EP1825566A1 - Perfectionnement aux antennes a bandes interdites photoniques actives - Google Patents

Perfectionnement aux antennes a bandes interdites photoniques actives

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EP1825566A1
EP1825566A1 EP05819420A EP05819420A EP1825566A1 EP 1825566 A1 EP1825566 A1 EP 1825566A1 EP 05819420 A EP05819420 A EP 05819420A EP 05819420 A EP05819420 A EP 05819420A EP 1825566 A1 EP1825566 A1 EP 1825566A1
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rods
discontinuous
antenna
rod
source
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Ali Louzir
Françoise Le Bolzer
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
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/006—Selective devices having photonic band gap materials or materials of which the material properties are frequency dependent, e.g. perforated substrates, high-impedance surfaces
    • H01Q15/0066—Selective devices having photonic band gap materials or materials of which the material properties are frequency dependent, e.g. perforated substrates, high-impedance surfaces said selective devices being reconfigurable, tunable or controllable, e.g. using switches

Definitions

  • the present invention relates to active photonic bandgap antennas.
  • Photonic bandgap structures are known by the abbreviation BIP, generally by the term "Photonic Band Gap Structure” or PBG structure in English, for periodic structures that 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 spread to other frequency ranges. Photonic bandgap structures are used in particular in microwave devices such as filters, antennas or the like.
  • the present invention relates to a photonic band-gap structure using metal elements, more particularly parallel rods which are perfectly conducting and arranged periodically, some of the rods being formed of sections connected by a switching element which, depending on its state, makes the stem continuous or discontinuous.
  • an antenna consisting of a source placed in the center of a photonic bandgap structure composed of metal rods formed of rod sections interconnected by a PIN diode to switch from the continuous state to the discontinuous state.
  • This is called an active photonic band gap antenna.
  • the present invention relates to an improvement to an active photonic band gap antenna (BIP) which is carried out with metal rods of finite length, some of which are formed of sections interconnected by a switching element which makes it possible to make the rod continuous or discontinuous.
  • BIP active photonic band gap antenna
  • the present invention relates to an active photonic band gap antenna (BIP) having, in a plane of x, y directions, a radiating source and a photonic band gap structure constituted by parallel metal rods, perpendicular to said plane, the diameter rods. d repeating n x times with a period a x in the x direction and n y times with a period y in the y direction, the rods being constituted by continuous rods and discontinuous rods formed by at least 2 sections connected by a switching element making the rod continuous or discontinuous, characterized in that one of the rods of at least one row of rods viewed from the radiating source is a discontinuous rod.
  • BIP active photonic band gap antenna
  • the discontinuous rod comprises a number of sections t such that t> 2.
  • the length L of a section is equal to ⁇ 0/2 where ⁇ 0 is the wavelength at the operating frequency of the antenna.
  • the discontinuous rod corresponds to the outer stem of a row of stems seen by the source.
  • the source is a monopole mounted on a ground plane on which the rods are also mounted, a DRA (for Dielectric Resonator Antenna) mounted on a ground plane, a dipole or the like.
  • the rods are made of a metallic material such as copper, silver, aluminum or the like.
  • the switching element is selected from PIN diodes or MEMs for MicroElectroMechanical Systems
  • FIG. 1 is a very schematic view of a photonic band gap antenna according to the prior art with its 3D radiation pattern
  • FIG. 2 is a view identical to that of FIG. 1 in the case of a photonic bandgap antenna according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective view of a discontinuous rod used in the present invention. invention
  • FIG. 4 schematically represents the four possible directions for the discontinuous rods and the corresponding radiation diagrams.
  • FIG. 5 schematically represents the different possible locations for the discontinuous rods in a given direction, as well as the corresponding radiation diagrams.
  • Fig. 6 schematically shows an alternative embodiment of the present invention.
  • a forbidden band antenna photonics according to the prior art.
  • the BIPM period a is such that the plane wave characterization has its first propagation peak at the above frequency.
  • Its radiation pattern as shown in Figure 1 is then rosette-shaped with four main lobes in the directions (0 °, 90 °, 180 ° and 270 °).
  • This antenna has preferred directions of radiation when the BIPM structure traversed in this direction is busy.
  • this antenna has radiation minima when the crossed BIPM structure is blocking.
  • This blocking or passing state is deduced from an ancillary simulation called plane wave characterization known to those skilled in the art.
  • the characterization under wave consists of illuminating metallic rods of infinite dimensions along the Z axis under plane wave.
  • a BIPM structure characterized by a plane wave has a bandwidth at this frequency.
  • this operation is obtained when a height of metal rods is respected, namely H> 1.5A 0 .
  • the first metal rod 3 of two contiguous rows of metal rods seen from the source 1 is a discontinuous rod according to the direction explained below, namely a rod formed of at least 2 sections connected by a switching element which can be on or off such as a PIN diode or a MEMS-based switch (Micro Electro Mechanical System).
  • the energy radiated by the source 1 in the middle of the active BIPM structure does not propagate in the direction where the two discontinuous rods are located, the BIPM structure being blocking, and one obtains a radiation pattern as shown in FIG. Figure 2 with a preferred direction of radiation opposite the direction in which the stems are discontinuous.
  • This dual operation between the continuous and discontinuous rods is obtained when the length of the sections L of the metal rods forming the discontinuous rods is of the order of half the wavelength.
  • fo 5.25GHz
  • L 28.6mm.
  • Figure 3 shows a discontinuous rod and the relationship to link "H", the total height of the discontinuous rod geometric parameters of the discontinuous rod. These parameters are “L”, the length of the metal sections, “n e ", the number of discontinuities and "e”, the size of the discontinuity. So we get the equation:
  • FIG. 4 two discontinuous rods 3 are positioned respectively along the 4 directions surrounding the source.
  • the rods obtain four possible configurations. for the radiation pattern, as shown in the figure.
  • the discontinuous rods 3 are, for the same direction, positioned according to three different arrangements, namely respectively on the first line seen by the source 1, on the second line and on the third line or external line.
  • This last solution facilitates the realization of the antenna because the control due to the switching element such as a PIN diode is made easier by being performed on the outside of the BIPM structure.
  • FIG. 6 shows a BIPM antenna with 3 discontinuous rods 3 surrounding the source 1 on three sides, the other rods being continuous rods 2. With this structure, the radiation diagram shown in FIG. 6 is obtained with 12 dB directivities.

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Abstract

La présente invention concerne une antenne à bandes interdites photoniques active. Dans ce cas, la structure à bandes interdites photoniques est constituée de tiges métalliques (2,3) dont certaines sont discontinues (3), c'est-à-dire composées de tronçons de tiges reliés par un élément de commutation tel qu'une diode PIN. Selon l'invention, seule une tige (3) dans une rangée de tiges vue à partir de la source (1 ) rayonnante est discontinue. On peut contrôler le diagramme de l'antenne à faible coût.

Description

PERFECTIONNEMENT AUX ANTENNES A BANDES INTERDITES
PHOTONIQUES ACTIVES
La présente invention concerne les antennes à bandes interdites photoniques actives.
Les structures à bandes interdites photoniques sont connues sous l'abréviation BIP, de manière générale sous le terme « Photonic Band Gap Structure ou PBG structure » en langue anglaise, pour 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. Les structures à bandes interdites photoniques sont utilisées notamment dans des dispositifs micro-ondes tels que des filtres, des antennes ou similaire.
Parmi les structures à bandes interdites photoniques, on trouve des structures métalliques qui utilisent une distribution périodique d'éléments métalliques, d'autres une distribution périodique d'éléments diélectriques mais aussi des structures métallo-diélectriques. La présente invention se rapporte à une structure à bandes interdites photoniques utilisant des éléments métalliques, plus particulièrement des tiges parallèles parfaitement conductrices et disposées périodiquement, certaines des tiges étant formées de tronçons connectés par un élément de commutation qui, en fonction de son état, rend la tige continue ou discontinue.
Des antennes à bandes interdites photoniques à base d'éléments métalliques tels que des tiges métalliques parallèles ont déjà été étudiées. Ainsi, l'article publié dans la revue Chin. Phys.Lett. Vol. 19, n° 6 (2002) 804 intitulé « Métal Photonic Band Gap Résonant Antenna with High Directivity and High Radiation Résistance », de Lin Qien, FU-Jian, HE Sai-Ling, Zhang Jian-Wu étudie une structure résonnante à bandes interdites photoniques métallique (MBPG) formée de tiges métalliques parallèles infiniment longues selon la direction Z.
Il est aussi décrit dans un article intitulé « A Beam Steering Antenna Controlled with a EBG Material » au nom de P Ratajczak, P. Y. Garel, P. Brachat paru dans IEEE AP-S 2004, une antenne constituée d'une source placée au centre d'une structure à bandes interdites photoniques composée de tiges métalliques formées de tronçons de tiges interconnectés par une diode PIN permettant de passer de l'état continu à l'état discontinu. On parle alors d'antenne à bandes interdites photoniques actives. La présente invention concerne un perfectionnement à une antenne à bandes interdites photoniques (BIP) actives qui est réalisée avec des tiges métalliques de longueur finie, dont certaines sont formées de tronçons interconnectés par un élément de commutation qui permet de rendre la tige continue ou discontinue. Ainsi, différents diagrammes de rayonnement peuvent être obtenus en fonction de l'emplacement des tiges discontinues.
La présente invention concerne une antenne à bandes interdites photoniques (BIP) active comportant, selon un plan de directions x, y, une source rayonnante et une structure à bandes interdites photoniques constituée par des tiges métalliques parallèles, perpendiculaires audit plan, les tiges de diamètre d se répétant nx fois avec une période ax dans la direction x et ny fois avec une période ay dans la direction y, les tiges étant constituées par des tiges continues et des tiges discontinues formées par au moins 2 tronçons reliés par un élément de commutation rendant la tige continue ou discontinue, caractérisée en ce qu'une des tiges d'au moins une rangée de tiges vue à partir de la source rayonnante est une tige discontinue.
Selon un mode de réalisation, la tige discontinue comporte un nombre de tronçons t tel que t > 2. De préférence, la longueur L d'un tronçon est égale à λO/2 où λO est la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement de l'antenne. Ainsi, la hauteur totale d'une tige discontinue est donnée par la formule H = (ne+l) L+nee, dans laquelle : ne correspond au nombre de discontinuités, L correspond à la longueur d'un tronçon et e à la taille de l'élément de commutation.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la tige discontinue correspond à la tige externe d'une rangée de tiges vue par la source. Selon un mode de réalisation, la source est un monopôle monté sur un plan de masse sur lequel sont aussi montées les tiges, un DRA (pour Dielectric Resonator Antenna) monté sur un plan de masse, un dipôle ou similaire. Les tiges sont en un matériau métallique tel que du cuivre, de l'argent, de l'aluminium ou similaire. L'élément de commutation est choisi parmi les diodes PIN ou les MEMs pour MicroElectroMechanical systèmes
D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description faite avec référence aux dessins ci- annexés dans lesquels :
Fig :1 est une vue très schématique d'une antenne à bandes interdites photoniques selon l'art antérieur avec son diagramme de rayonnement en 3D,
Fig : 2 est une vue identique à celle de figure 1 dans le cas d'une antenne à bandes interdites photoniques selon un mode de réalisation de la présente invention, Fig : 3 est une vue en perspective d'une tige discontinue utilisée dans la présente invention,
Fig : 4 représente schématiquement les quatre directions possibles pour les tiges discontinues ainsi que les diagrammes de rayonnement correspondants, Fig : 5 représente schématiquement les différents emplacements possibles pour les tiges discontinues selon une direction donnée ainsi que les diagrammes de rayonnement correspondants et
Fig : 6 représente schématiquement une variante de réalisation de la présente invention.
Pour expliquer le concept de la présente invention, l'on décrira tout d'abord, avec référence à la figure 1 , une antenne à bandes interdites photoniques selon l'art antérieur. Cette antenne est constituée d'une source rayonnante formée par un dipôle 1 dimensionné pour fonctionner à une fréquence fo=5.25GHz et positionné au centre d'une structure à bandes interdites photoniques métalliques ou BIPM de forme carrée composée de 6x6 tiges 2 métalliques. La période a du BIPM est telle que la caractérisation sous onde plane présente son premier pic de propagation à la fréquence ci- dessus. Son diagramme de rayonnement tel que représenté sur la figure 1 ,est alors en forme de rosace avec quatre lobes principaux dans les directions (0°, 90°, 180° et 270°). Cette antenne présente des directions privilégiées de rayonnement lorsque la structure BIPM traversée dans cette direction est passante. Au contraire, cette antenne présente des minima de rayonnement lorsque la structure BIPM traversée est bloquante. Cet état bloquant ou passant se déduit d'une simulation annexe appelée caractérisation sous onde plane connue de l'homme de l'art. La caractérisation sous onde consiste à illuminer des tiges métalliques de dimensions infinies suivant l'axe Z sous onde plane.
Ainsi, une source dimensionnée à f=5.25GHz (dipôle filaire) au centre d'une structure BIPM de 6x6 tiges de période a=17.5mm présente un diagramme en forme de rosace avec des directions privilégiées de rayonnement dans le plan Θ=90° pour (0°, 90°, 180° et 270°). Cela s'explique par le fait qu'une structure BIPM caractérisée sous onde plane présente une bande passante à cette fréquence. Au contraire, dans les directions (45°, 135°, 225° et 315°), le diagramme de rayonnement de l'antenne présente des minima de rayonnement car la caractérisation sous onde plane à cette fréquence pour une période vue de = 24.8mm présente une bande interdite. Ceci explique le diagramme de rayonnement en forme de rosace. Par ailleurs, ce fonctionnement est obtenu lorsqu'une hauteur de tiges métalliques est respectée, à savoir H> 1.5A0.
Sur la figure 2, on a représenté une antenne BIPM active conforme à la présente invention. Dans ce cas, la première tige métallique 3 de deux rangées contiguës de tiges métalliques vues à partir de la source 1 est une tige discontinue selon le sens expliqué ci-après, à savoir une tige formée d'au moins 2 tronçons reliés par un élément de commutation qui peut être passant ou ouvert tel qu'une diode PIN ou un commutateur à base de MEMS (Micro Electro Mechanical System). L'énergie rayonnée par la source 1 au milieu de la structure BIPM active ne se propage pas dans la direction où se trouvent les 2 tiges discontinues, la structure BIPM étant bloquante, et l'on obtient un diagramme de rayonnement tel que représenté sur la figure 2 avec une direction privilégiée de rayonnement opposée à la direction dans laquelle se trouvent les tiges discontinues. Ce fonctionnement dual entre les tiges continues et discontinues est obtenu lorsque la longueur des tronçons L des tiges métalliques formant les tiges discontinues est de l'ordre de la demi- longueur d'onde. Ainsi pour une fréquence de fonctionnement de fo=5.25GHz, L=28.6mm.
On expliquera ci-après avec référence à la figure 3, le dimensionnement d'une tige discontinue. Plus particulièrement, la figure 3 représente une tige discontinue et la relation permettant de lier « H », la hauteur totale de la tige discontinue aux paramètres géométriques de la tige discontinue. Ces paramètres sont « L », la longueur des tronçons métalliques, « ne », le nombre des discontinuités et « e », la taille de la discontinuité. On obtient donc l'équation :
H = (ne+1 ) x L + ne x e
Ainsi pour la topologie d'antenne présentée comme exemple, la hauteur des tiges métalliques est égale à H=8.98cm, avec ne = 2 (2 discontinuités par tige), e=2mm (correspondant à la taille d'une diode) et L=28.6cm (tel que mentionné ci-dessus pour un fonctionnement à 5.25GHz).
On décrira maintenant avec référence aux figures 4 à 6, différents modes de réalisation de la présente invention. Ainsi sur la figure 4, deux tiges discontinues 3 sont positionnées respectivement selon les 4 directions entourant la source LDans ce cas, l'obtient quatre configurations possibles pour le diagramme de rayonnement, comme représenté sur la figure. Sur la figure 5, les tiges discontinues 3 sont, pour une même direction, positionnées selon trois agencements différents, à savoir respectivement sur la première ligne vue par la source 1 , sur la seconde ligne et sur la troisième ligne ou ligne externe. Cette dernière solution facilite la réalisation de l'antenne car la commande due l'élément de commutation tel qu'une diode PIN est rendue plus facile en étant réalisée sur l'extérieur de la structure BIPM. Pour comparaison, l'on a aussi représenté une solution avec 2 rangées complètes de tiges discontinues 3. Comme représenté sur la figure, les diagrammes de rayonnement associés sont comparables permettant d'interdire à l'énergie de se propager dans la direction considérée. Ainsi, la solution de la présente invention permet de contrôler le diagramme de rayonnement avec un coût minime puisqu'une seule tige par rangée est une tige discontinue dont la structure est plus coûteuse du fait de l'utilisation d'éléments de commutation. Sur la figure 6, on a représenté une antenne BIPM avec 3 tiges discontinues 3 entourant la source 1 sur trois cotés, les autres tiges étant des tiges continues 2. Avec cette structure, l'on obtient le diagramme de rayonnement représenté sur la figure 6 avec des directivités de 12 dB.
Ainsi en n'utilisant qu'un nombre restreint de tiges discontinues, il est possible de contrôler le diagramme de rayonnement d'une antenne à bandes interdites photoniques actives.

Claims

REVENDICATIONS
1- Une antenne à bandes interdites photoniques (BIP) active comportant, selon un plan de directions x, y, une source rayonnante et une structure à bandes interdites photoniques constituée par des tiges métalliques parallèles, perpendiculaires audit plan, les tiges de diamètre d se répétant nx fois avec une période ax dans la direction x et ny fois avec une période ay dans la direction y, les tiges étant constituées par des tiges continues et des tiges discontinues formées par au moins 2 tronçons reliés par un élément de commutation rendant la tige continue ou discontinue, caractérisée en ce qu'une des tiges d'au moins une rangée de tiges vue à partir de la source rayonnante est une tige discontinue.
2- Antenne selon la revendication 1 , caractérisée en ce que la tige discontinue comporte un nombre de tronçons t tel que t > 2.
3- Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la longueur L d'un tronçon est égale à λO/2 où λO est la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement de l'antenne.
4- Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la hauteur totale d'une tige discontinue est donnée par la formule H = (ne+1 ) x L + ne x e, dans laquelle : ne correspond au nombre de discontinuités, L correspond à la longueur d'un tronçon et e à la taille de l'élément de commutation.
5- Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la tige discontinue correspond à la tige externe d'une rangée de tiges vue par la source. 6- Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que la source est un monopôle monté sur un plan de masse sur lequel sont aussi montées les tiges, un DRA (pour Dielectric Resonator Antenna) monté sur un plan de masse ou un dipôle.
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