permet d'étaler le champ Ez qu'ils génèrent le long de l'axe
86.
Ceci améliore les performances de l'antenne et notamment son gain. Ici, les
dipôles 132 et 133 sont disposés juste au dessus d'un plan médian
perpendiculaire à l'axe 84 et passant à mi-hauteur de la paroi latérale en
matériau BIP. Les dipôles imprimés 132 et 133 sont disposés l'un par rapport à
l'autre de manière à ce que l'un de ces dipôles soit l'image de l'autre par
une
symétrie par rapport à l'axe 84. De façon similaire le dipôle 134 et un dipôle
non
représenté sur la figure 6A sont disposés juste en dessous du plan médian de
manière à être l'image l'un de l'autre par une symétrie d'axe 84.
Un dipôle imprimé forme un élément rayonnant équivalent à un dipôle
électrique élémentaire. Ici, les dipôles imprimés sont verticaux de manière à
ce
que l'axe du dipôle électrique élémentaire correspondant soit parallèle à
l'axe 86.
Ainsi, ces dipôles excitent uniquement les modes TM de la cavité.
L'amélioration
des performances obtenues à l'aide de dipôles imprimés est similaire à celle
obtenue grâce à l'utilisation de sondes fil-plaques dont les éléments
rayonnants
sont parallèles à l'axe central de l'antenne.
Jusqu'à présent, les antennes décrites comportaient une paroi latérale
réalisée en matériau BIP diélectrique. La figure 7A représente une antenne 160
dans laquelle la paroi latérale en matériau BIP diélectrique est remplacée par
une paroi latérale en matériau BIP métallique 162. De plus, dans l'antenne
160,
l'âme centrale cylindrique est remplacée par une âme centrale 164 comportant
deux extrémités évasées 166 et 168 raccordées l'une à l'autre par une portion
centrale 170 dont la section est plus étroite.
Contrairement à un matériau BIP diélectrique, un matériau BIP métallique
comporte une répartition de matériau conducteur présentant une périodicité
spatiale dans au moins une direction. Pàr exemple, ici, la paroi 162 est
formée
d'une succession de barres métalliques verticales 172 uniformément réparties
le
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long de la périphérie d'un cercle horizontal 174. Les barres métalliques 172
sont
ici séparées les unes des autres par un matériau dont la conductivité
électrique
est différente telle que, par exemple, de l'air.
Les dimensions de la paroi 162 sont, par exemple, déterminées à l'aide
des relations (2), (3) et (4).
La paroi 162 présente un axe 176 de révolution confondu avec l'axe
central de l'antenne. Le matériau BIP de la paroi 162 ne présente aucune
périodicité dans la direction de l'axe 176. Dans ces conditions, la paroi 162
modifie uniquement la polarisation verticale d'une sonde, c'est-à-dire celle
crée
par une ou plusieurs sondes équivalentes à un dipôle électrique élémentaire
parallèle ou confondu avec l'axe 176.
Par exemple, ici, quatre dipôles imprimés verticaux sont fixés autour de la
portion centrale 170 à mi-hauteur de la paroi 162. Pour obtenir un diagramme
de
rayonnement symétrique, ces dipôles sont uniformément répartis le long de la
périphérie extérieure de la portion centrale 170.
Comme dans les modes de réalisation précédents, l'âme 164 est réalisée
dans un matériau conducteur creux. Les extrémités évasées 166, 168 obstruent
partiellement les extrémités débouchantes de la cavité résonante. Cette
configuration de l'âme centrale augmente d'environ dix pour cent le gain de
l'antenne par rapport à celui d'une antenne dont la paroi latérale et l'âme
centrale sont cylindriques.
L'utilisation d'un matériau BIP métallique pour former la paroi latérale
présente plusieurs avantages dont notamment celui d'améliorer les
performances de l'antenne par rapport à une antenne identique formée avec un
matériau BIP diélectrique. Un matériau BIP métallique est également moins
coûteux qu'un matériau BIP diélectrique.
La figure 8 représente une antenne 180 dans laquelle la paroi latérale est
réalisée avec un autre matériau BIP métallique présentant une périodicité à
une
dimension dans une direction parallèle à un axe central 182 de l'antenne. Plus
précisément, la paroi latérale est formée d'un empilement vertical d'anneaux
184
en matériau conducteur centrés sur l'axe 182. Ces anneaux sont espacés les
uns des autres par un intervalle constant réalisé dans un matériau de
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conductivité différente telle que, par exemple, de l'air. Les matériau BIP
métalliques présentant une périodicité à une dimension dans la direction
verticale, telle qu'ici, modifient uniquement la polarisation horizontale
c'est-à-dire
celle créée par un champ magnétique H, parallèle à l'axe 182.
5 Une
sonde 186 propre à exciter le champ magnétique Hz est placée à
l'intérieur de la cavité résonante de l'antenne 180. De manière à exciter
uniquement le champ magnétique Hz, cette sonde 186 ne comporte que des
éléments rayonnants équivalents à un dipôle magnétique élémentaire dont l'axe
est confondu ou parallèle à l'axe 182. A titre d'exemple, la sonde 186 est une
10 boucle
de courant placée dans un plan perpendiculaire à l'axe 182, à mi-hauteur
de l'antenne 180, et l'axe de révolution de la boucle est confondu avec l'axe
182.
Cette sonde 186 comme les sondes précédemment décrites excite uniquement
les modes de la cavité présentant une résonance radiale de sorte que l'antenne
180 présente essentiellement un mode de fonctionnement rayonnant et non pas
15 un
mode de fonctionnement guidé. Toutefois, contrairement au cas des sondes
équivalentes à des dipôles électriques élémentaires, les modes de la cavité
excités par la sonde 186 sont les modes TE.
Les différentes techniques, décrites en regard des figures 1 à 7, pour
maintenir en place une sonde à l'intérieur de la cavité résonante sont
utilisables
pour maintenir en place la sonde 186 dans la cavité. Ici, les moyens pour
maintenir la sonde 186 dans la cavité n'ont pas été représentés pour
simplifier la
figure 8.
La figure 9 représente une antenne 200 combinant des caractéristiques
des antennes 2 et 180. Plus précisément, la paroi latérale de l'antenne 200
est
formée par la juxtaposition d'un matériau BIP métallique 202 et d'un matériau
BIP diélectrique 204. A titre d'exemple, le matériau BIP métallique 202 est
identique à celui de l'antenne 180 et le matériau BIP diélectrique 204 est
identique à celui de l'antenne 2.
A l'intérieur de la cavité résonante est placée une sonde comportant deux
éléments rayonnants 206 et 208. L'élément rayonnant 206 est équivalent à un
dipôle électrique élémentaire dont l'axe est confondu avec un axe central 210
de
l'antenne 200. L'élément rayonnant 208 est équivalent à un dipôle magnétique
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élémentaire dont l'axe est aussi confondu avec l'axe central de l'antenne.
Dans
ces conditions, l'élément rayonnant 206 excite uniquement le champ électrique
Ez tandis que l'élément rayonnant 208 excite uniquement le champ magnétique
H. On notera de plus que la présence du matériau BIP métallique 202 ne
modifie pas la polarisation verticale générée par l'élément rayonnant 206
puisque celui-ci présente uniquement une périodicité à une dimension dans une
direction parallèle à l'axe central 210.
L'antenne 200 présente donc à la fois une polarisation verticale et une
polarisation horizontale. De plus, ici, de manière à créer une polarisation
circulaire, l'élément rayonnant 206 est excité en quadrature de phase par
rapport
à l'élément rayonnant 208.
Ces éléments rayonnants 206 et 208 sont maintenus en place à l'intérieur
de la cavité résonante en appliquant l'enseignement de l'un des modes de
réalisation précédents. Pour simplifier l'illustration de la figure 9, les
moyens pour
les maintenir en place n'ont pas été représentés.
La figure 10 représente en coupe verticale et en perspective d'une paroi
latérale 220 d'une antenne 222. Cette paroi latérale présente la forme d'un
tonneau. La paroi 220 est, par exemple, réalisée à l'aide d'un matériau BIP
diélectrique. Une telle conformation de la paroi latérale crée une cavité
centrale
en forme de tonneau et augmente d'environ dix pour cent le gain de l'antenne
par rapport à une antenne dont la paroi latérale est formée de cylindres dont
la
section est constante.
Une ou plusieurs des sondes décrites précédemment sont maintenues en
place à l'intérieur de la cavité centrale en forme de tonneau en utilisant
l'enseignement précédemment décrit. Ces sondes et leurs modes de réalisation
n'ont donc pas été représentés sur la figure 10 pour simplifier
l'illustration.
De nombreux autres modes de réalisation d'une antenne à matériau BIP
existent. Par exemple, les sondes fil-plaques, les dipôles électriques ou les
dipôles magnétiques peuvent être remplacés les uns par les autres dans les
modes de réalisation précédents. Il est également possible comme dans
l'antenne 200 d'utiliser ces sondes conjointement à l'intérieur d'une même
cavité
résonante. Ici, les sondes ont été décrites comme étant soit des sondes fil-
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plaques, soit des dipôles électriques imprimés ou non, soit encore des boucles
de courant. Toutefois, toutes sondes dont chaque élément rayonnant est
équivalent soit à un dipôle électrique élémentaire, soit à un dipôle
magnétique
élémentaire est utilisable en lieu et place d'une des sondes précédemment
décrites lorsqu'elle est positionnée dans la cavité résonante de telle manière
que
les éléments rayonnants excitent un champ électromagnétique parallèle à l'axe
central.
Dans les modes de réalisation précédents, les éléments rayonnants sont
uniformément répartis autour de l'axe central de manière à obtenir un
diagramme de rayonnement omnidirectionnel dans un plan perpendiculaire à
l'axe central. Toutefois, en variante, les éléments rayonnants sont disposés
en
nombre plus important du même côté d'un plan contenant l'axe central de
manière à créer une dissymétrie dans le diagramme de rayonnement.
Dans le mode de réalisation de la figure 2, les sondes fil-plaques
comportent deux plaques distinctes du plan conducteur 20. En variante, la
plaque 32 des sondes 24 et/ou 26 est supprimée et l'élément conducteur 34 est
directement raccordé à l'une de ses extrémités au plan conducteur 20. Les
cales
50, 52 sont également supprimées dans cette variante.
L'âme centrale a été décrite dans les précédents modes de réalisation
comme étant réalisée dans un matériau conducteur. En variante, cette âme
centrale est réalisée en matériau BIP. L'âme centrale a été également décrite
comme étant un cylindre de révolution. Toutefois, en variante, la section de
l'âme centrale est un parallélogramme.
Dans un autre mode de réalisation, le matériau BIP de la paroi latérale est
un matériau BIP à deux ou à trois dimensions comme ceux divulgués dans la
demande de brevet FR 99 14521.
Ce qui a été décrit précédemment n'est pas limité aux parois latérales en
forme de cylindre ou de tonneau, mais s'applique à toute paroi latérale en
matériau BIP entourant complètement un axe central et espacé de cet axe
central pour ménager une cavité centrale résonante, cette cavité présentant au
moins un plan de symétrie contenant l'axe central.
