EP2795724A1 - Antenne élémentaire et antenne réseau mono ou bidimensionnelle correspondante - Google Patents

Antenne élémentaire et antenne réseau mono ou bidimensionnelle correspondante

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EP2795724A1
EP2795724A1 EP12806483.9A EP12806483A EP2795724A1 EP 2795724 A1 EP2795724 A1 EP 2795724A1 EP 12806483 A EP12806483 A EP 12806483A EP 2795724 A1 EP2795724 A1 EP 2795724A1
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EP
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antenna
elementary
antennas
probe
wall enclosure
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EP12806483.9A
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EP2795724B1 (fr
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Bernard Jecko
Mohammad HAJJ
Régis CHANTALAT
Moustapha SALAH TOUBET
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Limoges
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Limoges
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Publication date
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Publication of EP2795724B1 publication Critical patent/EP2795724B1/fr
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    • 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
    • H01Q19/18—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 having two or more spaced reflecting surfaces
    • H01Q19/185—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 having two or more spaced reflecting surfaces wherein the surfaces are plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/52—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure
    • H01Q1/521—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure reducing the coupling between adjacent antennas
    • H01Q1/523—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure reducing the coupling between adjacent antennas between antennas of an array
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    • 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
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    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
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    • H01Q21/065—Patch antenna array
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q25/00—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns

Definitions

  • the present invention relates to the field of transmitting or receiving antennas as radiating elements that can reach significant directivity levels at frequencies of the order of one or more GHz.
  • the invention also relates to a single or two-dimensional array antenna forming permanent or reconfigurable beams comprising a plurality of elementary antennas according to the invention arranged on a surface.
  • Elementary antennas of the BIE (Electromagnetic Interference Band) type each having a structure designed on the principle of electromagnetic band-gap materials and each having a radiation pattern suitable for forming on a lighted surface a task close to a disk, are conventionally used as radiating elements of a more complex antenna.
  • BIE Electromagnetic Interference Band
  • an elementary antenna of the BIE type comprises, in a conventional manner, a probe capable of transforming electrical energy into electromagnetic energy and vice versa, and an assembly of elements into at least two materials differing in their permittivity and / or their permeability and / or their conductivity within which the probe is disposed.
  • This assembly conventionally comprises a structure designed on the principle of electromagnetic band-gap materials (BIE). This structuring makes it possible to improve the directivity of the elementary antenna, by providing the radiation of the elementary antenna as well as a spatial and frequency filtering of the electromagnetic waves produced or received by the elementary antenna.
  • the elementary antennas of BIE type have a strong coupling.
  • This strong coupling generates harmful and disruptive interactions between the elementary antennas, due to the uncontrolled capture and redistribution by each probe of the energy emitted by the neighboring probes. This results in radiation patterns of the corresponding network antenna generally chaotic and not directive.
  • elementary radiating surfaces generated by each source are superimposed and form a non-uniform surface unacceptable for agility.
  • the object of the invention is to propose a high-directivity BIE elementary antenna capable of generating a predefined radiating surface whose coupling with a neighboring antenna of the same type is improved, that is to say an elementary antenna which disturbs little and is slightly disturbed by elementary antennas Surroundings of identical structure, and whose radiating surface generated is well limited thus avoiding the overlap of the radiating surfaces with each other.
  • the invention relates to an elementary antenna intended to form an element of a network antenna comprising:
  • a probe capable of transforming electrical energy into electromagnetic energy and vice versa
  • the probe being contained in the plane of the reflector in contact with the cavity or in the cavity in contact with the plane reflector, the cavity constituting a defect in the periodicity of the structure conferring on the assembly the behavior of an Electromagnetic Prohibited Band material failing which the arrangement of the elements in said assembly provides radiation and a spatial and frequency filtering of the electromagnetic waves produced or received by the probe, which filtering allows in particular one or more operating frequencies of the elementary antenna inside the a non-conducting frequency band;
  • said elementary antenna being characterized in that it comprises a wall enclosure adapted to reflect the electromagnetic waves at the operating frequency or frequencies, said wall enclosure being an extension in the direction orthogonal to the plane reflector and surrounding at the same time and only the probe , the cavity and the structure, for generating an elementary radiating surface of predetermined shape and imposed by the wall enclosure.
  • This wall enclosure creates on the upper surface of the device a radiating surface of predefined shape by its outline whereas the conventional BIE elementary antennas without wall enclosure generate radiating surfaces with a circular geometry larger than the physical opening.
  • the wall enclosure has a cross section whose inner contour is circumscribed in a circle and whose ratio of the area of the surface contained in the circle to the area of the surface contained in the internal contour is between 1 and 5;
  • the wall enclosure has a cross section whose outer contour is a regular polygon preferably having three or four sides;
  • the wall enclosure has a cross section whose external contour is a first regular polygon and whose internal contour is a second regular polygon, the second polygon being homothetic of the first polygon, the first and second polygons being concentric and preferably having three or four sides;
  • the probe is comprised in the assembly formed by ribbon antennas, dipoles, circular polarization antennas, slots and coplanar wire-plate antennas;
  • the probe is a ribbon antenna
  • the wall enclosure comprises four metal walls which delimit a parallelepiped having a height along the axis orthogonal to the plane reflector and a cross section with respect to this same square axis, the height, respectively the length of one side of the square, being substantially equal to one time, respectively half, the / of the wavelength associated with the operating frequency of the elementary antenna.
  • the invention also relates to a mono or two-dimensional array antenna comprising a plurality of adjoining elementary antennas, defined above and arranged between them to compactly cover in one piece one or more plane support surfaces, thereby generating surfaces. pixelated radiations responsible for several lobes of radiation. A radiating surface is thus generated, on which electromagnetic fields are responsible for the desired radiation under the principle of radiation equivalence of a radiating aperture known to those skilled in the art.
  • the total number of elementary antennas forming the plurality is equal to a number of lines N multiplied by a number of columns M, and the elementary antennas are arranged between them to compactly cover a rectangle of a flat support surface; in order to form a rectangular matrix of NM elementary antennas with N rows and M columns, and the wall enclosures facing two adjacent any elementary antennas are in contact;
  • the mono or two-dimensional network antenna further comprises:
  • power distribution means means for supplying the plurality of elementary antennas in amplitude and in phase, said supply means being connected at input to the power distribution means, and connected at output to said plurality of elementary antennas by controllable switches for selectively powering or turning off each elemental antenna;
  • the supply means comprise phase shift means and / or amplification means.
  • FIG. 1 is a three-dimensional view of a single exemplary embodiment of an elementary antenna according to the invention
  • FIG. 2 is a plot of the evolution curves of the gain as a function of frequency, respectively for an elementary antenna of the state of the art and for an elementary antenna of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a partial three-dimensional view of a network antenna according to the invention comprising elementary antennas described in FIG. 1;
  • FIG. 4 is a more complete overall diagram of the network antenna of FIG. 3 according to the invention.
  • FIG. 5A is a view from above of the array antenna of FIGS. 3 and 4;
  • FIG. 5B is a view from above of a conventional network antenna of the state of the art.
  • FIG. 6 is a plot of the evolution curves of the gain as a function of frequency, respectively for a network antenna of the state of the art and for a network antenna of FIGS. 3 and 4;
  • FIG. 7A is a radiation diagram of the array antenna of FIGS. 3 and 4;
  • FIG. 7B is a radiation diagram of a network antenna of the state of the art.
  • FIG. 8 is a plot of the evolution curves of the coupling between two adjacent elementary antennas as a function of frequency, respectively for a network antenna of FIG. 3 and for a network antenna of the state of the art;
  • FIG. 9 is a partial three-dimensional view of a one-dimensional array antenna according to the invention comprising elementary antennas according to the invention and described in FIG. 1;
  • FIG. 10 is a representation of the radiating surface generated by a conventional elementary antenna of the state of the art.
  • FIG. 1 1 is a representation of the radiating surface generated by an elementary antenna according to the invention
  • FIG. 12A is a schematic view of a network antenna according to the invention in which all the elementary antennas are powered;
  • FIG. 12B is a representation of the corresponding synthesized radiating surface by the network antenna configured according to FIG. 12A;
  • FIG. 13A is a schematic view of a network antenna according to the invention in which only a column of elementary antennas is powered;
  • FIG. 13B is a representation of the corresponding synthesized radiated surface by the array antenna configured according to FIG. 13A;
  • FIG. 14 is a schematic representation of the operating principle of the network antenna according to the invention.
  • FIG. 15 is a schematic representation of a network antenna according to the invention configured to generate, by the combination of pixelated radiating surfaces, the desired radiating surface;
  • FIG. 16 is a schematic view of a two-dimensional array antenna according to the invention comprising a plurality of elementary antennas according to the invention covering three distinct flat surfaces of support.
  • an elementary antenna 2 intended to form a radiating element of a network antenna, comprises a planar reflector 4 of electromagnetic waves, a probe 6 capable of transforming electrical energy into electromagnetic energy and vice versa, a assembly 8 of elements in at least two materials differing in their permittivity and / or / their permeability and / or their conductivity, and a wall enclosure 10 adapted to reflect electromagnetic waves at the operating frequency or frequencies of the elemental antenna 2.
  • the plane reflector 4 is a metal plane supporting the probe 6.
  • the probe 6 is a plate antenna (called a patch antenna) comprising a metal plate 11 of square shape, and a dielectric substrate 12 of square shape on which is printed the metal plate 1 1 and which separates the metal plate 1 1 plane reflector 4.
  • the length of one side of the metal plate 1 1 is equal to half the wavelength ⁇ 0 associated with a predetermined operating frequency of the elementary antenna 2 while the length denoted L on one side of the substrate dielectric 12 is substantially equal to the wavelength ⁇ 0 associated with the operating frequency of the elementary antenna 2.
  • the assembly 8 comprises a structure 14, configured on the principle of materials known as electromagnetic band gap (BIE) and having a periodicity in the direction orthogonal to the plane reflector 4, and a cavity 16 formed here of air or vacuum and separating the structure 14 of the probe 6.
  • BIE electromagnetic band gap
  • the structure 14 comprises an alternation of plane layers of two materials, for example respectively alumina and air, distinguished by their permittivity and / or their permeability and / or their conductivity.
  • the structure 14 comprises two strips 18, 20 of BIE materials of the same dimensions, forming a plane cross disposed vis-à-vis the probe 6 through the air cavity 16 at a height designated by h of the reflector plane 4
  • Each strip has a length equal to the length L on the side of the dielectric substrate 12 and a width less than the length of one side of the metal plate 11.
  • the height h is here substantially equal to half the wavelength associated with the operating frequency of the elementary antenna 2, that is to say ⁇ 0/2 .
  • the ratio of the height h to the thickness of the structure 14 is greater than 5.
  • the wall enclosure 10 has four metal walls 21 which surround both the probe 6, the cavity 16, and the structure 14 comprising the two strips 18 and 20.
  • the four metal walls 21 delimit a parallelepiped which has, on the one hand, a vertical extension of height h along the orthogonal axis Z to the plane reflector 2, and secondly, a cross section with respect to this same axis Z of square shape.
  • the side of the square forming the XY extension cross section has the same length L as the square side forming the dielectric substrate 12.
  • the cavity 16 constitutes a defect in the periodicity of the structure 14 and thus confers on the assembly 8 the behavior of a BIE material in default in which the arrangement of the elements in said assembly 8 ensures the radiation and a spatial and frequency filtering of the electromagnetic waves produced or received by the probe 6.
  • the filtering allows in particular one or more operating frequencies of the elementary antenna 2 within a non-conducting frequency band.
  • the assembly 8 thus allows the elementary antenna 2 to allow several frequency propagation modes within a non-conducting band, according to one or several spatial directions allowed, the spatial filtering itself being dependent on the frequency and the nature of the materials that the assembly comprises 8.
  • the presence of the wall enclosure 10 substantially reduces the coupling between the probes 6 of two elementary antennas 2 juxtaposed and in contact with each other by their metal walls 21 terraces.
  • the wall enclosure 10 allows the elementary antenna 2 to generate a radiation spot with the appropriate shape and field distribution.
  • the materials constituting the assembly 8 are, preferably, low loss materials, such as for example plastic, ceramic, ferrite or metal.
  • the cavity 16 can be:
  • an elementary antenna comprises a probe capable of transforming electrical energy into electromagnetic energy and vice versa, an electromagnetic wave plane reflector supporting the probe, an assembly of elements in at least two materials differing in their permittivity and / or / their permeability and / or their conductivity.
  • the assembly comprises a structure configured on the principle of materials
  • Electromagnetic Band Prohibited and having a periodicity in the orthogonal direction to the plane reflector, and a cavity in contact with the planar reflector and the structure.
  • the probe is contained in the plane of the reflector in contact with the cavity or in the cavity in contact with the planar reflector, the cavity constituting a defect in the periodicity of the structure conferring on the assembly the behavior of a BIE material in default.
  • the arrangement of the elements in said assembly provides radiation and a spatial and frequency filtering of the electromagnetic waves produced or received by the probe, which filtering allows in particular one or more operating frequencies of the elementary antenna within a non-conducting frequency band.
  • the elementary antenna comprises a wall enclosure adapted to reflect the electromagnetic waves at the operating frequency or frequencies, the wall enclosure being an extension in the direction orthogonal to the plane reflector and surrounding at the same time and only the probe, the cavity and the structure, for generating an elementary radiant surface of predetermined shape and imposed by the wall enclosure
  • the probe of the elementary antenna is comprised in the assembly formed by ribbon or plate antennas, dipoles, circular polarization antennas, slots and coplanar wire-plate antennas.
  • the probe is contained in the plane of the reflector in contact with the cavity or in the cavity in contact with the plane reflector.
  • the wall enclosure has a cross section whose inner contour is circumscribed in a circle and whose ratio of the area of the surface contained in the circle to the area of the surface contained in the internal contour is included between 1 and 5.
  • the wall enclosure has a cross section whose outer contour is a regular polygon preferably having three or four sides.
  • the wall enclosure has a cross section whose external contour is a first regular polygon and whose internal contour is a second regular polygon, the second polygon being homothetic of the first polygon, the first and second polygons being concentric and having preferably three or four sides.
  • curves 22, 24 respectively represent the evolution of the gain as a function of the frequency for a conventional patch type antenna and for the elementary antenna of FIG.
  • the elementary patch antenna of the state of the art has a maximum gain of 8 dBi while the elementary antenna 2 according to the invention has a maximum gain of 1 1 .5 dBi on curve 24.
  • the elementary antenna 2 according to the invention thus has much higher performance, in terms of gain and directivity, than a conventional patch antenna of the state of the art.
  • a two-dimensional array antenna 26 is composed of a plurality of elementary antennas 2 identical to those of FIG. 1 and disposed on a flat surface.
  • the two-dimensional array antenna 26 comprises 5 rows and 5 columns, ie a total number of elementary antennas 2 equal to 25.
  • the elementary antennas 2 of the plurality 27 are here defective BIE antennas, each of which comprises a plane reflector 4, a plate or ribbon probe 6, a BIE assembly 8 with a cavity 16, and a wall enclosure 10 composed of four walls. metal 21 surrounding both the probe 6 and the assembly 8.
  • the embodiment of the two-dimensional array antenna 26 is in no way limiting to that described in FIG. 3, other embodiments of the two-dimensional array antenna 26 that can be envisaged in terms of variants of the elementary antennas 2 , or in terms of the number of radiating elements and their arrangement.
  • the elementary antennas 2 of the plurality 27 constituting the two-dimensional array antenna 26 are arranged between them to compactly cover in one piece one or more flat support surfaces, thereby generating pixelated radiating surfaces responsible for several lobes of radiation.
  • the total number of elementary antennas 2 that comprises the two-dimensional array antenna 26 is equal to a number of lines N multiplied by a number of columns M.
  • the elementary antennas 2 are arranged between them to compactly cover a rectangle of a flat support surface so as to form a rectangular matrix of NM elementary antennas N rows and M columns, wherein the wall enclosures 10 vis-à-vis two elementary antennas Any 2 neighbors are in contact.
  • the two-dimensional array antenna 26 comprises power distribution means, designated generally by the reference 28, and means for supplying the plurality 27 of elementary antennas 2, generally denoted by the reference 30.
  • the power supply means 30 are connected at input to the power distribution means 28, and connected at the output to the plurality of elementary antennas 2 by controllable switches 31, for selectively supplying or switching off each elementary antenna 2.
  • Each controllable switch 31 is connected to a single elementary antenna
  • the antenna two-dimensional network 26 comprises, upstream of the plane surface of elementary antennas 2, 25 controllable switches 31 connected to the elementary antennas 2.
  • the two-dimensional array antenna 26 also comprises means for controlling the controllable switches 31, generally denoted by the reference 32 in FIG.
  • the selective and controllable power supply of the elementary antennas 2 makes it possible to obtain a two-dimensional array antenna 26 that is agile and that forms permanent or reconfigurable beams, having a radiation pattern with a main lobe formed.
  • the supply means 30 also comprise phase shift means and / or amplification means.
  • phase shift and / or amplification means make it possible to obtain a two-dimensional array antenna 26 having optimal phase and amplitude distribution.
  • phase shift and / or amplification means make it possible to improve the quality of the radiation patterns, said radiation patterns having reduced secondary lobes and a refined main lobe.
  • the two-dimensional array antenna according to the invention has the advantage of being reconfigurable and having a limited number of elements and therefore a less complex structure compared to existing network antennas.
  • FIGS. 5A and 5B are respectively provided top views of a two-dimensional array antenna 26 according to the invention, and a two-dimensional array antenna of the state of the art comprising elementary antennas each without enclosing walls. .
  • curves 34 and 36 respectively represent the evolution of the gain of the two-dimensional array antennas shown in FIGS. 5A and 5B, as a function of frequency.
  • Curve 34 represents the gain of the two-dimensional array antenna 26 according to the invention shown in FIG. 5A and composed of elementary antennas 2 having wall speakers 10
  • curve 36 represents the gain of the antenna bidimensional network shown in Figure 5B and composed of elementary antennas of the state of the art without wall speakers.
  • the gain is proportional to the directivity, it can be seen from these curves that the directivity is significantly improved with the two-dimensional array antenna 26 according to the invention, compared with the two-dimensional array antenna of the state of the art.
  • the two-dimensional array antenna of the state of the art has a maximum gain of 17 dBi whereas, according to the curve 34, the two-dimensional array antenna 26 according to the invention reaches a maximum gain of 18.8 dBi.
  • FIGS. 7A and 7B show respectively the radiation patterns of a two-dimensional array antenna 26 according to the invention and a two-dimensional array antenna of the state of the art.
  • FIG. 7B it can clearly be seen that the radiation pattern of the two-dimensional array antenna of the state of the art is disturbed and has a plurality of secondary lobes.
  • the radiation pattern of the two-dimensional array antenna 26 according to the invention, shown in FIG. 7A has a high directivity with reduced secondary lobes.
  • the presence of the wall speakers 10 improves the directivity of the two-dimensional array antenna 26.
  • curves 38 and 40 respectively represent the evolution of coupling as a function of frequency between two elementary antennas of the same type and juxtaposed.
  • Curve 38 represents the coupling between two adjacent elementary antennas of a two-dimensional array antenna of the state of the art
  • curve 40 represents the coupling between two adjacent elementary antennas 2 of a two-dimensional array antenna 26 according to the invention.
  • the BIE elementary antenna according to the invention makes it possible to generate a radiation spot with the shape and distribution in appropriate fields, and has a high directivity and a coupling with a neighboring antenna of the same improved type.
  • the elementary antenna according to the invention disturbs little and is slightly disturbed by surrounding elementary antennas. Therefore, in the two-dimensional array antenna according to the invention, a smaller number of elementary antennas will be necessary to achieve the same level of directivity as a network antenna using BIE elementary antennas devoid of reflective wall enclosure.
  • the two-dimensional array antenna according to the invention which results from the assembly and the juxtaposition of elementary antennas according to the invention, will comprise a limited number of elements compared to two-dimensional antennas of the state of the art. and will have a less complex structure and therefore less expensive than existing two-dimensional array antennas.
  • the network antenna according to the invention is one-dimensional, that is to say that the network antenna comprises, for example, a plurality of elementary antennas aligned in a single direction.
  • the elementary antennas forming the network antenna according to the invention are preferably joined.
  • FIGS. 10 and 11 show respectively the radiating surface generated by a conventional elementary antenna of the state of the art, and the radiating surface generated by an elementary antenna according to the invention. These FIGS. 10 and 11 show clearly that the wall enclosure creates on the surface of the elementary antenna a radiating surface of square shape predefined by its outline, unlike the conventional elementary antenna comprising no wall enclosure and thereby generating a radiating surface with circular and non-predefined geometry.
  • the elementary antenna according to the invention is capable of generating a radiating surface of predefined shape and of limited shape imposed by the wall enclosure, thus avoiding the overlapping of the radiating surfaces with each other when the elementary antennas are juxtaposed.
  • FIGS. 12A and 12B respectively show a network antenna according to the invention in which all the elementary antennas are powered, and the corresponding synthesized radiating surface.
  • FIGS. 13A and 13B respectively show a network antenna according to the invention in which only a column of elementary antennas is fed, and the corresponding synthesized radiating surface.
  • the network antenna according to the invention is reconfigurable, that is to say that it allows to have an agility on the formation of a radiating surface by selective feeding of the elementary antennas. component, and thus makes it possible to generate all kinds of pixelated radiating surfaces, by combining the elementary surfaces generated by each elemental antenna.
  • the designation "network antenna” used for the invention corresponds to and conventionally defines an antenna fed by a plurality of sources connected to a feed network ("feeding network" in English) and does not correspond to to a network of antennas whose naming in English is "antenna array”.
  • the operating principle of the "pixelated radiating aperture” network antenna according to the invention consists in generating a radiating surface of any desired shape. This radiating surface creates, by the theory of radiating openings, the radiation patterns making it possible to ensure a given coverage on earth either by simple spatial Fourier transform, or by a double spatial Fourier transform using a reflector. This operation is illustrated in Figure 14.
  • this radiant surface in a first step it is pixelated and in a second step the array antenna composed of a plurality of elementary antennas is controlled so that each elementary antenna corresponding to a pixel of the radiating surface generates a portion of the Thus, a good approximation of the radiating surface is made by the combination of elementary surfaces generated by each elemental antenna corresponding to a pixel.
  • the network antenna comprises, in one piece, a plurality of distinct support plane surfaces of different orientations, each of which is arranged with an associated set of elementary antennas, thus generating different pixelated radiating surfaces responsible for several lobes of radiation. different orientations.
  • the network antenna 42 comprises a plurality of elementary antennas arranged together to cover in a compact manner in one piece three flat support surfaces 44, 46, 48, in the example shown in Fig. 16, the three planar support surfaces 44, 46, 48 each define a different normal direction.

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Abstract

L'antenne élémentaire (2), destinée à former un élément rayonnant d'une antenne réseau, comprend superposés un réflecteur plan (4), une sonde (6), et un assemblage (8) de type BIE à défaut sous forme d'une cavité (16). L'antenne élémentaire (2) comprend une enceinte murale (10) apte à réfléchir les ondes électromagnétiques à une ou plusieurs fréquences de fonctionnement de l'antenne élémentaire (2), ladite enceinte murale (10) étant une extension dans la direction orthogonale au réflecteur plan (4) et entourant à la fois et seulement la sonde (6), la cavité (16) et la structure (14). L'antenne réseau mono ou bidimensionnelle comprend une pluralité d'antennes élémentaires (2) jointives agencées de manière compacte.

Description

Antenne élémentaire et antenne réseau mono ou tridimensionnelle correspondante
La présente invention concerne le domaine des antennes émettrices ou réceptrices en tant qu'éléments rayonnants pouvant atteindre des niveaux de directivité importants à des fréquences de l'ordre du ou de plusieurs GHz.
L'invention concerne également une antenne réseau mono ou bidimensionnelle à formation de faisceaux permanents ou reconfigurables comportant une pluralité d'antennes élémentaires selon l'invention disposées sur une surface.
Des antennes élémentaires de type BIE (Bande Interdite Electromagnétique), ayant chacune une structure conçue sur le principe des matériaux à Bande Interdite Electromagnétique et ayant chacune un diagramme de rayonnement propre à former sur une surface éclairée une tâche proche d'un disque, sont classiquement utilisées en tant qu'éléments rayonnant d'une antenne plus complexe.
La demande de brevet internationale WO 01/37373 décrit plusieurs modes de réalisation de ce type d'antenne élémentaire. Suivant ce document, une antenne élémentaire de type BIE comprend, de façon classique, une sonde capable de transformer de l'énergie électrique en énergie électromagnétique et réciproquement, et un assemblage d'éléments en au moins deux matériaux se différenciant par leur permittivité et/ou leur perméabilité et/ou leur conductivité au sein duquel la sonde est disposée. Cet assemblage comporte classiquement une structure conçue sur le principe des matériaux à Bande Interdite Electromagnétique (BIE). Cette structuration permet d'améliorer la directivité de l'antenne élémentaire, en assurant le rayonnement de l'antenne élémentaire ainsi qu'un filtrage spatial et fréquentiel des ondes électromagnétiques produites ou reçues par l'antenne élémentaire.
Toutefois, lorsqu'elles sont assemblées et juxtaposées dans une antenne réseau, les antennes élémentaires de type BIE présentent un couplage important. Ce fort couplage engendre des interactions néfastes et perturbatrices entre les antennes élémentaires, en raison de la capture et de la redistribution incontrôlée par chaque sonde de l'énergie émise par les sondes voisines. Il en résulte des diagrammes de rayonnement de l'antenne réseau correspondante généralement chahutés et peu directifs. D'autre part les surfaces rayonnantes élémentaires générées par chaque source se superposent et forment une surface non uniforme peu acceptable pour l'agilité.
L'invention a pour objectif de proposer une antenne élémentaire de type BIE à forte directivité capable de générer une surface rayonnante de forme prédéfinie dont le couplage avec une antenne voisine du même type est amélioré, c'est-à-dire une antenne élémentaire qui perturbe peu et est peu perturbée par des antennes élémentaires environnantes de structure identique, et dont la surface rayonnante générée est bien limitée évitant ainsi le chevauchement des surfaces rayonnantes entre elles.
A cet effet, l'invention concerne une antenne élémentaire destinée à former un élément d'une antenne réseau comprenant :
- une sonde capable de transformer de l'énergie électrique en énergie électromagnétique et réciproquement ;
- un réflecteur plan d'ondes électromagnétiques supportant la sonde ; et
- un assemblage d'éléments en au moins deux matériaux se différenciant par leur permittivité et/ou/leur perméabilité et/ou leur conductivité, l'assemblage comportant :
- une structure configurée sur le principe des matériaux Bande Interdite Electromagnétique et présentant une périodicité dans la direction orthogonale au réflecteur plan ; et
- une cavité en contact avec le réflecteur plan et la structure ;
la sonde étant contenue dans le plan du réflecteur en contact avec la cavité ou dans la cavité en contact avec le réflecteur plan, la cavité constituant un défaut dans la périodicité de la structure conférant à l'assemblage le comportement d'un matériau Bande Interdite Electromagnétique à défaut dans lequel la disposition des éléments dans ledit assemblage assure le rayonnement et un filtrage spatial et fréquentiel des ondes électromagnétiques produites ou reçues par la sonde, lequel filtrage autorise notamment une ou plusieurs fréquences de fonctionnement de l'antenne élémentaire à l'intérieur d'une bande de fréquences non passante ;
ladite antenne élémentaire étant caractérisée en ce qu'elle comprend une enceinte murale apte à réfléchir les ondes électromagnétiques à la ou les fréquences de fonctionnement, ladite enceinte murale étant une extension dans la direction orthogonale au réflecteur plan et entourant à la fois et seulement la sonde, la cavité et la structure, permettant de générer une surface rayonnante élémentaire de forme prédéterminée et imposée par l'enceinte murale.
Cette enceinte murale crée à la surface supérieure du dispositif une surface rayonnante de forme prédéfinie par son contour alors que les antennes élémentaires BIE classiques sans enceinte murale génèrent des surfaces rayonnantes à géométrie circulaire plus grande que l'ouverture physique.
Selon d'autres caractéristiques prises seules ou en combinaison : - l'enceinte murale présente une section transversale dont le contour interne est circonscrit dans un cercle et dont le rapport de l'aire de la surface contenue dans le cercle sur l'aire de la surface contenue dans le contour interne est compris entre 1 et 5 ;
- l'enceinte murale présente une section transversale dont le contour externe est un polygone régulier ayant de préférence trois ou quatre côtés ;
- l'enceinte murale possède une section transversale dont le contour externe est un premier polygone régulier et dont le contour interne est un deuxième polygone régulier, le deuxième polygone étant homothétique du premier polygone, les premier et deuxième polygones étant concentriques et ayant de préférence trois ou quatre cotés ;
- la sonde est comprise dans l'ensemble formé par les antennes à ruban, les dipôles, les antennes à polarisation circulaire, les fentes et les antennes fil-plaque coplanaires ; et
- la sonde est une antenne à ruban, et l'enceinte murale comporte quatre murs métalliques qui délimitent un parallélépipède ayant une hauteur selon l'axe orthogonal au réflecteur plan et une section transversale par rapport à ce même axe de forme carrée, la hauteur, respectivement la longueur d'un côté du carré, étant sensiblement égale à une fois, respectivement la moitié, la/de la longueur d'onde associée à la fréquence de fonctionnement de l'antenne élémentaire.
L'invention concerne également une antenne réseau mono ou bidimensionnelle comportant une pluralité d'antennes élémentaires jointives, définies ci-dessus et agencées entre elles pour couvrir de manière compacte d'un seul tenant une ou plusieurs surfaces planes de support, générant ainsi des surfaces rayonnantes pixélisées responsables de plusieurs lobes de rayonnements. Une surface rayonnante est donc générée, sur laquelle des champs électromagnétiques sont responsables du rayonnement souhaité en vertu du principe d'équivalence de rayonnement d'une ouverture rayonnante connu de l'homme du métier.
Selon d'autres caractéristiques prises seules ou en combinaison :
- le nombre total d'antennes élémentaires formant la pluralité est égal à un nombre de lignes N multiplié par un nombre de colonnes M, et les antennes élémentaires sont agencées entres elles pour couvrir de manière compacte un rectangle d'une surface plane de support de façon à former une matrice rectangulaire de N.M antennes élémentaires à N lignes et M colonnes, et les enceintes murales en vis-à-vis de deux antennes élémentaires quelconques voisines sont en contact ;
- l'antenne réseau mono ou bidimensionnelle comporte en outre :
- des moyens de répartition de puissance ; - des moyens d'alimentation de la pluralité d'antennes élémentaires en amplitude et en phase, lesdits moyens d'alimentation étant reliés en entrée aux moyens de répartition de puissance, et reliés en sortie à ladite pluralité d'antennes élémentaires par des interrupteurs commandables pour alimenter ou éteindre sélectivement chaque antenne élémentaire ; et
- les moyens d'alimentation comportent des moyens de déphasage et/ou des moyens d'amplification.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue en trois dimensions d'un exemple unique de mode de réalisation d'une antenne élémentaire selon l'invention ;
- la figure 2 est un tracé des courbes d'évolution du gain en fonction de la fréquence, respectivement pour une antenne élémentaire de l'état de la technique et pour une antenne élémentaire de la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue partielle en trois dimensions d'une antenne réseau selon l'invention comportant des antennes élémentaires décrites à la figure 1 ;
- la figure 4 est un schéma d'ensemble plus complet de l'antenne réseau de la figure 3 selon l'invention ;
- la figure 5A est une vue de dessus de l'antenne réseau des figures 3 et 4 ;
- la figure 5B est une vue de dessus d'une antenne réseau classique de l'état de la technique ;
- la figure 6 est un tracé des courbes d'évolution du gain en fonction de la fréquence, respectivement pour une antenne réseau de l'état de la technique et pour une antenne réseau des figures 3 et 4 ;
- la figure 7 A est un diagramme de rayonnement de l'antenne réseau des figures 3 et 4 ;
- la figure 7B est un diagramme de rayonnement d'une antenne réseau de l'état de la technique ; et
- la figure 8 est un tracé des courbes d'évolution du couplage entre deux antennes élémentaires adjacentes en fonction de la fréquence, respectivement pour une antenne réseau de la figure 3 et pour une antenne réseau de l'état de la technique ; - la figure 9 est une vue partielle en trois dimensions d'une antenne réseau monodimensionnelle selon l'invention comportant des antennes élémentaires selon l'invention et décrites à la figure 1 ;
- la figure 10 est une représentation de la surface rayonnante générée par une antenne élémentaire classique de l'état de la technique ;
- la figure 1 1 est une représentation de la surface rayonnante générée par une antenne élémentaire selon l'invention ;
la figure 12A est une vue schématique d'une antenne réseau selon l'invention dans laquelle toutes les antennes élémentaires sont alimentées ;
- la figure 12B est une représentation de la surface rayonnante synthétisée correspondante par l'antenne réseau configurée selon la figure 12A ;
- la figure 13A est une vue schématique d'une antenne réseau selon l'invention dans laquelle seule une colonne d'antennes élémentaires est alimentée ;
- la figure 13B est une représentation de la surface rayonnante synthétisée correspondante par l'antenne réseau configurée selon la figure 13A ;
- la figure 14 est une représentation schématique du principe de fonctionnement de l'antenne réseau selon l'invention ;
- la figure 15 est une représentation schématique d'une antenne réseau selon l'invention configurée pour générer, par la combinaison de surface rayonnantes pixellisées, la surface rayonnante désirée ;
- la figure 16 est une vue schématique d'une antenne réseau bidimensionnelle selon l'invention comprenant une pluralité d'antennes élémentaires selon l'invention couvrant trois surfaces planes distinctes de support.
Suivant la figure 1 , une antenne élémentaire 2, destinée à former un élément rayonnant d'une antenne réseau, comprend un réflecteur plan 4 d'ondes électromagnétiques, une sonde 6 capable de transformer de l'énergie électrique en énergie électromagnétique et réciproquement, un assemblage 8 d'éléments en au moins deux matériaux se différenciant par leur permittivité et/ou/leur perméabilité et/ou leur conductivité, et une enceinte murale 10 apte à réfléchir des ondes électromagnétiques à la ou les fréquences de fonctionnement de l'antenne élémentaire 2.
Le réflecteur plan 4 est un plan métallique supportant la sonde 6.
La sonde 6 est une antenne plaque (dénommée en anglais une antenne patch) comportant une plaque métallique 1 1 de forme carrée, et un substrat diélectrique 12 de forme carrée sur lequel est imprimée la plaque métallique 1 1 et qui sépare la plaque métallique 1 1 du réflecteur plan 4. La longueur d'un côté de la plaque métallique 1 1 est égale à la moitié de la longueur d'onde λ0 associée à une fréquence de fonctionnement prédéterminée de l'antenne élémentaire 2 tandis que la longueur notée L d'un côté du substrat diélectrique 12 est sensiblement égale à la longueur d'onde λ0 associée à la fréquence de fonctionnement de l'antenne élémentaire 2.
L'assemblage 8 comprend une structure 14, configurée sur le principe des matériaux dits à Bande Interdite Electromagnétique (BIE) et présentant une périodicité dans la direction orthogonale au réflecteur plan 4, et une cavité 16 formée ici d'air ou de vide et séparant la structure 14 de la sonde 6.
La structure 14 comporte une alternance de couches planes de deux matériaux, par exemple respectivement de l'alumine et de l'air, se distinguant par leur permittivité et/ou par leur perméabilité et/ou par leur conductivité.
La structure 14 comprend deux bandes 18, 20 de matériaux BIE de même dimensions, formant une croix plane disposée en vis-à-vis de la sonde 6 au travers de la cavité d'air 16 à une hauteur désignée par h du plan réflecteur 4. Chaque bande à une longueur égale à la longueur L du côté du substrat diélectrique 12 et une largeur inférieure à la longueur d'un coté de la plaque métallique 1 1 .
La hauteur h est ici sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde associée à la fréquence de fonctionnement de l'antenne élémentaire 2, c'est-à-dire λ0/2.
Ici, le rapport de la hauteur h sur l'épaisseur de la structure 14 est supérieur à 5.
L'enceinte murale 10 comporte quatre murs métalliques 21 qui entourent à la fois la sonde 6, la cavité 16, et la structure 14 comprenant les deux bandes 18 et 20. Les quatre murs métalliques 21 délimitent un parallélépipède qui possède d'une part, une extension verticale de hauteur h selon l'axe orthogonal Z au réflecteur plan 2, et d'autre part, une section transversale par rapport à ce même axe Z de forme carrée. Le côté du carré formant la section transversale d'extension XY présente la même longueur L que le coté du carré formant le substrat diélectrique 12.
La cavité 16 constitue un défaut dans la périodicité de la structure 14 et confère ainsi à l'assemblage 8 le comportement d'un matériau BIE à défaut dans lequel la disposition des éléments dans ledit assemblage 8 assure le rayonnement et un filtrage spatial et fréquentiel des ondes électromagnétiques produites ou reçues par la sonde 6.
Le filtrage autorise notamment une ou plusieurs fréquences de fonctionnement de l'antenne élémentaire 2 à l'intérieur d'une bande de fréquences non passante.
L'assemblage 8 permet ainsi à l'antenne élémentaire 2 d'autoriser plusieurs modes fréquentiels de propagation à l'intérieur d'une bande non passante, selon une ou plusieurs directions spatiales autorisées, le filtrage spatial étant lui-même dépendant de la fréquence et de la nature des matériaux que comporte l'assemblage 8.
La présence de l'enceinte murale 10 permet de diminuer sensiblement le couplage entre les sondes 6 de deux antennes élémentaires 2 juxtaposées et en contact l'une de l'autre par leurs murs métalliques 21 mitoyens.
Dans une antenne réseau intégrant comme éléments rayonnants de telles antennes élémentaires 2 juxtaposées, les antennes élémentaires 2 ne se perturbant pas mutuellement, un nombre moins élevé d'antennes élémentaires 2 sera nécessaire pour atteindre la même directivité qu'une antenne réseau utilisant des antennes élémentaires BIE dépourvues d'enceinte murale réfléchissante.
En outre, l'enceinte murale 10 permet à l'antenne élémentaire 2 de générer une tache de rayonnement avec la forme et la répartition en champs appropriées.
Les matériaux constituant l'assemblage 8 sont, de manière préférentielle, des matériaux à faibles pertes, tels que par exemple le plastique, la céramique, la ferrite ou encore le métal.
De manière générale la cavité 16 peut être :
- une modification locale des caractéristiques diélectriques et/ou magnétiques et/ou de conductivité des matériaux utilisés ;
- une modification locale des dimensions d'un ou plusieurs matériaux.
De manière générale, une antenne élémentaire comprend une sonde capable de transformer de l'énergie électrique en énergie électromagnétique et réciproquement, un réflecteur plan d'ondes électromagnétiques supportant la sonde, un assemblage d'éléments en au moins deux matériaux se différenciant par leur permittivité et/ou/leur perméabilité et/ou leur conductivité.
L'assemblage comporte une structure configurée sur le principe des matériaux
Bande Interdite Electromagnétique et présentant une périodicité dans la direction orthogonale au réflecteur plan, et une cavité en contact avec le réflecteur plan et la structure.
La sonde est contenue dans le plan du réflecteur en contact avec la cavité ou dans la cavité en contact avec le réflecteur plan, la cavité constituant un défaut dans la périodicité de la structure conférant à l'assemblage le comportement d'un matériau BIE à défaut dans lequel la disposition des éléments dans ledit assemblage assure le rayonnement et un filtrage spatial et fréquentiel des ondes électromagnétiques produites ou reçues par la sonde, lequel filtrage autorise notamment une ou plusieurs fréquences de fonctionnement de l'antenne élémentaire à l'intérieur d'une bande de fréquences non passante. L'antenne élémentaire comprend une enceinte murale apte à réfléchir les ondes électromagnétiques à la ou les fréquences de fonctionnement, l'enceinte murale étant une extension dans la direction orthogonale au réflecteur plan et entourant à la fois et seulement la sonde, la cavité et la structure, permettant de générer une surface rayonnante élémentaire de forme prédéterminée et imposée par l'enceinte murale
De manière générale, la sonde de l'antenne élémentaire est comprise dans l'ensemble formé par les antennes à ruban ou plaque, les dipôles, les antennes à polarisation circulaire, les fentes et les antennes fil-plaque coplanaires.
De manière générale, la sonde est contenue dans le plan du réflecteur en contact avec la cavité ou dans la cavité en contact avec le réflecteur plan.
De manière générale, l'enceinte murale présente une section transversale dont le contour interne est circonscrit dans un cercle et dont le rapport de l'aire de la surface contenue dans le cercle sur l'aire de la surface contenue dans le contour interne est compris entre 1 et 5.
De manière préférée, l'enceinte murale présente une section transversale dont le contour externe est un polygone régulier ayant de préférence trois ou quatre côtés.
De manière préférée, l'enceinte murale présente une section transversale dont le contour externe est un premier polygone régulier et dont le contour interne est un deuxième polygone régulier, le deuxième polygone étant homothétique du premier polygone, les premier et deuxième polygones étant concentriques et ayant de préférence trois ou quatre cotés.
Sur la figure 2, des courbes 22, 24 représentent respectivement l'évolution du gain en fonction de la fréquence pour une antenne de type patch classique et pour l'antenne élémentaire de la figure 1 .
Le gain étant proportionnel à la directivité, il apparaît de façon évidente sur les courbes 22 et 24 que la directivité de l'antenne élémentaire 2 est nettement améliorée par rapport à la directivité présentée par une antenne à patch classique pour des dimensions comparables.
En effet, suivant la courbe 22, l'antenne élémentaire à patch de l'état de la technique présente un gain maximal de 8 dBi alors que l'antenne élémentaire 2 selon l'invention présente un gain maximal de 1 1 .5 dBi sur la courbe 24.
L'antenne élémentaire 2 selon l'invention possède donc des performances nettement plus élevées, en termes de gain et de directivité, qu'une antenne à patch classique de l'état de la technique. Sur la figure 3, une antenne réseau bidimensionnelle 26, est composée d'une pluralité 27 d'antennes élémentaires 2 identiques à celles de la figure 1 et disposées sur une surface plane.
Dans ce mode de réalisation particulier, l'antenne réseau bidimensionnelle 26 comporte 5 lignes et 5 colonnes, soit un nombre total d'antennes élémentaires 2 égal à 25.
Les antennes élémentaires 2 de la pluralité 27 sont donc ici des antennes BIE à défaut qui comportent chacune un réflecteur plan 4, une sonde 6 à plaque ou ruban, un assemblage 8 BIE avec une cavité 16, et une enceinte murale 10 composée de quatre murs métalliques 21 entourant à la fois la sonde 6 et l'assemblage 8.
Le mode de réalisation de l'antenne réseau bidimensionnelle 26 n'est en aucun cas limitatif à celui décrit à la figure 3, d'autres modes de réalisation de l'antenne réseau bidimensionnelle 26 pouvant être envisagés en termes de variantes des antennes élémentaires 2, ou encore en termes de nombre d'éléments rayonnants et leur agencement.
De manière générale, les antennes élémentaires 2 de la pluralité 27 composant l'antenne réseau bidimensionnelle 26 sont agencées entre elles pour couvrir de manière compacte d'un seul tenant une ou plusieurs surfaces planes de support, générant ainsi des surfaces rayonnantes pixélisées responsables de plusieurs lobes de rayonnements.
De manière particulière, le nombre total d'antennes élémentaires 2 que comprend l'antenne réseau bidimensionnelle 26 est égal à un nombre de lignes N multiplié par un nombre de colonnes M. Dans l'antenne réseau bidimensionnelle 26, les antennes élémentaires 2 sont agencées entre elles pour couvrir de manière compacte un rectangle d'une surface plane de support de façon à former une matrice rectangulaire de N.M antennes élémentaires à N lignes et M colonnes, dans laquelle les enceintes murales 10 en vis-à-vis de deux antennes élémentaires 2 quelconques voisines sont en contact.
Sur la figure 4, l'antenne réseau bidimensionnelle 26 comporte des moyens de répartition de puissance, désignés globalement par la référence 28, et des moyens d'alimentation de la pluralité 27 d'antennes élémentaires 2, désignés globalement par la référence 30.
De manière générale, les moyens d'alimentation 30 sont reliés en entrée aux moyens de répartition de puissance 28, et reliés en sortie à la pluralité d'antennes élémentaires 2 par des interrupteurs commandables 31 , pour alimenter ou éteindre sélectivement chaque antenne élémentaire 2.
Chaque interrupteur commandable 31 est relié à une unique antenne élémentaire
2 différente. Ainsi, dans le mode de réalisation représenté sur les figures 3 et 4, l'antenne réseau bidimensionnelle 26 comprend, en amont de la surface plane d'antennes élémentaires 2, 25 interrupteurs commandables 31 , reliés aux 25 antennes élémentaires 2.
L'antenne réseau bidimensionnelle 26 comprend également des moyens de commande des interrupteurs commandables 31 , désignés globalement par la référence 32 sur la figure 5.
Ainsi, l'alimentation sélective et commandable des antennes élémentaires 2 permet d'obtenir une antenne réseau bidimensionnelle 26 agile et à formation de faisceaux permanents ou reconfigurables, présentant un diagramme de rayonnement avec un lobe principal formé.
L'utilisation de simples interrupteurs, rendue possible en raison des performances radioélectriques des antennes élémentaires, diminue la complexité des moyens de commande et de programmation d'une configuration de l'antenne réseau.
En variante, les moyens d'alimentation 30 comportent également des moyens de déphasage et/ou des moyens d'amplification.
Ces moyens de déphasage et/ou d'amplification permettent d'obtenir une antenne réseau bidimensionnelle 26 présentant une répartition de phase et d'amplitude optimale.
De plus, ces moyens de déphasage et/ou d'amplification permettent d'améliorer la qualité des diagrammes de rayonnement, lesdits diagrammes de rayonnement présentant des lobes secondaires réduits ainsi qu'un lobe principal affiné.
Ainsi, l'antenne réseau bidimensionnelle selon l'invention présente l'avantage d'être reconfigurable et de posséder un nombre d'éléments limité et donc une structure moins complexe par rapport aux antennes réseau déjà existantes.
Sur les figure 5A et 5B sont fournies respectivement des vues de dessus d'une antenne réseau bidimensionnelle 26 selon l'invention, et d'une antenne réseau bidimensionnelle de l'état de la technique comprenant des antennes élémentaires dépourvues chacune de murs d'enceinte.
Sur ces antennes réseau bidimensionnelles, seules les antennes élémentaires 2 situées sur une ligne centrale sont alimentées. Sur les figures 5A et 5B, ces antennes élémentaires alimentées sont représentées avec une mention « ON ».
Sur la figure 6, des courbes 34 et 36 représentent respectivement l'évolution du gain des antennes réseau bidimensionnelles représentées sur les figures 5A et 5B, en fonction de la fréquence.
La courbe 34 représente le gain de l'antenne réseau bidimensionnelle 26 selon l'invention représentée sur la figure 5A et composée des antennes élémentaires 2 présentant des enceintes murales 10, et la courbe 36 représente le gain de l'antenne réseau bidimensionnelle représentée sur la figure 5B et composée d'antennes élémentaires de l'état de la technique sans enceintes murales.
Le gain étant proportionnel à la directivité, on voit bien sur ces courbes que la directivité est nettement améliorée avec l'antenne réseau bidimensionnelle 26 selon l'invention, par rapport à l'antenne réseau bidimensionnelle de l'état de la technique. En effet, suivant la courbe 36, l'antenne réseau bidimensionnelle de l'état de la technique présente un gain maximal de 17 dBi alors que, suivant la courbe 34 l'antenne réseau bidimensionnelle 26 selon l'invention atteint un gain maximal de 18.8 dBi.
Sur les figures 7A et 7B, on a représenté respectivement les diagrammes de rayonnement d'une antenne réseau bidimensionnelle 26 selon l'invention et d'une antenne réseau bidimensionnelle de l'état de la technique. Sur la figure 7B, on voit bien que le diagramme de rayonnement de l'antenne réseau bidimensionnelle de l'état de la technique est perturbé et présente une pluralité de lobes secondaires. En revanche, le diagramme de rayonnement de l'antenne réseau bidimensionnelle 26 selon l'invention, représenté sur la figure 7A, présente une forte directivité avec des lobes secondaires réduits.
Ainsi, la présence des enceintes murales 10 permet d'améliorer la directivité de l'antenne réseau bidimensionnelle 26.
Sur la figure 8, des courbes 38 et 40 représentent respectivement l'évolution du couplage en fonction de la fréquence, entre deux antennes élémentaires du même type et juxtaposées.
La courbe 38 représente le couplage entre deux antennes élémentaires adjacentes d'une antenne réseau bidimensionnelle de l'état de la technique, et la courbe 40 représente le couplage entre deux antennes élémentaires 2 adjacentes d'une antenne réseau bidimensionnelle 26 selon l'invention.
Sur cette figure 8, on voit bien que l'insertion des enceintes murales 10 diminue sensiblement le couplage entre les antennes élémentaires adjacentes. En effet, suivant la courbe 38, le couplage atteint une valeur maximale sensiblement égale à -8 dB pour l'antenne réseau bidimensionnelle de l'état de la technique, alors que sur la courbe 40, celui-ci prend une valeur maximale sensiblement égale à -20 dB.
On comprend ainsi que l'antenne élémentaire de type BIE selon l'invention permet de générer une tache de rayonnement avec la forme et la répartition en champs appropriées, et présente une forte directivité et un couplage avec une antenne voisine du même type amélioré. En effet, l'antenne élémentaire selon l'invention perturbe peu et est peu perturbée par des antennes élémentaires environnantes. Par conséquent, dans l'antenne réseau bidimensionnelle selon l'invention, un nombre moins élevé d'antennes élémentaires sera nécessaire pour atteindre un même niveau de directivité qu'une antenne réseau utilisant des antennes élémentaires BIE dépourvues d'enceinte murale réfléchissante. Ainsi, l'antenne réseau bidimensionnelle selon l'invention, qui résulte de l'assemblage et de la juxtaposition d'antennes élémentaires selon l'invention, comprendra un nombre d'éléments limité par rapport aux antennes bidimensionnelles de l'état de la technique et présentera une structure moins complexe et donc moins coûteuse que les antennes réseau bidimensionnelles déjà existantes.
En variante, comme représenté sur la figure 9, l'antenne réseau selon l'invention est monodimensionnelle, c'est-à-dire que l'antenne réseau comprend par exemple une pluralité d'antennes élémentaires alignées suivant une seule direction.
En outre, les antennes élémentaires formant l'antenne réseau selon l'invention sont avantageusement jointives.
Sur les figures 10 et 1 1 , on a représenté respectivement la surface rayonnante générée par une antenne élémentaire classique de l'état de la technique, et la surface rayonnante générée par une antenne élémentaire selon l'invention. On voit bien sur ces figures 10 et 1 1 que l'enceinte murale crée à la surface de l'antenne élémentaire une surface rayonnante de forme carrée prédéfinie par son contour, contrairement à l'antenne élémentaire classique ne comprenant pas d'enceinte murale et générant de ce fait une surface rayonnante à géométrie circulaire et non prédéfinie.
On voit ainsi par ces figures 10 et 1 1 que l'antenne élémentaire selon l'invention est capable de générer une surface rayonnante de forme prédéfinie et de forme limitée imposée par l'enceinte murale, évitant ainsi le chevauchement des surfaces rayonnantes entre elles lorsque les antennes élémentaires sont juxtaposées.
Sur les figures 12A et 12B, on a représenté respectivement une antenne réseau selon l'invention dans laquelle toutes les antennes élémentaires sont alimentées, et la surface rayonnante synthétisée correspondante.
Sur les figures 13A et 13B, on a représenté respectivement une antenne réseau selon l'invention dans laquelle seule une colonne d'antennes élémentaires est alimentée, et la surface rayonnante synthétisée correspondante.
On voit ainsi par ces figures que l'antenne réseau selon l'invention est reconfigurable, c'est-à-dire qu'elle permet de disposer d'une agilité sur la formation d'une surface rayonnante par alimentation sélective des antennes élémentaires la composant, et permet ainsi de générer toutes sortes de surfaces rayonnantes pixellisées, par combinaison des surfaces élémentaires générées par chaque antenne élémentaire. Il est à remarquer que la dénomination « d'antenne réseau » utilisée pour l'invention correspond à et définit classiquement une antenne alimentée par une pluralité de sources connectées à un réseau d'alimentation (« feeding network » en anglais) et ne correspond pas à un réseau d'antennes dont la dénomination en anglais est « antenna array ». Le principe de fonctionnement de l'antenne réseau « à ouverture rayonnante pixélisée » selon l'invention consiste à générer une surface rayonnante de forme quelconque désirée. Cette surface rayonnante crée, par la théorie des ouvertures rayonnantes, les diagrammes de rayonnement permettant d'assurer une couverture donnée sur terre soit par simple transformée de Fourier spatiale, ou soit par une double transformée de Fourier spatiale en utilisant un réflecteur. Ce fonctionnement est illustré sur la Figure 14.
Pour former cette surface rayonnante, dans une première étape celle-ci est pixélisée et dans une deuxième étape l'antenne réseau composée de plusieurs antennes élémentaires est commandée de sorte que chaque antenne élémentaire correspondant à un pixel de la surface rayonnante génère une partie de la surface rayonnante comme représenté sur la Figure 15. Ainsi, une bonne approximation de la surface rayonnante est faite par la combinaison de surfaces élémentaires générées par chaque antenne élémentaire correspondant à un pixel.
Au final, pour disposer d'une agilité sur la formation de la surface rayonnante et pour en générer de toutes sorties, il est très avantageux de disposer d'une antenne réseau composée d'antenne élémentaires (pixels) dont les états ON (alimentés) ou OFF (chargés sur 50 ohms) permettent d'avoir une bonne approximation de la surface rayonnante désirée. La configuration de l'antenne est représentée sur la Figure 15.
En variante, l'antenne réseau comprend d'un seul tenant plusieurs surfaces planes de support distinctes et d'orientations différentes sur chacune desquelles sont disposées un ensemble associé d'antennes élémentaires, générant ainsi des surfaces rayonnantes pixélisées différentes responsables de plusieurs lobes de rayonnements d'orientations différentes.
Dans l'exemple représenté sur la figure 16, l'antenne réseau 42 comprend une pluralité d'antennes élémentaires agencées entre elles pour couvrir de manière compacte d'un seul tenant trois surfaces planes de support 44, 46, 48, Dans l'exemple représenté sur la figure 16, les trois surfaces planes de support 44, 46, 48 définissent chacune une direction normale différente.

Claims

REVENDICATIONS
1 . - Antenne élémentaire (2) destinée à former un élément rayonnant d'une antenne réseau comprenant :
- une sonde (6) capable de transformer de l'énergie électrique en énergie électromagnétique et réciproquement ;
- un réflecteur plan (4) d'ondes électromagnétiques supportant la sonde (6) ; et
- un assemblage (8) d'éléments en au moins deux matériaux se différenciant par leur permittivité et/ou/leur perméabilité et/ou leur conductivité, l'assemblage (8) comportant :
- une structure (14) configurée sur le principe des matériaux Bande Interdite
Electromagnétique et présentant une périodicité dans la direction orthogonale au réflecteur plan (4) ; et
- une cavité (16) en contact avec le réflecteur plan (4) et la structure (14) ; la sonde (6) étant contenue dans le plan du réflecteur (4) en contact avec la cavité (16) ou dans la cavité (16) en contact avec le réflecteur plan (4), la cavité (16) constituant un défaut dans la périodicité de la structure (14) conférant à l'assemblage (8) le comportement d'un matériau Bande Interdite Electromagnétique à défaut dans lequel la disposition des éléments dans ledit assemblage (8) assure le rayonnement et un filtrage spatial et fréquentiel des ondes électromagnétiques produites ou reçues par la sonde (6), lequel filtrage autorise notamment une ou plusieurs fréquences de fonctionnement de l'antenne élémentaire (2) à l'intérieur d'une bande de fréquences non passante ;
ladite antenne élémentaire (2) étant caractérisée en ce qu'elle comprend une enceinte murale (10) apte à réfléchir les ondes électromagnétiques à la ou les fréquences de fonctionnement, ladite enceinte murale (10) étant une extension dans la direction orthogonale au réflecteur plan (4) et entourant à la fois et seulement la sonde (6), la cavité (16) et la structure (14), permettant de générer une surface rayonnante élémentaire de forme prédéterminée et imposée par l'enceinte murale.
2. - Antenne élémentaire (2) selon la revendication 1 , dans laquelle l'enceinte murale (10) présente une section transversale dont le contour interne est circonscrit dans un cercle et dont le rapport de l'aire de la surface contenue dans le cercle sur l'aire de la surface contenue dans le contour interne est compris entre 1 et 5.
3.- Antenne élémentaire (2) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle l'enceinte murale (10) présente une section transversale dont le contour externe est un polygone régulier ayant de préférence trois ou quatre côtés.
4.- Antenne élémentaire (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle l'enceinte murale (10) possède une section transversale dont le contour externe est un premier polygone régulier et dont le contour interne est un deuxième polygone régulier, le deuxième polygone étant homothétique du premier polygone, les premier et deuxième polygones étant concentriques et ayant de préférence trois ou quatre cotés.
5. - Antenne élémentaire (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la sonde (6) est comprise dans l'ensemble formé par les antennes à ruban, les dipôles, les antennes à polarisation circulaire, les fentes et les antennes fil-plaque coplanaires.
6. - Antenne élémentaire (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la sonde (6) est une antenne à ruban, et l'enceinte murale (10) comporte quatre murs métalliques (21 ) qui délimitent un parallélépipède ayant une hauteur (h) selon l'axe orthogonal au réflecteur plan (4) et une section transversale par rapport à ce même axe de forme carrée, la hauteur (h), respectivement la longueur (L) d'un côté du carré, étant sensiblement égale à une fois, respectivement la moitié, la/de la longueur d'onde associée à la fréquence de fonctionnement de l'antenne élémentaire (2).
7. - Antenne réseau mono ou bidimensionnelle (26) comportant une pluralité (27) d'antennes élémentaires (2) jointives, définies selon l'une quelconque des revendications
1 à 6, et agencées entre elles pour couvrir de manière compacte d'un seul tenant une ou plusieurs surfaces planes de support, générant ainsi des surfaces rayonnantes pixélisées responsables de plusieurs lobes de rayonnements.
8.- Antenne réseau mono ou bidimensionnelle (26) selon la revendication 7, comportant un nombre total d'antennes élémentaires (2) définies selon la revendication 6, dans laquelle le nombre total d'antennes élémentaires (2) est égal à un nombre de lignes N multiplié par un nombre de colonnes M, et dans laquelle les antennes élémentaires (2) sont agencées entres elles pour couvrir de manière compacte un rectangle d'une surface plane de support de façon à former une matrice rectangulaire de N.M antennes élémentaires (2) à N lignes et M colonnes, dans laquelle les enceintes murales (10) en vis-à-vis de deux antennes élémentaires (2) quelconques voisines sont en contact.
9. - Antenne réseau mono ou tridimensionnelle (26) selon l'une quelconque des revendications 7 à 8 comportant en outre :
- des moyens de répartition (28) de puissance ;
- des moyens d'alimentation (30) de la pluralité (27) d'antennes élémentaires (2), lesdits moyens d'alimentation (30) étant reliés en entrée aux moyens de répartition (28) de puissance, et reliés en sortie à ladite pluralité (27) d'antennes élémentaires (2) par des interrupteurs commandables (31 ) pour alimenter ou éteindre sélectivement chaque antenne élémentaire (2).
10. - Antenne réseau mono ou bidimensionnelle (26) selon la revendication 9, dans laquelle les moyens d'alimentation (30) comportent des moyens de déphasage et/ou des moyens d'amplification.
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