CA2448636C - Antenna provided with an assembly of filtering materials - Google Patents
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Abstract
L'antenne comprend une sonde capable de transformer de l'énergie électrique en énergie électromagnétique et récipro- quement. Elle comprend en outre un assemblage d'éléments en au moins deux matériaux se différeciant 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 (f ) de l'antenne à l'intérieur d'une bande de fréquences non passante.The antenna comprises a probe capable of transforming electrical energy into electromagnetic energy and reciprocally. It further comprises an assembly of elements in at least two materials differing in their permittivity and / or their permeability and / or their conductivity in which said probe is disposed, the arrangement of the elements in said assembly providing radiation and filtering spatial and frequency of electromagnetic waves produced or received by said probe, which filtering allows in particular one or more operating frequencies (f) of the antenna within a non-conducting frequency band.
Description
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 ANTENNA WITH AN ASSEMBLY OF FILTER MATERIALS
The present invention relates to a transmitting or receiving antenna reaching significant directivity levels at order frequencies of the microwave.
Antennae comprising at least one probe capable of transform electrical energy into electromagnetic energy and reciprocally.
Today, the antennas conventionally used are particularly parabolic reflector antennas, antenna lenses and antennae cornet type.
Parabolic reflector antennas have a reflective plane of parabolic form in the focus of which is a probe. This results in a congestion related to the focal length of the parabolic reflector.
The lens antennas comprise a lens at the focus of which find a probe. In addition to the congestion related to the focal length, such a Antenna also has a high weight, due to the weight of the lens, which weight that can be penalizing for some applications.
The horn type antennas are bulky and heavy for achieve high levels of directivity.
The invention aims to remedy the inconveniences of antennas classics by creating one. less bulky and less heavy antenna, capable to emit or receive an electromagnetic wave with levels of important directivity.
The present invention is directed to an antenna comprising at least one probe capable of transforming electrical energy into electro-magnetic and reciprocally, and also comprising an assembly of elements in at least two materials differing in their permittivity and / or their permeability and / or their conductivity in which said probe is disposed, characterized in that the assembly comprises a structure designed on the Principle of Photonic Band Prohibited Materials (BiP) within which
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
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 2 find one or more cavities conferring on the assembly the behavior of a default BIP material in which the arrangement of the elements daps said assembly ensures radiation and spatiotemporal filtering of waves electromagnetic generated or received by said probe, which filtering authorizes transmission through the assembly of one or more operating frequencies of the antenna inside a band of non-conducting frequencies, and in that said assembly of elements present a radial periodicity and at least one defect in this radial periodicity.
The invention therefore preferably relates to an antenna comprising at least one probe capable of transforming electrical energy in electromagnetic energy and vice versa, characterized in that further comprises an assembly of elements in at least two materials differentiating by their permittivity and / or their permeability and / or their conductivity within which said probe is disposed, the arrangement of the elements in said assembly ensuring the radiation and a spatial and frequential filtering of electromagnetic waves produced or received by said probe, which filtering authorizes in particular one or more operating frequencies of the antenna within a non-conducting frequency band.
Said antenna thus makes it possible to obtain a bulk and reduced weight through the use of a simplified feeding system and a assembly, of small thickness, of elements made of materials differentiated by their permittivity and / or their permeability and / or their conductivity.
The antenna according to the invention may further comprise one or more following characteristics:
- said assembly of elements has a periodicity of at least a dimension in its structure and at least one defect that generates at least one cavity within it.
- said assembly of elements comprises a first material of perrnittivity and permeability and conductivity data forming a cavity at breast of a structure of two other materials differentiated by, their permittivity 2a and / or their permeability and / or conductivity, said structure having a triple periodicity according trdis separate spatial directions of said two other materials.
- said assembly of elements comprises a first material of permittivity and permeability and conductivity data forming a cavity at breast a structure of two other materials differing in their permittivity and where their permebility and / or their conductivity, said structure presenting _a double periodicity according to two distinct spatial directions of said two other materials.
- said assembly of elements consists of plane layers of materials differing in their permittivity and / or permeability and or their conductivity.
- said assembly of elements comprises a first planar layer of perimetry material and permeability and conductivity data, within which is disposed the probe, said first layer being in contact with the less a succession of flat layers of materials differing in their permittivity and / or their permeability and / or their conductivity, arranged according to a periodic one-dimensional pattern.
- It further comprises a reflector wave plane electromagnetic devices supporting said probe and placed in contact with said assembly of elements.
Preferably, it comprises a metal plate on which is disposed a probe, said metal plate forming a plane reflector contact with a first planar layer of permittivity material and permeability and conductivity
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 ; 3 .data, the thickness e; of said first planar layer being given by the relationship e, = 0.5 said first layer being itself in contact with . ~ = r ~~ = _ a succession of plane layers of materials differentiating by their permittivity and / or their permeability and / or conductivity, the thickness e of each of said planar layers being given by the relation R
e = 0.25 ~ - ~, where X is the wavelength corresponding to the frequency of er operation of the desired antenna by the user, E, and, being respectively the relative permittivity and the relative permeability of the material of the plane layer considered.
The invention will be better understood from the description which will follow, given, only as an example and made with reference to the drawings annexed, on which:
FIG. 1 represents an antenna according to the invention in the case general;
FIG. 2 represents an antenna according to the invention comprising a reflective plane of electromagnetic waves;
FIG. 3 schematically represents in perspective an example structure of flat layers of materials differing in their permittivity and / or by their permeability and / or conductivity arranged in a pattern periodic one-dimensional;
FIG. 4 diagrammatically shows in perspective an example of structure having a double periodicity according to two spatial directions distinct from the materials constituting it;
FIG. 5 schematically represents in perspective an example of structure having a triple periodicity according to three directions spatial distinct from the materials constituting it;
FIG. 6 diagrammatically shows in perspective an antenna according to a particular embodiment of the invention;
FIG. 7 represents a curve giving the coefficient of transmission as a function of the frequency of the electromagnetic wave emitted or received by an antenna according to the invention;
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.
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. 4 FIG. 8 represents a directivity diagram of the antenna according to the embodiment shown in Figure 6; and FIG. 9 is a diagrammatic perspective view of an antenna according to another embodiment.
An antenna according to the invention shown in FIG.
a probe 10 capable of transforming an electric wave into a wave electromagnetic and reciprocal. Antennas, such as antennas plate, dipoles, circular polarization antennas, `` slots, the coplanar wire-plate antennas may for example be suitable as a probe 10 in an antenna according to the present invention. "
An assembly of elements in at least two materials differentiating by their perrnittivity and / or their permeability and / or by.
their conductivity at which the probe 10 is disposed. We will choose preference materials: at low losses, such as for example plastic, ceramic, ferrite, metal, etc.
An advantage of the present invention is that the probe 10 can be very simple to design from the moment it fills-the type of polarization (linear or circular), the elGpticity rate and the characteristics desired electric by the manufacturer, this probe 10 to be nevertheless small in front of overall dimensions of the antenna.
An interest of the assembly 20 is to allow to design a Antenna permitting one or more frequency propagation models to inside a non-conducting band, in one or more directions spatial the spatial filtering being itself dependent on the frequency and of the nature of the materials involved in the assembly 20.
Another advantage of this assembly 20, comprising a structure 22 designed on the principle of photonic band gap materials within which is one or more cavity (s) 21 is to have one or more frequency mode (s) of very isolated propagation (s) of its (their) closest neighbors.
A structure designed on the principle of band gap materials Photonics is a structure of elements that differ in their permittivity and / or by their permeability and / or by their conductiyity, which structure present periodicity to at least one dimension.
A cavity 21 placed in the assembly 20 confers on it, for example, the association with the photonic bandgap material 22, the behaviour of a material known to those skilled in the art band gap material photonics otherwise.
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 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. 5 It can be:
- a local modification of the dielectric characteristics and / or magnetic and / or conductivity of the materials used, - a local modification of the dimensions of one or more materials.
An antenna according to the invention shown in FIG.
have an electromagnetic reflective plane 30 placed in the middle of the assembly 20 and containing the probe 10, making it possible to halve the dimensions of the antenna, especially when the radiation is not useful than in a half space.
An interest of an antenna according to the invention comprising a plane electromagnetic reflector 30 is to increase the gain of the main lobe of the directivity diagram of said antenna.
An antenna according to the invention shown in FIG.
structure 22 designed on the principle of photonic bandgap materials having a one-dimensional periodicity, i.e. said structure comprises an alternation of plane layers of two materials 23 and 24, by examples of alumina and air respectively, distinguished by their permittivity and / or permeability and / or conductivity.
An antenna according to the invention shown in FIG.
structure 22 designed on the principle of photonic bandgap materials having a two-dimensional periodicity, i.e.
structure 22 has bars, of cylindrical shape arranged in a regular way, of a first material 25, for example alumina, separated from each other by a second material 26, for example air, the second material is distinguishing the first by its permittivity and / or permeability and / or conductivity.
For example, the structure consists of form bars cylindrical arranged in a succession of superposed layers.
In each layer, the bars extend parallel to one another to others and are placed with a regular step.
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 6 In addition, the bars of successive layers are aligned with a not regular. Preferably, the bars are metallic.
An antenna according to the invention shown in FIG.
structure 22 designed on the principle of photonic bandgap materials, having a three-dimensional periodicity, such as said structure 22 comprises a bar arrangement, for example of parallelepipedal shape arranged in a regular manner, a first material 27, for example alumina or metal, separated from each other by a second material -28, for example from air, said second material being distinguished from the first material by its permittivity and / or its permeability and / or conductivity.
For example, the structure 22 is composed of form bars substantially parallelepiped arranged in a stack of layers superimposed. In each layer, the "ban = waters extend parallel to each other and are placed at a regular pace and, the bars of two neighboring layers form a constant angle, for example an angle of 900.
In addition, the bars of diapers separated by a layer intermediate are parallel to each other and aligned with a regular pitch.
With reference to FIG. 6, a preferred embodiment of a Antenna according to the present invention comprises:
A plate probe 10a using a single feed wire 11;
An interest of this probe is to be very simple of conceptio.n and of limit the metallic and dielectric losses of the antenna.
- A metal plate forming an electromagnetic plane reflector 30A;
A flat layer forming a cavity 21 in contact with the planar reflector 30a, said cavity 21a consisting of a material, preferably low permittivity or permeability to limit guiding of the surface waves, which material may be air as shown in figure 6 as an example;
. A structure 22 whose materials 23a, 24a, 23b are different by their permittivity and / or their permeability and / or their conductivity are arranged in successive plane layers, in a one-dimensional periodic pattern.
The number of useful periods in the direction orthogonal to the plane of the antenna depends on the contrasts of permittivity and / or permeability and / or
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 7 conductivity of the materials used. To reduce the number of periods, should increase the index contrasts between the different materials.
For example, in the embodiment shown in FIG.
materials used are alumina with a high permittivity index and air with low permittivity index which allows the structure 22 to have only three layers of materials.
The structure 22 thus consists of a first plane layer 23a of alumina in contact with a second plane layer 24a of air itself in contact with a third flat layer 23b of alumina.
In the embodiment as shown in FIG.
the assembly 20 of successive planar layers of dielectric materials or where the first layer 21a constitutes the cavity and where the following 23a, 24a and 23b constitute the structure 22:
.a) The thickness eZ, a of the flat layer 21a made of a material of relative permittivity sf and relative permeability, is given by the formula e218 -0.5 Å where X is the wavelength corresponding to the frequency of operation of the antenna ,, and where the. symbol "-" means "equal or slightly near equal ".
By way of example, the thickness of the plane air layer 21a represented in FIG. 6 is e2, a = 0.5 X.
b) The thickness e of a plane layer of a dielectric material or of relative permittivity E, and of relative permeability, at the interior of ~
structure 22 is given by the formula e- 0.25 ~ - ~.
By way of example, the thickness of the plane layer of alumina 23a represented in FIG. 6 is approximately e2.a = 0.08 X; the thickness of the layer plane 24a air shown in FIG 6 is e24a = 0.25 the thickness of the plane layer Alumina 23b shown in Figure 6 is about% b = 0.08h.
c) The lateral dimensions of the structure 22, the plate 30a and the cavity 21a are chosen according to the desired gain of the antenna. The form useful
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. 8 for the antenna is part of a circle whose diameter ~ is connected to the gain sought, according to the following empirical formula: GdB> _ 201og ~ - 2.5.
For example, for. obtain a gain of 20 dB as represented FIG. 8, an antenna system according to the invention can have dimensions Lateral shape of the antenna is then selected for get some form of the radiation of the antenna, according to a known method.
(d) Taking into account the lateral dimensions and the thicknesses of different layers of material used in the composition of the antenna such as described in FIG. 6, said thicknesses and lateral dimensions being mentioned above, the overall dimensions of the antenna are therefore:
thickness H of about 2, and a lateral dimension L of 4.3 X. Thus, for a operating frequency of 10 Ghz corresponding to a wavelength of 3 cm, a particular example of an antenna according to the present invention as represented in FIG. 6 will have a volume of the order of 3 × 13 × 13 cm 3, while conventional satellite dish system, operating at the same frequency of 10 Ghz, which has a focal length of about 70 cm, occupies a clearly superior.
It therefore clearly appears that the present invention improves very clearly the problem of congestion related to antennas thanks in particular to the low thickness of an antenna according to the invention.
Moreover, since the thickness of the successive plane layers an antenna according to the invention, as described in FIG. 6, is proportional to 1 and therefore inversely proportional to the operating frequency of the antenna, such an embodiment makes it possible to design a working antenna at very high frequency thanks to multilayer technologies.
An antenna according to the invention as shown in FIG. 6 provides radiation and a spatial and frequency filtering of waves electromagnetic produced or received by said antenna, as shown in FIG. 7. Said filtering allows, in particular, one or more frequency (s) of operation f of said antenna within a non-frequency band passerby B.
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.
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 9 An antenna according to the invention as represented in FIG.
designed to achieve a gain of 20db and presents a diagram of radiation shown in Figure B.
It appears that the antenna according to the invention can achieve gains important in a given direction such as aperture antennas classics.
It is also visible that this radiation pattern presents low levels of sidelobes.
The operation of the antenna described with reference to FIG.
now be examined. The antenna has two modes of operation:
a transmitter mode and a receiver mode.
In transmitter operating mode, an electric current leads by the feed wire 11 reaches the level of the probe 10a which the transformed in electromagnetic wave. This electromagnetic wave then passes through the assembly of elements made of materials differing in their permittivity and / or by their permeability and / or their conductivity, the arrangement of which allows to operate by construction a spatial and frequency filtering on the wave electromagnetic and thereby conform the radiation pattern of the antenna system according to properties desired by the user.
In receiver operating mode, an electromagnetic wave reaching the antenna level is spatially filtered and frequently during its crossing of the assembly 20 of elements in materials differentiating by their permittivity and / or permeability and / or by their conductivity, before reaching the probe 10a. Then, the wave electromagnetic filtered according to desired properties by construction of the antenna, is transformed into electric current by the probe 10a and transmitted at power wire 11.
According to a particular embodiment, the probe of the antenna is nature capable of generating linear or circular polarization in the antenna, resulting in an operation thereof, either in linear polarization or in circular polarization.
According to another particular embodiment, the shape of the layers planes is arranged to obtain a radiation pattern and gain wanted according to the theory of radiating openings.
According to yet another embodiment, the constituent elements of the structure are coaxial cylinders surrounding the probe, the arrangement thus having a radial periodicity, and the inner cylindrical element form a cavity receiving said probe.
According to yet another embodiment, the constituent elements of the structure 22 are coaxial cylinders made of belt materials forbidden photon with a periodicity in two or three dimensions.
According to yet another embodiment of the invention, one of the at least have dielectric and / or magnetic characteristics
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, 10 variables depending on an external source such as an electric field or magnetic, so as to achieve tunable antennas.
According to another characteristic of the invention, the present assembly multiple periodicity defects generated by a cavity or the juxtaposition of several cavities and to widen the bandwidth of the antenna and / or of create multiband antennas.
Finally, according to another embodiment of the invention, the assembly 20 has a periodicity of at least one dimension and at least one defect in one of the dimensions of this periodicity that generates at least one cavity within it, the elements remaining arranged in a regular step in the other dimensions.
Thus, the antenna shown in FIG. 9 comprises:
a plate probe 10a using a single feed wire 11;
a metal plate forming an electromagnetic plane reflector 30a;
a flat layer forming a cavity 21 has in contact with the planar reflector 30a, identical to that shown in FIG. 6; and a structure 22 in contact with the planar cavity layer 21 a.
This structure has a two-dimensional periodicity: it comprises bars 25 of cylindrical form arranged in two layers 32 and 34 identical and superimposed. In each layer 32 and 34, the bars 25 extend parallel to each other and are placed with a step regular.
Thus, the assembly 20 consisting of the cavity 21a and the structure 22 has a defect in its periodicity, in the dimension corresponding to the orthogonal direction to the plane reflector 30a and layers 32 and 34. By against,
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. 11 the periodic arrangement of the bars 25 in each layer 32 and 34 is not affected by the presence of the cavity 21 a.
The dimensions of this antenna are also dependent on the operating frequency for which it was designed. For example, for operate at a frequency of 4.75 GHz, the lateral dimensions of the antenna are 258 mm, the thickness of the cavity 21 a is 33.54 mm, the two layers 32 and 34 are 22.36 mm apart and in each layer, the bars 25 have a diameter of 10.6 mm and their respective axes are spaced 22.36 mm.
The bars may be made of dielectric materials, magnetic or metallic.
Under these conditions, the antenna represented in FIG.
as shown in Figure 6, a radiation pattern such as the one shown in Figure 8.
In a variant, the antenna comprises a multiplicity of nature probes different.
An antenna according to the invention can be used as:
- high frequency broadband information antenna, due to its ability to operate at high frequencies using deposition techniques multilayer;
- Antenna for aerospace-type embedded applications or military, for example, because of its small footprint and because of these stealth characteristics due to narrow bandwidth;
- conventional aperture antenna to replace antennas aperture known parabolic dish type or lens antenna.
Claims (13)
et/ou leur conductivité au sein duquel ladite sonde est disposée, caractérisée en ce que l'assemblage comporte une structure (22) conçue sur le principe des matériau Bande Interdite Photonique (BiP) au sein de laquelle se trouvent une ou plusieurs cavités (21) conférant à l'assemblage le comportement d'un matériau BIP à
défaut dans lequel la disposition des éléments dans ledit assemblage assure le rayonnement et un filtrage spatiotemporel des ondes électromagnétriques produites ou reçues par ladite sonde, lequel filtrage autorise notamment la transmission au travers de l'assemblage d'une ou plusieurs fréquences de fonctionnement (f) de l'antenne à l'intérieur d'une bande de fréquences non passante, et en ce que ledit assemblage d'éléments (20) présente une périodicité
radiale et au moins un défaut (21) dans cette périodicité radiale. 1. Antenna comprising at least one probe (10) capable of transforming electrical energy into electromagnetic energy and conversely, and also comprising an assembly (20) of elements in at least two materials differing in their permittivity and / or their permeability and or their conductivity within which said probe is arranged, characterized in that than the assembly comprises a structure (22) designed on the principle of materials Photonic Prohibited Band (BiP) within which there is one or more many cavities (21) giving the assembly the behavior of a BIP material at default wherein the arrangement of the elements in said assembly ensures the radiation and spatiotemporal filtering of electromagnetic waves produced or received by said probe, which filtering allows in particular the transmission through the assembly of one or more frequencies of operation (f) of the antenna within a frequency band not pass-through, and in that said assembly of elements (20) has a periodicity radial and at least one defect (21) in this radial periodicity.
au sein duquel est disposée la sonde, ladite première couche étant en contact avec au moins une succession de couches cylindriques (23a, 23b, 24a), lesdites couches cylindriques (23a, 23b, 24a) ayant des matériaux se différenciant par leur permittivité et/ou leur perméabilité et/ou leur conductivité et étant agencées selon un motif périodique à au moins une dimension pour former ladite structure de cylindres coaxiaux. 4. Antenna according to claim 3, characterized in that said assembly of elements comprises a first cylindrical layer of material (21 a) made with said first material forming at least one cavity within which the probe is placed, said first layer being in contact with at least one succession of cylindrical layers (23a, 23b, 24a), said cylindrical layers (23a, 23b, 24a) having materials differentiated by their permittivity and / or their permeability and / or their conductivity and being arranged in a periodic pattern with at least one dimension to form said structure of coaxial cylinders.
à deux ou trois dimensions. 13. Antenna according to claim 6, characterized in that the structure (22) comprises metal bars arranged with a periodicity two or three dimensional.
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