EP1250729A1 - Antenne a composite anisotrope - Google Patents

Antenne a composite anisotrope

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EP1250729A1
EP1250729A1 EP00990097A EP00990097A EP1250729A1 EP 1250729 A1 EP1250729 A1 EP 1250729A1 EP 00990097 A EP00990097 A EP 00990097A EP 00990097 A EP00990097 A EP 00990097A EP 1250729 A1 EP1250729 A1 EP 1250729A1
Authority
EP
European Patent Office
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composite
antenna
layers
radiating
conductive
Prior art date
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Granted
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EP00990097A
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German (de)
English (en)
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EP1250729B1 (fr
Inventor
Olivier Acher
François DUVERGER
Gérard LEFLOUR
Hervé JAQUET
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Commissariat A L'energie Atomique En Dassault Avia
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Dassault Aviation SA
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1250729A1 publication Critical patent/EP1250729A1/fr
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Publication of EP1250729B1 publication Critical patent/EP1250729B1/fr
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/10—Resonant slot antennas
    • H01Q13/18—Resonant slot antennas the slot being backed by, or formed in boundary wall of, a resonant cavity ; Open cavity antennas
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    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
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    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • H01Q9/26—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole with folded element or elements, the folded parts being spaced apart a small fraction of operating wavelength
    • H01Q9/27—Spiral antennas
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    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • H01Q9/28—Conical, cylindrical, cage, strip, gauze, or like elements having an extended radiating surface; Elements comprising two conical surfaces having collinear axes and adjacent apices and fed by two-conductor transmission lines
    • H01Q9/285—Planar dipole
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49016—Antenna or wave energy "plumbing" making

Definitions

  • the present invention relates to an antenna with anisotropic composite. It finds an application in telecommunications, in particular in the frequency band going from approximately 50 MHz to approximately 4 GHz.
  • the antenna of the invention can be used both for transmission and for reception.
  • the so-called “skin” antennas generally consist of a metal case above which is arranged an element capable of radiating or receiving an electromagnetic field.
  • the length of this element is generally close to the half-wavelength of the field to be transmitted or received. It can consist of a slit pierced in a metal plate or a metallic pattern (strand or ribbon).
  • FIG. 1 attached thus shows an antenna with an element 10 capable of radiating or receiving, a conductive plane 12, conductive walls 13 cylindrical or parallelepipedic, a dielectric layer 14 placed on the front face of the assembly and serving as protection and finally a conductor 16 connecting the element 10 to transmission or reception means not shown.
  • the radiated or received electromagnetic field is symbolically represented by the arrows R.
  • This type of antenna imposes severe constraints on the distance D to be provided between the radiating element and the conductive plane constituting the bottom of the housing. This distance must be large enough so that there is no destructive interference between the incident wave and the wave reflected by the housing, without however being excessive which would be detrimental to the gain and the bandwidth of the 'antenna.
  • a dynamic demagnetizing field which is the product of a demagnetizing coefficient by the saturation magnetization of the ferrite.
  • This field increases the resonant frequency while decreasing the permeability of the ferrite substrate.
  • the static magnetizing field (equal to the product of the demagnetizing coefficient in the direction of the field applied by the saturation magnetization) reduces the interest of the ferrite substrate in the case where an external magnetic field is applied to match the properties of the substrate. antenna.
  • the field to be applied to the substrate is equal to the sum of the internal field and the demagnetizing field, and increasing the value of the field to be applied amounts to increasing the power of the magnet system, or the consumption of an electromagnet.
  • the object of the present invention is precisely to remedy all of these drawbacks.
  • the invention recommends adding, between the conductive plane and the element capable of radiating or receiving, an anisotropic composite formed by a stack of alternately ferromagnetic and electrically insulating layers. These layers are perpendicular to the conductive plane. If they rest directly on this plane, they rest there by their edge. Furthermore, these layers are oriented or configured to be perpendicular (or substantially perpendicular) to the electrical component of the radiated or received field, component taken in the plane of the antenna.
  • the composite used in the invention is known per se and sometimes called "LIFT" for "Lamellar Ferromagnetic Insulator on the Slice". It is described in document FR-A-2 698 479. A method for measuring its electromagnetic characteristics is described in FR-A-2 699 683.
  • Such a composite has high permeability and low permittivity in the microwave range, for a plane wave arriving at normal incidence, with rectilinear polarization (magnetic field parallel to the layers and electric field perpendicular to the layers). It is possible to adjust the frequency response of these materials by combining several ferromagnetic materials.
  • the composite in question is anisotropic, that is to say that its electromagnetic properties are very different depending on the orientation of the magnetic and electric fields with respect to the layers. If the electric field is perpendicular to the ferromagnetic layers, the material lets the electromagnetic wave penetrate. If, on the contrary, the electric field is parallel to the conductive lamellae, it is totally reflected by the material, which then behaves like a metal.
  • This impedance Z is defined by:
  • the impedance of the composite is close to that of a metal, that is to say close to zero.
  • the materials constituting an anisotropic composite are light and easy to form.
  • specific frequency responses can easily be obtained by playing on the permeability of the materials.
  • the conductive nature of the composite for a particular direction of the field can be an advantage.
  • the application to the anisotropic component of a magnetic field does not have the drawbacks encountered with ferrites. Indeed, high permeabilities can be obtained with low volume fractions of magnetic material.
  • the demagnetizing field is then proportional to the saturation magnetization divided by its volume fraction. Static and dynamic demagnetizing field values are thus considerably lower than in the case of ferrites.
  • an external magnetic field can be useful for reducing magnetic losses at the working frequency.
  • the present invention therefore relates to an antenna comprising an element capable of radiating or receiving an electromagnetic field, this element being disposed in front of a conducting plane, this antenna being characterized in that it further comprises, between the element capable of radiating or receiving and the conductive plane, an anisotropic composite formed by a stack of alternately ferromagnetic and electrically insulating layers, these layers being perpendicular to the conductive plane and to the electrical component of the field radiated or picked up by the antenna .
  • the composite can be placed directly on the conductive plane, but not necessarily.
  • the element capable of radiating or receiving it can be of any known form: straight or spiral slot, straight or spiral strands or ribbons.
  • the composite layers must be oriented accordingly to always be perpendicular (or substantially perpendicular) to the electrical component of the radiated or received field. This component is the component in the plane of the antenna (the component of the electric field oriented perpendicular to the plane of the antenna is not taken into account).
  • - Figure 2 shows a straight slot antenna
  • - Figure 3 gives the electromagnetic characteristics of a LIFT composite placed under a straight slot antenna
  • FIG. 4 shows the variation of the standing wave rate as a function of the frequency for an antenna according to Figures 2A and 2B with the composite of Figure 3;
  • FIG. 5 shows the gain of the antenna with and without anisotropic composite as a function of the height of the antenna
  • FIG. 8A, 8B show a top view in section of a spiral slot antenna
  • FIG. 9 shows in top view the shape of the composite in the case of Figures 8A and 8B;
  • - Figure 10 shows a slot antenna with central excitation;
  • FIGS. 11A and 11B show, in top view and in section, an antenna with two rectilinear conductive strands;
  • - Figure 12 shows an antenna with two conductive strips;
  • FIG. 13A and 13B show, in top view and in section, an antenna with spiral conductive strips. Detailed description of particular embodiments
  • the composite used according to the invention plays, in particular, the role of impedance transformer. It must be designed so that the efficiency of the antenna is as high as possible.
  • the surface impedance is given as a first approximation by:
  • the composite placed on a conducting plane must have a sufficiently large normalized surface impedance (greater than 0.5) at the frequency considered, so that the efficiency E is not too low.
  • the typical thickness of the composite will be less than ⁇ / 20.
  • the composite may possibly be surmounted by a layer of dielectric or air, situated between it and the radiating element. The thickness of this layer does not generally exceed ⁇ / 10.
  • a favorable case is that where the loss level remains low ( ⁇ '' / ⁇ ' ⁇ 0.15 where ⁇ ' 1 is the imaginary part of the permeability and ⁇ 'the real part) so that the standing waves penetrate in the material and participating in the radiation of the antenna are not too quickly attenuated.
  • ferromagnetic material having a gyromagnetic resonance frequency greater than half the operating frequency of the antenna and for example less than 1.2 times this frequency.
  • the volume fraction of ferromagnetic material can be at least equal to 5%.
  • the permeability of an anisotropic composite depends on the properties of the ferromagnetic material.
  • the laws of dependence can be found in the article entitled “Demonstration of anisotropic composites with tuneable microwave permeability manufactured from ferromagnetic thin films" by 0. ACHER, P. LE GOURRIEREC, G. PERRIN, P. BACLET and 0. ROBLIN, published in "IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques", vol. 44, 674, 1996.
  • the frequency of use of the antenna of the invention is the band from about 50 MHz to about 4 GHz. Beyond 4 GHz, the permeability levels obtained with the thin layers make them less attractive and the thicknesses necessary for the production of the antennas become less than a centimeter so that further decreasing this thickness is of little interest.
  • Figure 2 shows an example of an antenna transmitting around 1.9 GHz.
  • the element capable of radiating or receiving is a slot 20 pierced in a conductive plate 21.
  • the conductive plane 22 supports the anisotropic composite 24.
  • the electrical connection is referenced 26.
  • the electrical component of the field is noted E.
  • the slot 20 can have a length of 79 mm and a width of 2 mm.
  • the metal plate 21 can be a square plate of 300 ⁇ 300 mm 2 .
  • Several heights D have been tested, namely 40 mm, 20 mm, 10 mm and 5 mm, which correspond respectively to ⁇ / 4, ⁇ / 8, ⁇ / 16, ⁇ / 32.
  • the composite 24 is formed from flat strips and is arranged in such a way that these strips are all parallel to the longitudinal edges of the slot 20.
  • the composite can be produced from a ferromagnetic layer of composition Co 82 Zr 8 Nb ⁇ o deposited on a film of mylar (registered trademark).
  • the thickness of the ferromagnetic was 1.3 ⁇ m and that of the mylar 10 ⁇ m.
  • the layers rest by their edges on the metallic plane.
  • the electric field at the level of the slit is perpendicular to it and is therefore perpendicular to the lamellae.
  • the electromagnetic characteristics of the composite, for favorable polarization i.e.
  • FIGS. 4 and 5 The experimental characteristics of the antenna thus produced are given in FIGS. 4 and 5 as a function of the distance D, which is expressed in fractions of the wavelength.
  • Figure 4 gives the standing wave rate (TOS) and
  • Figure 5 the gain, G expressed in dB.
  • TOS standing wave rate
  • G the gain
  • the TOS at the input of the antenna increases considerably in the metallic configuration of the prior art (curve 25 ), while it remains very low (of the order of 1.5) in the configuration of the invention (curve 26).
  • Figures 4 and 5 show that for a thickness D less than 10 mm, all the performance of the antenna of the invention is superior to that of a conventional antenna.
  • FIG. 6 thus shows the adaptation band with a TOS lower than 3. It is remarkable to note that this bandwidth is very wide even when one approaches the plated configuration. In the case of metal alone, (prior art), the TOS degrades and the associated bandwidth is reduced.
  • FIG. 8A and 8B further illustrate a slot antenna but in the case of a spiral slot.
  • FIG. 8A which is a top view
  • FIG. 8B which is a section along AA, better shows the conductive plane 32, the composite 34 and the connection 36.
  • This composite is shown in top view in Figure 9 (the radiating element having been removed). We therefore see in the spiral slot 30 the circles of the composite (FIG. 8A).
  • the electrical component of the radiated or received field is marked E.
  • the ferromagnetic and insulating layers are cylindrical. The spiral of the radiating slit and the layers of the composite are therefore not strictly parallel, but the deviation from the parallelism is small (less than 10 °) and has no effect on the performance of the antenna.
  • the composite can be produced from CoFeNiSiB with a thickness of 1.3 ⁇ m, with an adhesive thickness of 2.5 ⁇ m. The density of the material is then 2.3. Thicknesses as low as 1 mm allowing impedances greater than 1.5 to be obtained, therefore good properties for cavity depths of the order of ⁇ / 10 or less.
  • the production of a composite with spiral layers substantially parallel to the slot can be done by winding strips on preforms, or by any other means.
  • the radiation area of the spiral slot depends on the radius of the latter, this value being related to the frequency.
  • the optimization of the thickness of the composite material must be a function of the radius of the cavity.
  • Another variant, easier to produce, consists in manufacturing a composite torus by winding and in placing the spiral slot concentrically. This solution less respects the geometry of the fields, but is acceptable if the opening of the spiral is less than 30 °.
  • Figure 10 also illustrates a slot antenna but in a variant where the slot is wide and excited at its center.
  • the slot is referenced 40, the conductive plane 42, the composite 44 and the supply connection 46.
  • the lamellae of the composite are still oriented parallel to the longitudinal edges of the slot, that is to say perpendicular to the component E.
  • FIGS. 11A and 11B illustrate, respectively in top view and in section along AA, an embodiment in which the antenna is of the dipole type.
  • the element capable of radiating or receiving consists of two conductive strands 50.
  • the conductive plane 52 supports the composite 54 and a dielectric layer 55 can support the two strands.
  • Connection 56 is double.
  • the lamellae of the composite 54 are oriented perpendicular to the strands.
  • the length of each strand can be close to 75 mm for ⁇ / 2 operation.
  • the material whose characteristics have been illustrated in FIG. 3 with a thickness of 1.5 to 3 mm.
  • the thickness of the dielectric layer 56 does not exceed ⁇ / 16.
  • the strands can be replaced by conductive tapes as illustrated in FIG. 12. These tapes bear the reference 60, the conductive plane the reference 62 and the composite the reference 64. The layers of the composite are still lamellae perpendicular to the large dimension of the ribbons 60.
  • FIGS. 13A and 13B which are respectively views from above and in section along AA, the conductive strands 70 are no longer rectilinear but have a spiral shape.
  • the composite 74 is then formed of radial lamellae substantially perpendicular to the conductive strands.
  • Connection 76 is double and supplies the spiral strands.

Landscapes

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Description

ANTENNE A COMPOSITE ANISOTROPE
DESCRIPTION
Domaine technicfue
La présente invention a pour objet une antenne à composite anisotrope. Elle trouve une application en télécommunications, notamment dans la bande de fréquence allant d'environ 50 MHz à environ 4 GHz. L'antenne de l'invention peut servir aussi bien en émission qu'en réception.
Etat de la technique antérieure
Les antennes dites "de peau" sont en général constituées d'un boîtier métallique au-dessus duquel est disposé un élément apte à rayonner ou à recevoir un champ électromagnétique. La longueur de cet élément est généralement voisine de la demi-longueur d'onde du champ à émettre ou à recevoir. Il peut être constitué d'une fente percée dans une plaque métallique ou d'un motif métallique (brin ou ruban) .
La figure 1 annexée montre ainsi une antenne avec un élément 10 apte à rayonner ou à recevoir, un plan conducteur 12, des parois conductrices 13 cylindriques ou parallélépipédiques , une couche diélectrique 14 placée sur la face avant de l'ensemble et servant de protection et enfin un conducteur 16 reliant l'élément 10 à des moyens d'émission ou de réception non représentés. Le champ électromagnétique rayonné ou reçu est symboliquement représenté par les flèches R. Ce type d'antenne impose des contraintes sévères sur la distance D à ménager entre l'élément rayonnant et le plan conducteur constituant le fond du boîtier. Cette distance doit être suffisamment grande pour qu'il n'y ait pas d'interférence destructrice entre l'onde incidente et l'onde réfléchie par le boîtier, sans toutefois être excessive ce qui serait nuisible au gain et à la bande passante de l'antenne.
Pour tenter de réduire ces contraintes, on a pensé ajouter un diélectrique à fort indice entre l'élément apte à rayonner ou à recevoir et le plan conducteur, ce qui permet de diminuer l'intervalle D. Mais cette diminution s'effectue au détriment de la bande passante de 1 ' antenne . On a pensé également utiliser des substrats magnétiques en ferrite pour accorder l'antenne sur une certaine bande de fréquence. Mais la nature particulière de ce matériau (en général de la céramique) , ainsi que sa masse et ses propriétés radioélectriques limitent son emploi, en particulier pour les surfaces importantes. Une autre limitation importante est liée au champ démagnétisant d'un substrat en ferrite. En effet, à un substrat de ferrite parallèlépipédique sont associés des coefficients démagnétisants notablement différents de zéro. Il en résulte un champ démagnétisant dynamique, qui est le produit d'un coefficient démagnétisant par l'aimantation à saturation du ferrite. Ce champ augmente la fréquence de résonance tout en diminuant la perméabilité du substrat de ferrite. Le champ d magnétisant statique (égal au produit du coefficient démagnétisant dans la direction du champ appliqué par l'aimantation à saturation), réduit 1 ' intérêt du substrat de ferrite dans le cas où un champ magnétique extérieur est appliqué pour accorder les propriétés du substrat d'antenne. En effet, le champ à appliquer au substrat est égal à la somme du champ interne et du champ démagnétisant, et augmenter la valeur du champ à appliquer revient à augmenter la puissance du système d'aimants, ou la consommation d'un électroaimant .
La présente invention a justement pour but de remédier à tous ces inconvénients .
Exposé de l'invention
A cette fin, l'invention préconise d'ajouter, entre le plan conducteur et l'élément apte à rayonner ou à recevoir, un composite anisotrope formé d'un empilement de couches alternativement ferromagnétiques et électriquement isolantes. Ces couches sont perpendiculaires au plan conducteur. Si elles reposent directement sur ce plan, elles y reposent par leur tranche. Par ailleurs, ces couches sont orientées ou configurées pour être perpendiculaires (ou sensiblement perpendiculaires) à la composante électrique du champ rayonné ou reçu, composante prise dans le plan de 1 ' antenne .
Le composite utilisé dans 1 ' invention est en soi connu et appelé parfois "LIFT" pour "Lamellaire Isolant Ferromagnétique sur la Tranche" . Il est décrit dans le document FR-A-2 698 479. Un procédé de mesure de ses caractéristiques électromagnétiques est décrit dans FR- A-2 699 683. Un tel composite présente une perméabilité élevée et une permittivité faible dans la gamme des hyperfréquences , pour une onde plane arrivant sous incidence normale, avec une polarisation rectiligne (champ magnétique parallèle aux couches et champ électrique perpendiculaire aux couches) . Il est possible d'ajuster la réponse en fréquence de ces matériaux en combinant plusieurs matériaux ferromagnétiques.
Le composite en question est anisotrope, c'est-à- dire que ses propriétés électromagnétiques sont très différentes selon l'orientation des champs magnétique et électrique par rapport aux couches. Si le champ électrique est perpendiculaire aux couches ferromagnétiques, le matériau laisse pénétrer l'onde électromagnétique. Si, au contraire, le champ électrique est parallèle aux lamelles conductrices, il est totalement réfléchi par le matériau, qui se comporte alors comme un métal.
Lorsqu'un tel composite anisotrope est disposé dans une antenne directement sur le plan conducteur, l'impédance de surface qu'il présente correspond à un court-circuit vu à travers la ligne formée par le composite et cela pour la polarisation favorable (champ magnétique parallèle aux lamelles et champ électrique perpendiculaire aux couches) . Cette impédance Z est définie par :
Z = Z0th(j.2π.N.e/λ), où e est l'épaisseur du composite, Z0 une impédance caractéristique, N = ε1.μ/ et Z - (\i//£χ) , où εx et μ / sont respectivement la permittivité comptée perpendiculairement aux couches et μ// la perméabilité comptée parallèlement aux couches.
Pour les autres polarisations, l'impédance du composite est proche de celle d'un métal, c'est-à-dire voisine de zéro.
Les matériaux constituant un composite anisotrope sont légers et faciles à former. De plus, on peut aisément obtenir des réponses en fréquence particulières en jouant sur la perméabilité des matériaux. Par ailleurs, le caractère conducteur du composite pour une direction particulière du champ peut être un avantage.
En outre, l'application au composant anisotrope d'un champ magnétique ne présente pas les inconvénients rencontrés avec les ferrites. En effet, on peut obtenir des perméabilités élevées avec des fractions volumiques de matière magnétique faibles . Le champ démagnétisant est alors proportionnel à l'aimantation à saturation divisée par sa fraction volumique . On obtient ainsi des valeurs de champ démagnétisant statique et dynamique nettement plus faibles que dans le cas des ferrites. Sur une antenne à composite anisotrope conforme à l'invention on peut donc utiliser un champ magnétique externe, soit pour modifier l'accord en fréquence, soit pour ajuster le niveau de perméabilité (au moyen d'aimants permanents) à la fréquence désirée. En particulier, un champ magnétique externe peut être utile pour diminuer les pertes magnétiques à la fréquence de travail. De façon précise, la présente invention a donc pour objet une antenne comprenant un élément apte à rayonner ou à recevoir un champ électromagnétique, cet élément étant disposé devant un plan conducteur, cette antenne étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre, entre l'élément apte à rayonner ou à recevoir et le plan conducteur, un composite anisotrope formé d'un empilement de couches alternativement ferromagnétiques et électriquement isolantes, ces couches étant perpendiculaires au plan conducteur et à la composante électrique du champ rayonné ou capté par l'antenne.
Le composite peut être placé directement sur le plan conducteur, mais pas nécessairement.
S 'agissant de l'élément apte à rayonner ou à recevoir, il peut être de toute forme connue : fente droite ou spiralée, brins ou rubans conducteurs droits ou spirales. Les couches du composite doivent être orientées en conséquence pour être toujours perpendiculaires (ou sensiblement perpendiculaires) à la composante électrique du champ rayonné ou reçu. Cette composante est la composante dans le plan de l'antenne (on ne tient pas compte de la composante du champ électrique orientée perpendiculairement au plan de 1 ' antenne) .
Brève description des dessins
- la figure 1, déjà décrite, montre en coupe une antenne de peau selon l'état de la technique ;
- la figure 2 montre une antenne à fente rectiligne ; - la figure 3 donne les caractéristiques électromagnétiques d'un composite LIFT placé sous une antenne à fente rectiligne ;
- la figure 4 montre la variation du taux d'ondes stationnaires en fonction de la fréquence pour une antenne selon les figures 2A et 2B avec le composite de la figure 3 ;
- la figure 5 montre le gain de l'antenne avec et sans composite anisotrope en fonction de la hauteur de l'antenne ;
- la figure 6 montre la bande d'adaptation de 1 ' antenne ;
- la figure 7 donne les caractéristiques électromagnétiques pour un composite à base de CoNbZr ;
- les figures 8A, 8B montrent en vue de dessus et en coupe une antenne à fente spiralée ;
- la figure 9 montre en vue de dessus l'allure du composite dans le cas des figures 8A et 8B ; - la figure 10 montre une antenne à fente avec excitation centrale ;
- les figures 11A et 11B montrent, en vue de dessus et en coupe, une antenne à deux brins conducteurs rectilignes ; - la figure 12 montre une antenne à deux rubans conducteurs ;
- les figures 13A et 13B montrent, en vue de dessus et en coupe, une antenne à rubans conducteurs spirales. Description détaillée de modes particuliers de réalisation
Comme déjà indiqué, le composite utilisé selon l'invention joue, notamment, le rôle de transformateur d'impédance. Il doit être conçu pour que l'efficacité de l'antenne soit la plus grande possible. Un ordre de grandeur de l'efficacité en rayonnement de l'antenne par rapport à une antenne similaire sans court-circuit peut être donné par la formule : E=-10 log( |z/ (Z+l) I ) . où Z est l'impédance de surface.
Pour un composite dont le taux de charge en matériau ferromagnétique n'est pas trop faible
(typiquement supérieur à 2%), et pour des épaisseurs très inférieures au quart de la longueur d'onde,
1 ' impédance de surface est donnée en première approximation par :
Z=j2πμ//e/λ. où e est la hauteur du composite et λ la longueur d'onde dans le vide.
Le composite placé sur un plan conducteur doit présenter une impédance de surface normalisée suffisamment importante (supérieure à 0,5) à la fréquence considérée, pour que l'efficacité E ne soit pas trop faible. L'épaisseur typique du composite sera inférieure à λ/20. Le composite peut être éventuellement surmonté d'une couche de diélectrique ou d'air, située entre lui et l'élément rayonnant. L'épaisseur de cette couche ne dépasse pas, en général, λ/10. Un cas favorable est celui où le niveau de perte reste faible (μ ' ' /μ ' <0 , 15 où μ'1 est la partie imaginaire de la perméabilité et μ ' la partie réelle) de façon à ce que les ondes stationnaires pénétrant dans le matériau et participant au rayonnement de l'antenne ne soient pas trop vite atténuées.
Pour réaliser le composite, on peut utiliser un matériau ferromagnétique présentant une fréquence de résonance gyromagnétique supérieure à la moitié de la fréquence de fonctionnement de l'antenne et par exemple inférieure à 1,2 fois cette fréquence. La fraction volumique de matériau ferromagnétique peut être au moins égale à 5%.
La perméabilité d'un composite anisotrope dépend des propriétés du matériau ferromagnétique. On peut trouver les lois de dépendance dans l'article intitulé "Démonstration of anisotropic composites with tuneable microwave permeability manufactured from ferromagnetic thin films" par 0. ACHER, P. LE GOURRIEREC, G. PERRIN, P. BACLET et 0. ROBLIN, publié dans "IEEE Trans . Microwave Theory and Techniques", vol. 44, 674, 1996.
Les propriétés hyperfréquences d'un certain nombre de matériaux ferromagnétiques sont décrites notamment dans l'article intitulé "Investigation of the gyromagnetic permeability of amorphous CoFeNiMoSiB manufactured by différent techniques" par 0. ACHER, C. BOSCHER, P. LE GUELLEC , P. BACLET, G. PERRIN, publié dans "IEEE Trans par Magn.", vol. 32, 4833 (1996) et dans l'article intitulé "Microwave permeability of ferromagnetic thin films with stripe domain structure" par. 0. ACHER, C. BOSCHER, B. BRULE, G. PERRIN, N. VUKADINOVIC, G. SURAN et H. JOISTEN, publié dans "Journal of Appl . Phys . " 81, 4057 (1997).
La gamme de fréquence d'utilisation de l'antenne de l'invention est la bande allant d'environ 50 MHz à environ 4 GHz. Au-delà de 4 GHz, les niveaux de perméabilité obtenus avec les couches minces les rendent moins attrayants et les épaisseurs nécessaires à la réalisation des antennes deviennent inférieures au centimètre de sorte que diminuer encore cette épaisseur ne présente guère d'intérêt.
La figure 2 montre un exemple d'antenne émettant autour de 1,9 GHz. L'élément apte à rayonner ou à recevoir est une fente 20 percée dans une plaque conductrice 21. Le plan conducteur 22 supporte le composite anisotrope 24. La connexion électrique est référencée 26. La composante électrique du champ est notée E.
La fente 20 peut avoir une longueur de 79 mm et une largeur de 2 mm. La plaque métallique 21 peut être une plaque carrée de 300x300 mm2. Plusieurs hauteurs D ont été testées, à savoir 40 mm, 20 mm, 10 mm et 5 mm, qui correspondent respectivement à λ/4, λ/8, λ/16, λ/32.
Le composite 24 est formé de lamelles planes et il est disposé de manière telle que ces lamelles sont toutes parallèles aux bords longitudinaux de la fente 20. Le composite peut être réalisé à partir d'une couche ferromagnétique de composition Co82Zr8Nbιo déposée sur un film de mylar (marque déposée) . Dans un exemple de réalisation, l'épaisseur du ferromagnétique était de 1,3 μm et celle du mylar de 10 μm. Les couches reposent par leur tranche sur le plan métallique. Le champ électrique au niveau de la fente est perpendiculaire à celle-ci et se trouve donc perpendiculaire aux lamelles . Les caractéristiques électromagnétiques du composite, pour la polarisation favorable (c'est-à-dire la per ittivité perpendiculaire au plan des couches (ε'χ, ε' ' j.) et la perméabilité dans le plan des couches (μ'//, μ' '//) sont données sur la figure 3 pour le matériau défini plus haut. L'épaisseur de la plaque composite est de 1,9 mm, ce qui lui confère une impédance dont le module est voisin de 1,5 à 1,9 GHz. On rappelle que la permittivité des compositions parallèlement au plan de ces couches est très grande et peut être considérée comme infinie.
Les caractéristiques expérimentales de l'antenne ainsi réalisée sont données figures 4 et 5 en fonction de la distance D, laquelle est exprimée en fractions de la longueur d'onde. La figure 4 donne le taux d'onde stationnaire (TOS) et la figure 5 le gain, G exprimé en dB. Dès que la hauteur de la cavité D est inférieure à 10 mm, c'est-à-dire à λ/16, le TOS à l'entrée de l'antenne augmente considérablement dans la configuration métallique de l'art antérieur (courbe 25), alors qu'il reste très faible (de l'ordre de 1,5) dans la configuration de l'invention (courbe 26). Pour des épaisseurs plus faibles, l'absence de composite devient rédhibitoire (TOS de 7 pour D=5 mm en configuration métallique classique), alors qu'avec le composite (pour une épaisseur de 1,9 mm), on obtient un TOS de 3 , ce qui reste tout à fait acceptable pour de nombreuses applications.
S' agissant du gain (figure 5), pour une hauteur D=10 mm, ce gain est le même avec (courbe 83) ou sans composite (courbe 82) . Pour des épaisseurs encore plus faibles, on observe une dégradation rapide dans le cas métallique (art antérieur), alors que l'on perd seulement 3 dB dans le cas avec composite.
Les figures 4 et 5 montrent que pour une épaisseur D inférieure à 10 mm, toutes les performances de l'antenne de l'invention sont supérieures à celles d'une antenne classique.
D'autres mesures ont été effectuées, avec une structure similaire mais avec une longueur de fente égale à 14 cm, adaptée à un fonctionnement autour de 1,1 GHz. Les dimensions latérales étaient identiques. La hauteur D étant choisie entre λ/4 à λ/64. La figure 6 montre ainsi la bande d'adaptation avec un TOS inférieur à 3. Il est remarquable de constater que cette bande passante est très large même lorsqu'on se rapproche de la configuration plaquée. Dans le cas du métal seul, (art antérieur), le TOS se dégrade et la bande passante associée se réduit.
On peut chercher à améliorer le comportement hyperfréquence de l'antenne, en particulier son gain, en plaçant sous la fente un composite qui absorbe totalement l'onde rayonnée vers lui, c'est-à-dire une impédance égale à 1. On a aussi intérêt à augmenter la quantité |z/(Z+l) | en augmentant l'épaisseur ou le taux de charge du composite. On pourra ainsi préférer un matériau présentant une certaine perméabilité μ' mais une faible perméabilité μ' ' à la fréquence de travail plutôt qu'une forte perméabilité μ' '. Cette dernière voie est intéressante dans la mesure où moins on introduit de pertes magnétiques dans l'environnement de l'antenne, moins l'énergie au voisinage du plan métallique risque d'être absorbée, en particulier dans des modes ou pour des incidences qui ne sont généralement pas pris en compte. Elle est par contre réfléchie en phase avec l'onde rayonnée et vient donc augmenter l'efficacité de l'antenne. Ainsi, pour une antenne fonctionnant autour de 200 MHz, on pourra retenir un matériau comme celui dont les caractéristiques électromagnétiques sont données sur la figure 7. Il s'agit d'un LIFT réalisé à partir de CoNbZr d'épaisseur 0,9 μm déposé sur un film de kapton (marque déposée) d'épaisseur 12,7 μm ; l'épaisseur moyenne de colle est de 2,5 μm ; la densité du matériau est de 1,8. Avec une perméabilité égale à 21-3 j à 200 MHz, ce matériau présente des pertes limitées. Avec une épaisseur de 11 mm, on atteint une impédance dont le module est proche de l'unité, ce qui permet soit de plaquer la fente sur le composite, soit de la placer à une distance inférieure à λ/16, (soit 93 mm) .
Les figures 8A et 8B illustrent encore une antenne à fente mais dans le cas d'une fente spiralée. Sur la figure 8A, qui est une vue de dessus, une fente spiralée 30 est percée dans une plaque conductrice 31. La figure 8B, qui est une coupe selon AA, montre mieux le plan conducteur 32, le composite 34 et la connexion 36. Ce composite est représenté en vue de dessus sur la figure 9 (l'élément rayonnant ayant été enlevé). On aperçoit donc dans la fente spiralée 30 les cercles du composite (figure 8A) . La composante électrique du champ rayonné ou reçu est marquée E. Dans le mode de réalisation illustré, les couches ferromagnétiques et isolantes sont cylindriques. La spirale de la fente rayonnante et les couches du composite ne sont donc pas rigoureusement parallèles, mais l'écart par rapport au parallélisme est faible (inférieur à 10°) et sans incidence sur les performances de l'antenne.
Pour obtenir une antenne large bande émettant autour de 500 MHz (ce qui correspond à une longueur d'onde de 600 mm), on pourra adopter une longueur de fente de l'ordre de λ/2, soit 300 mm. On peut réaliser le composite à partir de CoFeNiSiB d'épaisseur 1,3 μm, avec une épaisseur de colle de 2,5 μm. La densité du matériau est alors de 2,3. Des épaisseurs aussi faibles que 1 mm permettant d'obtenir des impédances supérieures à 1,5 donc de bonnes propriétés pour des profondeurs de cavité de l'ordre de λ/10 ou moins.
La réalisation d'un composite à couches spiralées sensiblement parallèle à la fente peut se faire en enroulant des bandes sur des préformes, ou par tout autre moyen. La zone de rayonnement de la fente spiralée est fonction du rayon de celle-ci, cette valeur étant reliée à la fréquence. L'optimisation de l'épaisseur du matériau composite doit être fonction du rayon de la cavité.
Une autre variante, plus facile à réaliser, consiste à fabriquer un tore composite par bobinage et à placer la fente spiralée de manière concentrique. Cette solution respecte moins la géométrie des champs, mais est acceptable si l'ouverture de la spirale est inférieure à 30°.
La figure 10 illustre encore une antenne à fente mais dans une variante où la fente est large et excitée en son centre. La fente est référencée 40, le plan conducteur 42, le composite 44 et la connexion d'alimentation 46. Les lamelles du composite sont encore orientées parallèlement aux bords longitudinaux de la fente, c'est-à-dire perpendiculairement à la composante E.
Les figures 11A et 11B illustrent, respectivement en vue de dessus et en coupe selon AA, un mode de réalisation dans lequel l'antenne est du type dipôle. L'élément apte à rayonner ou à recevoir est constitué par deux brins conducteurs 50. Le plan conducteur 52 supporte le composite 54 et une couche diélectrique 55 peut supporter les deux brins. La connexion 56 est double. Les lamelles du composite 54 sont orientées perpendiculairement aux brins. Pour un fonctionnement à
2 GHz, la longueur de chaque brin peut être proche de 75 mm pour un fonctionnement en λ/2. Pour le composite, on peut utiliser le matériau dont les caractéristiques ont été illustrées sur la figure 3 avec une épaisseur de 1,5 à 3 mm. L'épaisseur de la couche diélectrique 56 ne dépasse pas λ/16.
Les brins peuvent être remplacés par des rubans conducteurs comme illustré sur la figure 12. Ces rubans portent la référence 60, le plan conducteur la référence 62 et le composite la référence 64. Les couches du composite sont encore des lamelles perpendiculaires à la grande dimension des rubans 60.
Sur les figures 13A et 13B enfin, qui sont respectivement des vues de dessus et en coupe selon AA, les brins conducteurs 70 ne sont plus rectilignes mais présentent une forme spiralée. Le composite 74 est alors formé de lamelles radiales sensiblement perpendiculaires aux brins conducteurs. La connexion 76 est double et alimente les brins spirales.

Claims

REVENDICATIONS
1. Antenne comprenant un élément (10) apte à rayonner ou à recevoir un champ électromagnétique, cet élément étant disposé devant un plan conducteur (12), cette antenne étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre, entre l'élément apte à rayonner ou à recevoir (20, 30, 40, 50, 70) et le plan conducteur (22, 32, 42, 52, 62, 72), un composite anisotrope (24, 34, 44, 54, 64, 74) formé d'un empilement de couches alternativement ferromagnétiques et électriquement isolantes, ces couches étant perpendiculaires au plan conducteur et à la composante électrique (E) du champ rayonné ou reçu .
2. Antenne selon la revendication 1, dans lequel le composite anisotrope (24, 34, 44, 54, 64, 74) repose directement sur le plan conducteur (22, 32, 42, 52, 62, 72) .
3. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle l'élément apte à rayonner ou à recevoir est une fente rectiligne (20, 40) percée dans une plaque conductrice (21), les couches du composite anisotrope (24, 34, 44, 54, 64, 74) étant alors des lamelles planes parallèles à ladite fente.
4. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle 1 ' élément apte à rayonner ou à recevoir comprend au moins une fente en spirale (30) percée dans une plaque conductrice (31) , les couches du composite étant alors enroulées sensiblement parallèlement à ladite fente.
5. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle 1 ' élément apte à rayonner ou à recevoir est formé de deux brins (50) ou rubans (60) rectilignes conducteurs, les couches du composite étant alors des lamelles planes perpendiculaires aux deux brins (50) ou rubans (60) .
6. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle 1 ' élément apte à rayonner ou à recevoir comprend au moins un brin ou un ruban conducteur enroulé en spirale
(70), les couches du composite étant alors radiales et sensiblement perpendiculaires au brin ou ruban (70) .
7. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle les couches ferromagnétiques ont une fréquence de résonance gyromagnétique inférieure à 1,2 fois la fréquence de travail de l'antenne.
8. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle la fraction volumique de matériau ferromagnétique est au moins égale à 5%.
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