EP3529861A1 - Antenne - Google Patents

Antenne

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Publication number
EP3529861A1
EP3529861A1 EP17787428.6A EP17787428A EP3529861A1 EP 3529861 A1 EP3529861 A1 EP 3529861A1 EP 17787428 A EP17787428 A EP 17787428A EP 3529861 A1 EP3529861 A1 EP 3529861A1
Authority
EP
European Patent Office
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reflecting surface
antenna
wave
partially reflecting
antenna according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17787428.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
André DE LUSTRAC
Badr eddine RATNI
Shah Nawaz Burokur
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 de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Paris Sud Paris 11
Universite Paris Ouest Nanterre La Defense Paris 10
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Paris Sud Paris 11
Universite Paris Ouest Nanterre La Defense Paris 10
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 de la Recherche Scientifique CNRS, Universite Paris Sud Paris 11, Universite Paris Ouest Nanterre La Defense Paris 10 filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP3529861A1 publication Critical patent/EP3529861A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • H01Q15/0066—Selective devices having photonic band gap materials or materials of which the material properties are frequency dependent, e.g. perforated substrates, high-impedance surfaces said selective devices being reconfigurable, tunable or controllable, e.g. using switches
    • 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
    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials
    • 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
    • H01Q15/14—Reflecting surfaces; Equivalent structures
    • H01Q15/148—Reflecting surfaces; Equivalent structures with means for varying the reflecting properties
    • 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
    • H01Q15/23—Combinations of reflecting surfaces with refracting or diffracting devices
    • 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
    • H01Q19/18—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
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to an antenna, in particular a cavity antenna.
  • Conventional beam misalignment antennas consist of antenna arrays powered by variable phase shifters. These are complex, expensive and bulky assemblies that are not suitable for use on mobile carriers, such as an airplane or helicopter.
  • hybrid electromechanical antennas that are also heavy and bulky. These antennas comprise a fixed electronic antenna placed on a mobile mechanical support.
  • EP 2,266,166 discloses a purely electronic misalignment antenna based on a misalignment of the receiving and emission beam of the electronically controlled beam.
  • the cavity antenna described in EP 2,266,166 is delimited by a partially reflecting flat surface and a totally reflecting flat surface facing each other.
  • the partially reflecting flat surface consists of an array of resonant cells forming micro-antennas.
  • the radiating source placed in the center of the cavity illuminates these micro-antennas which then radiate outside the cavity.
  • the radiation from the micro antennas interfere to form emission beams in the directions where these interferences are constructive.
  • the phase of the micro-antennas is controlled using varicaps diodes. It is thus possible to control the misalignment of the antenna and its transmission frequency.
  • These antennas must fulfill very constrained specifications since they must be able to follow the movement of a satellite while being themselves mobile since generally placed on a mobile carrier. For example, when a satellite passes under the horizon, the antenna must be able to jump to the next satellite with the shortest possible switching time.
  • the inventors have found that it is possible to improve the properties of these antennas in order to obtain important misalignments, for example greater than 60 ° with respect to the vertical.
  • the invention proposes an antenna comprising
  • a partially reflecting surface comprising an array of resonant cells, each resonant cell forming a micro-antenna,
  • a radiating source disposed in said resonant cavity and configured to radiate a wave between the partially reflecting surface and the totally reflecting surface, said illuminating wave of the resonant cells of the partially reflecting surface, wherein the partially reflecting surface comprises a dielectric substrate having a gradient of dielectric permittivity.
  • the use of a dielectric substrate having a dielectric permittivity gradient makes it possible to achieve very large misalignments of up to 70 °, thus fulfilling the specifications of most aircraft manufacturers.
  • the antenna according to the invention may also comprise one or more of the following characteristics, considered individually or in any technically possible combination:
  • the partially reflective surface dielectric substrate has a dielectric permittivity gradient in the mean plane of the antenna.
  • the partially reflecting surface comprises at least one inductive network and a capacitive network; and or said radiating source generates a rectilinear polarization wave whose electric field component is substantially parallel to a direction of said inductive network and the magnetic field component is substantially parallel to another direction of said capacitive network orthogonal to said first direction of said inductive network; and / or the capacitive network is configured to have a capacitive gradient; and or
  • the capacitive network comprises a capacitive grid whose tracks or metal patches have a variable width according to their position on the partially reflecting surface;
  • variable electronic capabilities can also be inserted between the metal tracks or patches of the capacitive network; and or
  • the inductive network is configured to have an inductance gradient
  • the inductive network comprises an inductive gate whose metal tracks have a variable width according to their position on the partially reflecting surface; and or
  • h denotes said reference dimension
  • ⁇ denotes the wavelength of said wave in the dielectric medium of the cavity
  • N denotes the number of the resonance mode of said resonant cavity
  • d> _PRS denotes the phase shift introduced to said wave generated by reflection on said partially reflecting surface
  • ⁇ _ ⁇ designates the phase shift introduced into said wave generated by reflection on said totally reflecting surface.
  • said radiating source is frequency-controlled, the radiation frequency being adjusted in a frequency range comprised between plus and minus 15% of a central frequency corresponding to the wavelength of said wave in the dielectric medium of the cavity; and / or - said radiant source belongs to the group of radiating elements consisting of planar antennas, dipoles and elementary antenna arrays.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an antenna according to one embodiment of the invention
  • FIG. 2 illustrates a dielectric substrate of an antenna according to the invention
  • FIG. 3 represents an example of a resonant cell of a partially reflecting surface of the antenna of FIG. 1;
  • FIG. 4 is a block diagram showing a partially reflecting surface according to one embodiment of the invention allowing dynamic control of the antenna.
  • FIGS. 5a and 5b are respectively simulated and measured radiation diagrams of an antenna according to the invention.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an antenna 10 according to the invention.
  • the antenna 10 comprises a resonant cavity 12 and a radiating source
  • the resonant cavity is delimited by a partially reflecting surface 16 and a totally reflecting surface 18 facing the partially reflecting surface 16.
  • the totally reflecting surface 18 is for example made by placing a metal plate on a dielectric element.
  • the partially reflecting surface 16 comprises an array of resonant cells, each resonant cell forming a micro-antenna.
  • the partially reflective surface 16 is made using a dielectric substrate having a dielectric permittivity gradient.
  • the dielectric substrate of the partially reflective surface has a dielectric permittivity gradient in the mean plane of the antenna.
  • the dielectric substrate can be designed by changing the dielectric spatial distribution. For example, holes of cylindrical shape, and of different dimensions can be distributed in the dielectric substrate.
  • the dielectric substrate is divided into six different regions.
  • the first region consists of air and the last region is made of a dielectric material with a relative permittivity of 2.8.
  • the partially reflecting surface 16 comprises an inductive network and a capacitive network.
  • the partially reflective surface 16 comprises an inductive gate GL comprising a set of metal zones separated by dielectric zones.
  • the partially reflecting surface 16 also comprises a capacitive gate GC comprising a set of metal zones separated by dielectric zones.
  • the inductive gate GL and the capacitive gate GC are superimposed so that the gates GL and GC are arranged parallel to each other, the metal zones of the inductive gate GL and the capacitive gate GC being arranged according to substantially orthogonal directions.
  • the partially reflecting surface 16 can be made by two metal track grids, respectively etched on both sides of a dielectric substrate. Such an embodiment reduces the manufacturing cost.
  • the tracks of each grid being perpendicular, one will play the role of capacitive gate GC and the other of inductive gate GL following the polarization of the electric field E.
  • a resonant cell Cn is thus an LC resonator type cell comprising an inductance L and a capacitance C in parallel.
  • a resonant cell Cn has a small size in front of the operating wavelength ⁇ of the antenna 10.
  • Figure 3 shows an example of Cn resonant cells.
  • the cell Cn comprises a capacitor Ci and an inductor Li, arranged on either side of the dielectric substrate.
  • the resonant cavity 12 is a Fabry-Perot type cavity.
  • the partially reflecting surface 16 and the totally reflecting surface 18, which delimit the cavity 12, are separated by a distance h forming a reference dimension of the resonant cavity 12.
  • ⁇ denotes the wavelength in the dielectric medium of the resonant cavity 12
  • N denotes the resonant mode number of the resonant cavity 12
  • _PRS denotes the phase shift introduced to the wave generated by reflection on the partially reflecting surface 16
  • ⁇ _ ⁇ denotes the phase shift introduced into the wave generated by reflection on said totally reflecting surface 18.
  • a partially reflective surface 12 comprising adjustable phase resonant cells makes it possible to remove the restriction on the half-wavelength ( ⁇ / 2) thickness generally imposed for a Fabry-Perot type cavity.
  • the reference dimension h can thus be chosen such that h "A / 2. It is therefore possible to make ultra-compact antennas, for example about 0.5 mm for a frequency of 8 GHz.
  • the radiating source 14 may be frequency-controlled, the radiation frequency being adjusted within a frequency range comprised between plus and minus 15% of a center frequency corresponding to the wavelength of the wave in the dielectric medium of the resonant cavity.
  • the radiating source 14 is disposed in the resonant cavity 21, close to the totally reflecting surface 18.
  • the radiating source 3 is for example a patch antenna, a dipole, a planar antenna, or an array of elementary antennas.
  • the radiating source 14 is configured to radiate a predefined frequency wave, between the partially reflecting surface 16 and the totally reflecting surface 18.
  • the wave thus illuminates the resonant cells Cn.
  • the source 14 and the partially reflecting surface 16 are arranged so that all Cn cells are illuminated by successive reflections on the walls of the resonant cavity.
  • the capacitive network is configured to have a capacitive gradient.
  • the capacitive gradient can be obtained by the use of a capacitive gate whose tracks or metal patches have a variable width according to their position on the partially reflecting surface.
  • Capacitive gradient can also be actively controlled using variable capacitance diodes (varactors).
  • FIG. 4 represents an active control embodiment in which two adjacent electrical contacts of the capacitive gate GC are electrically connected by a variable capacitance diode (varactors).
  • phase shift introduced on the incident wave by a resonant cell Cn can then be adjusted dynamically by modifying the bias voltage of the variable capacitance diode, for example as described in document EP 2 266 166.
  • the inductive network is configured to have an inductance gradient.
  • the inductive network may comprise an inductive gate whose metal tracks have a variable width depending on their position on the partially reflecting surface.
  • FIGS. 5a and 5b illustrate radiation diagrams for an antenna according to an embodiment of the invention obtained respectively by simulation and by measurement.
  • the antenna under test comprises a capacity gradient capacitive network, an inductive gradient inductive network and a dielectric substrate having a dielectric permittivity gradient.
  • the misalignment obtained is approximately 70 ° to 5.4 GHz.

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Abstract

L'invention concerne une antenne (10) comprenant : - une cavité résonante (12) délimitée par : - une surface partiellement réfléchissante (16) comprenant un réseau de cellules résonantes, chaque cellule résonante formant une micro-antenne, - une surface totalement réfléchissante (18) faisant face à ladite surface partiellement réfléchissante, - une source rayonnante (14) disposée dans ladite cavité résonante et configurée pour rayonner une onde entre la surface partiellement réfléchissante et la surface totalement réfléchissante, ladite onde illuminant des cellules résonantes de la surface partiellement réfléchissante, dans laquelle la surface partiellement réfléchissante (16) comprend un substrat diélectrique ayant un gradient de permittivité diélectrique.

Description

Antenne
La présente invention concerne une antenne, en particulier une antenne à cavité. Les antennes à dépointage de faisceau classiques sont constituées de réseaux d'antennes alimentées par des déphaseurs variables. Ce sont des ensembles complexes, coûteux et volumineux qui ne sont pas adaptés pour l'utilisation sur porteurs mobile, comme un avion ou un hélicoptère.
Il existe des antennes hybrides électromécaniques qui sont également lourdes et encombrantes. Ces antennes comprennent une antenne électronique fixe posée sur un support mécanique mobile.
Le document EP 2 266 166 décrit une antenne à dépointage purement électronique basée sur un dépointage du faisceau de réception et d'émission du faisceau contrôlé électroniquement. L'antenne à cavité décrit dans EP 2 266 166 est délimitée par une surface plane partiellement réfléchissante et une surface plane totalement réfléchissante se faisant face.
La surface plane partiellement réfléchissante est constituée d'un réseau de cellules résonantes formant des micro-antennes. La source rayonnante placée au centre de la cavité illumine ces micro-antennes qui ensuite rayonnent à l'extérieur de la cavité. Les rayonnements issus des micro antennes interfèrent pour former des faisceaux d'émission dans les directions où ces interférences sont constructives.
En contrôlant la phase et l'amplitude en sortie de ces micro-antennes on peut ainsi contrôler la direction dans laquelle ces faisceaux se forment.
Dans le cas de l'antenne décrite dans EP 2 266 166, la phase des micro- antennes est contrôlée en utilisant des diodes varicaps. Il est ainsi possible de contrôler le dépointage de l'antenne et sa fréquence d'émission.
Ces antennes doivent remplir un cahier des charges très contraint puisqu'elles doivent pouvoir suivre le mouvement d'un satellite tout en étant elles- mêmes mobiles puisque généralement placées sur un porteur mobile. Par exemple, lorsqu'un satellite passe sous l'horizon, l'antenne doit pouvoir sauter au satellite suivant avec un temps de commutation le plus court possible. Les inventeurs ont constaté qu'il est possible d'améliorer les propriétés de ces antennes afin d'obtenir des dépointages importants, par exemple supérieur à 60° par rapport à la verticale.
Il existe donc un besoin pour une antenne à cavité susceptible d'avoir un dépointage important, par exemple supérieur à 60° par rapport à la verticale.
A cet effet, l'invention propose une antenne comprenant
- une cavité résonante délimitée par :
- une surface partiellement réfléchissante comprenant un réseau de cellules résonantes, chaque cellule résonante formant une micro-antenne,
- une surface totalement réfléchissante faisant face à ladite surface partiellement réfléchissante,
- une source rayonnante disposée dans ladite cavité résonante et configurée pour rayonner une onde entre la surface partiellement réfléchissante et la surface totalement réfléchissante, ladite onde illuminant des cellules résonantes de la surface partiellement réfléchissante, dans laquelle la surface partiellement réfléchissante comprend un substrat diélectrique ayant un gradient de permittivité diélectrique.
Avantageusement, l'utilisation d'un substrat diélectrique ayant un gradient de permittivité diélectrique permet d'atteindre des dépointages très important, pouvant aller jusqu'à 70°, remplissant ainsi les cahiers des charges de la plupart des constructeurs aéronautiques.
L'antenne selon l'invention peut également comprendre une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le substrat diélectrique de surface partiellement réfléchissante a un gradient de permittivité diélectrique dans le plan moyen de l'antenne ; et/ou
- la surface partiellement réfléchissante comprend au moins un réseau inductif et un réseau capacitif ; et/ou ladite source rayonnante génère une onde à polarisation rectiligne dont la composante de champ électrique est sensiblement parallèle à une direction dudit réseau inductif et la composante de champ magnétique est sensiblement parallèle à une autre direction dudit réseau capacitif orthogonale à ladite première direction dudit réseau inductif ; et/ou le réseau capacitif est configuré de sorte à avoir un gradient capacitif ; et/ou
le réseau capacitif comprend une grille capacitive dont les pistes ou patchs métalliques ont une largeur variable selon leur position sur la surface partiellement réfléchissante ;
des capacités électroniques variables peuvent aussi être insérées entre les pistes ou patchs métalliques du réseau capacitif; et/ou
le réseau inductif est configuré de sorte à avoir un gradient d'inductance ; et/ou
le réseau inductif comprend une grille inductive dont les pistes métalliques ont une largeur variable selon leur position sur la surface partiellement réfléchissante ; et/ou
pour une distance donnée séparant ladite surface totalement réfléchissante et la face interne de ladite surface partiellement réfléchissante, ladite distance de séparation formant ainsi une dimension de référence de ladite cavité de résonance vérifiant la relation:
h=A/4n ((|>_PRS+(|)_r ) ± N h/2, avec
h: désigne ladite dimension de référence;
λ: désigne la longueur d'onde de ladite onde dans le milieu diélectrique de la cavité;
N: désigne le numéro du mode de résonance de ladite cavité résonante;
d>_PRS: désigne le déphasage introduit à ladite onde générée par réflexion sur ladite surface partiellement réfléchissante;
Φ_Γ: désigne le déphasage introduit à ladite onde générée par réflexion sur ladite surface totalement réfléchissante. - ladite source rayonnante est commandée en fréquence, la fréquence de rayonnement étant ajustée dans une plage de fréquence comprise entre plus et moins 15% d'une fréquence centrale correspondant à la longueur d'onde de ladite onde dans le milieu diélectrique de la cavité ; et/ou - ladite source rayonnante appartient au groupe d'éléments rayonnants consistant en les antennes planaires, les dipôles et les réseaux d'antennes élémentaires.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est un schéma illustrant une antenne selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 illustre un substrat diélectrique d'une antenne selon l'invention ;
- la figure 3 représente un exemple de cellule résonante d'une surface partiellement réfléchissante de l'antenne de la figure 1 ;
- la figure 4 est un schéma fonctionnel montrant une surface partiellement réfléchissante selon un mode de réalisation de l'invention permettant un contrôle dynamique de l'antenne ; et
- les figures 5a et 5b sont des diagrammes de rayonnement respectivement simulé et mesuré d'une antenne selon l'invention.
Sur les figures, les éléments analogues sont désignés par des références identiques. En outre, les différents éléments ne sont pas nécessairement représentés à l'échelle afin de présenter une vue permettant de faciliter la compréhension de l'invention.
L'invention se rapporte à une antenne à cavité permettant d'obtenir un angle de dépointage supérieur à 60°. La figure 1 est une représentation schématique d'une antenne 10 selon l'invention. L'antenne 10 comprend une cavité résonnante 12 et une source rayonnante
14.
La cavité résonnante est délimitée par une surface partiellement réfléchissante 16 et une surface totalement réfléchissante 18 faisant face à la surface partiellement réfléchissante 16.
La surface totalement réfléchissante 18 est par exemple réalisée en disposant une plaque métallique sur un élément diélectrique.
La surface partiellement réfléchissante 16 comprend un réseau de cellules résonnantes, chaque cellule résonnante formant une micro-antenne. La surface partiellement réfléchissante 16 est réalisée en utilisant un substrat diélectrique ayant un gradient de permittivité diélectrique.
De préférence, le substrat diélectrique de la surface partiellement réfléchissante a un gradient de permittivité diélectrique dans le plan moyen de l'antenne. Le substrat diélectrique peut être conçu en modifiant la répartition spatiale diélectrique. Par exemple, des trous de forme cylindrique, et de différentes dimensions peut être répartis dans le substrat diélectrique.
Il est possible d'agir sur le rayon r et/ou la hauteur t des trous d'air permettent de modifier la permittivité du diélectrique. Dans l'exemple représenté en figure 2, le substrat diélectrique est divisé en six régions différentes. La première région est constituée d'air et la dernière région est constituée d'un matériau diélectrique de permittivité relative de 2,8.
Dans les quatre autres régions une variation de la permittivité relative £eff de 1 ,13 à 2,44 est obtenue en variant la fraction volumique des trous d'air dans le substrat diélectrique.
Différentes dimensions géométriques des différentes régions sont résumées dans le tableau 1 . Zone r (mm) t (mm) seff
1 0 0 1
2 2,1 0,8 1,13
3 2,1 1,6 1,26
4 2,1 4,7 1,75
5 1,26 5 2,44
6 0 5 2,8
Tableau 1
Selon un mode de réalisation de l'invention, la surface partiellement réfléchissante 16 comprend un réseau inductif et un réseau capacitif.
Typiquement, la surface partiellement réfléchissante 16 comprend une grille inductive GL comportant un ensemble de zones métalliques séparées par des zones diélectriques.
La surface partiellement réfléchissante 16 comprend également une grille capacitive GC comportant un ensemble de zones métalliques séparées par des zones diélectriques.
La grille inductive GL et la grille capacitive GC sont superposées de manière à ce que les grilles GL et GC soient disposées parallèlement l'une à l'autre, les zones métalliques de la grille inductive GL et de la grille capacitive GC étant agencées selon des directions sensiblement orthogonales.
La surface partiellement réfléchissante 16 peut être réalisée par deux grilles de pistes métalliques, gravées respectivement sur les deux faces d'un substrat diélectrique. Une telle réalisation permet de réduire le coût de fabrication. Les pistes de chaque grille étant perpendiculaires, l'une jouera le rôle de grille capacitive GC et l'autre de grille inductive GL suivant la polarisation du champ électrique E.
Une cellule résonante Cn est ainsi une cellule de type résonateur LC comportant une inductance L et une capacité C en parallèle. Une cellule résonante Cn présente une taille petite devant la longueur d'onde λ de fonctionnement de l'antenne 10. La figure 3 représente un exemple de cellules résonantes Cn . La cellule Cn comprend une capacité Ci et une inductance Li , disposées de part et d'autre du substrat diélectrique.
Comme représenté sur la figure 1 , la cavité résonnante 12 est une cavité de type Fabry-Pérot. La surface partiellement réfléchissante 16 et la surface totalement réfléchissante 18, qui délimitent la cavité 12, sont séparées par une distance h formant une dimension de référence de la cavité résonnante 12.
Cette dimension de référence h vérifie la relation : h =— (Φ PRS + Φ r) + N - ,
OÙ λ désigne la longueur d'onde dans le milieu diélectrique de la cavité résonante 12,
N désigne le numéro du mode de résonance de la cavité résonnante 12, _PRS désigne le déphasage introduit à l'onde générée par réflexion sur la surface partiellement réfléchissante 16, et
Φ_τ désigne le déphasage introduit à l'onde générée par réflexion sut ladite surface totalement réfléchissante 18.
L'utilisation d'une surface partiellement réfléchissante 12 comportant des cellules résonantes à phase ajustable permet de lever la restriction sur l'épaisseur de demi-longueur d'onde (λ/2) imposée généralement pour une cavité de type Fabry-Pérot. La dimension de référence h peut ainsi être choisie telle que h«A/2. Il est donc possible de réaliser des antennes ultra-compactes, par exemple d'environ 0,5 mm pour une fréquence de 8 GHz. La source rayonnante 14 peut être commandée en fréquence, la fréquence de rayonnement étant ajustée dans une plage de fréquence comprise entre plus et moins 15% d'une fréquence centrale correspondant à la longueur d'onde de l'onde dans le milieu diélectrique de la cavité résonnante.
La source rayonnante 14 est disposée dans la cavité résonante 21 , à proximité de la surface totalement réfléchissante 18. La source rayonnante 3 est par exemple une antenne patch, un dipôle, une antenne planaire, ou un réseau d'antennes élémentaires.
La source rayonnante 14 est configurée pour rayonner une onde de fréquence prédéfinie, entre la surface partiellement réfléchissante 16 et la surface totalement réfléchissante 18. L'onde illumine ainsi les cellules résonantes Cn. De préférence, la source 14 et la surface partiellement réfléchissante 16 sont agencées de manière que toutes les cellules Cn soient illuminées par réflexions successives sur les parois de la cavité résonnante.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le réseau capacitif est configuré de sorte à avoir un gradient capacitif.
Par exemple, le gradient capacitif peut être obtenu par l'utilisation d'une grille capacitive dont les pistes ou patchs métalliques ont une largeur variable selon leur position sur la surface partiellement réfléchissante.
Le gradient capacitif peut également être contrôlé de manière active en utilisant des diodes à capacité variable (varactors).
La figure 4 représente un mode de réalisation de contrôle actif dans lequel deux contacts électriques voisins de la grille capacitive GC sont connectés électriquement par une diode à capacité variable (varactors).
Le déphasage introduit sur l'onde incidente par une cellule résonnante Cn peut alors être ajusté de manière dynamique en modifiant la tension de polarisation de la diode à capacité variable, par exemple comme décrit dans le document EP 2 266 166.
L'angle de dépointage de l'antenne 1 peut ainsi être contrôlé de manière dynamique, et notamment être modifié au cours du temps. Selon un mode de réalisation de l'invention, le réseau inductif est configuré de sorte à avoir un gradient d'inductance. En particulier, le réseau inductif peut comprendre une grille inductive dont les pistes métalliques ont une largueur variable selon leur position sur la surface partiellement réfléchissante.
Les figures 5a et 5b illustrent des diagrammes de rayonnement pour une antenne selon un mode de réalisation de l'invention obtenus respectivement par simulation et par mesure. L'antenne testée comprend un réseau capacitif à gradient de capacité, un réseau inductif à gradient d'inductance et un substrat diélectrique présentant un gradient de permittivité diélectrique.
Comme illustrée sur la figure 5a et 5b, le dépointage obtenu est d'environ 70 ° à 5,4 GHz.
Cette valeur élevée est assez difficile à atteindre avec des réseaux d'antennes classiques et n'a jamais été atteint précédemment dans une antenne à cavité Fabry-Pérot. Comme il peut être clairement observé sur les figures 5a et 5b, les fronts d'onde de sortie sont déviés à l'angle de 70 °. L'invention a été décrite ci-dessus avec l'aide de modes de réalisation présentés sur les figures, sans limitation du concept inventif général.
Bien d'autres modifications et variations se suggèrent d'elles même à l'homme du métier, après réflexion sur les différents modes de réalisation illustrés dans cette demande. Ces modes de réalisation sont donnés à titre d'exemple et ne sont pas destinés à limiter la portée de l'invention, qui est déterminée exclusivement par les revendications ci-dessous.
Le simple fait que différentes caractéristiques sont énumérées en revendications mutuellement dépendantes n'indique pas qu'une combinaison de ces caractéristiques ne puisse être avantageusement utilisée. Enfin, toute référence numérique utilisée dans les revendications ne doit pas être interprétée comme une limitation de la portée de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Antenne (10) comprenant :
une cavité résonante (12) délimitée par :
- une surface partiellement réfléchissante (16) comprenant un réseau de cellules résonantes, chaque cellule résonante formant une micro-antenne,
- une surface totalement réfléchissante (18) faisant face à ladite surface partiellement réfléchissante,
une source rayonnante (14) disposée dans ladite cavité résonante et configurée pour rayonner une onde entre la surface partiellement réfléchissante et la surface totalement réfléchissante, ladite onde illuminant des cellules résonantes de la surface partiellement réfléchissante,
dans laquelle la surface partiellement réfléchissante (16) comprend un substrat diélectrique ayant un gradient de permittivité diélectrique.
2. Antenne selon la revendication 1 , dans laquelle le substrat diélectrique de surface partiellement réfléchissante a un gradient de permittivité diélectrique dans le plan moyen de l'antenne.
3. Antenne selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle la surface partiellement réfléchissante comprend au moins un réseau inductif et un réseau capacitif.
4. Antenne selon la revendication 3, dans laquelle ladite source rayonnante génère une onde à polarisation rectiligne dont la composante de champ électrique est sensiblement parallèle à une direction dudit réseau inductif et la composante de champ magnétique est sensiblement parallèle à une autre direction dudit réseau capacitif orthogonale à ladite première direction dudit réseau inductif.
5. Antenne selon l'une des revendications 3 ou 4, dans laquelle le réseau capacitif est configuré de sorte à avoir un gradient capacitif.
6. Antenne selon la revendication 5, dans laquelle le réseau capacitif comprend une grille capacitive dont les pistes ou patchs métalliques ont une largeur variable selon leur position sur la surface partiellement réfléchissante et/ou comprendre des capacités électroniques variables entre les pistes ou patchs métalliques.
7. Antenne selon l'une des revendications 3 à 6, dans laquelle le réseau inductif est configuré de sorte à avoir un gradient d'inductance.
8. Antenne selon la revendication 7, dans laquelle le réseau inductif comprend une grille inductive dont les pistes métalliques ont une largeur variable selon leur position sur la surface partiellement réfléchissante.
9. Antenne selon l'une des revendications précédentes dans laquelle, pour une distance donnée séparant ladite surface totalement réfléchissante et la face interne de ladite surface partiellement réfléchissante, ladite distance de séparation formant ainsi une dimension de référence de ladite cavité de résonance vérifiant la relation : h=A/4n ((|>_PRS+(|)_r ) ± N λ/2
avec
h: désigne ladite dimension de référence;
λ: désigne la longueur d'onde de ladite onde dans le milieu diélectrique de la cavité; N: désigne le numéro du mode de résonance de ladite cavité résonante;
d>_PRS: désigne le déphasage introduit à ladite onde générée par réflexion sur ladite surface partiellement réfléchissante;
Φ_Γ: désigne le déphasage introduit à ladite onde générée par réflexion sur ladite surface totalement réfléchissante.
10. Antenne selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ladite source rayonnante est commandée en fréquence, la fréquence de rayonnement étant ajustée dans une plage de fréquence comprise entre plus et moins 15% d'une fréquence centrale correspondant à la longueur d'onde de ladite onde dans le milieu diélectrique de la cavité.
1 1 . Antenne selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ladite source rayonnante appartient au groupe d'éléments rayonnants consistant en les antennes planaires, les dipôles et les réseaux d'antennes élémentaires.
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