EP1550182A2 - Method of producing a photonic bandgap structure on a microwave device and slot-type antennas employing one such structure - Google Patents

Method of producing a photonic bandgap structure on a microwave device and slot-type antennas employing one such structure

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EP1550182A2
EP1550182A2 EP03767920A EP03767920A EP1550182A2 EP 1550182 A2 EP1550182 A2 EP 1550182A2 EP 03767920 A EP03767920 A EP 03767920A EP 03767920 A EP03767920 A EP 03767920A EP 1550182 A2 EP1550182 A2 EP 1550182A2
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EP
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slot
antenna
bip
produced
patterns
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EP03767920A
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Nicolas Boisbouvier
Françoise Le Bolzer
Ali Louzir
Anne-Claude Tarot
Kouroch Mahdjoubi
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Thomson Licensing SAS
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    • 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
    • H01Q13/08—Radiating ends of two-conductor microwave transmission lines, e.g. of coaxial lines, of microstrip lines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/2005—Electromagnetic photonic bandgaps [EPB], or photonic bandgaps [PBG]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/201—Filters for transverse electromagnetic waves
    • H01P1/2016—Slot line filters; Fin line filters

Definitions

  • the present invention relates to a method of producing a photonic band gap structure on a microwave device, more particularly on a device of the slit type produced on a metallized substrate.
  • the present invention also relates to slot type antennas using such a structure.
  • the photonic bandgap structures known by the abbreviation BIP or generally by the term "photonic band gap structure" in English are periodic structures which prohibit the propagation of a wave for certain frequency bands. These structures were first used in the optical field but, in recent years, their application has extended to other frequency ranges. Thus, they are used in particular in microwave devices such as antennas, filters, guides, etc.
  • the BIP structures are obtained mainly either by engraving periodic patterns obtained by de-metallization of the ground plane of the structure produced in microstrip technology as described above, or by periodically piercing the substrate comprising the circuits in microstrip technology while maintaining the continuity of the ground plane.
  • the present invention therefore aims to propose a method for producing a new structure with photonic bandgaps on a microwave device as well as its application in antennas, in particular antennas of the annular slot type or Vivaldi type antennas for perform filtering or frequency adaptation of said antenna.
  • the subject of the present invention is a method for producing a structure with photonic band gaps (BIP) on a microwave device of the slit type produced on a metallized substrate, characterized in that it consists in forming on the face of the substrate opposite the face receiving the slot periodically spaced metal patterns.
  • BIP photonic band gaps
  • the periodicity between two patterns is equal to k ⁇ g / 2 where ⁇ g is the wavelength guided in the slot at the frequency of the selected band gap and k an odd integer.
  • the width and the depth of the forbidden band depend on the surface of the periodic pattern.
  • a periodic pattern can have the shape of a disc, a square, a ring or be constituted by H-shaped elements or any other known shape which can be repeated periodically and whose surface area will determine the width and the depth of the band gap.
  • the periodic patterns can be different patterns having the same equivalent surface, namely for a pattern in the form of a disc, the ratio r / a in which r is the radius and at the distance between two patterns is identical throughout the structure.
  • the periodic pattern is produced by etching a metallic layer deposited on the face of the substrate opposite the face receiving the slot.
  • the periodic patterns are made at least partly under the slit.
  • the present invention also relates to microwave antennas in which a BIP structure is formed to obtain filtering of certain undesirable frequencies or to obtain several communication bands by opening prohibited bands on the frequency response of a very wide band antenna. This type of antenna is particularly interesting in the field of wireless telecommunications.
  • the present invention therefore relates to a microwave antenna consisting of a closed slot made on a metallized substrate, the slot being supplied by a supply line, characterized in that it comprises under the closed slot, a strip structure prohibited carried out according to the process described above.
  • the periodicity of the patterns of the BIP structure is chosen so that the frequency of the band gap is equal to one of the harmonics of the operating frequency of the closed slot.
  • the periodicity of the patterns of the BIP structure is chosen so that the frequency of the forbidden band is greater than the operating frequency of the closed slot.
  • the structure is used in its bandwidth, which makes it possible to make the circuits using slots more compact.
  • the closed slot is an annular slot.
  • the slit is fed according to a line-slit transition by a feed line produced in microstrip technology.
  • a structure with photonic bandgaps is produced by de-metallization of the surface of the substrate opposite to the surface on which the microstrip line is produced.
  • a Vivaldi type slot antenna characterized in that it comprises a photonic band gap structure produced according to the method described above.
  • the strip structure prohibited is carried out along at least one of the profiles of the slot forming the Vivaldi type antenna.
  • the Vivaldi type antenna is supplied in a line-slot transition by a supply line produced using microstrip technology.
  • a supply line produced using microstrip technology.
  • forbidden bands either by adding under the microstrip line, a structure with photonic forbidden bands by demetallization of the surface of the substrate receiving the line, or by having two sizes with prohibited photonic bands. distinct, one on the first profile of the Vivaldi type antenna, corresponding to a first frequency band to be prohibited, and the other on the other profile of the Vivaldi type antenna, corresponding to a second band of frequency to be prohibited.
  • Figure 1 is a schematic perspective view of a microwave device of the slot type provided with a structure according to the present invention.
  • FIGS. 2a, 2b, 2c and 2d schematically represent different perspective views of a microwave device of the slit type provided with a photonic band gap structure in which the patterns have different shapes.
  • Figures 3a and 3b show embodiments in which the surface of the patterns follows a particular law.
  • FIGS. 5a and 5b are curves comparing the reflection and transmission coefficients of a line-slot transition provided with a photonic band gap structure with a classic line-slit transition.
  • Figure 6 is a curve giving the transmission coefficient in the case of a photonic bandgap structure made up of discs as shown in Figure 4, showing the influence of the radius of the discs on the bandgap.
  • FIG. 7 is a curve giving the transmission and reflection coefficients in the case where the photonic band gap structure has been dimensioned to reduce the size of the band gap.
  • FIG. 8 schematically represents an antenna of the annular slit type provided with a photonic band gap structure, according to a mode of use of the method of the present invention.
  • FIG. 9 represents a curve giving the reflection coefficient of the antenna shown in FIG. 8, by comparison with an annular slot antenna of the conventional type.
  • FIG. 10 represents the main radiation components of the antenna in the case of an antenna of the annular slot type, comparing the case of an antenna provided with a photonic band gap structure and of an antenna of the conventional type.
  • Figures 11a and 11b show different shapes for the pattern of the photonic band gap structure.
  • FIG. 12 is a curve giving the reflection coefficient of the antennas of FIGS. 11a and 11b, by comparison with an antenna of the conventional annular slot type.
  • FIG. 13 is a schematic representation of an annular slot antenna provided with a BIP structure in accordance with the present invention and supplied by a microstrip type supply line, provided with a BIP structure of conventional type.
  • FIG. 14 is a curve giving the reflection coefficient as a function of the frequency for the various antennas of the annular slit type represented in the present invention.
  • FIG. 15 is a schematic view of a Vivaldi type antenna provided with a BIP structure according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a curve giving the reflection coefficient as a function of the frequency, in the case of the Vivaldi type antenna represented in FIG. 15, by comparison with a Vivaldi antenna of the conventional type, and
  • Figures 17a and 17b are schematic representations of two other embodiments of a Vivaldi type antenna, according to the present invention.
  • the device is a printed circuit provided with a slit line. More specifically, the device comprises a substrate 1, one face 2 of which has been metallized and in which a slit line 3 is produced by etching the metal layer 2. As shown in FIG. 1, the substrate has a height h , and is made of a known dielectric material.
  • BIP is obtained by producing patterns 4 periodically on the face of the substrate 1 opposite the face carrying the metallic layer 2.
  • the patterns 4 are produced by etching a metallic layer giving the metallic patterns 4.
  • the patterns 4 are engraved under the slit line 3.
  • the patterns 4 are spaced by a distance a which gives the repetition period of the pattern, this distance fixing the central frequency of the bandgap when the patterns are identical. Therefore, the distance "a" is of the order of k ⁇ g / 2 where ⁇ g is the guided wavelength in slot 3 at the center frequency of the forbidden band chosen and k an integer.
  • the pattern is of any shape.
  • the equivalent surface of the pattern determines the width or the depth of the prohibited band.
  • the patterns used can be disc-shaped patterns 4a, as shown in Figure 2a, of rectangle or square 4b, as shown in Figure 2b, of a substantially H shape allowing to play on several parameters such as the dimensions L1, L2 and g, namely a shape with 3 degrees of freedom, as represented by the pattern 4c in FIG. 2b or of annular shape 4d, as represented in FIG. 2d.
  • the dimensions of the pattern in particular its equivalent surface, make it possible to adjust the width or the depth of the prohibited band.
  • a structure in accordance with the present invention can be obtained by using patterns in the form of a disc whose radius is variable, in a progressive manner, while maintaining a constant spacing between discs. and equal to a.
  • the variation can follow a defined mathematical law such as a window type law of Hamming, Barlett or Kaiser.
  • Figure 3b the spacing between the discs can also be changed gradually.
  • the structures described above can be combined, in particular to obtain a widening of the band gap.
  • the center frequency corresponds to the center of the frequency band defined by the minimum frequency of the BIP structure having the lowest center frequency and by the maximum frequency of the BIP structure having the highest central frequency.
  • the slit line has been simulated as being excited by two line-slit transitions 12 and 13, at each end of the slit 10.
  • the results of the simulation represented in FIG. 5a make it possible to demonstrate the opening of a forbidden band having a width of approximately 1 GHz around the frequency 6.5 GHz.
  • FIGS. 8 to 17 various slot type antenna structures provided with BIP structures obtained according to the method described above, to perform filtering functions.
  • a BIP structure has been produced under an antenna of the closed slot type, supplied by a feed line, more particularly a line of the microstrip line type, according to a line-slot transition using the Knorr's known laws.
  • an annular slot 20 This slot was produced by etching a ground plane on a substrate not shown.
  • This annular slot 20 is supplied by a microstrip line 21, the assembly being dimensioned in a known manner for operation at a given frequency F0.
  • the antenna has resonances at all the odd multiples of the frequency F0.
  • a BIP structure has been produced formed by discs 22 metallized periodically under the annular slot. This BIP 22 structure is dimensioned so as to filter one of the harmonics obtained in the case of an annular slot antenna of conventional type.
  • the periodicity a between two patterns 22 has been calculated so as to have a band gap frequency corresponding, for example, to the harmonic of order 3.
  • parasitic resonances are obtained around 7 GHz, ie substantially at a value 3F0, while the shape of the reflection coefficient is substantially flat in the region around 5 GHz.
  • a BIP structure of the same type can be used in its bandwidth.
  • the BIP structure is sized to present a prohibited band at a higher frequency than the desired frequency of use.
  • the BIP structure is at the origin of an effect called "slow wave”: the phase of the transmission coefficient of a wave along a slit line is modified by the presence of the metallic pellets under this line. The speed of propagation of the wave under the slit is then slowed down ("Slow-wave effect"). It is therefore possible to propose a BIP structure in which the equivalent electrical length of the slot is modified. In other words, the presence of the BIP structure makes it possible to reduce the guided wavelength in the slot:
  • annular slot antenna dimensioned at 2.4 GHz has an identical operation in the presence of a BIP structure but at a lower frequency (2 GHz, for example).
  • the shape of the patterns 22a and 22b of the BIP structure can be different, for example circular or square.
  • curve 12b if the area of pattern 22a and pattern 22b is equivalent and the spacing a between two patterns is identical, we will obtain substantially identical phenomena, in particular the suppression of the harmonic of rank 3 obtained with an annular slot antenna of the conventional type, when the BIP structure operates as a filter.
  • curve 12b if the area of pattern 22a and pattern 22b is equivalent and the spacing a between two patterns is identical, we will obtain substantially identical phenomena, in particular the suppression of the harmonic of rank 3 obtained with an annular slot antenna of the conventional type, when the BIP structure operates as a filter.
  • slots are open in the ground plane under the microstrip line.
  • a Vivaldi type antenna 31 has been produced by opening a slot by de-metallizing the surface 30, this slot having a profile flaring outwards.
  • This Vivaldi type antenna is well known to those skilled in the art and will not be described in more detail.
  • this antenna is supplied by a supply line 32 according to the Knorr principle.
  • This supply line 32 is constituted by a microstrip line.
  • a BIP structure constituted by a periodic pattern has been etched on the face of the substrate opposite the face receiving the flared slot 31, along at least one of the profiles constituting the Vivaldi type antenna.
  • the BIP structure consists of four discs 32 regularly spaced by a distance a.
  • FIG. 15 The use of a BIP structure as shown in FIG. 15 makes it possible to create, in a Vivaldi type antenna, frequency bands in which the propagation of the waves is prohibited. Indeed, the Vivaldi antenna operates intrinsically at a very wide frequency band, and the use of a BIP structure will make it possible to create one or more operating sub-bands.
  • a Vivaldi type antenna without BIP structure has a bandwidth at 10 dB of 2 GHz, between 5.5 and 7.5 GHz.
  • the operating band of the Vivaldi type antenna is reduced by adding the BIP structure which prevents the propagation of waves along the slit, between 5.5 and 7 GHz.
  • a BIP structure profile 32a, 32b, as shown in FIG. 17a can be used.
  • the filtering can be reinforced by supplying the Vivaldi type antenna by a supply line 32 provided with a BIP structure 33 of conventional type, as described above in the case of an antenna of the type with annular slot.

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Abstract

The invention relates to a method of producing a photonic bandgap structure on a slot-type microwave device which is produced on a metallised substrate. According to the invention, periodically-spaced patterns (4) are formed on the surface of the aforementioned substrate (1) opposite the surface comprising the slot (3). The invention is suitable for slot-type antennas.

Description

PROCEDE DE REALISATION D'UNE STRUCTURE A BANDES PROCESS FOR PRODUCING A STRAP WITH BANDS
INTERDITES PHOTONIQUES (BIP) SUR UN DISPOSITIF MICRO-ONDESPHOTON PROHIBITED (BEEP) ON A MICROWAVE DEVICE
ET ANTENNES DU TYPE FENTE UTILISANT UNE TELLE STRUCTUREAND SLOT-TYPE ANTENNAS USING SUCH A STRUCTURE
La présente invention concerne un procédé de réalisation d'une structure à bandes interdites photoniques sur un dispositif micro-ondes, plus particulièrement sur un dispositif du type fente réalisée sur un substrat métallisé. La présente invention concerne aussi les antennes de type fente utilisant une telle structure. Les structures à bandes interdites photoniques connues sous l'abréviation BIP ou de manière générale sous le terme « photonic band gap structure » en langue anglaise, sont des structures périodiques qui interdisent la propagation d'une onde pour certaines bandes de fréquences. Ces structures ont tout d'abord été utilisées dans le domaine optique mais, depuis quelques années, leur application s'est étendue à d'autres gammes de fréquences. Ainsi, on les utilise notamment dans des dispositifs microondes tels que des antennes, des filtres, des guides, etc. L'utilisation d'une structure à bandes interdites photoniques avec une ligne réalisée en technologie microruban est décrite notamment dans l'article « Novel 2-D photonic band gap structure for microstrip lines » publié dans le journal IEEE « Microwave and guided wave letters - Vol. 8 - n° 2 - February 1998 ». Cet article décrit une structure à bandes photoniques interdites constituée par dés disques gravés sur la face du substrat opposée à celle recevant là ligne microruban. Cette structure permet de réaliser un filtre. Dans le cas de lignes microruban ou d'antennes de type patch, les structures BIP sont obtenues principalement soit en gravant des motifs périodiques obtenus par dé-métallisation du plan de masse de la structure réalisée en technologie microruban comme décrit ci-dessus, soit en perçant périodiquement le substrat comportant les circuits en technologie microbande tout en conservant la continuité du plan de masse. LesThe present invention relates to a method of producing a photonic band gap structure on a microwave device, more particularly on a device of the slit type produced on a metallized substrate. The present invention also relates to slot type antennas using such a structure. The photonic bandgap structures known by the abbreviation BIP or generally by the term "photonic band gap structure" in English, are periodic structures which prohibit the propagation of a wave for certain frequency bands. These structures were first used in the optical field but, in recent years, their application has extended to other frequency ranges. Thus, they are used in particular in microwave devices such as antennas, filters, guides, etc. The use of a photonic band gap structure with a line produced using microstrip technology is described in particular in the article "Novel 2-D photonic band gap structure for microstrip lines" published in the IEEE journal "Microwave and guided wave letters - Flight. 8 - n ° 2 - February 1998 ”. This article describes a structure with prohibited photonic bands constituted by disks etched on the face of the substrate opposite to that receiving the microstrip line. This structure makes it possible to produce a filter. In the case of microstrip lines or patch type antennas, the BIP structures are obtained mainly either by engraving periodic patterns obtained by de-metallization of the ground plane of the structure produced in microstrip technology as described above, or by periodically piercing the substrate comprising the circuits in microstrip technology while maintaining the continuity of the ground plane. The
πuiuE DE R APua structures déjà décrites dans l'art antérieur présentent de grandes possibilités, notamment de filtrages.πuiuE DE R APua structures already described in the prior art offer great possibilities, in particular for filtering.
La présente invention a donc pour but de proposer un procédé de réalisation d'une nouvelle structure à bandes interdites photoniques sur un dispositif micro-ondes ainsi que son application dans les antennes, notamment les antennes du type fente annulaire ou des antennes de type Vivaldi pour réaliser un filtrage ou une adaptation en fréquence de ladite antenne.The present invention therefore aims to propose a method for producing a new structure with photonic bandgaps on a microwave device as well as its application in antennas, in particular antennas of the annular slot type or Vivaldi type antennas for perform filtering or frequency adaptation of said antenna.
Ainsi, la présente invention a pour objet un procédé de réalisation d'une structure à bandes interdites photoniques (BIP) sur un dispositif microonde du type fente réalisé sur un substrat métallisé, caractérisé en ce qu'il consiste à former sur la face du substrat opposée à la face recevant la fente des motifs métalliques périodiquement espacés.Thus, the subject of the present invention is a method for producing a structure with photonic band gaps (BIP) on a microwave device of the slit type produced on a metallized substrate, characterized in that it consists in forming on the face of the substrate opposite the face receiving the slot periodically spaced metal patterns.
Selon une caractéristique supplémentaire, la périodicité entre deux motifs est égale à kλg/2 où λg est la longueur d'onde guidée dans la fente à la fréquence de la bande interdite choisie et k un entier impair. D'autre part, la largeur et la profondeur de la bande interdite sont fonction de la surface du motif périodique. Ainsi, un motif périodique peut avoir la forme d'un disque, d'un carré, d'un anneau ou être constitué par des éléments en forme de H ou toute autre forme connue qui pourra être répétée périodiquement et dont la superficie déterminera la largeur et la profondeur de la bande interdite. Conformément à l'invention, les motifs périodiques peuvent être des motifs différents présentant la même surface équivalente, à savoir pour un motif sous forme de disque, le ratio r/a dans lequel r est le rayon et a la distance entre deux motifs est identique tout au long de la structure.According to an additional characteristic, the periodicity between two patterns is equal to kλg / 2 where λg is the wavelength guided in the slot at the frequency of the selected band gap and k an odd integer. On the other hand, the width and the depth of the forbidden band depend on the surface of the periodic pattern. Thus, a periodic pattern can have the shape of a disc, a square, a ring or be constituted by H-shaped elements or any other known shape which can be repeated periodically and whose surface area will determine the width and the depth of the band gap. According to the invention, the periodic patterns can be different patterns having the same equivalent surface, namely for a pattern in the form of a disc, the ratio r / a in which r is the radius and at the distance between two patterns is identical throughout the structure.
De préférence, le motif périodique est réalisé par gravure d'une couche métallique déposée sur la face du substrat opposée à la face recevant la fente. Les motifs périodiques sont réalisés au moins en partie sous la fente. D'autre part, la présente invention concerne aussi des antennes micro-ondes dans lesquelles une structure BIP est formée pour obtenir un filtrage de certaines fréquences indésirables ou pour obtenir plusieurs bandes de communication en ouvrant des bandes interdites sur la réponse en fréquence d'une antenne très large bande. Ce type d'antennes est particulièrement intéressant dans le domaine des télécommunications sans fils.Preferably, the periodic pattern is produced by etching a metallic layer deposited on the face of the substrate opposite the face receiving the slot. The periodic patterns are made at least partly under the slit. On the other hand, the present invention also relates to microwave antennas in which a BIP structure is formed to obtain filtering of certain undesirable frequencies or to obtain several communication bands by opening prohibited bands on the frequency response of a very wide band antenna. This type of antenna is particularly interesting in the field of wireless telecommunications.
La présente invention a donc pour objet une antenne micro-onde constituée par une fente fermée réalisée sur un substrat métallisé, la fente étant alimentée par une ligne d'alimentation, caractérisée en ce qu'elle comporte sous la fente fermée, une structure à bandes interdites réalisée selon le procédé décrit ci-dessus. Selon un mode de réalisation, la périodicité des motifs de la structure BIP est choisie pour que la fréquence de la bande interdite soit égale à une des harmoniques de la fréquence de fonctionnement de la fente fermée.The present invention therefore relates to a microwave antenna consisting of a closed slot made on a metallized substrate, the slot being supplied by a supply line, characterized in that it comprises under the closed slot, a strip structure prohibited carried out according to the process described above. According to one embodiment, the periodicity of the patterns of the BIP structure is chosen so that the frequency of the band gap is equal to one of the harmonics of the operating frequency of the closed slot.
Selon un autre mode de réalisation, la périodicité des motifs de la structure BIP est choisie pour que la fréquence de la bande interdite soit supérieure à la fréquence de fonctionnement de la fente fermée. Dans ce cas, la structure est utilisée dan sa bande passante, ce qui permet de rendre plus compacte les circuits utilisant des fentes.According to another embodiment, the periodicity of the patterns of the BIP structure is chosen so that the frequency of the forbidden band is greater than the operating frequency of the closed slot. In this case, the structure is used in its bandwidth, which makes it possible to make the circuits using slots more compact.
De préférence, la fente fermée est une fente annulaire. La fente est alimentée selon une transition ligne-fente par une ligne d'alimentation réalisée en technologie microruban.Preferably, the closed slot is an annular slot. The slit is fed according to a line-slit transition by a feed line produced in microstrip technology.
Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, sous la ligne microruban, est réalisée une structure à bandes interdites photoniques par dé-métallisation de la surface du substrat opposée à la surface sur laquelle est réalisée la ligne microruban.According to an additional characteristic of the invention, under the microstrip line, a structure with photonic bandgaps is produced by de-metallization of the surface of the substrate opposite to the surface on which the microstrip line is produced.
Selon encore une autre caractéristique de la présente invention, celle-ci s'applique à une antenne fente de type Vivaldi, caractérisée en ce qu'elle comporte une structure à bandes interdites photoniques réalisée selon le procédé décrit ci-dessus. Dans ce cas, la structure à bandes interdites est réalisée le long d'au moins un des profils de la fente formant l'antenne de type Vivaldi.According to yet another characteristic of the present invention, it applies to a Vivaldi type slot antenna, characterized in that it comprises a photonic band gap structure produced according to the method described above. In this case, the strip structure prohibited is carried out along at least one of the profiles of the slot forming the Vivaldi type antenna.
De préférence, l'antenne de type Vivaldi est alimentée selon une transition ligne-fente par une ligne d'alimentation réalisée en technologie microruban. On a alors la possibilité d'augmenter le nombre de bandes interdites, soit en ajoutant sous la ligne microruban, une structure à bandes interdites photoniques par dé-métallisation de la surface du substrat recevant la ligne, soit en disposant deux dimensionnements à bandes photoniques interdites distincts, l'un sur le premier profil de l'antenne de type Vivaldi, correspondant à une première bande de fréquence à interdire, et l'autre sur l'autre profil de l'antenne de type Vivaldi, correspondant à une seconde bande de fréquence à interdire.Preferably, the Vivaldi type antenna is supplied in a line-slot transition by a supply line produced using microstrip technology. There is then the possibility of increasing the number of forbidden bands, either by adding under the microstrip line, a structure with photonic forbidden bands by demetallization of the surface of the substrate receiving the line, or by having two sizes with prohibited photonic bands. distinct, one on the first profile of the Vivaldi type antenna, corresponding to a first frequency band to be prohibited, and the other on the other profile of the Vivaldi type antenna, corresponding to a second band of frequency to be prohibited.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description de différents modes de réalisation, cette description étant faite avec référence aux dessins ci -annexés dans lesquels :Other characteristics and advantages of the present invention will appear on reading the description of various embodiments, this description being made with reference to the attached drawings in which:
Figure 1 est une vue en perspective schématique d'un dispositif micro-ondes du type fente muni d'une structure conforme à la présente invention.Figure 1 is a schematic perspective view of a microwave device of the slot type provided with a structure according to the present invention.
Les figures 2a, 2b, 2c et 2d représentent schématiquement différentes vues en perspective d'un dispositif micro-ondes du type fente muni d'une structure à bandes interdites photoniques dans laquelle les motifs ont différentes formes. Les figures 3a et 3b représentent des modes de réalisation dans lesquels la surface des motifs suit une loi particulière.FIGS. 2a, 2b, 2c and 2d schematically represent different perspective views of a microwave device of the slit type provided with a photonic band gap structure in which the patterns have different shapes. Figures 3a and 3b show embodiments in which the surface of the patterns follows a particular law.
La figure 4 est une vue schématique d'une structure à bandes interdites photoniques utilisée pour tester un mode de réalisation de la présente invention. Les figures 5a et 5b sont des courbes comparant les coefficients de réflexion et de transmission d'une transition ligne-fente munie d'une structure à bandes interdites photoniques avec une transition ligne-fente classique.Figure 4 is a schematic view of a photonic band gap structure used to test an embodiment of the present invention. FIGS. 5a and 5b are curves comparing the reflection and transmission coefficients of a line-slot transition provided with a photonic band gap structure with a classic line-slit transition.
La figure 6 est une courbe donnant le coefficient de transmission dans le cas d'une structure à bandes interdites photoniques constituée de disques comme représenté sur la figure 4, montrant l'influence du rayon des disques sur la bande interdite.Figure 6 is a curve giving the transmission coefficient in the case of a photonic bandgap structure made up of discs as shown in Figure 4, showing the influence of the radius of the discs on the bandgap.
La figure 7 est une courbe donnant les coefficients de transmission et de réflexion dans le cas où la structure à bandes interdites photoniques a été dimensionnée pour réduire la taille de la bande interdite. La figure 8 représente schématiquement une antenne du type fente annulaire munie d'une structure à bandes interdites photoniques, selon un mode d'utilisation du procédé de la présente invention.FIG. 7 is a curve giving the transmission and reflection coefficients in the case where the photonic band gap structure has been dimensioned to reduce the size of the band gap. FIG. 8 schematically represents an antenna of the annular slit type provided with a photonic band gap structure, according to a mode of use of the method of the present invention.
La figure 9 représente une courbe donnant le coefficient de réflexion de l'antenne représentée à la figure 8, par comparaison avec une antenne fente annulaire de type classique.FIG. 9 represents a curve giving the reflection coefficient of the antenna shown in FIG. 8, by comparison with an annular slot antenna of the conventional type.
La figure 10 représente les composantes principales de rayonnement de l'antenne dans le cas d'une antenne du type fente annulaire, comparant le cas d'une antenne munie d'une structure à bandes interdites photoniques et d'une antenne de type classique. Les figures 11a et 11b représentent différentes formes pour le motif de la structure à bandes interdites photoniques.FIG. 10 represents the main radiation components of the antenna in the case of an antenna of the annular slot type, comparing the case of an antenna provided with a photonic band gap structure and of an antenna of the conventional type. Figures 11a and 11b show different shapes for the pattern of the photonic band gap structure.
La figure 12 est une courbe donnant le coefficient de réflexion des antennes des figures 11a et 11b, par comparaison avec une antenne du type fente annulaire classique. La figure 13 est une représentation schématique d'une antenne fente annulaire munie d'une structure BIP conforme à la présente invention et alimentée par une ligne d'alimentation de type microruban, munie d'une structure BIP de type classique.FIG. 12 is a curve giving the reflection coefficient of the antennas of FIGS. 11a and 11b, by comparison with an antenna of the conventional annular slot type. FIG. 13 is a schematic representation of an annular slot antenna provided with a BIP structure in accordance with the present invention and supplied by a microstrip type supply line, provided with a BIP structure of conventional type.
La figure 14 est une courbe donnant le coefficient de réflexion en fonction de la fréquence pour les différentes antennes du type fente annulaire représentées dans la présente invention. La figure 15 est une vue schématique d'une antenne du type Vivaldi munie d'une structure BIP selon un autre mode de réalisation de la présente invention.FIG. 14 is a curve giving the reflection coefficient as a function of the frequency for the various antennas of the annular slit type represented in the present invention. FIG. 15 is a schematic view of a Vivaldi type antenna provided with a BIP structure according to another embodiment of the present invention.
La figure 16 est une courbe donnant le coefficient de réflexion en fonction de la fréquence, dans le cas de l'antenne de type Vivaldi représentée à la figure 15, par comparaison avec une antenne Vivaldi de type classique, etFIG. 16 is a curve giving the reflection coefficient as a function of the frequency, in the case of the Vivaldi type antenna represented in FIG. 15, by comparison with a Vivaldi antenna of the conventional type, and
Les figures 17a et 17b sont des représentations schématiques de deux autres modes de réalisation d'une antenne de type Vivaldi, conforme à la présente invention.Figures 17a and 17b are schematic representations of two other embodiments of a Vivaldi type antenna, according to the present invention.
Pour simplifier la description, dans les figures les mêmes éléments portent les mêmes références.To simplify the description, in the figures the same elements have the same references.
On décrira tout d'abord avec référence aux figures 1 à 7, le procédé de réalisation d'une structure à bandes photoniques interdites dite structure BIP sur un dispositif micro-ondes de type fente.Firstly, with reference to FIGS. 1 to 7, the method for producing a structure with prohibited photonic bands, described as BIP structure, will be described on a slot-type microwave device.
Conformément à la présente invention, le dispositif est un circuit imprimé muni d'une ligne-fente. De manière plus précise, le dispositif comporte un substrat 1 , dont une face 2 a été métallisée et dans lequel une ligne-fente 3 est réalisée par gravure de la couche métallique 2. Comme représenté sur la figure 1, le substrat présente une hauteur h, et est réalisé en un matériau diélectrique connu.According to the present invention, the device is a printed circuit provided with a slit line. More specifically, the device comprises a substrate 1, one face 2 of which has been metallized and in which a slit line 3 is produced by etching the metal layer 2. As shown in FIG. 1, the substrate has a height h , and is made of a known dielectric material.
Conformément au procédé de la présente invention, la structureAccording to the process of the present invention, the structure
BIP est obtenue en réalisant des motifs 4 de manière périodique sur la face du substrat 1 opposée à la face portant la couche métallique 2. Les motifs 4 sont réalisés par gravure d'une couche métallique donnant les motifs métalliques 4. De préférence, les motifs 4 sont gravés sous la ligne-fente 3.BIP is obtained by producing patterns 4 periodically on the face of the substrate 1 opposite the face carrying the metallic layer 2. The patterns 4 are produced by etching a metallic layer giving the metallic patterns 4. Preferably, the patterns 4 are engraved under the slit line 3.
Pour obtenir la structure à bandes interdites photoniques, les motifs 4 sont espacés d'une distance a qui donne la période de répétition du motif, cette distance fixant la fréquence centrale de la bande interdite lorsque les motifs sont identiques. De ce fait, la distance « a » est de l'ordre de kλg/2 où λg est la longueur d'onde guidée dans la fente 3 à la fréquence centrale de la bande interdite choisie et k un entier.To obtain the structure with photonic bandgap, the patterns 4 are spaced by a distance a which gives the repetition period of the pattern, this distance fixing the central frequency of the bandgap when the patterns are identical. Therefore, the distance "a" is of the order of kλg / 2 where λg is the guided wavelength in slot 3 at the center frequency of the forbidden band chosen and k an integer.
Comme représenté sur la figure 4, le motif est de forme quelconque. Toutefois, la surface équivalente du motif détermine la largeur ou la profondeur de la bande interdite.As shown in Figure 4, the pattern is of any shape. However, the equivalent surface of the pattern determines the width or the depth of the prohibited band.
Comme représenté sur les figures 2a à 2d, les motifs utilisés peuvent être des motifs en forme de disque 4a, comme représenté sur la figure 2a, de rectangle ou de carré 4b, comme représenté sur la figure 2b, d'une forme sensiblement en H permettant de jouer sur plusieurs paramètres tels que les dimensions L1 , L2 et g, à savoir une forme à 3 degrés de liberté, telle que représentée par le motif 4c sur la figure 2b ou de forme annulaire 4d, comme représenté sur la figure 2d. Comme cela sera démontré ci-après, les dimensions du motif, notamment sa surface équivalente, permettent d'ajuster la largeur ou la profondeur de la bande interdite. D'autre part, comme représenté sur les figures 3a et 3b, une structure conforme à la présente invention peut être obtenue en utilisant des motifs sous forme de disque dont le rayon est variable, de manière progressive, tout en maintenant un espacement entre disques constant et égal à a. La variation peut suivre une loi mathématique définie telle qu'une loi du type fenêtre de Hamming, Barlett ou Kaiser. D'autre part, comme représenté sur la figure 3b, l'espacement entre les disques peut aussi être modifié de manière progressive.As shown in Figures 2a to 2d, the patterns used can be disc-shaped patterns 4a, as shown in Figure 2a, of rectangle or square 4b, as shown in Figure 2b, of a substantially H shape allowing to play on several parameters such as the dimensions L1, L2 and g, namely a shape with 3 degrees of freedom, as represented by the pattern 4c in FIG. 2b or of annular shape 4d, as represented in FIG. 2d. As will be demonstrated below, the dimensions of the pattern, in particular its equivalent surface, make it possible to adjust the width or the depth of the prohibited band. On the other hand, as shown in FIGS. 3a and 3b, a structure in accordance with the present invention can be obtained by using patterns in the form of a disc whose radius is variable, in a progressive manner, while maintaining a constant spacing between discs. and equal to a. The variation can follow a defined mathematical law such as a window type law of Hamming, Barlett or Kaiser. On the other hand, as shown in Figure 3b, the spacing between the discs can also be changed gradually.
De plus, les structures décrites ci-dessus peuvent être combinées, en particulier pour obtenir un élargissement de la bande interdite. Ainsi, il est possible de mettre en cascade deux structures du type représenté à la figure 4, l'une avec un espacement a et des motifs sous forme de disque de rayon r, l'autre avec un espacement a' et des motifs sous forme de disque de rayon r'. Dans ce cas, la fréquence centrale correspond au centre de la bande de fréquence définie par la fréquence minimale de la structure BIP ayant la plus basse fréquence centrale et par la fréquence maximale de la structure BIP ayant la plus haute fréquence centrale.In addition, the structures described above can be combined, in particular to obtain a widening of the band gap. Thus, it is possible to cascade two structures of the type shown in FIG. 4, one with a spacing a and patterns in the form of a disc of radius r, the other with a spacing a 'and patterns in the form of radius r '. In this case, the center frequency corresponds to the center of the frequency band defined by the minimum frequency of the BIP structure having the lowest center frequency and by the maximum frequency of the BIP structure having the highest central frequency.
On décrira maintenant, plus particulièrement avec référence aux figures 4 à 7, l'utilisation de la structure BIP conforme à l'invention, dans des antennes de type fente, pour obtenir un filtrage de certaines fréquences, à savoir réaliser un filtre coupe-bande.We will now describe, more particularly with reference to FIGS. 4 to 7, the use of the BIP structure according to the invention, in slot type antennas, to obtain filtering of certain frequencies, namely making a band-cut filter .
Comme représenté sur la figure 4, le phénomène de filtrage a été mis en évidence en simulant une ligne-fente 10, dans laquelle on a métallisé des disques 11, ces disques étant réalisés selon un motif périodique, avec une période a, telle que a = λg/2, λg étant défini comme ci-dessus et le disque présentant un rayon r.As shown in FIG. 4, the filtering phenomenon has been demonstrated by simulating a slit line 10, in which discs 11 have been metallized, these discs being produced in a periodic pattern, with a period a, such that a = λg / 2, λg being defined as above and the disc having a radius r.
La ligne-fente a été simulée comme étant excitée par deux transitions ligne-fente 12 et 13, à chaque extrémité de la fente 10. La ligne- fente a été dimensionnée en utilisant les lois établies par Knorr et dans le cas de la présente invention, on a pris comme dimensions a = 18.9 mm, r = 2.4 mm et n = 9. Les résultats de la simulation représentés sur la figure 5a permettent de mettre en évidence l'ouverture d'une bande interdite ayant une largeur d'environ 1 GHz autour de la fréquence 6.5 GHz. Lorsque l'on compare les résultats de la figure 5a avec ceux obtenus pour une ligne-fente sans structure à bandes photoniques interdites, comme représenté sur la figure 5b, on s'aperçoit que l'on a créé un filtre coupe-bande autour de 6.5 GHz.The slit line has been simulated as being excited by two line-slit transitions 12 and 13, at each end of the slit 10. The slit line has been dimensioned using the laws established by Knorr and in the case of the present invention , we took as dimensions a = 18.9 mm, r = 2.4 mm and n = 9. The results of the simulation represented in FIG. 5a make it possible to demonstrate the opening of a forbidden band having a width of approximately 1 GHz around the frequency 6.5 GHz. When we compare the results of figure 5a with those obtained for a slit-line without structure with prohibited photonic bands, as represented in figure 5b, we notice that we created a notch filter around 6.5 GHz.
En partant de la même structure, on a simulé des disques ayant des rayons différents et l'on a obtenu les résultats représentés sur la figure 6, dans le cas d'une structure photonique à six disques avec des rayons r variant entre 2.7 mm et 4.2 mm. On s'aperçoit que la surface du disque entraîne une modification de la largeur et de la profondeur du coefficient de transmission des bandes photoniques interdites.Starting from the same structure, disks having different radii were simulated and the results shown in FIG. 6 were obtained, in the case of a photonic structure with six disks with radii r varying between 2.7 mm and 4.2 mm. It can be seen that the surface of the disc results in a modification of the width and the depth of the transmission coefficient of the prohibited photonic bands.
Sur la figure 7, on a représenté le coefficient de réflexion d'une structure telle que celle de la figure 4, avec des motifs BIP constitués par vingt disques de rayon 1.6 mm avec un espacement de a = 14.7 mm. Dans ce cas, on s'aperçoit que l'on a une bande interdite étroite de 700 MHz autour de la fréquence 7.5 GHz.In FIG. 7, the coefficient of reflection of a structure such as that of FIG. 4 has been represented, with BIP patterns constituted by twenty discs of radius 1.6 mm with a spacing of a = 14.7 mm. In this case, we realize that we have a narrow band gap of 700 MHz around the frequency 7.5 GHz.
Basé sur les différents résultats de simulation, il est donc possible de déterminer le dimensionnement d'une structure BIP constituée par des disques métalliques susceptibles d'avoir une bande photonique interdite centrée sur une fréquence souhaitée. Ainsi, soit a la période de répétition du motif BIP et λH la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale de la bande interdite souhaitée, la période peut être obtenue en utilisant l'équation suivante : a = λu/2 εβff où εeff représente la permittivité effective du substrat.Based on the different simulation results, it is therefore possible to determine the dimensioning of a BIP structure constituted by metal disks capable of having a prohibited photonic band centered on a desired frequency. Thus, either at the repetition period of the BIP pattern and λ H the wavelength corresponding to the center frequency of the desired band gap, the period can be obtained using the following equation: a = λu / 2 εβ ff where ε eff represents the effective permittivity of the substrate.
On s'aperçoit ensuite que le rayon r des disques influence la largeur et la profondeur du coefficient de transmission de la bande interdite. Une bande interdite significative (S21 de l'ordre de -20dB) est obtenue pour une valeur telle que 0.15 < r/a < 0.25.It can then be seen that the radius r of the discs influences the width and the depth of the transmission coefficient of the forbidden band. A significant band gap (S21 of the order of -20dB) is obtained for a value such as 0.15 <r / a <0.25.
Cela a été démontré dans les figures données ci-dessus.This has been demonstrated in the figures given above.
On décrira maintenant avec référence aux figures 8 à 17, différentes structures d'antennes de type fente munies de structures BIP obtenues selon le procédé décrit ci -dessus, pour réaliser des fonctions de filtrage.We will now describe with reference to FIGS. 8 to 17, various slot type antenna structures provided with BIP structures obtained according to the method described above, to perform filtering functions.
Ainsi, dans le cas des figures 8 à 12, on a réalisé une structure BIP sous une antenne du type fente fermée, alimentée par une ligne d'alimentation, plus particulièrement une ligne du type ligne microruban, selon une transition ligne-fente utilisant les lois connues de Knorr. Sur la figure 8, on a représenté très schématiquement, une fente annulaire 20. Cette fente a été réalisée par gravure d'un plan de masse sur un substrat non représenté. Cette fente annulaire 20 est alimentée par une ligne microruban 21 , l'ensemble étant dimensionné de manière connue pour un fonctionnement à une fréquence donnée F0. Dans ce cas, l'antenne présente des résonances à tous les multiples impairs de la fréquence F0. Conformément à la présente invention, on a réalisé une structure BIP formée par des disques 22 métallisés périodiquement sous la fente annulaire. Cette structure BIP 22 est dimensionnée de manière à filtrer une des harmoniques obtenues dans le cas d'une antenne-fente annulaire de type classique.Thus, in the case of FIGS. 8 to 12, a BIP structure has been produced under an antenna of the closed slot type, supplied by a feed line, more particularly a line of the microstrip line type, according to a line-slot transition using the Knorr's known laws. In Figure 8, there is shown very schematically, an annular slot 20. This slot was produced by etching a ground plane on a substrate not shown. This annular slot 20 is supplied by a microstrip line 21, the assembly being dimensioned in a known manner for operation at a given frequency F0. In this case, the antenna has resonances at all the odd multiples of the frequency F0. In accordance with the present invention, a BIP structure has been produced formed by discs 22 metallized periodically under the annular slot. This BIP 22 structure is dimensioned so as to filter one of the harmonics obtained in the case of an annular slot antenna of conventional type.
Ainsi, la périodicité a entre deux motifs 22 a été calculée de manière à avoir une fréquence de la bande interdite correspondant, par exemple, à l'harmonique d'ordre 3. A titre d'exemple, pour un fonctionnement à F0 = 2.4 GHz, le rayon de la fente annulaire 20 est R = 5.4 mm et la longueur de la ligne microruban 21 est de 20 mm.Thus, the periodicity a between two patterns 22 has been calculated so as to have a band gap frequency corresponding, for example, to the harmonic of order 3. By way of example, for operation at F0 = 2.4 GHz , the radius of the annular slot 20 is R = 5.4 mm and the length of the microstrip line 21 is 20 mm.
Comme représenté sur la figure 9, on obtient des résonances parasites autour de 7 GHz, soit sensiblement à une valeur 3F0, alors que l'allure du coefficient de réflexion est sensiblement plate dans la région autour de 5 GHz. Cette antenne-fente est munie d'une structure BIP dont les dimensions ont été calculées en utilisant les règles données ci-dessus pour les disques. On obtient donc une périodicité entre disques a = 14.7 mm et un rayon des disques de 3.7 mm de manière à éliminer la fréquence de résonance autour de 7 GHz. Cela est représenté sur la figure 9 par la courbe munie de points. Avec les deux types d'antennes et comme représenté sur la figure 10, on obtient un diagramme de rayonnement omnidirectionnel sensiblement similaire. Ceci résulte aussi du tableau A ci- après donnant l'efficacité du rayonnement et l'efficacité de l'antenne pour les deux cas.As shown in FIG. 9, parasitic resonances are obtained around 7 GHz, ie substantially at a value 3F0, while the shape of the reflection coefficient is substantially flat in the region around 5 GHz. This slot antenna is provided with a BIP structure whose dimensions have been calculated using the rules given above for the discs. We thus obtain a periodicity between discs a = 14.7 mm and a radius of the discs of 3.7 mm so as to eliminate the resonance frequency around 7 GHz. This is represented in FIG. 9 by the curve provided with points. With the two types of antennas and as shown in FIG. 10, a substantially similar omnidirectional radiation pattern is obtained. This also results from Table A below giving the radiation efficiency and the antenna efficiency for the two cases.
TABLEAU ATABLE A
Selon une variante de l'invention, une structure BIP de même type peut être utilisée dans sa bande passante. Dans ce cas, la structure BIP est dimensionnée pour présenter une bande interdite à une fréquence plus élevée que la fréquence d'utilisation souhaitée. Dans sa bande passante, la structure BIP est à l'origine d'un effet appelé « slow wave » : la phase du coefficient de transmission d'une onde le long d'une ligne fente est modifiée par la présence des pastilles métalliques sous cette ligne. La vitesse de propagation de l'onde sous la fente est alors ralentie (« Slow-wave effect »). Il est donc possible de proposer une structure BIP dans laquelle la longueur électrique équivalente de la fente est modifiée. Autrement dit, la présence de la structure BIP permet de réduire la longueur d'onde guidée dans la fente : According to a variant of the invention, a BIP structure of the same type can be used in its bandwidth. In this case, the BIP structure is sized to present a prohibited band at a higher frequency than the desired frequency of use. In its bandwidth, the BIP structure is at the origin of an effect called "slow wave": the phase of the transmission coefficient of a wave along a slit line is modified by the presence of the metallic pellets under this line. The speed of propagation of the wave under the slit is then slowed down ("Slow-wave effect"). It is therefore possible to propose a BIP structure in which the equivalent electrical length of the slot is modified. In other words, the presence of the BIP structure makes it possible to reduce the guided wavelength in the slot:
Avec (λg) , la longueur d'onde guidée dans la fente en présence de la structure BIP, λg la longueur d'onde guidée dans la fente et λ0, la longueur d'onde guidée dans le vide.With (λ g ), the wavelength guided in the slot in the presence of the BIP structure, λ g the wavelength guided in the slot and λ 0 , the wavelength guided in vacuum.
Ainsi, une antenne fente annulaire dimensionnée à 2,4 GHz présente un fonctionnement identique en présence d'une structure BIP mais à une fréquence plus basse (2 GHz, par exemple).Thus, an annular slot antenna dimensioned at 2.4 GHz has an identical operation in the presence of a BIP structure but at a lower frequency (2 GHz, for example).
Comme représenté sur les figures 11a et 11 b, la forme des motifs 22a et 22b de la structure BIP peut être différente, par exemple circulaire ou carrée. Toutefois, comme il résulte de la courbe 12b, si la surface du motif 22a et du motif 22b est équivalente et que l'espacement a entre deux motifs est identique, on obtiendra des phénomènes sensiblement identiques, notamment la suppression de l'harmonique de rang 3 obtenue avec une antenne à fente annulaire de type classique, lorsque la structure BIP fonctionne en filtre. Comme représenté sur les courbes de la figure 9 et de la figureAs shown in FIGS. 11a and 11b, the shape of the patterns 22a and 22b of the BIP structure can be different, for example circular or square. However, as follows from curve 12b, if the area of pattern 22a and pattern 22b is equivalent and the spacing a between two patterns is identical, we will obtain substantially identical phenomena, in particular the suppression of the harmonic of rank 3 obtained with an annular slot antenna of the conventional type, when the BIP structure operates as a filter. As shown on the curves of figure 9 and figure
12, l'utilisation d'une structure BIP sous une antenne de type fente pour supprimer la fréquence d'une harmonique impaire peut entraîner la création d'harmoniques supplémentaires autour de la fréquence double (Cela est représenté par un pic de faible amplitude autour de 4 GHz). Pour supprimer ce type d'harmonique, une structure BIP classique, comme décrit dans l'article mentionné dans l'introduction, peut être utilisée. Dans ce cas, des motifs 23 sont créés sous la ligne d'alimentation 21 réalisée en technologie microruban, par dé-métallisation du plan de masse se trouvant en dessous de la ligne microruban.12, the use of a BIP structure under a slot-type antenna to suppress the frequency of an odd harmonic can lead to the creation of additional harmonics around the double frequency (This is represented by a low amplitude peak around 4 GHz). To remove this type of harmonic, a classic BIP structure, as described in the article mentioned in the introduction, can be used. In this case, patterns 23 are created under the supply line 21 produced in microstrip technology, by de-metallization of the ground plane located below the microstrip line.
Dans ce cas, des fentes sont ouvertes dans le plan de masse sous la ligne micro-ruban.In this case, slots are open in the ground plane under the microstrip line.
Les résultats obtenus avec une telle structure sont donnés par la courbe de la figure 14, qui donne une comparaison du coefficient de réflexion S11 en fonction de la fréquence pour différents types d'antennes à fente annulaire, à savoir l'antenne de référence, l'antenne munie d'une structure BIP conforme à la présente invention et l'antenne de la figure 13. Dans ce cas, on observe une diminution de l'amplitude du pic à la fréquence de 4 GHz.The results obtained with such a structure are given by the curve of FIG. 14, which gives a comparison of the reflection coefficient S11 as a function of the frequency for different types of antennas with annular slit, namely the reference antenna, l 'antenna with a BIP structure according to the present invention and the antenna of Figure 13. In this case, there is a decrease in the amplitude of the peak at the frequency of 4 GHz.
On décrira maintenant un autre mode d'utilisation d'une structure BIP dans le cas d'une antenne fente de type Vivaldi. La description sera faite avec référence aux figures 15 à 17.Another mode of use of a BIP structure will now be described in the case of a Vivaldi type slot antenna. The description will be made with reference to Figures 15 to 17.
Comme représenté sur la figure 15, sur un substrat métallisé 30, une antenne de type Vivaldi 31 a été réalisée par ouverture d'une fente en dé-métallisant la surface 30, cette fente présentant un profil s'évasant vers l'extérieur. Cette antenne de type Vivaldi est bien connue de l'homme de l'art et ne sera pas décrite plus en détail. De manière connue, cette antenne est alimentée par une ligne d'alimentation 32 selon le principe de Knorr. Cette ligne d'alimentation 32 est constituée par une ligne microruban.As shown in FIG. 15, on a metallized substrate 30, a Vivaldi type antenna 31 has been produced by opening a slot by de-metallizing the surface 30, this slot having a profile flaring outwards. This Vivaldi type antenna is well known to those skilled in the art and will not be described in more detail. In known manner, this antenna is supplied by a supply line 32 according to the Knorr principle. This supply line 32 is constituted by a microstrip line.
Conformément à l'invention, une structure BIP constituée par un motif périodique a été gravée sur la face du substrat opposée à la face recevant la fente évasée 31 , le long d'au moins un des profils constituant l'antenne de type Vivaldi. Comme représenté sur la figure 15, la structure BIP est constituée de quatre disques 32 régulièrement espacés d'une distance a.In accordance with the invention, a BIP structure constituted by a periodic pattern has been etched on the face of the substrate opposite the face receiving the flared slot 31, along at least one of the profiles constituting the Vivaldi type antenna. As shown in Figure 15, the BIP structure consists of four discs 32 regularly spaced by a distance a.
L'utilisation d'une structure BIP telle que représentée sur la figure 15 permet de créer, dans une antenne de type Vivaldi, des bandes de fréquences dans lesquelles la propagation des ondes est interdite. En effet, l'antenne Vivaldi a un fonctionnement intrinsèque à très large bande de fréquences, et l'utilisation d'une structure BIP permettra de créer une ou plusieurs sous-bandes de fonctionnement. La structure représentée à la figure 15, a été simulée sur une antenne de type Vivaldi fonctionnant autour d'une fréquence centrale de 5.8 GHz et présentant un profil suivant un rayon R = 350 mm, une longueur L = 99 mm et une ouverture X = 30 mm. Une antenne de type Vivaldi sans structure BIP présente une bande passante à 10 dB de 2 GHz, entre 5.5 et 7.5 GHz. Si une antenne de ce type est munie d'une structure BIP calculée pour présenter une bande interdite autour de 6.5 GHz, à savoir constituée de disques de rayon r = 4.3 mm selon une période a = 17.2 mm, on obtient un coefficient de réflexion en fonction de la fréquence telle que représentée sur la figure 16. Dans ce cas, la bande de fonctionnement de l'antenne de type Vivaldi est réduite par ajout de la structure BIP qui interdit la propagation des ondes le long de la fente, entre 5.5 et 7 GHz. Si l'on souhaite interdire deux bandes de fréquence disjointes, un profil de structure BIP 32a, 32b, tel que représenté sur la figure 17a, peut être utilisé. D'autre part, le filtrage peut être renforcé en alimentant l'antenne de type Vivaldi par une ligne d'alimentation 32 munie d'une structure BIP 33 de type classique, comme décrit ci-dessus dans le cas d'une antenne du type à fente annulaire.The use of a BIP structure as shown in FIG. 15 makes it possible to create, in a Vivaldi type antenna, frequency bands in which the propagation of the waves is prohibited. Indeed, the Vivaldi antenna operates intrinsically at a very wide frequency band, and the use of a BIP structure will make it possible to create one or more operating sub-bands. The structure shown in Figure 15, was simulated on a Vivaldi type antenna operating around a central frequency of 5.8 GHz and having a profile along a radius R = 350 mm, a length L = 99 mm and an opening X = 30 mm. A Vivaldi type antenna without BIP structure has a bandwidth at 10 dB of 2 GHz, between 5.5 and 7.5 GHz. If an antenna of this type is provided with a BIP structure calculated to present a band gap around 6.5 GHz, namely made up of disks of radius r = 4.3 mm according to a period a = 17.2 mm, a reflection coefficient is obtained in frequency function as shown in figure 16. In this case, the operating band of the Vivaldi type antenna is reduced by adding the BIP structure which prevents the propagation of waves along the slit, between 5.5 and 7 GHz. If it is desired to prohibit two disjoint frequency bands, a BIP structure profile 32a, 32b, as shown in FIG. 17a, can be used. On the other hand, the filtering can be reinforced by supplying the Vivaldi type antenna by a supply line 32 provided with a BIP structure 33 of conventional type, as described above in the case of an antenna of the type with annular slot.
Il est évident pour l'homme de l'art que les modes de réalisation décrits ci-dessus ont été donnés à titre d'exemples et qu'une structure BIP, obtenue selon le procédé conforme à la présente invention, peut être utilisée dans d'autres types d'antennes de type fente. It is obvious to a person skilled in the art that the embodiments described above have been given by way of examples and that a BIP structure, obtained according to the process in accordance with the present invention, can be used in d other types of slot type antennas.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Procédé de réalisation d'une structure à bandes interdites photoniques (BIP) sur un dispositif micro-ondes du type fente réalisé sur un substrat métallisé, caractérisé en ce qu'il consiste à former sur la face du substrat opposée à la face recevant la fente, des motifs métalliques (4, 4a, 4b, 4c, 4d, 5a, 5b, 11a, 22, 32) périodiques.1 - Method for producing a photonic band gap structure (BIP) on a microwave device of the slit type produced on a metallized substrate, characterized in that it consists in forming on the face of the substrate opposite to the receiving face the slot, periodic metallic patterns (4, 4a, 4b, 4c, 4d, 5a, 5b, 11a, 22, 32).
2 - Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la périodicité entre deux motifs est égale à kλg/2 où λg est la longueur d'onde guidée dans la fente à la fréquence de la bande interdite choisie et k un entier.2 - Method according to claim 1, characterized in that the periodicity between two patterns is equal to kλg / 2 where λg is the wavelength guided in the slot at the frequency of the selected band gap and k an integer.
3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la largeur et la profondeur de la bande interdite sont fonction de la surface équivalente du motif périodique.3 - Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the width and the depth of the forbidden band are a function of the equivalent surface of the periodic pattern.
4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le motif est en matériau métallique.4 - Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the pattern is made of metallic material.
5 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le motif est réalisé par gravure d'une couche métallique déposée sur la face du substrat opposée à la face recevant la fente.5 - Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the pattern is produced by etching a metal layer deposited on the face of the substrate opposite to the face receiving the slot.
6 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les motifs sont réalisés au moins en partie sous la fente.6 - Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the patterns are made at least partially in the slot.
7 - Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que dans une structure BIP, la dimension des motifs est modifiable selon une fonction progressive. 8 - Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que, dans une structure BIP, l'espacement entre chaque motif est modifiable selon une fonction progressive.7 - Method according to claim 1, characterized in that in a BIP structure, the size of the patterns can be modified according to a progressive function. 8 - Method according to claim 1, characterized in that, in a BIP structure, the spacing between each pattern can be modified according to a progressive function.
9 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que plusieurs structures BIP différentes sont combinées l'une avec l'autre.9 - Method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that several different BIP structures are combined with each other.
10 - Antenne micro-ondes constituée par une fente fermée réalisée sur un substrat métallisé, la fente étant alimentée par une ligne d'alimentation, caractérisée en ce qu'elle comporte une structure à bandes interdites (22) réalisée selon l'une des revendications 1 à 9.10 - Microwave antenna constituted by a closed slit produced on a metallized substrate, the slit being supplied by a supply line, characterized in that it comprises a bandgap structure (22) produced according to one of claims 1 to 9.
11 - Antenne micro-ondes selon la revendication 10, caractérisée en ce que la périodicité des motifs de la structure BIP est choisie pour que la fréquence de la bande interdite soit égale à une des harmoniques de la fréquence de fonctionnement de la fente fermée.11 - Microwave antenna according to claim 10, characterized in that the periodicity of the patterns of the BIP structure is chosen so that the frequency of the band gap is equal to one of the harmonics of the operating frequency of the closed slot.
12 - Antenne micro-ondes selon la revendication 10, caractérisée en ce que la périodicité des motifs de la structure BIP est choisie pour que la fréquence de la bande interdite soit supérieure à la fréquence de fonctionnement de la fente fermée.12 - Microwave antenna according to claim 10, characterized in that the periodicity of the patterns of the BIP structure is chosen so that the frequency of the band gap is greater than the operating frequency of the closed slot.
13 - Antenne selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisée en ce que la fente fermée est une fente annulaire.13 - Antenna according to any one of claims 10 to 12, characterized in that the closed slot is an annular slot.
14 - Antenne selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisée en ce que la fente est alimentée selon une transition ligne-fente par une ligne d'alimentation réalisée en technologie microruban. 15 - Antenne selon la revendication 14, caractérisée en ce que sous la ligne microruban est réalisée une structure à bandes interdites photoniques par dé-métallisation de la face du substrat opposée à la face recevant la ligne.14 - Antenna according to any one of claims 10 to 13, characterized in that the slot is supplied in a line-slot transition by a supply line produced in microstrip technology. 15 - Antenna according to claim 14, characterized in that under the microstrip line is formed a photonic band gap structure by de-metallization of the face of the substrate opposite to the face receiving the line.
16 - Antenne micro-ondes du type Vivaldi, caractérisée en ce qu'elle comporte une structure à bandes interdites (32) réalisée selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.16 - Microwave antenna of the Vivaldi type, characterized in that it comprises a bandgap structure (32) produced according to any one of claims 1 to 9.
17 - Antenne selon la revendication 16, caractérisée en ce qu'une structure à bandes interdites photoniques est réalisée le long d'au moins un des profils de la fente constituant l'antenne de type Vivaldi.17 - Antenna according to claim 16, characterized in that a structure with photonic bandgaps is produced along at least one of the profiles of the slot constituting the Vivaldi type antenna.
18 - Antenne selon l'une des revendications 16 et 17, caractérisée en ce que l'antenne de type Vivaldi est alimentée selon une transition ligne-fente par une ligne d'alimentation réalisée en technologie microruban.18 - Antenna according to one of claims 16 and 17, characterized in that the Vivaldi type antenna is supplied in a line-slot transition by a supply line produced in microstrip technology.
19 - Antenne selon la revendication 18, caractérisée en ce que sous la ligne microruban est réalisée une structure à bandes interdites photoniques par dé-métallisation de la face du substrat recevant la ligne. 19 - Antenna according to claim 18, characterized in that under the microstrip line is made a structure with photonic bandgaps by de-metallization of the face of the substrate receiving the line.
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