EP3788674B1 - Antenne filaire large bande - Google Patents

Antenne filaire large bande

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EP3788674B1
EP3788674B1 EP19720680.8A EP19720680A EP3788674B1 EP 3788674 B1 EP3788674 B1 EP 3788674B1 EP 19720680 A EP19720680 A EP 19720680A EP 3788674 B1 EP3788674 B1 EP 3788674B1
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EP
European Patent Office
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resistive
patterns
grille
antenna
empty
Prior art date
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EP19720680.8A
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EP3788674A1 (fr
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Stéphane Mallegol
Pierre BELEC
Yoann HENAFF
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Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP3788674A1 publication Critical patent/EP3788674A1/fr
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Publication of EP3788674B1 publication Critical patent/EP3788674B1/fr
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • H01Q9/26—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole with folded element or elements, the folded parts being spaced apart a small fraction of operating wavelength
    • H01Q9/27—Spiral antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
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    • H01Q11/00—Electrically-long antennas having dimensions more than twice the shortest operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q11/02—Non-resonant antennas, e.g. travelling-wave antenna
    • H01Q11/10—Logperiodic antennas
    • H01Q11/105—Logperiodic antennas using a dielectric support
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/006—Selective devices having photonic band gap materials or materials of which the material properties are frequency dependent, e.g. perforated substrates, high-impedance surfaces
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • 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
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q17/00—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems

Definitions

  • the present invention relates to a wire antenna capable of operating in at least one predetermined frequency band, comprising a plurality of superimposed layers.
  • the invention finds applications particularly in the field of electromagnetic listening systems.
  • the antennas which are used either individually or in a goniometric network, must operate in a very wide frequency band and in circular, linear or double linear polarization, corresponding respectively to the ranges of interest of the electromagnetic signals in frequency and polarization.
  • These antennas must be as compact as possible and, in particular, thin, especially to facilitate integration onto carriers. They must also exhibit reproducible radiation performance (gain, radiation pattern quality, etc.) from one antenna to another, particularly for network applications or to allow for replacement during maintenance.
  • the radiating element consists of a metal wire which is shaped to describe, in a so-called radiating surface, a spiral or log-periodic pattern.
  • the metal wire is wound around itself to form a spiral when viewed from above.
  • This spiral can be, for example, an Archimedean spiral, a logarithmic spiral, or another type.
  • the metal wire is shaped to have several strands when viewed from above.
  • Each strand is inscribed within an angular sector, extends radially, and has indentations. The length of each indentation and the spacing between two successive indentations of a strand follow a logarithmic progression.
  • the metallic wire which is the radiating element is made by etching a thin metallic layer, for example a copper layer with a thickness between 2 and 20 ⁇ m (micrometers), deposited on a thin insulating (dielectric) support layer.
  • a thin metallic layer for example a copper layer with a thickness between 2 and 20 ⁇ m (micrometers)
  • dielectric thin insulating
  • the radiating element is capable of emitting a wave that propagates forward of the radiating surface (away from the absorbing cavity) and a wave that propagates backward of the radiating surface (toward the absorbing cavity). The latter is absorbed by the absorbing cavity.
  • Such an antenna is quite bulky due to the size of the absorbing cavity. It also has low efficiency, since half the power emitted by the radiating element is absorbed within the cavity. Finally, achieving consistent radio performance for such an antenna is difficult due to a lack of control over the electromagnetic characteristics of the absorbing material filling the cavity.
  • the radiating elements are placed on a loaded bandgap electromagnetic structure, called LEBG (Loaded Electromagnetic Band Gap), on a lower ground plane.
  • LEBG Long Electromagnetic Band Gap
  • a surface composed of periodic metallic patterns connected by resistors is placed within the antenna cavity.
  • the wave emitted backward by the radiating element is absorbed in a thin layer consisting of a metallic reflector plate topped with metal and the resistively loaded LEBG material.
  • the radiating element is etched onto a high-impedance surface (HIS), resting on spaced periodic metallic patterns placed within the antenna cavity and connected to the ground plane by metallized links, also called vias.
  • HIS high-impedance surface
  • the effective bandwidth of such an antenna, in which the interference between the incident and reflected waves is constructive, corresponds approximately to one octave. Consequently, this type of antenna is limited to narrow operating bands and cannot simultaneously cover a multi-octave frequency band.
  • a fourth prior art wire antenna described in the patent application FR3017493 It has been proposed to insert, between the broadband radiating element of frequencies and the spacer substrate layer, one or more layers with sets of periodic resistive patterns, either with a single set of resistive patterns or with several sets of nested resistive patterns.
  • Such a layer comprises resistive patterns with resistance values that vary gradually from a central point of the antenna to an outer edge. These resistive patterns are positioned in the near field of the antenna's radiating element. The resulting antennas are compact and provide high gain over a wide frequency band, without significant waviness in the radiation patterns.
  • these antennas exhibit surface waves (or creeping waves) that propagate along the lower ground plane of the antenna cavity and beyond onto the metal support on which the antenna is mounted. These surface waves, combined with structural edge effects, interact with the main electric field radiated by the antenna, resulting in a degradation of the radiation pattern quality. Specifically, wave effects, which become more pronounced at higher frequencies, appear in the main lobe of the radiation pattern. Consequently, the antenna gain is degraded, as is the half-power angle of the main radiation lobe.
  • the invention aims to correct the aforementioned problems by proposing a compact wire antenna capable of operating in a wide frequency band, for which the effects of surface waves are controlled in order to eliminate the defects mentioned above.
  • the invention proposes a wire antenna adapted to operate in at least one frequency band according to claim 1.
  • the wire antenna according to the invention thanks to the presence of a resistive grid with empty patterns which allows to trap and/or attenuate surface waves, has an increased gain.
  • the wire antenna according to the invention may have one or more of the characteristics detailed in claims 2 to 9.
  • THE figures 1 to 3 schematically represent a wire antenna 2 according to a first embodiment of the invention, in cross-section, in perspective view and in exploded perspective view.
  • the wire antenna 2 is a broadband frequency antenna, for example, capable of operating in a frequency range from 1 GHz (GigaHertz) to 20 GHz.
  • the wire antenna 2 has the shape of a circular disk, center O, and is composed of several concentric layers stacked in thickness along an axis A.
  • the axis A is a central axis orthogonal to the radiation plane of the antenna.
  • antenna 2 has an outside diameter of 45mm.
  • the antenna has another regular geometric shape, for example elliptical or rectangular, also exhibiting a central axis of similar symmetry.
  • the support layer 6 is for example formed by a first dielectric substrate, for example of a glass fiber reinforced ceramic type, having a first thickness h1, for example between 0.128 mm and 1.524 mm, for example equal to 0.254 mm.
  • the spacer substrate 8 is arranged above a reflector plane or ground plane 10.
  • the reflecting plane 10 is preferably metallic, and is located at a distance h0 below the radiation surface S. Its function is to reflect any incident wave regardless of its frequency within a given frequency range.
  • the spacer substrate 8 has the general external shape of a disk with axis A and a second thickness h2 that is substantially constant.
  • This spacer substrate is a second dielectric substrate with a given relative permittivity.
  • it is made of a dielectric material with low relative permittivity (e.g., unfilled foam), a Duroid-type dielectric material (registered trademark), or a possibly multilayer composite material.
  • the second thickness h2 of the spacer substrate 8 is greater than the first thickness h1 of the support layer 6.
  • the thickness of the spacer substrate 8 is between 4 mm and 8 mm, for example equal to 6 mm.
  • the spacer substrate 8 is made of magneto-dielectric or pure magnetic material.
  • the spacer substrate 8 is formed in a progressive or perforated dielectric material, hollowed out in its center, so as to achieve an increasing relative permittivity from the center to the outer edge.
  • a resistive grid 12 comprising a resistive surface 14 of predetermined resistivity value and at least one set of repeating, non-contiguous recesses (or holes) 18 so as to form said grid.
  • the recesses 18 are areas devoid of resistivity, hereinafter referred to as empty patterns.
  • the recesses 18 are made by absence of resistive material deposition.
  • the resistive grid 12 is, according to a first variant of the embodiment, arranged on a face 16 of the spacer substrate 8, or lower face, oriented towards the reflector plane 10.
  • the resistive grid 12 is arranged on a face 20 of the reflecting plane 10, called the upper face and oriented towards the radiating element 4.
  • the resistive grid is placed on a third dielectric, magnetic or magneto-dielectric substrate interposed between face 6 of the spacer 8 and face 20 of the reflector plane 10.
  • the resistive grid 12 is arranged in a so-called cavity bottom area, between the spacer substrate 8 and the reflector plane 10.
  • the resistive grid 12 is made from a resistive film, and the empty patterns 18 are, for example, created by hollowing out the resistive film.
  • the resistive grid is made by depositing resistive ink according to a pattern, so as to form the desired empty patterns by the absence of resistive ink deposits.
  • the resistive grid 12 is produced by conventional screen printing or any other equivalent process, for example 3D printing or aerosol printing.
  • the resistive grid 12 has a third thickness h3, which can vary between a few micrometers and a few tens of micrometers depending on the desired resistance value and the intrinsic characteristics of the resistive ink used.
  • the radiating element 4 comprises first and second metallic wires 22 and 24, which are respectively formed according to a spiral pattern or a sinuous log-periodic pattern, for example. More particularly, the pattern forms an Archimedean spiral in the first embodiment, as illustrated in the figures 1 to 3 .
  • Each wire, 22, 24, is wound around the origin point O, which corresponds to the intersection of the axis A and the radiation surface S.
  • the radiating element 4 is for example produced by an engraving operation, directly on the upper face 19 of the support layer 6.
  • the radiating element is a single-polarized or double-polarized element of the sinuous DuHamel type.
  • the radiating element is hybrid.
  • a power supply device (not shown) for the radiating element 4 is positioned below the reflector plane 10, which is electrically connected to ground.
  • the reflector plane 10 and the layers 12, 8, 6 positioned above it are pierced by a recessed passage 28, along axis A, for the passage of conductor(s) to electrically supply the radiating element 4.
  • an active area of the radiating element 4 emits a first direct wave propagating forwards, i.e. opposite the spacer substrate 8, and a second wave propagating backwards, i.e. in the direction of the spacer substrate 8.
  • the second wave passes through the spacer substrate 8 and the resistive grid 12, is reflected by the reflector plane 10, then passes again through the resistive grid 12 and the spacer substrate 8.
  • the resistive grid 12 includes regular empty patterns 18 arranged in this embodiment on concentric rings of center O', and a central non-resistive zone 30, comprising the hollow passage 28.
  • the resistive layer 12 includes a peripheral zone 32, annular in this first embodiment, which does not have empty patterns, in other words it is a solid resistive zone, for better absorption efficiency of surface waves in this zone.
  • the peripheral zone is located near the outer edge of the antenna, for example between the outer edge of the antenna and the resistive grid.
  • the 18 empty motifs are distributed over concentric rings, forming, within each ring, sets of empty motifs of the same size and geometric shape, regularly distributed across the ring. Furthermore, across all the rings, the empty motifs are radially aligned and correspond to the same angular width.
  • the resistive grid 12 comprises empty square motifs 34, 36 as illustrated in the figure 4 .
  • the resistive grid 12 comprises a resistive surface 15, and two sets of empty patterns, a first set 33 of first square-shaped patterns 34 and a second set 35 of second square-shaped patterns 36.
  • the motifs are arranged according to an orthogonal grid, with regular spacing between two successive motifs.
  • the resistive surface has a resistivity of 1000 ⁇ per square.
  • the first set of 33 empty patterns forms a first external zone, close to the outer edge of grid 12, and the second set of 35 empty patterns forms a second internal zone of square shape.
  • the circular zone 30 which in one embodiment corresponds to the recessed passage 28.
  • the circular zone 30 has a diameter greater than the diameter of the central recessed passage 28.
  • the circular zone 30 corresponds to a recessed (non-resistive) surface.
  • the first square patterns 34 have a larger surface area than the second square patterns 36.
  • the first patterns 34 are squares of 6.4 mm on each side, and are positioned in an active area for the antenna going, approximately, from 2 GHz to 4 GHz
  • the second patterns 36 are squares of 3.2 mm on each side and are positioned in an active area for the antenna going, approximately, from 4 GHz to 18 GHz.
  • the empty patterns are periodized and of dimensions (sides of the squares) smaller than the wavelength associated with the center frequency of the considered sub-band radiated by the antenna.
  • the radio performance of the antenna is improved over a frequency range from 2 GHz to 18 GHz.
  • the main lobe of the antenna pattern is formed over the entire frequency band considered. Pattern ripples are not present in vertical polarization and are negligible in horizontal polarization.
  • the resistive grid 12 has annular empty motifs 42 interspersed between resistive rings 44. This is a concentric ring topology, the annular empty motifs 42 being in regular alternation with the resistive rings 44.
  • This embodiment is particularly suitable for a spiral radiating element.
  • the heights h1 and h2 of the constituent materials of the antenna are chosen to have constructive interference between the spiral-type radiating element and the reflecting plane (lower ground plane of the antenna) in the frequency band of interest.
  • the shape, size, and spatial repetition pattern or topology of the empty motifs are variable and defined, for each embodiment, using software. 3D electromagnetic simulation or electromagnetic simulator. Indeed, an analytical preliminary dimensioning of resistive patterns is particularly complex.
  • a resistivity value for the resistive grid, a geometric shape for each empty pattern and a pattern repetition topology are chosen, and the pattern size and pattern spacing are calculated using 3D electromagnetic simulation software.
  • Such simulation software is known, for example software that solves Maxwell's equations in integral form, using the finite integral method.
  • the size and topology of the empty patterns are selected to improve the stability of the radiation pattern and promote the absence of undulation, which translates into effective trapping of surface waves.
  • these choices are made by implementing several simulations and comparing the results to select the size, shape, and spacing of the empty patterns best suited for a given application.
  • the antenna 2' further comprises a second resistive layer 48, between the support 6 and the spacer substrate 8, comprising an array 50 of resistive motifs 52, each resistive motif 52 having a given resistive surface area.
  • Each resistive motif is produced, for example, by depositing a resistive ink, and the spaces between resistive motifs are empty.
  • the first resistive grid 12 comprises two partial resistive sub-grids 54, 56, each formed of a resistive surface having recesses which form empty patterns 62, 64 and 66.
  • the assembly 50 of the second resistive layer 48 is placed above a separation zone 60 between the first resistive subgrid 54 and the second resistive subgrid 56, this separation zone 60 being an empty zone, devoid of resistive layer, above the reflector plane 10.
  • each resistive subgrid 54, 56 comprises at least one set of empty motifs placed opposite a area devoid of resistive patterns 52 of the resistive layer 48, therefore an "empty" area, without resistance.
  • the set 50 of resistive patterns of the resistive layer 48 forms a spatially nested zone between the first subgrid 54 and the second subgrid 56. There is no spatial overlap, in top view, between the zone formed by the set 50 and the first subgrid 54 and the second subgrid 56.
  • the first subgrid 54 contains empty square motifs 62 aligned in a square ring.
  • the first subgrid 54 includes a zone 30 centered on axis A, without resistance, as in the first embodiment.
  • the resistive motifs 52 of the resistive layer 48 are square in shape and of the same dimensions as the empty motifs 62 of the first sub-grid 54.
  • the second subgrid 56 has a peripheral resistive area 32 without recess, and two sets of empty square patterns 64 and 66 of different sizes.
  • each resistive subgrid has a resistivity of 1000 ⁇ per square.
  • the two resistive subgrids 54 and 56 cover the frequency bands from 2 GHz to 4 GHz and from 10 GHz to 18 GHz, respectively.
  • the set 50 of resistive patterns 52 placed between the spacer substrate 8 and the support 6 covers the frequency band from 4 GHz to 10 GHz.
  • the antenna defined according to this second embodiment called a hybrid cavity antenna, promotes an absence of waviness in radiation patterns over the entire frequency band considered.
  • Variations of this embodiment are conceivable, for example by adding a resistance gradient or a multilayer structuring of the resistive grid 12.
  • resistive grid with a progressive and decreasing resistance variation between a high resistance value at the periphery and a lower value at its center.
  • FIG. 9 schematically illustrates, in cross-section, a multi-layered structure of a resistive grid according to a third embodiment of a wire antenna according to the invention.
  • the 2" antenna of the figure 9 includes a radiating element 4 placed on a planar support 6, itself arranged on a first spacer substrate 8.
  • first spacer substrate 8 and the reflector plane 10 are stacked a first resistive grid 12A, a second spacer substrate 8' and a second resistive grid 12B.
  • the first resistive grid 12A comprises a set of 68 empty motifs, for example a central ring, placed opposite a resistance-free area 70 (empty zone) of the second resistive grid 12B.
  • the second resistive grid 12B comprises a set of 72 empty motifs, arranged for example in a peripheral ring, opposite a resistance-free area (empty zone) of the first grid 12A.
  • the antenna includes a resistive grid between the reflector plane 10 and the spacer substrate 8 or 8', but the resistive grid does not have a solid peripheral resistive area.
  • the resistive grid(s) are produced by conventional screen printing process or any other equivalent process, for example 3D printing or aerosol printing.
  • the resistive grid or grids are deposited either directly on the reflector plane 10, or on the lower face 16 of the spacer substrate 8, or on a dielectric, magnetic or magneto-dielectric substrate placed on the reflector plane 10.

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Description

  • La présente invention concerne une antenne filaire apte à fonctionner dans au moins une bande de fréquence prédéterminée, comportant une pluralité de couches superposées.
  • L'invention trouve des applications notamment dans le domaine des systèmes d'écoute électromagnétique.
  • Dans un système d'écoute électromagnétique, par exemple aéroporté ou naval, les antennes, qui sont utilisées soit unitairement soit en réseau goniométrique, doivent fonctionner dans une très large bande de fréquences et dans une polarisation circulaire, linéaire ou double linéaire, correspondant respectivement aux plages d'intérêt des signaux électromagnétiques en fréquence et en polarisation.
  • Ces antennes doivent présenter un encombrement le plus réduit possible et, en particulier, une épaisseur faible, notamment pour être plus aisément intégrées sur des porteurs. Elles doivent également présenter des performances de rayonnement (gain, qualité des diagrammes de rayonnement, etc.) reproductibles d'une antenne à l'autre, en particulier pour des applications en réseau ou pour en permettre le remplacement lors d'une opération de maintenance.
  • Dans ce contexte, il est connu d'utiliser des antennes filaires. Dans une telle antenne, l'élément rayonnant est constitué d'un fil métallique qui est conformé pour décrire, dans une surface dite de rayonnement, un motif du type en spirale ou du type log-périodique.
  • Dans une antenne du type en spirale, le fil métallique est enroulé sur lui-même de manière à former, en vue de dessus, une spirale. Cette spirale peut par exemple être une spirale d'Archimède, une spirale logarithmique, ou autre.
  • Dans une antenne du type log-périodique, le fil métallique est conformé de manière à comporter, en vue de dessus, plusieurs brins. Chaque brin est inscrit dans un secteur angulaire, s'étend radialement et présente des indentations. La longueur de chaque dent et l'écartement entre deux dents successives d'un brin suivent une progression logarithmique.
  • En pratique, en technologie planaire, le fil métallique qui est l'élément rayonnant est réalisé par gravure d'une couche métallique fine, par exemple une couche de cuivre d'épaisseur comprise entre 2 et 20 µm (micromètres), déposée sur une couche de support de faible épaisseur et isolante (diélectrique).
  • Les documents FR 2 922 687A1 , FR 2 965 669A1 et WO2018/041809A1 décrivent divers types d'antennes filaires.
  • On connaît dans l'état de la technique de premières antennes filaires à cavité absorbante, dans lesquelles l'élément rayonnant, gravé sur une surface de rayonnement plane ou conformée, est situé au-dessus d'une cavité absorbante délimitée par des parois métalliques, et remplie d'un matériau absorbant les ondes électromagnétiques. L'élément rayonnant est propre à émettre une onde qui se propage vers l'avant de la surface de rayonnement (à l'écart de la cavité absorbante) et une onde qui se propage vers l'arrière de la surface de rayonnement (vers la cavité absorbante). Cette dernière est absorbée par la cavité absorbante.
  • Une telle antenne présente un encombrement important à cause des dimensions de la cavité absorbante. Elle présente également un rendement faible puisque la moitié de la puissance émise par l'élément rayonnant est absorbée dans la cavité absorbante. Enfin, la reproductibilité des performances radioélectriques d'une telle antenne est difficile à obtenir, à cause d'un manque de maîtrise des caractéristiques électromagnétiques du matériau absorbant remplissant la cavité.
  • Dans une deuxième antenne filaire selon l'état de la technique, les éléments rayonnants sont placés sur une structure électromagnétique chargée à bande interdite, appelée LEBG (pour Loaded Electromagnetic Band Gap), sur un plan de masse inférieur. Dans une telle antenne, une surface composée de motifs métalliques périodiques reliés par des résistances est placée dans la cavité de l'antenne. Dans cette antenne, l'onde émise vers l'arrière par l'élément rayonnant est absorbée dans une couche peu épaisse constituée d'un plan réflecteur métallique surmonté de métal et du matériau LEBG chargé par des résistances.
  • Cette solution permet d'obtenir des antennes large bande de faible épaisseur, et ayant une stabilité de rayonnement améliorée. Cependant, à cause de l'absorption des ondes de surface, les performances de rayonnement sont similaires à celles des antennes sur cavité absorbante.
  • Dans une troisième antenne filaire de l'art antérieur, l'élément rayonnant est gravé sur une surface à haute impédance (SHI), reposant sur des motifs métalliques périodiques espacés, placés dans la cavité de l'antenne et reliés au plan de masse par des liaisons métallisées, également appelées vias. La bande d'efficacité d'une telle antenne dans laquelle les interférences entre onde incidente et onde réfléchie sont constructives correspond sensiblement à une octave. Par conséquent, ce type d'antenne est limité à des bandes étroites de fonctionnement, et ne permet pas de couvrir simultanément une bande de fréquences multi-octaves.
  • Dans une quatrième antenne filaire de l'art antérieur, décrite dans la demande de brevet FR3017493 , il a été proposé d'intercaler, entre l'élément rayonnant à large bande de tréquences et la couche de substrat espaceur, une ou plusieurs couches à ensembles de motifs résistifs périodiques, soit avec un seul ensemble de motifs résistifs, soit plusieurs ensembles de motifs résistifs imbriqués. Dans la demande de brevet FR3052600 une telle couche comporte des motifs résistifs ayant des valeurs de résistance variant progressivement entre un point central d'antenne et un bord extérieur de l'antenne. Les motifs résistifs sont placés en champ proche de l'élément rayonnant de l'antenne. Les antennes obtenues sont compactes et permettent d'obtenir un grand gain sur une large bande de fréquences, sans ondulation importante des diagrammes de rayonnement.
  • Cependant, ces antennes présentent des ondes de surface (ou ondes rampantes) qui se propagent au niveau du plan de masse inférieur de la cavité d'antenne, et au-delà sur le support métallique sur lequel l'antenne est montée. Ces ondes de surface associées à des effets de bord de structure, se combinent avec le champ électrique principal rayonné par l'antenne et ont pour conséquence une dégradation de la qualité du diagramme de rayonnement. En effet, des effets ondulatoires, d'autant plus importants que la fréquence est élevée, apparaissent dans le lobe principal du diagramme de rayonnement. Ainsi, le gain d'antenne est dégradé, ainsi que l'ouverture angulaire à mi-puissance pour le lobe principal de rayonnement.
  • Lorsque les antennes sont utilisées dans un réseau goniométrique on observe une dégradation de la précision de détermination de l'angle d'arrivée et une augmentation du couplage mutuel entre antennes.
  • L'invention a pour but de corriger les problèmes précités, en proposant une antenne filaire compacte et apte à fonctionner dans une large bande de fréquences pour laquelle les effets des ondes de surface sont maîtrisés afin de supprimer les défauts mentionnés ci-dessus.
  • A cet effet, l'invention propose une antenne filaire adaptée à fonctionner dans au moins une bande de fréquences selon la revendication 1.
  • Avantageusement, l'antenne filaire selon l'invention, grâce à la présence d'une grille résistive à motifs vides qui permet de piéger et/ou d'atténuer les ondes de surface, présente un gain augmenté.
  • Avantageusement, l'antenne filaire selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques explicitées dans les revendications 2 à 9.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
    • la figure 1 est une vue en coupe transversale d'une antenne filaire selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
    • la figure 2 est une représentation en perspective d'une antenne filaire selon le premier mode de réalisation ;
    • la figure 3 est une représentation en perspective éclatée d'une antenne filaire selon le premier mode de réalisation ;
    • la figure 4 est une vue de dessus d'une grille résistive selon une première variante de réalisation ;
    • la figure 5 est une vue de dessus d'une grille résistive selon une deuxième variante de réalisation ;
    • la figure 6 est vue en coupe transversale d'une antenne filaire selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
    • la figure 7 est une représentation en perspective d'une antenne filaire selon le deuxième mode de réalisation ;
    • la figure 8 est une représentation schématisée en vue de dessus de l'antenne filaire de la figure 7 ;
    • la figure 9 est une vue en coupe transversale d'une antenne filaire selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
  • Les figures 1 à 3 représentent schématiquement une antenne filaire 2 selon un premier mode de réalisation de l'invention, en coupe transversale, en vue en perspective et en vue en perspective éclatée.
  • Dans ce mode de réalisation l'antenne filaire 2 est une antenne à large bande de fréquence, par exemple, apte à fonctionner dans un intervalle de fréquence de 1 GHz (GigaHertz) à 20 GHz.
  • Dans ce mode de réalisation, l'antenne filaire 2 a la forme d'un disque de circonférence circulaire, de centre O et est composée de plusieurs couches concentriques empilées en épaisseur selon un axe A. L'axe A est un axe central orthogonal au plan de rayonnement de l'antenne.
  • A titre d'exemple numérique non limitatif, l'antenne 2 a un diamètre extérieur de 45mm.
  • En variante, l'antenne présente une autre forme géométrique régulière, par exemple elliptique ou rectangulaire, présentant également un axe central de symétrie analogue.
  • Un élément rayonnant 4, disposé dans une surface plane S, également appelée surface de rayonnement, est positionné sur une couche de support planaire 6, elle-même disposée au-dessus d'un substrat espaceur 8.
  • La couche de support 6 est par exemple formée par un premier substrat diélectrique, par exemple de type céramique renforcée par des fibres de verre, ayant une première épaisseur h1, par exemple comprise entre 0,128 mm et 1,524 mm, par exemple égale à 0,254mm.
  • Bien entendu ces dimensions sont données ici à titre d'exemple uniquement, et d'autres ajustements d'épaisseur peuvent être calculés, en fonction de la permittivité des matériaux, pour un fonctionnement dans une bande de fréquence donnée.
  • Le substrat espaceur 8 est disposé au-dessus d'un plan réflecteur ou plan de masse 10.
  • Le plan réflecteur 10 est de préférence métallique, et est situé à une distance h0 au-dessous de la surface de rayonnement S. Il a pour fonction de réfléchir toute onde incidente quelle que soit sa fréquence dans un intervalle de fréquence donné.
  • Le substrat espaceur 8 présente la forme générale extérieure d'un disque d'axe A et de deuxième épaisseur h2 sensiblement constante. Ce substrat espaceur est un deuxième substrat diélectrique de permittivité relative donnée. Par exemple, il est constitué d'un matériau diélectrique de faible permittivité relative (e.g. mousse non chargée) ou d'un matériau diélectrique de type Duroid (marque déposée) ou d'un matériau composite possiblement multicouches.
  • Dans un mode de réalisation, adapté notamment pour le fonctionnement de l'antenne dans les bandes de fréquence L à Ku, la deuxième épaisseur h2 du substrat espaceur 8 est supérieure à la première épaisseur h1 de la couche de support 6. Par exemple, l'épaisseur du substrat espaceur 8 est comprise entre 4 mm et 8 mm, par exemple égale à 6 mm.
  • Bien entendu ces dimensions sont données ici à titre d'exemple uniquement, dans un cas d'application permettant de générer des interférences constructives entre l'élément rayonnant 4 et le plan réflecteur 10 en bandes L et Ku, compte tenu des matériaux choisis et de la première épaisseur h1.
  • En variante, le substrat espaceur 8 est en matériau magnéto-diélectrique ou magnétique pur.
  • Dans un mode de réalisation alternatif, le substrat espaceur 8 est formé en un matériau diélectrique progressif ou percé, évidé en son centre, de manière à réaliser une permittivité relative croissante du centre vers le bord extérieur.
  • Entre la plan réflecteur 10 et le substrat espaceur 8 est disposée une grille résistive 12, comportant une surface résistive 14 de valeur de résistivité prédéterminée et au moins un ensemble d'évidements (ou trous) répétitifs18 non jointifs de manière à former ladite grille. Les évidements 18 sont des zones dépourvues de résistivité, appelés ci-après motifs vides.
  • Dans un mode de réalisation, les évidements 18 sont réalisés par absence de dépôt de matière résistive.
  • La grille résistive 12 est, selon une première variante de réalisation, disposée sur une face 16 du substrat espaceur 8, ou face inférieure, orientée vers le plan réflecteur 10.
  • Selon une deuxième variante de réalisation, la grille résistive 12 est disposée sur une face 20 du plan réflecteur 10, dite face supérieure et orientée vers l'élément rayonnant 4.
  • Selon une troisième variante non représentée, la grille résistive est posée sur un troisième substrat diélectrique, magnétique ou magnéto-diélectrique intercalé entre la face 6 de l'espaceur 8 et la face 20 du plan réflecteur 10.
  • Ainsi, la grille résistive 12 est disposée dans une zone dite fond de cavité, entre le substrat espaceur 8 et le plan réflecteur 10.
  • De préférence, la grille résistive 12 est réalisée à partir d'un film résistif, les motifs vides 18 sont par exemple réalisés par évidement du film résistif. En variante, la grille résistive est réalisée par dépôt d'une encre résistive selon un patron, de manière à former les motifs vides souhaités par absence de dépôt d'encre résistive.
  • Par exemple, la grille résistive 12 est réalisée par procédé sérigraphique classique ou tout autre procédé équivalent, par exemple impression 3D ou impression aérosol.
  • La grille résistive 12 a une troisième épaisseur h3, pouvant varier entre quelques micromètres et quelques dizaines de micromètres suivant la valeur de résistance recherchée et suivant les caractéristiques intrinsèques de l'encre résistive utilisée.
  • L'élément rayonnant 4 comporte dans ce premier mode de réalisation des premier et second fils métalliques 22 et 24 qui sont respectivement conformés selon un motif du type en spirale ou de type log-périodique sinueuse par exemple. Plus particulièrement, le motif forme une spirale d'Archimède dans le premier mode de réalisation, tel qu'illustré dans les figures 1 à 3.
  • Chaque fil, 22, 24, est enroulé autour du point origine O, qui correspond à l'intersection de l'axe A et de la surface de rayonnement S.
  • L'élément rayonnant 4 est par exemple réalisé par une opération de gravure, directement sur la face supérieure 19 de la couche de support 6.
  • En variante, l'élément rayonnant est un élément à simple polarisation ou à double polarisation du type sinueuse de DuHamel.
  • Selon une autre variante, l'élément rayonnant est hybride.
  • Un dispositif d'alimentation (non représenté) de l'élément rayonnant 4 est positionné au-dessous du plan réflecteur 10, qui est relié électriquement à la masse. Le plan réflecteur 10 et les couches 12, 8, 6 positionnées au-dessus sont percés d'un passage évidé 28, le long de l'axe A, pour le passage de fil(s) conducteur(s) permettant d'alimenter électriquement l'élément rayonnant 4.
  • En fonctionnement, une zone active de l'élément rayonnant 4 émet une première onde directe se propageant vers l'avant, c'est-à-dire à l'opposé du substrat espaceur 8, et une deuxième onde se propageant vers l'arrière, c'est-à-dire en direction du substrat espaceur 8.
  • La deuxième onde traverse le substrat espaceur 8 et la grille résistive 12, est réfléchie par le plan réflecteur 10, puis traverse à nouveau la grille résistive 12 et le substrat espaceur 8.
  • La grille résistive 12 comprend des motifs vides 18 réguliers disposés dans ce mode de réalisation sur des anneaux concentriques de centre O', et une zone centrale non-résistive 30, comportant le passage évidé 28.
  • La couche résistive 12 comprend une zone périphérique 32, annulaire dans ce premier mode de réalisation, qui ne comporte pas de motifs vides, en d'autres termes il s'agit d'une zone résistive pleine, pour une meilleure efficacité d'absorption des ondes de surface dans cette zone.
  • La zone périphérique est située à proximité du bord externe de l'antenne, par exemple entre le bord externe de l'antenne et la grille résistive.
  • Dans le mode de réalisation illustré par la figure 3, les motifs vides 18 sont répartis sur des anneaux concentriques et formant, par anneau, des ensembles de motifs vides de même taille et forme géométrique, distribués régulièrement sur l'anneau. De plus sur l'ensemble des anneaux, les motifs vides sont alignés radialement, et correspondant à une même largeur angulaire.
  • Selon une variante de ce premier mode de réalisation, la grille résistive 12 comporte des motifs vides 34, 36 de forme carrée comme illustré à la figure 4.
  • Selon cette variante, la grille résistive 12 comporte une surface résistive 15, et deux ensembles de motifs vides, un premier ensemble 33 de premiers motifs de forme carrée 34 et un deuxième ensemble 35 de deuxièmes motifs de forme carrée 36. Dans chaque ensemble, les motifs sont disposés selon un canevas orthogonal, à espacement régulier entre deux motifs successifs.
  • Par exemple, la surface résistive présente une résistivité de 1000 Ω par carré.
  • Le premier ensemble 33 de motifs vides forme une première zone externe, proche du bord externe de la grille 12, et le deuxième ensemble 35 de motifs vides forme une deuxième zone interne de forme carrée.
  • Au centre de la grille est située la zone circulaire 30, qui, dans un mode de réalisation correspond au passage évidé 28. Selon une variante, la zone circulaire 30 a un diamètre supérieur au diamètre du passage central évidé 28. La zone circulaire 30 correspond à une surface évidée (non résistive).
  • Les premiers motifs carrés 34 sont de surface supérieure à la surface des deuxièmes motifs carrés 36. Par exemple, les premiers motifs 34 sont carrés de 6,4 mm de côté, et sont positionnés dans une zone active pour l'antenne allant, environ, de 2 GHz à 4 GHz, et les deuxièmes motifs 36 sont carrés de 3,2 mm de côté et sont positionnés dans une zone active pour l'antenne allant, environ, de 4 GHz à 18 GHz.
  • De manière plus générale, de préférence, pour chaque ensemble de motifs vides de même forme géométrique, correspondant à une sous-bande de fréquences d'opération de l'antenne, les motifs vides sont périodisés et de dimensions (côtés des carrés) inférieures à la longueur d'onde associée à la fréquence centrale de la sous-bande considérée rayonnée par l'antenne.
  • Avantageusement, dans ce mode de réalisation, les performances radioélectriques de l'antenne sont améliorées dans une plage de fréquence allant de 2 GHz à 18 GHz. En particulier, le lobe principal du diagramme d'antenne est formé sur toute la bande de fréquences considérée. Les ondulations de diagrammes ne sont pas présentes en polarisation verticale et peu importantes en polarisation horizontale.
  • Selon une autre variante illustrée schématiquement à la figure 5, la grille résistive 12 comporte des motifs vides annulaires 42 intercalés entre des anneaux résistifs 44. Il s'agit d'une topologie en anneaux concentriques, les motifs vides annulaires 42 étant en alternance régulière avec les anneaux résistifs 44. Ce mode de réalisation est particulièrement adapté pour un élément rayonnant en spirale.
  • De préférence, les hauteurs h1 et h2 des matériaux constitutifs de l'antenne sont choisies pour avoir des interférences constructives entre l'élément rayonnant de type spirale et le plan réflecteur (plan de masse inférieur de l'antenne) dans la bande de fréquences d'intérêt.
  • La forme, la taille et le schéma de répétition spatiale ou topologie des motifs vides sont variables et définis, pour chaque mode de réalisation, à l'aide d'un logiciel de simulation électromagnétique 3D ou simulateur électromagnétique. En effet, un prédimensionnement analytique des motifs résistifs est particulièrement complexe.
  • D'une manière générale, étant donné un intervalle de fréquences à couvrir et/ou un gain d'antenne souhaité, on choisit une valeur de résistivité de la grille résistive, une forme géométrique par motif vide et une topologie de répétition des motifs, et on calcule, à l'aide d'un logiciel de simulation électromagnétique 3D, la taille des motifs et l'espacement des motifs.
  • De tels logiciels de simulation sont connus, par exemple des logiciels réalisant la résolution des équations de Maxwell sous la forme intégrale, par la méthode des intégrales finies.
  • La taille et la topologie des motifs vides sont sélectionnées pour améliorer la stabilité du diagramme de rayonnement et favoriser l'absence d'ondulation, ce qui traduit un piégeage efficace des ondes de surface.
  • Par exemple, ces choix se font par mise en œuvre de plusieurs simulations et comparaison des résultats pour sélectionner la taille, la forme et l'espacement des motifs vides les mieux adaptés pour une application visée.
  • Les figures 6 à 8 illustrent schématiquement une antenne filaire 2' selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
  • Dans ce deuxième mode de réalisation, l'antenne 2' comprend en outre une deuxième couche résistive 48, entre le support 6 et le substrat espaceur 8, comportant un ensemble 50 de motifs résistifs 52, chaque motif résistif 52 ayant une surface résistive de résistance donnée. Chaque motif résistif est réalisé par exemple par dépôt d'une encre résistive, et les espaces entre motifs résistifs sont vides.
  • Dans ce mode de réalisation, la première grille résistive 12 comporte deux sous-grilles résistives 54, 56 partielles, formée chacune d'une surface résistive comportant des évidements qui forment des motifs vides 62, 64 et 66.
  • Avantageusement, comme illustré dans les figures 6 à 8, l'ensemble 50 de la deuxième couche résistive 48 est placé au-dessus d'une zone de séparation 60 entre la première sous-grille résistive 54 et la deuxième sous-grille résistive 56, cette zone de séparation 60 étant une zone vide, dépourvue couche résistive, au-dessus du plan réflecteur 10.
  • En d'autres termes, l'ensemble 50 de motifs résistifs 52 est placé en regard, c'est-à-dire au droit au-dessus, de la zone de séparation 60 non-résistive, de manière à être en interaction électromagnétique avec le plan réflecteur. De même, chaque sous-grille résistive 54, 56 comporte au moins un ensemble de motifs vides placés en regard d'une zone dépourvue de motifs résistifs 52 de la couche résistive 48, donc une zone « vide », sans résistance.
  • Comme illustré schématiquement à la figure 8, en vue de dessus, l'ensemble 50 de motifs résistifs de la couche résistive 48 forme une zone spatialement imbriquée entre la première sous-grille 54 et la deuxième sous-grille 56. Il n'y a pas de superposition spatiale, en vue de dessus, entre la zone formée par l'ensemble 50 et la première sous-grille 54 et la deuxième sous-grille 56.
  • Dans l'exemple illustré, la première sous-grille 54 comporte des motifs vides carrés 62 alignés dans une couronne carrée. La première sous-grille 54 comporte une zone 30 centrée sur l'axe A, sans résistance, comme dans le premier mode de réalisation.
  • Dans le mode de réalisation illustré, les motifs résistifs 52 de la couche résistive 48 sont de forme carrée de même dimension que les motifs vides 62 de la première sous-grille 54.
  • La deuxième sous-grille 56 comporte une zone périphérique 32 résistive sans évidement , et deux ensembles de motifs carrés vides 64 et 66 de tailles différentes.
  • Par exemple, chaque sous-grille résistive a une résistivité de 1000 Ω par carré. Les deux sous-grilles résistives 54, 56 couvrent respectivement les bandes de fréquences de 2GHz à 4GHz, et de 10GHz à 18GHz. L'ensemble 50 de motifs résistifs 52 placé entre le substrat espaceur 8 et le support 6 couvre la bande de fréquences de 4GHz à 10GHz.
  • L'antenne définie selon ce deuxième mode de réalisation, appelée antenne à cavité hybride, favorise une absence d'ondulation de diagrammes de rayonnement sur toute la bande de fréquences considérée.
  • Des variantes de ce mode de réalisation sont envisageables, par exemple par ajout d'un gradient de résistance ou une structuration en multicouches de la grille résistive 12.
  • Par exemple, il est envisageable de réaliser une grille résistive ayant une variation progressive de résistance et décroissante entre une valeur de résistance élevée en périphérie et une valeur plus faible en son centre.
  • La figure 9 illustre schématiquement, en coupe transversale, une structuration en multicouches d'une grille résistive selon un troisième mode de réalisation d'une antenne filaire selon l'invention.
  • L'antenne 2" de la figure 9 comprend un élément rayonnant 4 posé sur un support planaire 6, lui-même disposé sur un premier substrat espaceur 8.
  • Entre le premier substrat espaceur 8 et le plan réflecteur 10 sont empilés une première grille résistive 12A, un deuxième substrat espaceur 8' et une deuxième grille résistive 12B.
  • La première grille résistive 12A comporte un ensemble 68 de motifs vides, par exemple une couronne centrale, placé en regard d'une zone 70 sans résistance (zone vide) de la deuxième grille résistive 12B. La deuxième grille résistive 12B comporte un ensemble 72 de motifs vides, disposé par exemple selon une couronne périphérique, en regard d'une zone sans résistance (zone vide) de la première grille 12A.
  • Selon un autre mode de réalisation non illustré, l'antenne comporte une grille résistive entre le plan réflecteur 10 et le substrat espaceur 8 ou 8', mais la grille résistive ne comporte pas de zone périphérique résistive pleine.
  • Pour tous les modes de réalisation envisagés, la ou les grilles résistives sont réalisées par procédé sérigraphique classique ou tout autre procédé équivalent, par exemple impression 3D ou impression aérosol.
  • La ou chaque grille résistive est déposée soit directement sur le plan réflecteur 10, soit sur la face inférieure 16 du substrat espaceur 8, soit sur un substrat diélectrique, magnétique ou magnéto-diélectrique placé sur le plan réflecteur 10.

Claims (9)

  1. Antenne filaire (2, 2', 2") adaptée à fonctionner dans au moins une bande de fréquences, comportant une pluralité de couches superposées, comportant au moins un élément rayonnant (4) placé sur une couche de support (6), ladite couche de support étant placée sur un substrat espaceur (8, 8') placé sur un plan réflecteur (10), l'antenne filaire comportant au moins une grille résistive (12,12A, 12B) de surface résistive (14) de résistance prédéterminée, comportant au moins un ensemble de motifs vides (18, 34, 36, 42, 62, 64, 66) répétitifs non-jointifs, ladite grille résistive (12, 12A, 12B) étant placée entre le substrat espaceur (8, 8') et le plan réflecteur (10), ladite grille résistive (12) formant une première couche résistive, l'antenne comportant en outre une deuxième couche résistive (48) placée entre la couche de support (6) de l'élément rayonnant (4) et le substrat espaceur (8), ladite deuxième couche résistive (48) comportant au moins un ensemble (50) de motifs résistifs (52) de même valeur de résistance occupant une zone partielle de ladite deuxième couche résistive (48), le ou chaque ensemble (54, 56) de motifs vides (62, 64, 66) de la première couche résistive (12) étant placé en regard d'une zone dépourvue de motifs résistifs de ladite deuxième couche résistive (48).
  2. Antenne selon la revendication 1, la première couche résistive (12) comportant une zone périphérique résistive (32) entourant le ou les ensembles de motifs vides.
  3. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle tous les motifs vides (34, 36) d'au moins un ensemble (33, 35) de ladite grille ont une même forme géométrique et sont régulièrement espacés.
  4. Antenne selon la revendication 3, ladite antenne comportant un axe central (A) orthogonal aux couches superposées, ladite grille résistive comportant au moins deux ensembles concentriques (33, 35) de motifs vides (34, 36), chaque ensemble comprenant des motifs vides de forme carrée et de même taille, la taille des motifs vides étant différente entre deux ensembles concentriques différents, la taille des motifs vides d'un dit ensemble étant croissante en fonction de l'éloignement dudit ensemble par rapport audit axe central (A) de l'antenne.
  5. Antenne selon la revendication 4, dans laquelle chaque ensemble de motifs vides carrés de même taille correspond à une sous-bande de fréquences d'opération de l'antenne ayant une fréquence centrale associée et une longueur d'onde associée, et dans laquelle lesdits motifs sont carrés de côté inférieur ou égal à ladite longueur d'onde.
  6. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ladite au moins une grille résistive (12, 12A, 12B) comporte une première grille résistive (12A) et une deuxième grille résistive (12B), la première grille résistive (12A) comportant un premier ensemble (68) de motifs vides, ladite première grille résistive étant intercalée entre un premier substrat espaceur (8) et un deuxième substrat espaceur (8'), et la deuxième grille résistive (12B) comportant au moins un deuxième ensemble (72) de motifs vides, ladite deuxième grille résistive étant intercalée entre le deuxième substrat espaceur (8') et le plan réflecteur (10), le premier ensemble (68) de motifs vides étant placé en regard d'une zone (70) dépourvue de motifs résistifs de la deuxième grille résistive (12B), le deuxième ensemble (72) de motifs vides étant placé en regard d'une zone dépourvue de motifs résistifs de la première grille résistive (12A).
  7. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la ou chaque grille résistive (12, 12A, 12B) comporte une surface résistive réalisée par dépôt d'une encre résistive dans laquelle sont formés lesdits motifs vides par évidement.
  8. Antenne selon la revendication 7, dans laquelle la ou chaque grille résistive est réalisée par sérigraphie ou par impression 3D.
  9. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit élément rayonnant (4) est filaire, enroulé selon un enroulement spiral, log-périodique ou sinueux.
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