EP2076937A2 - Antenne a materiau bip (bande interdite photonique), systeme - Google Patents

Antenne a materiau bip (bande interdite photonique), systeme

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Publication number
EP2076937A2
EP2076937A2 EP07848279A EP07848279A EP2076937A2 EP 2076937 A2 EP2076937 A2 EP 2076937A2 EP 07848279 A EP07848279 A EP 07848279A EP 07848279 A EP07848279 A EP 07848279A EP 2076937 A2 EP2076937 A2 EP 2076937A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
antenna
electromagnetic waves
cavity
section
injection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP07848279A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Régis CHANTALAT
Patrick Dumont
Bernard Jecko
Thierry Monediere
Marc Thevenot
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National dEtudes Spatiales CNES
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National dEtudes Spatiales CNES
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National dEtudes Spatiales CNES, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS filed Critical Centre National dEtudes Spatiales CNES
Publication of EP2076937A2 publication Critical patent/EP2076937A2/fr
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/44—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the electric or magnetic characteristics of reflecting, refracting, or diffracting devices associated with the radiating element
    • H01Q3/46—Active lenses or reflecting arrays
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H01Q15/0073—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 having corrugations
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
    • H01Q19/12—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces wherein the surfaces are concave
    • H01Q19/13—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces wherein the surfaces are concave the primary radiating source being a single radiating element, e.g. a dipole, a slot, a waveguide termination

Definitions

  • the present invention relates to a BIP (Forbidden Photonic Band) material antenna, a system and a method using this antenna.
  • BIP Form Image Photonic Band
  • There are antennas with default BIP material comprising:
  • a first BIP material having a periodicity of at least one dimension and an outer radiating face in transmission and / or in reception
  • At least one first periodicity defect of the BIP material forming a first resonant cavity capable of creating at least one narrow bandwidth within a non-conducting band of the BIP material, this cavity having an upper wall formed by a lower face of the material; BIP opposite to the radiating outer face, and a lower wall vis-à-vis the upper wall, and - at least one excitation device adapted to resonate the resonant cavity, this device having an injection surface and / or receiving electromagnetic waves at a working frequency in the narrow bandwidth, this surface being flush with the lower wall of the cavity.
  • the excitation device is typically a plate antenna (or "Patch Antenna” in English), a dipole, a probe antenna or a wire-plate antenna.
  • These antennas BIP material default have a gain and a high directivity. However, for some applications, it is necessary to further increase the directivity of these antennas.
  • the aim of the invention is to satisfy this desire by proposing an antenna which, with identical BIP material, has an increased directivity with respect to known antennas.
  • the subject of the invention is therefore a BIP material antenna in which the injection and / or reception surface is at least one width or one length or a diameter greater than ⁇ , where ⁇ is the wavelength of the working frequency.
  • flush means here a surface which is substantially in the plane defined by the reflective plane 6.
  • the injection surface and / or receiving electromagnetic waves can be spaced a very short distance h above or below the reflector plane 6.
  • the distance h measured in a direction z perpendicular to the reflective plane is considered to be very small when it is between - ⁇ / 10 and + ⁇ / 20, - ⁇ / 10 is the maximum distance below the reflector plane and + ⁇ / 20 is the maximum distance above the reflective plane (ie cavity side).
  • the distribution of the power of the electromagnetic waves on the injection and / or reception surface has a point where the power is maximum, this point being distant from the periphery of this surface, and the power decreases continuously along a straight from this point to the periphery and this regardless of the direction of the line considered in the plane of this surface;
  • the excitation device comprises at least one flared electromagnetic wave guide equipped with a distal end emerging inside the resonant cavity and with a proximal end capable of being connected to a generator and / or to a receiver of electromagnetic waves, the cross-sectional area of the distal end being strictly greater than the cross-sectional area of the proximal end, and wherein the distal end of the waveguide is flush with the bottom wall to form said injection and / or reception surface;
  • the flared guide comprises a feeding guide whose cross section is constant and equal to the section of the proximal end, and a flared portion whose cross section increases from a small section identical to the cross section of the proximal end to a large section identical to the cross section of the distal end, the small section of this flared portion being placed end-to-end with the feed guide, and wherein the cross-sectional dimensions of the feed guide are adapted to allow only a single mode of electromagnetic wave propagation within the feed guide;
  • the dimensions of the cross-section of the feed guide are adapted to allow only the propagation mode TE10 or TE1 1;
  • the excitation device is itself a BIP material structure with a second BIP material having a periodicity of at least one dimension and an outer face flush with the lower wall of the resonant cavity to form said surface; injecting and / or receiving the excitation device; the excitation device is a waveguide comprising a plurality of lateral walls guiding the electromagnetic waves in a direction parallel to the lower wall of the cavity, one of these walls being permeable to electromagnetic waves guided and flush with the lower wall; the cavity for forming said injection and / or reception surface; the excitation device comprises a ground plane and a ribbon of conducting material fixed on the surface of the ground plane and electrically isolated from this ground plane, this ribbon being mounted flush with the lower wall of the cavity to form said surface injection and / or reception when connected to a generator and
  • the antenna comprises several excitation devices each having a surface for injecting and / or receiving electromagnetic waves flush with the lower wall of the cavity.
  • the distribution of the power of the electronic waves having a maximum and decreasing towards the periphery of the injection and / or reception surface makes it possible, with identical BIP material, to increase the directivity while maintaining the same radiation bandwidth as that of known antennas,
  • the use of a flared waveguide as an excitation device also makes it possible to increase the gain of the antenna; the use of a feed guide makes it possible to select the mode of propagation; the most appropriate electromagnetic waves for the operation of the antenna,
  • the use of the propagation modes TE10 or TE11 optimizes the operation of the antenna, a distance greater than d m ⁇ n makes it possible to have a good uniformity of the phase of the electromagnetic waves at the level of the injection surface and / or reception, which improves the performance of the antenna,
  • the invention also relates to a system for transmitting and / or receiving electromagnetic waves comprising:
  • a device for focusing the electromagnetic waves transmitted and / or received by the system this device having a focus, and a multibeam antenna comprising an outer radiating surface in emission or reception placed substantially at the focus of the focusing device, and wherein the multibeam antenna is a BIP (Photonic Prohibited Band) material antenna comprising: a first BIP material having a periodicity of at least one dimension and an outer radiating face in transmission and / or reception,
  • BIP Photonic Prohibited Band
  • At least one first periodicity defect of the BIP material forming a first resonant cavity capable of creating at least one narrow bandwidth within a non-conducting band of the BIP material, this cavity having an upper wall formed by a lower face of the BIP material opposite to the radiating outer face, and a lower wall facing the upper wall,
  • a plurality of excitation devices capable of resonating the resonant cavity, these devices having a surface for injecting and / or receiving electromagnetic waves at a working frequency in the narrow bandwidth, this surface being flush with the lower wall of the cavity.
  • Each injection and / or reception surface has at least one width or length or diameter greater than ⁇ , where ⁇ is the wavelength of the working frequency of the corresponding excitation device.
  • the invention also relates to a method for transmitting and / or receiving electromagnetic waves using the antenna BIP material above.
  • FIG. 1 is a perspective view in section of a schematic illustration of the architecture of a defective BIP material antenna
  • FIG. 2 is a perspective view of an antenna with a known default BIP material
  • FIGS. 3 to 5 are illustrations of the radiation patterns obtained using the antennas of FIGS. 1 and 2;
  • FIG. 6 is a graph showing the zenith directionality of the antennas of FIGS. 1 and 2 as a function of their frequencies of respective work,
  • FIG. 7 is a perspective and cross-sectional view of a second embodiment of a multi-source antenna with BIP material
  • FIG. 8 is a schematic illustration of a wave transmission / reception system.
  • FIGS. 9 to 12 are diagrammatic illustrations of various flared waveguide structures that may be used in the antenna of FIG. 1 or 7,
  • FIGS. 13A and 13B are respectively front and side views of a "ridged” waveguide (or “Ridge Horns Antenna” in English),
  • FIG. 14 is a schematic illustration of a corrugated waveguide usable in the antenna of FIG. 1 or 7, and FIGS. 15 to 17 are schematic illustrations of three other embodiments of material antennas. BEEP.
  • FIG. 1 shows a BIP antenna 2 designed to operate at a working frequency of 31.2 GHz.
  • This antenna 2 comprises:
  • the BIP material 4, the cavity 8 and the plane 6 are made in accordance with the teaching of the patent application published under the number WO 1137373 by the CNRS (National Center for Scientific Research) on November 18, 1999.
  • the material 4 is here made by stacking in a vertical direction z planar layers having a different permittivity. Each of these layers extends in a horizontal plane defined by orthogonal directions x and y to the direction z.
  • the antenna 2 comprises two plane layers 14 and 16 made of a material whose relative permittivity ⁇ r is equal to 5.4, and an air layer 18 interposed between these two layers 14 and 16.
  • the air layer has, for example, a thickness of 2.3 millimeters in the z direction.
  • each of these layers is rectangular and has a length I equal to 161 millimeters and a width L equal to 100 millimeters.
  • the layer 14 is disposed at the top of the stack and therefore has a radiating outer face 20 parallel to the x and y directions.
  • the cavity 8 has an upper wall formed by the lower face of the layer 16 and a lower wall formed by the upper face of the reflector plane 6. This cavity is filled with air and has a height in the z direction equal to 4.75 millimeters.
  • the plane 6 extends parallel to the x and y directions.
  • the dimensions of the plane 6 along the x and y directions are the same as those of the layers 14 and 16.
  • the plane 6 is impermeable to electromagnetic waves.
  • the plane 6 is made of conductive material such as a metal.
  • An opening 26 is formed substantially in the middle of the plane 6. This opening 26 here has a square section of 14.4 millimeters by 14.4 millimeters.
  • the device 10 comprises an electromagnetic wave generator / receiver 30 and a flared waveguide 32 capable of guiding the waves generated by the generator 30 towards the cavity 8 as well as guiding the waves received via the surface. 20 to the generator / receiver 30.
  • the direction of propagation of the electromagnetic waves emitted is represented by a rising corrugated arrow F parallel to the direction z.
  • the direction of propagation of the electromagnetic waves received is represented by a descending corrugated arrow R parallel to the direction z.
  • the waveguide 32 is here a pyramidal horn formed of a feed guide 34 placed end to end with a flared portion 36. .
  • the feed guide 34 has a constant rectangular cross-section.
  • cross-section refers to a section in a plane perpendicular to the direction of propagation of electromagnetic waves.
  • the dimensions of this cross section are chosen to allow only the propagation of electromagnetic waves according to the TE10 mode.
  • the cross section of the feed guide 34 has a width and a length respectively equal to 4.3 mm and 8.6 mm.
  • a proximal end of the guide 34 is directly connected to the generator / receiver 30, while an opposite end is directly coupled to the flared portion 36.
  • the section 36 has a rabbeted end at the end of the guide 34. This end rabbeted has a rectangular section of 8.6 by 4.3 mm.
  • the waveguide also has a distal end opening into the cavity 8. More specifically, the distal end of the flared portion 36 opens into the opening 26. The distal end and the opening 26 have the same dimensions. Thus, the distal end is made here in the same plane as that defined by the reflective plane 6.
  • the width and the length of the cross-section of the flared portion 36 increases progressively between the butted end and the distal end of this flared portion 36.
  • the distance d in the z direction between the butted and distal ends of the flared portion 36 is greater than 0.25A and preferably greater than 2/2, where a is the greatest width of the distal end expressed in ⁇ m.
  • the distance d is between 0.5 xl c and 6 x L c where l c and L c are respectively the width and the length of the cross section of the distal end of the flared portion 36.
  • l c and L c are equal since the cross section is square.
  • this distance d is chosen equal to 19.4 millimeters.
  • the distal end of the flared section 36 forms a surface for injecting and receiving electromagnetic waves inside the cavity 8.
  • This surface is here perpendicular to the propagation directions F and R.
  • the surface here presents the same dimensions than those of opening 26.
  • the working frequency of the antenna 2 is 31.2 GHz 1
  • the width and the length of this surface are equal to 1.5 ⁇ , where ⁇ is the wavelength of the working frequency.
  • the directivity of the antenna 2 is better than that of existing BIP material antennas existing while maintaining the same radiation bandwidth, as will be shown with reference to Figures 3 to 6.
  • FIG. 2 shows an antenna 40 with an existing BIP material produced in accordance with the teaching of the patent application filed under the number FR 99 14 521. More specifically, the antenna 40 differs only from the antenna 2 in that that it is excited by a plate probe 42 instead of being excited by the device 10.
  • the plate probe 42 has a width and a length respectively equal to 2.9 millimeters and 4.3 millimeters clean to inject into the cavity 8 of the electromagnetic waves at the working frequency of 31.2 GHz.
  • the dimensions of the plate probe 42 are determined by its working frequency and are therefore necessarily less than the wavelength ⁇ . More specifically, the length of the plate probe 42 is equal to ⁇ / 2.
  • FIGS. 3 to 5 show the radiation patterns of the antennas 2 and 40, respectively, in the plane E, in the plane at 45 °, and in the plane H.
  • the abscissa represents the angle of the direction of measurement in relation to the zenith direction of the antenna.
  • the y-axis represents the directivity expressed in decibels.
  • the dotted line represents the radiation pattern of the antenna 40, while the dotted line represents the radiation pattern of the antenna 2.
  • the maximum directivity of the antenna 2 takes place in the zenith direction.
  • This maximum directivity of the antenna 2 is 1.7 decibels higher than that of the antenna 40.
  • the maximum directivity of the antenna is here substantially equal to 22.9 decibels.
  • the side lobes of the antenna 2 are significantly lower than those of the antenna 40, and this regardless of the plane taken into account for measuring the radiation pattern. This is an additional advantage of the antenna 2 with respect to the antenna 40.
  • the graph of FIG. 6 represents the maximum directivity (at the zenith) of antennas 2 and 40 in the zenith direction for different working frequencies f.
  • the ordinate axis represents the power in decibels, while the abscissa represents the working frequency.
  • the dotted line and the dashed line represent, respectively, the measurements obtained for the antenna 40 and the antenna 2.
  • the graph of FIG. 6 shows that, at the same -3 dB bandwidth, the antenna 2 has a maximum directivity almost twice as high as the directivity of the antenna 40.
  • a device of FIG. excitation having an injection and / or reception surface of which at least the width, the length or a diameter is greater than the wavelength ⁇ makes it possible, at the same maximum directivity, to increase the bandwidth of the antenna.
  • such an excitation device makes it possible to obtain the same directivity as a conventional antenna with a BIP material but by using a material
  • FIG. 7 shows another embodiment of an antenna 50 BIP material to default.
  • the antenna 50 is identical to the antenna 2 except that it comprises several excitation devices of the cavity 8.
  • the excitation devices 52 and 54 have been represented.
  • the device 52 is identical to the device 10 of the antenna 2.
  • the device 54 is also identical to the device 10 with the exception that the generator / receiver 30 is adapted to receive and transmit at a working frequency slightly different from that used by the device 52.
  • the antenna 50 is a multibeam antenna.
  • the devices 52 and 54 are arranged relative to each other in accordance with the teaching of the patent application published under the number WO
  • FIG. 8 represents a system 60 for transmitting and receiving electromagnetic waves.
  • This system 60 comprises a device 62 for focusing the electromagnetic waves towards a focus 64.
  • the device 62 is a parabolic or concave electromagnetic wave reflector.
  • the device 62 may also be a lens capable of focusing the electromagnetic waves received on the focus 64.
  • the system 60 also comprises a multibeam antenna 66 whose radiating face is placed at the focus 64.
  • the antenna 66 is, for example, identical to the antenna 50.
  • FIGS. 9 to 14 represent different types of waveguides that can be used in place of the waveguide 32 described with reference to FIG. 1. More precisely, FIG. 9 represents a better known waveguide 70. under the term pyramidal horn.
  • the waveguide 70 comprises a feed guide 72 placed end to end with a flared portion 74.
  • the cross section of the feed guide 72 is rectangular and constant. The length and width of this section are noted and bi in Figure 9.
  • the cross section of the flared portion 74 increases progressively from a cross section equal to that of the feed guide 72 to a wider distal cross-section.
  • the length and width of this distal cross section are noted in Figure 9a and b.
  • at least one of the width a or the length b must be greater than the working wavelength ⁇ . More information on pyramid horns can be found in the following biographical reference:
  • Figure 10 shows another type of waveguide known as a cone horn.
  • This conical horn has a feed guide 78 connected to a flared portion 80.
  • the cross sections of both the feed guide 78 and the flared portion 80 are circular.
  • the dimensions of the section transverse guide 70 are determined to allow only TE11 mode of propagation of electromagnetic waves.
  • the largest width of the distal cross section of the portion 80 that is to say the diameter d, must be greater than the working wavelength ⁇ .
  • the inside of the flared portion 80 may be smooth or have slats 82 as shown in Figure 11.
  • the slats 82 force the electromagnetic field to cancel perpendicular to the wall.
  • Fig. 12 shows another embodiment of a waveguide 86 known as a "trap horn".
  • the waveguide 86 includes a feed guide 88 and a flared portion 90.
  • the guide 88 is a circular guide.
  • the portion 90 consists of concentric rings of depth ⁇ close to -, where ⁇ is the working wavelength.
  • ⁇ is the working wavelength.
  • Figs. 13A and 13B show a waveguide 94 known as a "cornet ridge” or “Ridge Horns” in English.
  • This guide 94 comprises, inside its flared portion, two blades 96, 98 which extend from the end spliced to the distal end following a curvature designed to standardize the phase shift of the electromagnetic waves, which allows to obtain a larger bandwidth.
  • the cross section of the distal end of the flared portion is, for example, square.
  • the width of this square must be greater than the wavelength ⁇ to be used in the antenna 2. More information on this type of waveguide can be found in the following article: "Analysis and simulation of 1 to 18 GHz broadband double ridge horns antenna,” Burns C. and P. Leuchtmann, IEEE Trans. On Electromagnetic compatibility., Vol 45 4, No. 1, pp 55-60, Feb 2003.
  • Figure 14 shows a corrugated waveguide 100 also better known as corrugated horn or corrugated horns.
  • This type of corrugated horn comprises numerous ribs 102 which extend along the inner periphery of a flared portion 104 of the horn.
  • Such corrugated horn has a symmetry of revolution and a bandwidth that can be greater than one octave.
  • the waveguide 70 at least one of the length a 2 and the width b 2 of the rectangular cross section of the distal end of the flared portion must be greater than the wavelength ⁇ of Work to be implemented in the antenna 2.
  • the ribs 102 corrugated cornet can generate a HE11 propagation mode of electromagnetic waves. More information on this type of waveguide can be found in the following articles:
  • FIG. 15 shows an antenna 110 with a BIP material identical in default to the antenna 2 except that the excitation device 10 has been replaced by a device 112 for exciting the cavity 8.
  • This device 112 is here itself a BIP material structure to default. It comprises :
  • a reflective plane 116 a resonant cavity 118 whose upper wall is formed by a lower face of the material 114 and a lower wall of which is formed by an upper face of the plane 116, and
  • the device 112 is designed according to the teaching of the patent application filed under the number FR 99 14 521.
  • the excitation device 120 placed inside the cavity 118 is here a plate probe, a dipole, a slot antenna or an antenna wire plate or a flared waveguide.
  • the device 112 has an upper face 122. This upper face 122 is flush with the interior of the opening 26 formed in the reflective plane 6 so as to inject and receive electromagnetic waves into the cavity 8.
  • wavy arrows F and R represent the directions of propagation of the electromagnetic waves, respectively, during transmission and reception.
  • the face 122 is, for example, rectangular and has a length a 3 and a width b 3 .
  • the length a 3 and the width b 3 are greater than the working wavelength ⁇ of the antenna 110 to increase the directivity and the gain of this antenna while maintaining the same radiation bandwidth.
  • the face 122 is located in the same plane as that of the reflective plane 6.
  • FIG 16 shows an antenna 130 BIP material to default.
  • This antenna 130 is identical to the antenna 2 except that the excitation device is replaced by an excitation device 132.
  • the device 132 is a waveguide equipped for this purpose with lower side walls 134 and upper 136.
  • the side walls 134 and 136 are parallel to the direction of propagation of the guided waves and also parallel to the reflective plane 6.
  • An arrow G represents the propagation direction of the electromagnetic waves inside the device 132.
  • corrugated arrows F and R represent the directions of propagation of the electromagnetic waves emitted and received by the antenna 30.
  • the device 132 has an opening 138 through which the guided electromagnetic waves are received and an end 140 perpendicular to the walls 134 and 136.
  • the end 140 is preferably closed by a plate impermeable to electromagnetic waves.
  • the side wall 136 is made of a material permeable to electromagnetic waves so as to let the electromagnetic waves guided by the device 132 leak to the cavity 8.
  • the wall 136 is flush with the interior of the cavity 8 in the same plane as that formed by the reflective plane 6.
  • the other walls for guiding the electromagnetic waves are impermeable to these electromagnetic waves so as to prevent leakage of electromagnetic waves.
  • FIG 17 shows an antenna 150 BIP material to default.
  • This antenna 150 is identical to the antenna 2 except that the excitation device is replaced by an excitation device 152.
  • the device 152 comprises:
  • the ribbon 154 is electrically isolated from the reflector plane 6 and connected to the generator / receiver 156.
  • This ribbon has a constant width 4 and a length b 4 .
  • the length b 4 is greater than the wavelength ⁇ .
  • the ribbon 154 forms the injection and reception surface of electromagnetic waves.
  • the reflective plane 6 is made of a conductive material.
  • the plane 6 is also connected to a reference potential such as a mass.
  • the distance h between the plane 6 and the tape 152 measured in the direction Z 1 is here less than ⁇ / 40 so that the injection and / or reception surface is considered to be flush with the plane 6.
  • antenna 2 has been described in the particular case where the working frequency is equal to 31.2 GHz.
  • antennas with BIP material according to the teaching given icf can be designed for working frequencies between
  • the power guide of the various flared waveguide excitation devices described here can be eliminated if the source 30 is able to generate directly and only the right mode of propagation of electromagnetic waves.
  • the cross-section of the feed guide has a width or length or diameter greater than the working wavelength ⁇ , then the flared portion may be removed.
  • Many other types of waveguides can be used as a feeding device. For example, a Potter's horn can be used. For more information on this type of horn, it is possible to refer to the following article:
  • the surface of injection and / or reception of electromagnetic waves flush at the reflective plane must have a dimension, that is to say here, a width, a length or a larger diameter at the working wavelength ⁇ .
  • the distance h between the reflector plane and the injection / reception surface is between

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Abstract

Antenne à matériau BIP (Bande Interdite Photonique), à défaut dans laquelle une surface (26) d'injection et/ou de réception d'ondes électromagnétiques dans une cavité résonnante (8) de l'antenne, a au moins une largeur ou une longueur ou un diamètre supérieur ô, où est la longueur d'onde de la fréquence de travail.

Description

ANTENNE A MATERIAU BIP (Bande Interdite Photonique), SYSTEME ET PROCEDE UTILISANT CETTE ANTENNE
La présente invention concerne une antenne à matériau BIP (Bande Interdite Photonique), un système et un procédé utilisant cette antenne. Il existe des antennes à matériau BIP à défaut comportant :
- un premier matériau BIP présentant une périodicité à au moins une dimension et une face extérieure rayonnante en émission et/ou en réception,
- au moins un premier défaut de périodicité du matériau BIP formant une première cavité résonnante propre à créer au moins une bande passante étroite au sein d'une bande non passante du matériau BIP, cette cavité présentant une paroi supérieure formée par une face inférieure du matériau BIP opposée à la face extérieure rayonnante, et une paroi inférieure en vis-à-vis de la paroi supérieure, et - au moins un dispositif d'excitation propre à faire résonner la cavité résonnante, ce dispositif présentant une surface d'injection et/ou de réception d'ondes électromagnétiques à une fréquence de travail comprise dans la bande passante étroite, cette surface étant affleurante à la paroi inférieure de la cavité.
Ces antennes existantes ont, par exemple, été décrites dans la demande de brevet déposée sous le numéro FR 99 14 521 par le C.N.R.S. (Centre
National de la Recherche Scientifique).
Dans les antennes existantes, le dispositif d'excitation est typiquement une antenne plaque (ou « Patch Antenna » en anglais), un dipôle, une antenne sonde ou encore une antenne fil-plaque. Ces antennes à matériau BIP à défaut présentent un gain et une directivité élevées. Toutefois, pour certaines applications, il est nécessaire d'accroître encore plus la directivité de ces antennes.
L'invention vise à satisfaire ce souhait en proposant une antenne qui, à matériau BIP à défaut identique, présente une directivité accrue par rapport aux antennes connues.
L'invention a donc pour objet une antenne à matériau BIP dans laquelle la surface d'injection et/ou de réception a au moins une largeur ou une longueur ou un diamètre supérieur à λ , où λ est la longueur d'onde de la fréquence de travail.
Il a été découvert que le fait d'utiliser un dispositif d'excitation dont la surface d'injection et/ou de réception présente une dimension (c'est-à-dire ici une largeur ou une longueur ou encore un diamètre) supérieure à la longueur d'onde λ accroît la directivité des antennes à matériau BIP.
Plus précisément, par affleurante, on désigne ici une surface qui est sensiblement dans le plan défini par le plan réflecteur 6. Ainsi, la surface d'injection et/ou de réception d'ondes électromagnétiques peut être espacée d'une très faible distance h en dessus ou en dessous du plan réflecteur 6.
Typiquement, la distance h mesurée selon une direction z perpendiculaire au plan réflecteur est considérée comme très faible lorsqu'elle est comprise entre - λ/10 et +λ/20, -λ/10 correspond à la distance maximale en dessous du plan réflecteur et +λ/20 correspond à la distance maximale au-dessus du plan réflecteur (c'est-à-dire côté cavité).
Les modes de réalisation de cette antenne peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- la répartition de la puissance des ondes électromagnétiques sur la surface d'injection et/ou de réception présente un point où la puissance est maximale, ce point étant éloigné de la périphérie de cette surface, et la puissance décroît continûment le long d'une droite allant de ce point jusqu'à la périphérie et ceci quelle que soit la direction de la droite considérée dans le plan de cette surface ;
- le dispositif d'excitation comprend au moins un guide évasé d'ondes électromagnétiques équipé d'une extrémité distale débouchant à l'intérieur de la cavité résonnante et d'une extrémité proximale propre à être raccordée à un générateur et/ou à un récepteur d'ondes électromagnétiques, la surface de la section transversale de l'extrémité distale étant strictement supérieure à la surface de la section transversale de l'extrémité proximale, et dans lequel l'extrémité distale du guide d'ondes est affleurante à la paroi inférieure pour former ladite surface d'injection et/ou de réception ;
- le guide évasé comporte un guide d'alimentation dont la section transversale est constante et égale à la section de l'extrémité proximale, et une portion évasée dont la section transversale s'accroît d'une petite section identique à la section transversale de l'extrémité proximale jusqu'à une grande section identique à la section transversale de l'extrémité distale, la petite section de cette portion évasée étant mise bout à bout avec le guide d'alimentation, et dans laquelle les dimensions de la section transversale du guide d'alimentation sont adaptées pour permettre uniquement un seul mode de propagation des ondes électromagnétiques à l'intérieur du guide d'alimentation ;
- les dimensions de la section transversale du guide d'alimentation sont adaptées pour permettre uniquement le mode de propagation TE10 ou TE1 1 ;
- la distance la plus courte séparant la petite section de la grande section de la portion évasée est supérieure à dmjn, où dmin = 0.25 * a ; et a est égal à la plus grande largeur ou longueur ou plus grand diamètre de la grande section ; - le dispositif d'excitation est lui-même une structure à matériau BIP à défaut comportant un second matériau BIP (114) présentant une périodicité à au moins une dimension et une face extérieure affleurante à la paroi inférieure de la cavité résonnante pour former ladite surface d'injection et/ou de réception du dispositif d'excitation ; - le dispositif d'excitation est un guide d'ondes comportant plusieurs parois latérales guidant les ondes électromagnétiques dans une direction parallèle à la paroi inférieure de la cavité, l'une de ces parois étant perméable aux ondes électromagnétiques guidées et affleurante à la paroi inférieure de la cavité pour former ladite surface d'injection et/ou de réception ; - le dispositif d'excitation comprend un plan de masse et un ruban en matériau conducteur fixé sur la surface du plan de masse et électriquement isolé de ce plan de masse, ce ruban étant monté affleurant sur la paroi inférieure de la cavité pour former ladite surface d'injection et/ou de réception lorsqu'il est raccordé à un générateur et/ou récepteur d'ondes électromagnétiques ; - la surface d'injection et/ou de réception est strictement inférieure à la surface de la face extérieure rayonnante, et de préférence inférieure à deux fois la surface de la face extérieure rayonnante ; - la paroi inférieure de la cavité et la surface d'injection et/ou de réception sont dans le même plan ;
- l'antenne comporte plusieurs dispositifs d'excitation présentant chacun une surface d'injection et/ou de réception des ondes électromagnétiques affleurantes à la paroi inférieure de la cavité.
Les modes de réalisation de l'antenne présentent en outre les avantages suivants :
- la répartition de la puissance des ondes électroniques ayant un maximum et décroissant vers la périphérie de la surface d'injection et/ou de réception permet, à matériau BIP identique, d'accroître la directivité tout en conservant la même bande passante en rayonnement que celle des antennes connues,
- l'utilisation d'un guide d'ondes évasé en tant que dispositif d'excitation permet en plus d'accroître le gain de l'antenne, - l'utilisation d'un guide d'alimentation permet de sélectionner le mode de propagation des ondes électromagnétiques le plus approprié pour le fonctionnement de l'antenne,
- l'utilisation des modes de propagation TE10 ou TE11 optimise le fonctionnement de l'antenne, - une distance supérieure à dm\n permet d'avoir une bonne uniformité de la phase des ondes électromagnétiques au niveau de la surface d'injection et/ou de réception, ce qui améliore les performances de l'antenne,
- l'utilisation d'une structure à matériau BIP en tant que dispositif d'excitation permet, à performances égales, de réduire l'encombrement de l'antenne par rapport à l'utilisation d'un guide d'ondes évasé,
- l'utilisation d'un guide d'ondes dont l'une des parois latérales est perméable aux ondes électromagnétiques guidées permet de réduire l'encombrement de l'antenne par rapport à une antenne dans laquelle le dispositif d'excitation est un guide d'ondes évasé, - l'utilisation d'un ruban en matériau conducteur pour former la surface d'injection et/ou de réception permet de réduire les dimensions de l'antenne à matériau BIP par rapport au cas où le dispositif d'excitation est un guide évasé d'ondes. L'invention a également pour objet un système de transmission et/ou de réception d'ondes électromagnétiques comportant :
- un dispositif de focalisation des ondes électromagnétiques transmises et/ou reçues par le système, ce dispositif présentant un foyer, et - une antenne multifaisceaux comportant une face extérieure rayonnante en émission ou en réception placée sensiblement au niveau du foyer du dispositif de focalisation, et dans lequel l'antenne multifaisceaux est une antenne à matériau BIP (Bande Interdite Photonique) comportant : . un premier matériau BIP présentant une périodicité à au moins une dimension et une face extérieure rayonnante en émission et/ou en réception,
. au moins un premier défaut de périodicité du matériau BIP formant une première cavité résonnante propre à créer au moins une bande passante étroite au sein d'une bande non passante du matériau BIP, cette cavité présentant une paroi supérieure formée par une face inférieure du matériau BIP opposée à la face extérieure rayonnante, et une paroi inférieure en vis-à-vis de la paroi supérieure,
. plusieurs dispositifs d'excitation propres à faire résonner la cavité résonnante, ces dispositifs présentant une surface d'injection et/ou de réception d'ondes électromagnétiques à une fréquence de travail comprise dans la bande passante étroite, cette surface étant affleurante à la paroi inférieure de la cavité. Chaque surface d'injection et/ou de réception a au moins une largeur ou une longueur ou un diamètre supérieur à λ , où λ est la longueur d'onde de la fréquence de travail du dispositif d'excitation correspondant.
L'invention a également pour objet un procédé d'émission et/ou de réception d'ondes électromagnétiques à l'aide de l'antenne à matériau BIP ci- dessus.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels :
- la figure 1 est une vue en perspective et en coupe d'une illustration schématique de l'architecture d'une antenne à matériau BIP à défaut ; - la figure 2 est une vue en perspective d'une antenne à matériau BIP à défaut connue,
- les figures 3 à 5 sont des illustrations des diagrammes de rayonnement obtenus à l'aide des antennes des figures 1 et 2, - la figure 6 est un graphe représentant la directivité zénithale des antennes des figures 1 et 2 en fonction de leurs fréquences de travail respectives,
- la figure 7 est une vue en perspective et en coupe d'un second mode de réalisation d'une antenne multisources à matériau BIP à défaut, - la figure 8 est une illustration schématique d'un système d'émission/réception d'ondes électromagnétiques muni d'un dispositif de focalisation,
- les figures 9 à 12 sont des illustrations schématiques de différentes structures de guides d'ondes évasés susceptibles d'être utilisés dans l'antenne de la figure 1 ou 7,
- les figures 13A et 13B sont respectivement des vues de face et de côté d'un guide d'ondes « ridgé » (ou « Ridge Horns Antenna » en anglais),
- la figure 14 est une illustration schématique d'un guide d'ondes corrugué utilisable dans l'antenne de la figure 1 ou 7, et - les figures 15 à 17 sont des illustrations schématiques de trois autres modes de réalisation d'antennes à matériau BIP.
La figure 1 représente une antenne 2 à matériau BIP conçue pour fonctionner à une fréquence de travail de 31 ,2 GHz. Cette antenne 2 comporte :
- un matériau BIP 4, - un plan 6 réflecteur d'ondes électromagnétiques,
- une cavité résonnante 8 ménagée entre le matériau BIP 4 et le plan 6,
- un dispositif 10 d'excitation de la cavité résonnante 8.
Par exemple, le matériau BIP 4, la cavité 8 et le plan 6 sont réalisés conformément à l'enseignement de la demande de brevet publiée sous le numéro WO 1137373 par le C.N.R.S. (Centre National de la Recherche Scientifique) le 18 novembre 1999. A titre d'illustration, le matériau 4 est ici réalisé par l'empilement dans une direction verticale z de couches planes présentant une permittivité différente. Chacune de ces couches s'étend dans un plan horizontal défini par des directions orthogonales x et y à la direction z. Plus précisément, l'antenne 2 comporte deux couches planes 14 et 16 réalisées dans un matériau dont la permittivité relative εr est égale à 5,4, et d'une couche d'air 18 interposée entre ces deux couches 14 et 16. La couche d'air a, par exemple, une épaisseur de 2,3 millimètres dans la direction z.
Ici, chacune de ces couches est rectangulaire et présente une longueur I égale à 161 millimètres et une largeur L égale à 100 millimètres.
La couche 14 est disposée au sommet de l'empilement et présente donc une face extérieure rayonnante 20 parallèle aux directions x et y.
La cavité 8 présente une paroi supérieure formée par la face inférieure de la couche 16 et une paroi inférieure formée par la face supérieure du plan réflecteur 6. Cette cavité est remplie d'air et présente une hauteur dans la direction z égale à 4,75 millimètres.
Le plan 6 s'étend parallèlement aux directions x et y. Par exemple, les dimensions du plan 6 selon les directions x et y sont les mêmes que celles des couches 14 et 16. Le plan 6 est imperméable aux ondes électromagnétiques. Par exemple, le plan 6 est réalisé en matériau conducteur tel qu'un métal.
Une ouverture 26 est ménagée sensiblement au milieu du plan 6. Cette ouverture 26 présente ici une section carrée de 14,4 millimètres par 14,4 millimètres.
Le dispositif 10 comprend un générateur/récepteur 30 d'ondes électromagnétiques et un guide d'ondes évasé 32 propre à guider les ondes générées par Ie générateur 30 vers la cavité 8 ainsi qu'à guider les ondes reçues par l'intermédiaire de la surface 20 jusqu'au générateur/récepteur 30. Sur la figure 1, la direction de propagation des ondes électromagnétiques émises est représentée par une flèche ondulée montante F parallèle à la direction z. A l'inverse, la direction de propagation des ondes électromagnétiques reçues est représentée par une flèche ondulée descendante R parallèle à la direction z.
Le guide d'ondes 32 est ici un cornet pyramidal formé d'un guide d'alimentation 34 mis bout à bout avec une portion évasée 36. . Le guide d'alimentation 34 a une section transversale rectangulaire constante. Ici, par section transversale on désigne une section dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation des ondes électromagnétiques. Les dimensions de cette section transversale sont choisies pour permettre uniquement la propagation des ondes électromagnétiques selon le mode TE10. Par exemple, ici pour la fréquence de travail de 31 ,2 GHz, la section transversale du guide d'alimentation 34 présente une largeur et une longueur respectivement égale à 4,3 mm et 8,6 mm.
Une extrémité proximale du guide 34 est directement raccordée au générateur/récepteur 30, tandis qu'une extrémité opposée est directement raboutée à la portion évasée 36.
La section 36 présente une extrémité raboutée à l'extrémité du guide 34. Cette extrémité raboutée présente une section rectangulaire de 8,6 par 4,3 mm. Le guide d'ondes présente également une extrémité distale débouchant à l'intérieur de la cavité 8. Plus précisément, l'extrémité distale de la portion évasée 36 débouche dans l'ouverture 26. L'extrémité distale et l'ouverture 26 ont les mêmes dimensions. Ainsi, l'extrémité distale est réalisée ici dans le même plan que celui défini par le plan réflecteur 6.
La largeur et la longueur de la section transversale de la portion évasée 36 augmente progressivement entre l'extrémité raboutée et l'extrémité distale de cette portion évasée 36.
Typiquement, la distance d selon la direction z entre les extrémités raboutée et distale de la portion évasée 36 est supérieure à 0,25a et, de préférence supérieure à a2/2, où a est la plus grande largeur de l'extrémité distale exprimée en μ m. Ici, la distance d est comprise entre 0,5 x lc et 6 x Lc où lc et Lc sont respectivement la largeur et la longueur de la section transversale de l'extrémité distale de la portion évasée 36. Ici, lc et Lc sont égaux puisque la section transversale est carrée.
Par exemple, ici, cette distance d est choisie égale à 19,4 millimètres. L'extrémité distale de la section évasée 36 forme une surface d'injection et de réception d'ondes électromagnétiques à l'intérieur de la cavité 8. Cette surface est ici perpendiculaire aux directions de propagation F et R. La surface présente ici les mêmes dimensions que celles de l'ouverture 26. En particulier, la fréquence de travail de l'antenne 2 étant de 31 ,2 GHz1 on remarquera que la largeur et la longueur de cette surface sont égales à 1 ,5 λ , où λ est la longueur d'onde de la fréquence de travail. Dans ces conditions, la directivité de l'antenne 2 est meilleure que celle des antennes à matériau BIP à défaut existantes tout en conservant la même bande passante en rayonnement, comme cela va être montré à l'aide des figures 3 à 6.
La figure 2 représente une antenne 40 à matériau BIP existante réalisée conformément à l'enseignement de la demande de brevet déposée sous le numéro FR 99 14 521. Plus précisément, l'antenne 40 diffère uniquement de l'antenne 2 par le fait que celle-ci est excitée par une sonde plaque 42 au lieu d'être excitée par le dispositif 10. La sonde plaque 42 présente une largeur et une longueur respectivement égale à 2,9 millimètres et 4,3 millimètres propre à injecter dans la cavité 8 des ondes électromagnétiques à la fréquence de travail de 31 ,2 GHz. Les dimensions de la sonde plaque 42 sont déterminées par sa fréquence de travail et sont donc nécessairement inférieures à la longueur d'onde λ . Plus précisément, la longueur de la sonde plaque 42 est égale à λ/2.
Les figures 3 à 5 représentent les diagrammes de rayonnement des antennes 2 et 40, respectivement, dans le plan E, dans le plan à 45°, et dans le plan H. Dans ces graphes, l'axe des abscisses représente l'angle de la direction de mesure par rapport à la direction zénithale de l'antenne. L'axe des ordonnées représente la directivité exprimée en décibels. Sur les graphes des figures 3 à 5, la ligne en pointillés représente le diagramme de rayonnement de l'antenne 40, tandis que la ligne en traits continus représente le diagramme de rayonnement de l'antenne 2.
Comme il peut être constaté, la directivité maximale de l'antenne 2 a lieu selon la direction zénithale. Cette directivité maximale de l'antenne 2 est supérieure de 1 ,7 décibels à celle de l'antenne 40. Le maximum de directivité de l'antenne est ici sensiblement égale à 22,9 décibels. De plus, les lobes secondaires de l'antenne 2 sont nettement inférieurs à ceux de l'antenne 40, et ceci quel que soit le plan pris en compte pour mesurer le diagramme de rayonnement. Ceci est un avantage supplémentaire de l'antenne 2 par rapport à l'antenne 40. Le graphe de la figure 6 représente la directivité maximum (au zénith) des antennes 2 et 40 selon la direction zénithale pour différentes fréquences de travail f. L'axe des ordonnés représente la puissance en décibels, tandis que l'axe des abscisses représente la fréquence de travail. Sur la figure 6, la ligne en pointillés et la ligne en traits continus représentent, respectivement, les mesures obtenues pour l'antenne 40 et l'antenne 2.
Le graphe de la figure 6 montre que, à bande passante à -3 dB identique, l'antenne 2 présente une directivité maximum quasiment deux fois supérieure à la directivité de l'antenne 40. Ainsi, l'utilisation d'un dispositif d'excitation présentant une surface d'injection et/ou de réception dont au moins la largeur, la longueur ou un diamètre est supérieure à la longueur d'onde λ permet, à directivité maximum identique, d'accroître la bande passante de l'antenne. En effet, un tel dispositif d'excitation permet d'obtenir la même directivité qu'une antenne classique à matériau BIP mais en utilisant un matériau
BIP moins sélectif.
La figure 7 représente un autre mode de réalisation d'une antenne 50 à matériau BIP à défaut. Par exemple, l'antenne 50 est identique à l'antenne 2 à l'exception du fait qu'elle comporte plusieurs dispositifs d'excitation de la cavité 8. Pour simplifier la figure 7, seuls deux dispositifs d'excitation 52 et 54 ont été représentés.
Par exemple, le dispositif 52 est identique au dispositif 10 de l'antenne 2. Le dispositif 54 est également identique au dispositif 10 à l'exception du fait que le générateur/récepteur 30 est adapté pour recevoir et émettre à une fréquence de travail légèrement différente de celle utilisée par le dispositif 52.
Ainsi, l'antenne 50 est une antenne multifaisceaux. De préférence, les dispositifs 52 et 54 sont disposés l'un par rapport à l'autre conformément à l'enseignement de la demande de brevet publiée sous le numéro WO
2004/040696 pour former des taches rayonnantes, respectivement 56 et 58, sur la face 20 qui se chevauchent partiellement.
La figure 8 représente un système 60 d'émission et de réception d'ondes électromagnétiques. Ce système 60 comprend un dispositif 62 de focalisation des ondes électromagnétiques vers un foyer 64. Par exemple, le dispositif 62 est un réflecteur d'ondes électromagnétiques parabolique ou concave. Le dispositif 62 peut également être une lentille apte à focaliser les ondes électromagnétiques reçues sur le foyer 64.
Le système 60 comprend également une antenne multifaisceaux 66 dont la face rayonnante est placée au niveau du foyer 64. Ici, l'antenne 66 est, par exemple, identique à l'antenne 50.
Les figures 9 à 14 représentent différents types de guides d'ondes susceptibles d'être utilisés à la place du guide d'ondes 32 décrit en regard de la figure 1. Plus précisément, la figure 9 représente un guide d'ondes 70 plus connu sous le terme de cornet pyramidal.
Sur la figure 9, les directions de propagation et de réception sont représentées respectivement par des flèches ondulées F et R.
Comme pour le guide d'ondes 32, le guide d'ondes 70 comporte un guide d'alimentation 72 mis bout à bout avec une portion évasée 74.
La section transversale du guide d'alimentation 72 est rectangulaire et constante. La longueur et la largeur de cette section sont notées et bi sur la figure 9.
La section transversale de la portion évasée 74 augmente progressivement d'une section transversale égale à celle du guide d'alimentation 72 jusqu'à une section transversale distale plus large. La longueur et la largeur de cette section transversale distale sont notées sur la figure 9 a et b. Pour sa mise en œuvre dans l'antenne 2, au moins l'un de la largeur a ou de la longueur b doit être supérieur à la longueur d'onde λ de travail. Plus d'informations sur les cornets pyramidals pourront être trouvées dans la référence biographique suivante :
« Some data for the design of electromagnetic noms », E. H. BRAUN, IRE Trans. Antennas and Propag., Vol AP 4, N° 1 , pp 29-31 , Jan 1956.
La figure 10 représente un autre type de guide d'ondes connu sous le terme de cornet conique.
Ce cornet conique présente un guide d'alimentation 78 raccordé à une portion évasée 80. Les sections transversales aussi bien du guide d'alimentation 78 que de la portion évasée 80 sont circulaires. Les dimensions de la section transversale du guide 70 sont déterminées pour permettre uniquement le mode TE11 de propagation des ondes électromagnétiques.
Pour sa mise en œuvre dans l'antenne 2, la plus grande largeur de la section transversale distale de la portion 80, c'est-à-dire ici le diamètre d, doit être supérieur à la longueur d'onde λ de travail.
L'intérieur de la portion évasée 80 peut être lisse ou comporter des lamelles 82 telles que représentées sur la figure 11. Les lamelles 82 forcent le champ électromagnétique à s'annuler perpendiculairement à la paroi.
Plus d'informations sur les cornets coniques pourront être trouvées dans l'article suivant :
« Electromagnetic field of a conical horns » M. G. SCHORR and FJ. BECK, IRE Trans. Antenna and Propag., Vol AP 4, N0 1 , pp 29-31 , Jan 1956.
La figure 12 représente un autre mode de réalisation d'un guide d'ondes 86 connu sous le terme de « cornet à piège ». Le guide d'ondes 86 comporte un guide d'alimentation 88 et une portion évasée 90. Le guide 88 est un guide circulaire.
La portion 90 est constituée d'anneaux concentriques de profondeur λ voisine de — , où λ est la longueur d'onde de travail. Le diamètre d du plus
4 grand de ces anneaux concentriques doit être supérieur à la longueur d'onde λ pour être mis en œuvre dans l'antenne 2.
Les figures 13A et 13B représentent un guide d'ondes 94 connu sous le terme de « cornet ridgé » ou « Ridge Horns » en anglais.
Ce guide 94 comporte, à l'intérieur de sa portion évasée, deux lames 96, 98 qui s'étendent de l'extrémité raboutée à l'extrémité distale en suivant une courbure conçue pour uniformiser le déphasage des ondes électromagnétiques, ce qui permet d'obtenir une largeur de bande plus importante.
La section transversale de l'extrémité distale de la portion évasée est, par exemple, carrée. La largeur de ce carré doit être supérieure à la longueur d'onde λ pour être utilisé dans l'antenne 2. Plus d'informations sur ce type de guide d'ondes pourront être trouvées dans l'article suivant : « Analysis and simulation of 1 to 18 GHz broadband double ridge horns antenna », Burns C. and Leuchtmann P., IEEE Trans. On Electromagnetic compatibility., Vol 45 4, N° 1 , pp 55-60, Feb 2003.
La figure 14 représente un guide d'ondes 100 corrugué également plus connu sous le terme de « cornet corrugué » ou « corrugated horns » en anglais.
Ce type de cornet corrugué comprend de nombreuses nervures 102 qui s'étendent le long de la périphérie intérieure d'une portion évasée 104 du cornet. Un tel cornet corrugué présente une symétrie de révolution ainsi qu'une bande passante pouvant être supérieure à l'octave. Comme pour le guide d'ondes 70, au moins l'un de la longueur a2 et de la largeur b2 de la section transversale rectangulaire de l'extrémité distale de la portion évasée doit être supérieure à la longueur d'onde λ de travail pour être mis en œuvre dans l'antenne 2. Les nervures 102 du cornet corrugué permettent de générer un mode de propagation HE11 des ondes électromagnétiques. Plus d'informations sur ce type de guide d'ondes pourront être trouvées dans les articles suivants :
« Properties of cuttoff corrugated surfaces for corrugated horns design », CA. Mentzer and L. Peters, IEEE Trans. Antennas propag., Vol AP 22, N° 2, pp 191-196, March 1974 ; « Pattern analysis of corrugated horns antennas », CA. Mentzer and
L. Peters, IEEE Trans. Antennas propag., Vol AP 24, N° 3, pp 304-309, March 1976.
La figure 15 représente une antenne 110 à matériau BIP à défaut identique à l'antenne 2 à l'exception que le dispositif 10 d'excitation a été remplacé par un dispositif 112 d'excitation de la cavité 8.
Ce dispositif 112 est ici lui-même une structure à matériau BIP à défaut. Il comporte :
- un matériau BIP 114,
- un plan réflecteur 116, - une cavité résonnante 118 dont une paroi supérieure est formée par une face inférieure du matériau 114 et dont une paroi inférieure est formée par une face supérieure du plan 116, et
- un dispositif 120 d'excitation de l'antenne. Le dispositif 112 est conçu selon l'enseignement de la demande de brevet déposée sous le numéro FR 99 14 521. Le dispositif d'excitation 120 placé à l'intérieur de la cavité 118 est ici une sonde plaque, un dipôle, une antenne fente ou une antenne fil plaque ou un guide d'ondes évasé. Le dispositif 112 présente une face supérieure 122. Cette face supérieure 122 affleure à l'intérieur de l'ouverture 26 ménagée dans le plan réflecteur 6 de manière à injecter et recevoir des ondes électromagnétiques dans la cavité 8.
Sur la figure 15, des flèches ondulées F et R représentent les directions de propagation des ondes électromagnétiques, respectivement, lors de l'émission et de la réception.
La face 122 est, par exemple, rectangulaire et présente une longueur a3 et une largeur b3. De préférence, la longueur a3 et la largeur b3 sont supérieures à la longueur d'onde λ de travail de l'antenne 110 pour accroître la directivité et le gain de cette antenne tout en conservant la même bande passante en rayonnement.
Ici, la face 122 est située dans le même plan que celui du plan réflecteur 6.
La figure 16 représente une antenne 130 à matériau BIP à défaut. Cette antenne 130 est identique à l'antenne 2 à l'exception du fait que le dispositif d'excitation est remplacé par un dispositif d'excitation 132.
Le dispositif 132 est un guide d'ondes équipé à cet effet de parois latérales inférieures 134 et supérieures 136. Les parois latérales 134 et 136 sont parallèles à la direction de propagation des ondes guidées et également parallèles au plan réflecteur 6.
Une flèche G représente la direction de propagation des ondes électromagnétiques à l'intérieur du dispositif 132. Comme sur les figures précédentes, des flèches ondulées F et R représentent les directions de propagation des ondes électromagnétiques émises et reçues par l'antenne 30. Le dispositif 132 comporte une ouverture 138 par l'intermédiaire de laquelle sont reçues les ondes électromagnétiques guidées et une extrémité 140 perpendiculaire aux parois 134 et 136. L'extrémité 140 est, de préférence, obturée par une plaque imperméable aux ondes électromagnétiques. La paroi latérale 136 est réalisée dans un matériau perméable aux ondes électromagnétiques de manière à laisser fuir les ondes électromagnétiques guidées par le dispositif 132 vers la cavité 8.
Ici, la paroi 136 affleure à l'intérieur de la cavité 8 dans le même plan que celui formé par le plan réflecteur 6.
A l'exception de la paroi 136, les autres parois destinées à guider les ondes électromagnétiques sont imperméables à ces ondes électromagnétiques de manière à empêcher des fuites d'ondes électromagnétiques.
La figure 17 représente une antenne 150 à matériau BIP à défaut. Cette antenne 150 est identique à l'antenne 2 à l'exception du fait que le dispositif d'excitation est remplacé par un dispositif d'excitation 152. Le dispositif 152 comprend :
- le plan réflecteur 6,
- un ruban 154 en matériau conducteur s'étendant parallèlement au plan réflecteur 6,
- et un générateur/récepteur 156 d'ondes électromagnétiques.
Le ruban 154 est électriquement isolé du plan réflecteur 6 et raccordé au générateur/récepteur 156. Ce ruban présente une largeur a4 constante et une longueur b4. La longueur b4 est supérieur à la longueur d'onde λ . Le ruban 154 forme la surface d'injection et de réception d'ondes électromagnétiques.
Dans l'antenne 150, le plan réflecteur 6 est réalisé dans un matériau conducteur. Le plan 6 est également raccordé à un potentiel de référence telle qu'une masse.
La distance h entre le plan 6 et le ruban 152 mesurée selon la direction Z1 est ici inférieure à λ/40 de sorte que la surface d'injection et/ou de réception est considérée comme étant affleurante au plan 6.
De nombreux autres modes de réalisation sont possibles. Par exemple, ici l'antenne 2 a été décrite dans le cas particulier où la fréquence de travail est égale à 31 ,2 GHz. Toutefois, des antennes à matériau BIP selon l'enseignement donné icf peuvent être conçues pour des fréquences de travail comprises entre
0,5 GHz et 50 GHz.
Le guide d'alimentation des différents dispositifs d'excitation à guides d'ondes évasés décrits ici peut être supprimé si la source 30 est apte à générer directement et uniquement le bon mode de propagation des ondes électromagnétiques. En variante, si la section transversale du guide d'alimentation a une largeur ou une longueur ou un diamètre supérieur à la longueur d'ondes λ de travail, alors la portion évasée peut être supprimée. De nombreux autres types de guides d'ondes peuvent être utilisés en tant que dispositif d'alimentation. Par exemple, un cornet de Potter peut être utilisé. Pour plus d'informations sur ce type de cornet, il est possible de se référer à l'article suivant :
« A new horn antenna with suppressed side lobes and equal beamwidths », P.D. Potter, Microwave J., Vol 6, pp 71-78, June 1963.
Toutefois, dans tous les cas, la surface d'injection et/ou de réception d'ondes électromagnétiques affleurante au niveau du plan réflecteur doit présenter une dimension, c'est-à-dire ici, une largeur, une longueur ou un diamètre supérieur à la longueur d'onde λ de travail. De préférence, la distance h entre le plan réflecteur et la surface d'injection/réception est comprise entre
-λ/20 et +λ/40.

Claims

REVENDICATIONS
1. Antenne à matériau BIP (Bande Interdite Photonique) à défaut comportant :
- un premier matériau BIP (4) présentant une périodicité à au moins une dimension et une face extérieure (20) rayonnante en émission et/ou en réception,
- au moins un premier défaut de périodicité du matériau BIP formant une première cavité résonnante (8) propre à créer au moins une bande passante étroite au sein d'une bande non passante du matériau BIP, cette cavité présentant une paroi supérieure formée par une face inférieure du matériau BIP opposée à la face extérieure rayonnante, et une paroi inférieure en vis-à-vis de la paroi supérieure, et - au moins un dispositif (10 ; 70 ; 86 ; 94 ; 100 ; 112 ; 132 ; 152) d'excitation propre à faire résonner la cavité résonnante, ce dispositif présentant une surface (26 ; 122) d'injection et/ou de réception d'ondes électromagnétiques à une fréquence de travail comprise dans la bande passante étroite, cette surface étant affleurante à la paroi inférieure de la cavité, caractérisée en ce que la surface d'injection et/ou de réception a au moins une largeur ou une longueur ou un diamètre supérieur à λ , où λ est la longueur d'onde de la fréquence de travail.
2. Antenne selon la revendication 1 , dans laquelle la répartition de la puissance des ondes électromagnétiques sur la surface d'injection et/ou de réception présente un point où la puissance est maximale, ce point étant éloigné de la périphérie de cette surface, et la puissance décroît continûment le long d'une droite allant de ce point jusqu'à la périphérie et ceci quelle que soit la direction de la droite considérée dans le plan de cette surface.
3. Antenne selon la revendication 2, dans laquelle le dispositif d'excitation comprend au moins un guide (32 ; 52, 54 ; 70 ; 86 ; 94 ; 100) évasé d'ondes électromagnétiques équipé d'une extrémité distale débouchant à l'intérieur de la cavité résonnante et d'une extrémité proximale propre à être raccordée à un générateur et/ou à un récepteur (30) d'ondes électromagnétiques, la surface de la section transversale de l'extrémité distale étant strictement supérieure à la surface de la section transversale de l'extrémité proximale, et dans lequel l'extrémité distale du guide d'ondes est affleurante à la paroi inférieure pour former ladite surface d'injection et/ou de réception.
4. Antenne selon la revendication 3, dans laquelle le guide évasé (32 ;
52, 54 ; 70 ; 86 ; 94 ; 100) comporte un guide (34 ; 72 ; 78 ; 88) d'alimentation dont la section transversale est constante et égale à la section de l'extrémité proximale, et une portion évasée (36 ; 74 ; 80 ; 90 ; 104) dont la section transversale s'accroît d'une petite section identique à la section transversale de l'extrémité proximale jusqu'à une grande section identique à la section transversale de l'extrémité distale, la petite section de cette portion évasée étant mise bout à bout avec le guide d'alimentation, et dans laquelle les dimensions de la section transversale du guide d'alimentation sont adaptées pour permettre uniquement un seul mode de propagation des ondes électromagnétiques à l'intérieur du guide d'alimentation.
5. Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que les dimensions de la section transversale du guide d'alimentation (34 ; 72 ; 78 ; 88) sont adaptées pour permettre uniquement le mode de propagation TE10 ou TE11.
6. Antenne selon la revendication 4 ou 5, dans laquelle la distance la plus courte séparant la petite section de la grande section de la portion évasée (36 ; 74 ; 80 ; 90 ; 104) est supérieure à dmjn, où dmin = 0.25* a ; et a est égal à la plus grande largeur ou longueur ou plus grand diamètre de la grande section.
7. Antenne selon la revendication 2, dans laquelle le dispositif d'excitation est lui-même une structure (112) à matériau BIP à défaut comportant un second matériau BIP (114) présentant une périodicité à au moins une dimension et une face (122) extérieure affleurante à la paroi inférieure de la cavité résonnante pour former ladite surface d'injection et/ou de réception du dispositif d'excitation.
8. Antenne selon la revendication 1 , dans laquelle le dispositif (132) d'excitation est un guide d'ondes comportant plusieurs parois latérales guidant les ondes électromagnétiques dans une direction parallèle à la paroi inférieure de la cavité, l'une de ces parois (136) étant perméable aux ondes électromagnétiques guidées et affleurante à la paroi inférieure de la cavité pour former ladite surface d'injection et/ou de réception.
9. Antenne selon la revendication 1 , dans laquelle le dispositif d'excitation comprend un plan (6) de masse et un ruban (152) en matériau conducteur fixé sur la surface du plan de masse et électriquement isolé de ce plan de masse, ce ruban (152) étant monté affleurant sur la paroi inférieure de la cavité pour former ladite surface d'injection et/ou de réception lorsqu'il est raccordé à un générateur et/ou récepteur (30) d'ondes électromagnétiques.
10. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la surface d'injection et/ou de réception est strictement inférieure à la surface de la face extérieure rayonnante (20), et de préférence inférieure à deux fois la surface de la face extérieure rayonnante.
11. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la paroi inférieure de la cavité et la surface d'injection et/ou de réception sont dans le même plan.
12. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'antenne comporte plusieurs dispositifs (52, 54) d'excitation présentant chacun une surface d'injection et/ou de réception des ondes électromagnétiques affleurantes à la paroi inférieure de la cavité.
13. Système de transmission et/ou de réception d'ondes électromagnétiques, ce système comportant :
- un dispositif (62) de focalisation des ondes électromagnétiques transmises et/ou reçues par le système, ce dispositif présentant un foyer (64), et
- une antenne multifaisceaux (66) comportant une face extérieure rayonnante en émission ou en réception placée sensiblement au niveau du foyer du dispositif de focalisation, et dans lequel l'antenne multifaisceaux est une antenne à matériau BIP (Bande
Interdite Photonique) comportant :
. un premier matériau BIP (4) présentant une périodicité à au moins une dimension et une face extérieure (20) rayonnante en émission et/ou en réception,
. au moins un premier défaut de périodicité du matériau BIP formant une première cavité résonnante (8) propre à créer au moins une bande passante étroite au sein d'une bande non passante du matériau BIP, cette cavité présentant une paroi supérieure formée par une face inférieure du matériau BIP opposée à la face extérieure rayonnante, et une paroi inférieure en vis-à-vis de la paroi supérieure, . plusieurs dispositifs (10 ; 70 ; 86 ; 94 ; 100 ; 112 ; 132 ; 152) d'excitation propres à faire résonner la cavité résonnante, ces dispositifs présentant une surface (26 ; 122) d'injection et/ou de réception d'ondes électromagnétiques à une fréquence de travail comprise dans la bande passante étroite, cette surface étant affleurante à la paroi inférieure de la cavité, caractérisé en ce que chaque surface d'injection et/ou de réception a au moins une largeur ou une longueur ou un diamètre supérieur à λ , où λ est la longueur d'onde de la fréquence de travail du dispositif d'excitation correspondant.
14. Procédé d'émission ou de réception d'ondes électromagnétiques, caractérisée en ce que le procédé comporte l'émission ou la réception d'ondes électromagnétiques à l'aide d'une antenne conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 12.
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