ES2687170T3 - Antenna device consisting of a flat antenna and a broadband antenna reflector and method of making the antenna reflector - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de realización de un dispositivo de antena según la reivindicación 7, constando el procedimiento de las etapas siguientes: - una etapa (101) de determinación de distribuciones de amplitud de la radiación electromagnética que puede ser emitida por la antena plana (2) en la zona de campo cercano en un plano sustancialmente paralelo a la superficie (24) del soporte (21) de antena para al menos dos frecuencias distintas que pertenecen a la banda de frecuencia de funcionamiento de la antena plana (2), - una etapa (102) de determinación, para cada distribución de amplitud, de la forma y de las dimensiones de un conjunto (331-335) de motivos conductores (33) a disponer en las inmediaciones de la zona en la que la radiación electromagnética tiene la mayor amplitud, de manera que cada conjunto (331-335) de motivos conductores (33) forma localmente una superficie de alta impedancia a la frecuencia correspondiente a la distribución de amplitud considerada.Method of carrying out an antenna device according to claim 7, the procedure comprising the following steps: - a step (101) for determining amplitude distributions of the electromagnetic radiation that can be emitted by the flat antenna (2) in the near-field zone in a plane substantially parallel to the surface (24) of the antenna support (21) for at least two different frequencies belonging to the operating frequency band of the flat antenna (2), - a stage (102 ) for determining, for each amplitude distribution, the shape and dimensions of a set (331-335) of conductive motifs (33) to be disposed in the immediate vicinity of the area in which the electromagnetic radiation has the greatest amplitude, so that each set (331-335) of conductive patterns (33) locally forms a high impedance surface at the frequency corresponding to the amplitude distribution considered.
Description
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DESCRIPCIONDESCRIPTION
Dispositivo de antena que consta de una antena plana y un reflector de antena de banda ancha y procedimiento de realización del reflector de antenaAntenna device consisting of a flat antenna and a broadband antenna reflector and method of making the antenna reflector
La invención se aplica al campo de las antenas planas para sistemas de telecomunicaciones de banda muy ancha. La invención se refiere a un reflector de antena con estructura de tipo conductor magnético artificial para una antena plana. La invención también se refiere a un dispositivo de antena que consta de una antena plana y un reflector de antena, así como a un procedimiento de concepción del reflector de antena.The invention applies to the field of flat antennas for very broadband telecommunications systems. The invention relates to an antenna reflector with an artificial magnetic conductor type structure for a flat antenna. The invention also relates to an antenna device consisting of a flat antenna and an antenna reflector, as well as a method of designing the antenna reflector.
En el marco de ciertas aplicaciones, las antenas deben tener una banda de frecuencia de funcionamiento ancha, por ejemplo del orden de la decena, es decir una banda de frecuencia cuya frecuencia máxima es al menos igual a diez veces la frecuencia mínima. Las antenas planas, concretamente las antenas en espiral, forman parte de estas antenas de banda de frecuencia ancha. Una antena en espiral está generalmente constituida por un soporte dieléctrico sobre el que está grabado un elemento radiante. El elemento radiante consta de al menos dos hebras enrolladas en espiral y cuyos extremos interiores están alimentados con corriente. Según el número de hebras y la fase de la corriente en cada hebra, la radiación electromagnética de la antena en espiral es diferente. La anchura de la banda de frecuencia depende de los diámetros interno y externo de la espiral.Within certain applications, the antennas must have a wide operating frequency band, for example of the order of the ten, that is to say a frequency band whose maximum frequency is at least equal to ten times the minimum frequency. Flat antennas, specifically spiral antennas, are part of these broadband antennas. A spiral antenna is generally constituted by a dielectric support on which a radiating element is engraved. The radiating element consists of at least two spirally wound strands and whose inner ends are supplied with current. Depending on the number of strands and the phase of the current in each strand, the electromagnetic radiation of the spiral antenna is different. The width of the frequency band depends on the internal and external diameters of the spiral.
Desde un punto de vista teórico, una antena plana posee una estructura simétrica e irradia, por lo tanto, en todo el espacio, en particularmente en las dos direcciones ortogonales al plano de la antena. Sin embargo, desde un punto de vista práctico, la antena plana debe constar necesariamente de un soporte, al menos para rigidificar la antena y alimentarla con corriente. Ahora bien, este genera perturbaciones vinculadas a la radiación llamada trasera de la antena. Por ejemplo, el soporte puede absorber una parte de la radiación trasera, conduciendo de este modo a pérdidas de potencia. El soporte también puede reflejar una parte de la radiación trasera, pero que interfiere con la radiación emitida en la dirección opuesta, llamada radiación delantera. Finalmente, el soporte puede inducir corriente y generar, a su vez, una radiación parásita, reduciendo de este modo la banda de frecuencia de funcionamiento. Un soporte ideal sería un soporte que no absorba nada de las radiaciones recibidas, sino que las refleje íntegramente en fase por toda la anchura de la banda de frecuencia, y que no genere radiación parásita por inducción. Presentaría además un tamaño mínimo, estando el volumen de implantación limitado de este modo.From a theoretical point of view, a flat antenna has a symmetrical structure and therefore radiates throughout the space, particularly in the two directions orthogonal to the antenna plane. However, from a practical point of view, the flat antenna must necessarily consist of a support, at least to stiffen the antenna and feed it with current. Now, this generates disturbances linked to the radiation called back antenna. For example, the support can absorb a part of the rear radiation, thus leading to power losses. The support may also reflect a part of the back radiation, but that interferes with the radiation emitted in the opposite direction, called front radiation. Finally, the support can induce current and generate, in turn, a parasitic radiation, thereby reducing the operating frequency band. An ideal support would be a support that does not absorb any of the radiation received, but rather reflects them completely in phase over the entire width of the frequency band, and does not generate parasitic radiation by induction. It would also have a minimum size, the implementation volume being limited in this way.
Una primera solución pretende maximizar la absorción de la radiación trasera por el soporte con el objetivo de reducir la radiación reflejada en desfase con la radiación delantera. El soporte consta entonces de una cavidad realizada con un material absorbente, por ejemplo a base de carbono o de polvo de hierro. Estando el tamaño global en función de la profundidad de la cavidad, ésta puede estar colocada justo detrás de la antena. El material absorbente también tiene la ventaja de no inducir corriente y, por lo tanto, de no generar radiaciones parásitas. No obstante, las pérdidas de potencia son importantes, ya que toda la radiación trasera está sin aprovechar. Además, las propiedades absorbentes de un material dependen de la frecuencia de la radiación. La radiación trasera no puede, por lo tanto, ser absorbida en toda la banda de frecuencia de funcionamiento. Además, los soportes con cavidad absorbente son difícilmente reproductibles en la medida en que las propiedades electromagnéticas varían de una muestra de material a otra. Finalmente, el peso y el volumen del soporte aumentan rápidamente cuando la frecuencia de la radiación a absorber disminuye.A first solution aims to maximize the absorption of the rear radiation by the support in order to reduce the radiation reflected in offset with the front radiation. The support then consists of a cavity made of an absorbent material, for example based on carbon or iron powder. With the overall size depending on the depth of the cavity, it can be placed just behind the antenna. The absorbent material also has the advantage of not inducing current and, therefore, of not generating parasitic radiation. However, the power losses are important, since all the rear radiation is unused. In addition, the absorbent properties of a material depend on the frequency of the radiation. The rear radiation cannot, therefore, be absorbed in the entire operating frequency band. In addition, the supports with absorbent cavity are hardly reproducible to the extent that the electromagnetic properties vary from one sample of material to another. Finally, the weight and volume of the support increase rapidly when the frequency of the radiation to be absorbed decreases.
Una segunda solución pretende maximizar la reflexión de la radiación trasera, garantizando que la reflexión se realice en fase. Para ello, un plano conductor que tiene propiedades de reflexión óptima está dispuesta a una distancia de la antena igual a un cuarto de la longitud de onda media de la radiación que emite o que recibe. A dicha distancia, la radiación trasera reflejada se encuentra en fase con la radiación delantera. El principal inconveniente de esta solución es que la distancia solamente puede ajustarse de forma óptima para una sola longitud de onda. La radiación emitida o recibida a longitudes de onda alejadas de esta longitud de onda media se arriesga, por lo tanto, a ser perturbada, limitando, de hecho, el ancho de banda de la antena. Otro inconveniente de esta solución es que el cuarto de la longitud de onda representa rápidamente una distancia importante para las frecuencias bajas, lo que genera un espesor global para la antena relativamente grande. Además, el plano conductor tiene propiedades de inducción importantes y se producen fenómenos de reflexión y de difracción en el borde de la antena, generando de este modo radiaciones parásitas.A second solution aims to maximize the reflection of the back radiation, ensuring that the reflection is carried out in phase. For this, a conductive plane that has optimal reflection properties is arranged at a distance of the antenna equal to a quarter of the average wavelength of the radiation it emits or receives. At that distance, the reflected back radiation is in phase with the front radiation. The main drawback of this solution is that the distance can only be adjusted optimally for a single wavelength. Radiation emitted or received at wavelengths far from this average wavelength risks, therefore, to be disturbed, limiting, in fact, the antenna bandwidth. Another drawback of this solution is that a quarter of the wavelength quickly represents an important distance for the low frequencies, which generates a relatively large overall thickness for the antenna. In addition, the conductive plane has important induction properties and reflection and diffraction phenomena occur at the edge of the antenna, thereby generating parasitic radiation.
Finalmente, una tercera solución pretende recuperar la radiación trasera al tiempo que minimiza las radiaciones parásitas del soporte. A tal efecto, una estructura CMA, de conductor magnético artificial, está dispuesta en el plano de la antena del lado de la radiación trasera, para formar un reflector de antena. Una estructura CMA clásica consta de un soporte dieléctrico, motivos conductores eléctricos dispuestos periódicamente en una primera superficie del soporte dieléctrico y un plano conductor eléctrico uniforme (plano de masa) en una segunda superficie del soporte dieléctrico. Cada motivo conductor puede estar conectado al plano de masa mediante orificios de interconexión, generalmente llamados "vias" en la bibliografía anglosajona. Una estructura CMA tiene la propiedad de reflejar las ondas electromagnéticas en fase, lo que implica posicionarla lo más cerca posible de la antena y que permite reducir el espesor del dispositivo de antena que consta de la antena y la estructura CMA. Una estructura CMA puede tener también la propiedad de impedir la propagación de las ondas electromagnéticas en ciertas direcciones del plano en el que están dispuestos los motivos conductores, lo que impide generar una radiación parásita. Se habla entonces de estructura con banda prohibida electromagnética (BIE). No obstante, las propiedades de una estructura de tipoFinally, a third solution aims to recover the back radiation while minimizing the parasitic radiation of the support. For this purpose, an artificial magnetic conductor CMA structure is arranged in the plane of the antenna on the side of the rear radiation, to form an antenna reflector. A classical CMA structure consists of a dielectric support, electrical conductive motifs periodically arranged on a first surface of the dielectric support and a uniform electrical conductive plane (mass plane) on a second surface of the dielectric support. Each conductive motif can be connected to the ground plane through interconnection holes, generally called "vias" in the Anglo-Saxon literature. A CMA structure has the property of reflecting electromagnetic waves in phase, which implies positioning it as close as possible to the antenna and which allows reducing the thickness of the antenna device consisting of the antenna and the CMA structure. A CMA structure may also have the property of preventing the propagation of electromagnetic waves in certain directions of the plane in which the conductive motifs are arranged, which prevents generating parasitic radiation. There is talk of a structure with an electromagnetic prohibited band (BIE). However, the properties of a type structure
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BIE o CMA solamente se manifiestan en cierta banda de frecuencia, llamada bien banda BIE, o bien banda CMA según el caso considerado. Esta banda de frecuencia, concretamente su frecuencia central y sus frecuencias de corte baja y alta, dependen de la forma y de las dimensiones de los motivos conductores, así como del espesor del soporte dieléctrico de la estructura. En particular, para un espesor del soporte dieléctrico relativamente pequeño, es decir muy pequeño frente a la longitud de onda, el ancho de banda es muy pequeño, es decir muy inferior a la octava, que se considera la banda BIE o la banda CMA. De este modo, las restricciones de tamaño hacen que las antenas actuales que constan de un reflector con estructura BIE o CMA no permiten funcionar en una banda de frecuencia ancha, superior a la decena.BIE or CMA only manifest in a certain frequency band, called either BIE band, or CMA band depending on the case considered. This frequency band, specifically its center frequency and its low and high cut frequencies, depend on the shape and dimensions of the conductive motifs, as well as the thickness of the dielectric support of the structure. In particular, for a relatively small dielectric support thickness, that is to say very small compared to the wavelength, the bandwidth is very small, that is to say much less than the octave, which is considered the BIE band or the CMA band. In this way, the size restrictions mean that current antennas consisting of a reflector with a BIE or CMA structure do not allow operation in a broad frequency band, greater than ten.
El documento FR2922687 describe un reflector de antena que comprende una red periódica de motivos metálicos, dimensionados para que la frecuencia de resonancia de la superficie de tipo de alta impedancia esté situada en el medio de la frecuencia de funcionamiento de la antena. La forma y las dimensiones de los motivos metálicos son idénticas en toda la superficie del reflector. Un objetivo de la invención es, concretamente, remediar los inconvenientes mencionados anteriormente proponiendo un reflector de antena con estructura CMA de banda de frecuencia ancha y con tamaño reducido. A tal efecto, la invención tiene por objeto la adaptación local de una estructura CMA en función de la radiación emitida o recibida localmente por la antena. Más exactamente, la invención tiene por objeto un procedimiento según la reivindicación 1. Una zona donde la radiación electromagnética tiene la mayor amplitud puede determinarse a partir de un valor umbral predeterminado, por ejemplo sustancialmente igual al 25% de la amplitud máxima.Document FR2922687 describes an antenna reflector comprising a periodic network of metallic motifs, sized so that the resonance frequency of the high impedance type surface is located in the middle of the antenna operating frequency. The shape and dimensions of the metallic motifs are identical over the entire surface of the reflector. An object of the invention is, in particular, to remedy the aforementioned drawbacks by proposing an antenna reflector with a CMA structure with a wide frequency band and a reduced size. For this purpose, the object of the invention is the local adaptation of a CMA structure as a function of the radiation emitted or received locally by the antenna. More precisely, the object of the invention is a method according to claim 1. An area where the electromagnetic radiation has the greatest amplitude can be determined from a predetermined threshold value, for example substantially equal to 25% of the maximum amplitude.
La etapa de determinación de la forma y de las dimensiones de un conjunto de motivos conductores puede constar de las subetapas siguientes:The stage of determining the shape and dimensions of a set of conductive motifs may consist of the following sub-stages:
- una subetapa que consiste en determinar las dimensiones de los motivos conductores de una estructura de tipo conductor magnético artificial cuyos motivos conductores son rectángulos dispuestos siguiendo una matriz regular que permite formar una superficie de alta impedancia en las inmediaciones de la frecuencia de funcionamiento considerada;- a sub-stage that consists in determining the dimensions of the conductive motifs of an artificial magnetic conductive structure whose conductive motifs are rectangles arranged following a regular matrix that allows a high impedance surface to be formed in the vicinity of the considered operating frequency;
- una subetapa que consiste en conformar los motivos conductores rectangulares a la zona en la que la radiación electromagnética tiene la mayor amplitud a la frecuencia de funcionamiento considerada, conservando cada motivo conductor sustancialmente una misma superficie;- a sub-stage consisting of forming the rectangular conductive motifs to the area where the electromagnetic radiation has the greatest amplitude at the considered operating frequency, each conductive motif retaining substantially the same surface;
- una subetapa que consiste en construir un diagrama de fase que resulta de la asociación de diferentes diagramas de fase asociados, cada uno, a una de las estructuras de tipo conductor magnético artificial cuyos motivos conductores son rectángulos;- a sub-stage consisting of constructing a phase diagram that results from the association of different phase diagrams associated, each, with one of the artificial magnetic conductor structures whose conductive motifs are rectangles;
- una subetapa que consiste en seleccionar, a partir del diagrama de fase, al menos dos conjuntos de motivos conductores para cubrir las diferentes zonas de la antena plana donde la radiación electromagnética tiene las mayores amplitudes sin recubrimiento de motivos conductores adyacentes.- a sub-stage consisting of selecting, from the phase diagram, at least two sets of conductive motifs to cover the different areas of the flat antenna where the electromagnetic radiation has the largest uncoated amplitudes of adjacent conductive motifs.
La invención también tiene por objeto una antena según la reivindicación 7. Según realizaciones particulares:A subject of the invention is also an antenna according to claim 7. According to particular embodiments:
- la forma y las dimensiones de los motivos conductores son sustancialmente idénticas en cada conjunto;- the shape and dimensions of the conductive motifs are substantially identical in each set;
- el reflector de antena consta, además, de un soporte dieléctrico que comprende una superficie superior y una superficie inferior sustancialmente planas y paralelas, estando el plano de masa montado sobre la superficie inferior y estando los motivos conductores montados sobre la superficie superior;- the antenna reflector further comprises a dielectric support comprising an upper surface and a lower surface substantially flat and parallel, the mass plane being mounted on the lower surface and the conductive motifs being mounted on the upper surface;
- los motivos conductores están conectados eléctricamente al plano de masa, por ejemplo por medio de orificios de interconexión producidos en el soporte dieléctrico;- the conductive motifs are electrically connected to the ground plane, for example by means of interconnecting holes produced in the dielectric support;
- el elemento radiante consta de hebras conductoras de electricidad enrolladas mutuamente alrededor de un punto central para formar una espiral, formando los conjuntos de motivos conductores anillos concéntricos centrados en el punto central;- the radiating element consists of electrically conductive strands mutually wound around a central point to form a spiral, forming the sets of concentric ring motifs centered on the central point;
- la superficie de los motivos conductores aumenta con el alejamiento de los motivos conductores del centro del reflector de antena;- the surface of the conductive motifs increases with the removal of the conductive motifs from the center of the antenna reflector;
- la antena plana es una antena en espiral de Arquímedes;- the flat antenna is a spiral antenna of Archimedes;
- la antena plana es una antena en espiral logarítmica;- the flat antenna is a logarithmic spiral antenna;
- la antena plana es una antena sinuosa.- the flat antenna is a sinuous antenna.
La invención tiene concretamente la ventaja de que permite extender las propiedades de una estructura CMA conThe invention specifically has the advantage that it allows extending the properties of a CMA structure with
una banda de frecuencia ancha, estando la banda de interés de un reflector según la invención formada por un ensamblaje de bandas de funcionamiento en modo CMA.a wide frequency band, the band of interest of a reflector according to the invention being formed by an assembly of operating bands in CMA mode.
La invención se entenderá mejor y otras ventajas surgirán con la lectura de la descripción detallada de una realización dada a modo de ejemplo, descripción realizada respecto a los dibujos adjuntos que representan:The invention will be better understood and other advantages will arise upon reading the detailed description of an embodiment given by way of example, description made with respect to the accompanying drawings that represent:
- la figura 1, un ejemplo de dispositivo de antena que consta de un reflector de antena según la invención;- Figure 1, an example of an antenna device consisting of an antenna reflector according to the invention;
- la figura 2, etapas posibles para el procedimiento de concepción de un reflector de antena según la invención;- Figure 2, possible steps for the method of designing an antenna reflector according to the invention;
- las figuras 3a y 3b, un ejemplo de distribución de amplitud de la radiación electromagnética emitida por una antena en espiral en la zona de campo cercano;- Figures 3a and 3b, an example of amplitude distribution of the electromagnetic radiation emitted by a spiral antenna in the near field area;
- la figura 4, un ejemplo de resultado parcial obtenido mediante el procedimiento de concepción de un reflector de antena según la invención;- Figure 4, an example of a partial result obtained by the method of designing an antenna reflector according to the invention;
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- la figura 5, un ejemplo de diagrama de fase obtenido en una etapa del procedimiento de concepción de un reflector de antena según la invención;- Figure 5, an example of a phase diagram obtained in a stage of the method of designing an antenna reflector according to the invention;
- la figura 6, un ejemplo de reflector de antena según la invención.- Figure 6, an example of an antenna reflector according to the invention.
La figura 1 representa un ejemplo de dispositivo de antena. El dispositivo de antena 1 consta de una antena en espiral 2 y un reflector de antena 3. La antena en espiral 2 consta de un soporte dieléctrico 21 y dos hebras conductoras de electricidad 22a y 22b de longitud idéntica y enrolladas mutuamente alrededor de un punto central O para formar una espiral 23. Las hebras 22a y 22b forman los elementos radiantes de la antena en espiral 2. La primera hebra 22a se extiende entre un extremo interior B y un extremo exterior D de la espiral 23. La segunda hebra 22b se extiende entre un extremo interior A y un extremo exterior C de la espiral 23. La antena en espiral 2 consta también de medios de alimentación de los elementos radiantes, no representados. Habitualmente, las dos hebras 22a y 22b son alimentadas por señales de hiperfrecuencia en oposición de fase a nivel de sus extremos interiores A y B. El soporte dieléctrico 21 es, por ejemplo, una placa epoxídica de tipo circuito impreso. Consta de una superficie superior 24 y una superficie inferior 25 sustancialmente planas y paralelas. Las hebras 22a y 22b pueden estar fijadas, impresas o grabadas en la superficie superior 24. El reflector de antena 3 consta de un soporte dieléctrico 31, un plano de masa 32 y conjuntos de motivos conductores 33. El soporte dieléctrico 31 también puede ser una placa epoxídica de tipo circuito impreso. Consta de una superficie superior 34 y una superficie inferior 35 sustancialmente planas y paralelas. El plano de masa 32 y los motivos conductores 33 pueden estar, por ejemplo, fijados, impresos o grabados en la superficie inferior 35 y en la superficie superior 34, respectivamente. En particular, se puede utilizar cualquier técnica clásica de realización de circuitos impresos para producir los motivos conductores 33. Cada motivo conductor 33 puede estar conectado eléctricamente al plano de masa 32, por ejemplo por medio de orificios metalizados, no representados, producidos en el soporte dieléctrico 31. En configuración de funcionamiento, la antena en espiral 2 está montada sobre el reflector de antena 3, situándose la superficie inferior 25 del soporte dieléctrico 21 de la antena en espiral 2 en frente de la superficie superior 34 del soporte dieléctrico 31 del reflector de antena 3. El soporte dieléctrico 21 puede apoyarse directamente sobre los motivos conductores 33. El soporte dieléctrico 21 cumple entonces una función de aislamiento entre la antena en espiral 2 y el reflector de antena 3. Este aislamiento puede garantizarse, no obstante, mediante cualquier otro medio.Figure 1 represents an example of an antenna device. The antenna device 1 consists of a spiral antenna 2 and an antenna reflector 3. The spiral antenna 2 consists of a dielectric support 21 and two electrically conductive strands 22a and 22b of identical length and mutually wound around a central point Or to form a spiral 23. The strands 22a and 22b form the radiating elements of the spiral antenna 2. The first strand 22a extends between an inner end B and an outer end D of the spiral 23. The second strand 22b extends between an inner end A and an outer end C of the spiral 23. The spiral antenna 2 also consists of feeding means of the radiating elements, not shown. Usually, the two strands 22a and 22b are fed by phase-in-phase hyperfrequency signals at their inner ends A and B. The dielectric support 21 is, for example, an epoxy plate of the printed circuit type. It consists of an upper surface 24 and a lower surface 25 substantially flat and parallel. The strands 22a and 22b may be fixed, printed or engraved on the upper surface 24. The antenna reflector 3 consists of a dielectric support 31, a ground plane 32 and sets of conductive motifs 33. The dielectric support 31 can also be a printed circuit type epoxy plate. It consists of an upper surface 34 and a lower surface 35 substantially flat and parallel. The mass plane 32 and the conductive motifs 33 may be, for example, fixed, printed or engraved on the lower surface 35 and on the upper surface 34, respectively. In particular, any classic printed circuit technique can be used to produce the conductive motifs 33. Each conductive motif 33 can be electrically connected to the ground plane 32, for example by means of metallic holes, not shown, produced in the support. dielectric 31. In operation configuration, the spiral antenna 2 is mounted on the antenna reflector 3, the lower surface 25 of the dielectric support 21 of the spiral antenna 2 being placed in front of the upper surface 34 of the dielectric support 31 of the reflector Antenna 3. The dielectric support 21 can be directly supported on the conductive motifs 33. The dielectric support 21 then fulfills an insulation function between the spiral antenna 2 and the antenna reflector 3. This isolation can, however, be guaranteed by any another way.
En la figura 1 se representa una antena alámbrica plana llamada en espiral de Arquímedes, es decir una antena alámbrica plana en la que cada hebra tiene un espesor constante y una separación constante frente a la otra hebra. No obstante, la invención se aplica también a todo tipo de antena plana en general, y a cualquier tipo de antena en espiral en particular. La invención se aplica concretamente a las antenas en espiral equiangular, también llamadas antenas en espiral logarítmica, en las que la anchura de las hebras y la separación entre las hebras aumentan al alejarse del centro. Del mismo modo, la antena alámbrica plana de la figura 1 consta de dos hebras conductoras de electricidad. No obstante, la invención se aplica también a antenas planas que constan de un número diferente de hebras pero también a otros tipos de geometría, como la antena sinuosa.In Figure 1 a flat wired antenna called Spiral Archimedes is represented, that is to say a flat wired antenna in which each strand has a constant thickness and a constant separation from the other strand. However, the invention also applies to all types of flat antenna in general, and to any type of spiral antenna in particular. The invention specifically applies to equiangular spiral antennas, also called logarithmic spiral antennas, in which the width of the strands and the spacing between the strands increase as they move away from the center. Similarly, the flat wired antenna of Figure 1 consists of two conductive strands of electricity. However, the invention also applies to flat antennas consisting of a different number of strands but also to other types of geometry, such as the sinuous antenna.
La invención utiliza las propiedades de funcionamiento de las antenas planas. El elemento radiante de dicha antena, cuando es excitado, emite ondas electromagnéticas desde una zona de funcionamiento localizada, vinculada a la disposición relativa de las hebras y al desfase de la corriente que circula en las diferentes hebras. Esta zona de funcionamiento presenta la particularidad de variar en función de la frecuencia según una ley propia para cada tipo de antena plana. La invención utiliza, por lo tanto, las propiedades de funcionamiento de las antenas planas para adaptar las estructuras a base de conductor magnético artificial (CMA) a la radiación electromagnética local. En particular, los motivos conductores ya no presentan una disposición regular periódica, pero su forma geométrica y sus dimensiones varían entre diferentes zonas de funcionamiento. La forma geométrica y las dimensiones de los motivos conductores se determinan para cada zona de funcionamiento para formar en dicha zona una superficie de alta impedancia a la frecuencia correspondiente. La impedancia superficial Zs está vinculada al coeficiente de reflexión R mediante la siguiente relación:The invention uses the operating properties of flat antennas. The radiating element of said antenna, when excited, emits electromagnetic waves from a localized area of operation, linked to the relative arrangement of the strands and to the offset of the current flowing in the different strands. This area of operation has the peculiarity of varying according to the frequency according to its own law for each type of flat antenna. The invention therefore uses the operating properties of flat antennas to adapt the structures based on artificial magnetic conductor (CMA) to local electromagnetic radiation. In particular, the conductive motifs no longer have a regular regular arrangement, but their geometric shape and dimensions vary between different operating areas. The geometric shape and the dimensions of the conductive motifs are determined for each operating zone to form a surface of high impedance at the corresponding frequency in said zone. The surface impedance Zs is linked to the reflection coefficient R by the following relationship:
-n + n-n + n
(1)(one)
donde n es la impedancia de onda. Una superficie de alta impedancia, es decir con un valor de Zs muy elevado, es, por lo tanto, equivalente a una superficie cuyo coeficiente de reflexión R tiende a uno.where n is the wave impedance. A high impedance surface, that is to say with a very high value of Zs, is therefore equivalent to a surface whose reflection coefficient R tends to one.
La figura 2 ilustra etapas posibles del procedimiento de concepción de un reflector de antena según la invención para una antena plana. En lo sucesivo de la descripción, se sigue considerando el caso particular de una antena en espiral como la representada en la figura 1. El procedimiento se aplica, no obstante, a todo tipo de antena plana. En una primera etapa 101, se caracteriza la radiación emitida por la antena en espiral 2 sola, es decir sin reflector de antena. Más exactamente, se determinan distribuciones de campos en amplitud y en fase de la radiación electromagnética emitida por la antena en espiral 2 en la zona de campo cercano en un plano sustancialmente paralelo al plano de la antena en espiral 2.Figure 2 illustrates possible steps of the method of designing an antenna reflector according to the invention for a flat antenna. Hereinafter, the particular case of a spiral antenna as shown in Figure 1 is still considered. The procedure applies, however, to all types of flat antenna. In a first stage 101, the radiation emitted by the spiral antenna 2 alone is characterized, that is without an antenna reflector. More precisely, field distributions in amplitude and in phase of the electromagnetic radiation emitted by the spiral antenna 2 in the near field area in a plane substantially parallel to the plane of the spiral antenna 2 are determined.
Las distribuciones de amplitud se determinan sucesivamente para al menos dos frecuencias que pertenecen a la banda de frecuencia de funcionamiento de la antena en espiral 2. A tal efecto, las hebras 22a y 22b de la antena en espiral 2 son alimentadas en sus extremos interiores A y B por corrientes de iguales amplitudes, que presentan enThe amplitude distributions are determined successively for at least two frequencies belonging to the operating frequency band of the spiral antenna 2. For this purpose, the strands 22a and 22b of the spiral antenna 2 are fed at their inner ends A and B by currents of equal amplitudes, which present in
55
1010
15fifteen
20twenty
2525
3030
3535
4040
45Four. Five
50fifty
5555
6060
general una diferencia de fase de 180°. La radiación emitida por la antena en espiral 2 presenta una amplitud máxima cuando las corrientes que circulan en las hebras 22a y 22b se encuentran localmente en fase. Debido a la configuración de la antena en espiral 2 y a la alimentación asimétrica, las corrientes se encuentran en fase en las inmediaciones de un círculo de diámetro D igual a la longitud de onda Á de la radiación electromagnética emitida por la antena en espiral 2 dividida por el número Pi (D = Xlrc). En la práctica, la radiación electromagnética emitida por una antena en espiral presenta una amplitud máxima en una zona que se asemeja a un anillo circular cuyo diámetro central es el diámetro mencionado anteriormente.general a phase difference of 180 °. The radiation emitted by the spiral antenna 2 has a maximum amplitude when the currents circulating in the strands 22a and 22b are locally in phase. Due to the configuration of the spiral antenna 2 and the asymmetric supply, the currents are in phase in the vicinity of a circle of diameter D equal to the wavelength Á of the electromagnetic radiation emitted by the spiral antenna 2 divided by the number Pi (D = Xlrc). In practice, the electromagnetic radiation emitted by a spiral antenna has a maximum amplitude in an area that resembles a circular ring whose central diameter is the diameter mentioned above.
Las figuras 3a y 3b representan la distribución de amplitud de la radiación electromagnética emitida por la antena en espiral 2 a una frecuencia de funcionamiento dada en un plano que pertenece a la zona de campo cercano paralelo al plano de la antena en espiral 2. En la figura 3a, se distinguen anillos 301 a 307 que corresponden a diferentes amplitudes de radiación. Los anillos 301 y 307, 302 y 305, 303, 304, y 306 presentan, por ejemplo, amplitudes respectivamente iguales a 3.10-7 Jlm3, 3.10-6 Jlm3, 6.10-6 Jlm3, 5.10-6 Jlm3 y 1,5.10-6 Jlm3. El anillo circular 301 corresponde, de este modo, a la zona donde la radiación electromagnética presenta una amplitud máxima a la frecuencia de funcionamiento dada. La figura 3b representa la distribución de amplitud de la radiación electromagnética en función de la distancia, proyectada en el plano de la antena, desde el centro O de la espiral 23. La distribución de amplitud se representa en las figuras 3a y 3b como una cantidad de energía irradiada por metro cúbico (Jlm3). No obstante, se puede utilizar cualquier otra magnitud en la medida en que permita determinar la potencia de la radiación distribuida en un plano cercano a la antena en espiral 2. A partir de esta distribución de amplitud, es posible determinar la zona en la que la radiación electromagnética tiene la mayor amplitud, llamada zona de funcionamiento 310. En el caso de una antena en espiral, la zona de funcionamiento puede estar definida por un radio mínimo Rmín y un radio máximo Rmáx que corresponde a un valor umbral de amplitud S predeterminada. El valor umbral S se selecciona, por ejemplo, sustancialmente igual al 25% de la amplitud máxima de la radiación electromagnética, demostrando este valor dar buenos resultados. La zona de funcionamiento es determinada para al menos dos frecuencias que pertenecen a la banda de frecuencia de funcionamiento de la antena en espiral. Después de la determinación de la distribución de amplitud de la radiación a una primera frecuencia dada, se determinan una o varias distribuciones de amplitud a una u otras frecuencias de funcionamiento dadas.Figures 3a and 3b represent the amplitude distribution of the electromagnetic radiation emitted by the spiral antenna 2 at a given operating frequency in a plane belonging to the near-field area parallel to the plane of the spiral antenna 2. In the Figure 3a, rings 301 to 307 are distinguished corresponding to different radiation amplitudes. The rings 301 and 307, 302 and 305, 303, 304, and 306 have, for example, amplitudes respectively equal to 3.10-7 Jlm3, 3.10-6 Jlm3, 6.10-6 Jlm3, 5.10-6 Jlm3 and 1.5.10-6 Jlm3. The circular ring 301 thus corresponds to the area where the electromagnetic radiation has a maximum amplitude at the given operating frequency. Figure 3b represents the amplitude distribution of the electromagnetic radiation as a function of the distance, projected in the plane of the antenna, from the center O of the spiral 23. The amplitude distribution is represented in Figures 3a and 3b as a quantity of energy irradiated per cubic meter (Jlm3). However, any other magnitude can be used to the extent that it allows to determine the power of the radiation distributed in a plane close to the spiral antenna 2. From this amplitude distribution, it is possible to determine the area in which the Electromagnetic radiation has the greatest amplitude, called the operating zone 310. In the case of a spiral antenna, the operating zone may be defined by a minimum radius Rmin and a maximum radius Rmax corresponding to a predetermined threshold value of amplitude S. The threshold value S is selected, for example, substantially equal to 25% of the maximum amplitude of the electromagnetic radiation, demonstrating this value giving good results. The operating zone is determined for at least two frequencies that belong to the operating frequency band of the spiral antenna. After determining the radiation amplitude distribution at a given first frequency, one or more amplitude distributions at one or other given operating frequencies are determined.
En una segunda etapa 102, para cada distribución de amplitud, es decir para cada frecuencia de funcionamiento dada o para cada zona de funcionamiento, la forma y las dimensiones de un conjunto de motivos conductores 33 se determinan de manera que, cuando están dispuestos en las inmediaciones de la zona de funcionamiento considerada, los motivos conductores 33 de este conjunto forman localmente una superficie de alta impedancia a la frecuencia de funcionamiento considerada. De este modo, en configuración normal, cuando la antena en espiral 2 está montada sobre el reflector de antena 3, cada zona de funcionamiento a una frecuencia dada se encuentra en frente de la superficie de alta impedancia a dicha frecuencia, formada por el conjunto de motivos conductores 33 correspondiente. En la figura 1, se representan dos conjuntos 331 y 332 de motivos conductores 33. Por supuesto, es posible determinar un mayor número de distribuciones de amplitud de la radiación correspondiente a diferentes frecuencias de funcionamiento, para determinar al menos otros tantos conjuntos de motivos conductores. También es posible determinar conjuntos de motivos conductores mediante interpolación de varias distribuciones de amplitud. Por otro lado, la forma y las dimensiones de los motivos conductores 33 de un conjunto pueden determinarse en cuanto se determina la zona de funcionamiento a la frecuencia considerada. Dicho de otro modo, el orden de las primera y segunda etapas del procedimiento solamente tiene importancia en lo que concierne a una frecuencia de funcionamiento particular.In a second stage 102, for each amplitude distribution, that is for each given operating frequency or for each operating zone, the shape and dimensions of a set of conductive motifs 33 are determined such that, when arranged in the In the immediate vicinity of the considered area of operation, the conductive motifs 33 of this assembly locally form a high impedance surface at the considered operating frequency. Thus, in normal configuration, when the spiral antenna 2 is mounted on the antenna reflector 3, each operating zone at a given frequency is in front of the high impedance surface at said frequency, formed by the set of corresponding conductive motifs 33. In Figure 1, two sets 331 and 332 of conductive motifs 33 are shown. Of course, it is possible to determine a greater number of distributions of radiation amplitude corresponding to different operating frequencies, to determine at least as many sets of conductive motifs. . It is also possible to determine sets of conductive motifs by interpolation of various amplitude distributions. On the other hand, the shape and dimensions of the conductive motifs 33 of an assembly can be determined as soon as the operating area is determined at the frequency considered. In other words, the order of the first and second stages of the procedure is only important in regard to a particular operating frequency.
La segunda etapa 102 puede realizarse, por ejemplo, mediante las subetapas siguientes. En una primera subetapa, se consideran estructuras CMA clásicas, es decir cuyos motivos conductores son rectángulos dispuestos siguiendo una matriz regular, por lo tanto periódica, cuyo espesor del soporte dieléctrico es sustancialmente igual al del soporte dieléctrico 31 del reflector de antena 3 según la invención. Se determinan, para estas estructuras CMA clásicas y para varias frecuencias de funcionamiento que pertenecen a la frecuencia de funcionamiento de la antena en espiral 2, las dimensiones (longitud y anchura) de los motivos conductores de la estructura CMA clásica permiten formar una superficie de alta impedancia en las inmediaciones de la frecuencia de funcionamiento considerada. En una segunda subetapa, para cada frecuencia de funcionamiento considerada, se conforman los motivos conductores de las estructuras CMA clásicas a la zona de funcionamiento correspondiente de la antena en espiral, conservando cada motivo conductor sustancialmente una misma superficie que la considerada para la topología clásica. En una antena en espiral, los motivos conductores asumen, por lo tanto, una forma anular. La figura 4 ilustra el resultado de esta subetapa. Un conjunto 333 de motivos conductores 33 está dispuesto siguiendo una periodicidad anular en la superficie superior 34 del soporte dieléctrico 31 y cubre la zona de funcionamiento considerada de la antena en espiral 2. En una tercera subetapa, se construye un diagrama de fase que resulta de la asociación de los diferentes diagramas de fase asociados, cada uno, a una de las estructuras CMA clásicas consideradas. La figura 5 representa un ejemplo de dicho diagrama de fase. A cada frecuencia de funcionamiento está asociada, por un lado, una zona de funcionamiento, por ejemplo definida por un radio de la antena en espiral 2 y, por otro lado, un diagrama de fase de un conjunto de motivos conductores 33 correspondiente a una estructura CMA clásica. En una cuarta subetapa, se seleccionan, a partir del diagrama de fase de la figura 5, al menos dos conjuntos de motivos conductores 33 para cubrir las diferentes zonas de funcionamiento de la antena en espiral 2 sin que haya recubrimiento de los motivos conductores 33 entre los diferentes conjuntos. Eventualmente, la disposición de los conjuntos de motivos conductores puede modificarse sustancialmente para evitar recubrimientos. En una antena en espiral, los motivosThe second stage 102 can be carried out, for example, by the following sub-stages. In a first sub-stage, classic CMA structures are considered, that is to say whose conductive motifs are rectangles arranged following a regular matrix, therefore periodic, whose thickness of the dielectric support is substantially equal to that of the dielectric support 31 of the antenna reflector 3 according to the invention . For these classical CMA structures and for various operating frequencies that belong to the operating frequency of the spiral antenna 2, the dimensions (length and width) of the conductive motifs of the classical CMA structure are determined to form a high surface impedance in the immediate vicinity of the operating frequency considered. In a second sub-stage, for each operating frequency considered, the conductive motifs of the classical CMA structures are conformed to the corresponding operating area of the spiral antenna, each conductive motif retaining substantially the same surface as that considered for the classical topology. In a spiral antenna, the conductive motifs therefore assume an annular shape. Figure 4 illustrates the result of this sub-stage. A set 333 of conductive patterns 33 is arranged following an annular periodicity on the upper surface 34 of the dielectric support 31 and covers the operating area considered of the spiral antenna 2. In a third sub-stage, a phase diagram is constructed which results from the association of the different phase diagrams associated, each, to one of the classic CMA structures considered. Figure 5 represents an example of said phase diagram. Each operating frequency is associated, on the one hand, with an operating zone, for example defined by a radius of the spiral antenna 2 and, on the other hand, a phase diagram of a set of conductive motifs 33 corresponding to a structure Classic CMA. In a fourth sub-stage, at least two sets of conductive patterns 33 are selected from the phase diagram of Figure 5 to cover the different operating areas of the spiral antenna 2 without covering the conductive motifs 33 between The different sets. Eventually, the arrangement of the sets of conductive motifs can be substantially modified to avoid coatings. On a spiral antenna, the motifs
conductores 33 se encuentran dispuestos de manera no periódica sino pseudoperiódica. La figura 6 representa, en vista desde arriba, un ejemplo de reflector de antena 3 según la invención adaptado a una antena en espiral. El reflector de antena 3 consta de cinco conjuntos 331 a 335 de motivos conductores 33 cuyas superficies son cada vez más grandes a medida que nos alejamos del centro del reflector de antena 3. Cada conjunto 331 a 335 forma 5 una superficie de alta impedancia a la frecuencia irradiada localmente por la antena en espiral. El carácter de alta impedancia puede mantenerse, de este modo, por toda la superficie del reflector de antena 3, y, por lo tanto, por toda la banda de frecuencia de funcionamiento de la antena en espiral. Debido a la evolución de las dimensiones de los motivos conductores 33 de los diferentes conjuntos, el reflector de antena 3 puede calificarse de estructura de casi-conductor magnético artificial.conductors 33 are arranged not periodically but pseudoperiodic. Figure 6 represents, in top view, an example of antenna reflector 3 according to the invention adapted to a spiral antenna. The antenna reflector 3 consists of five sets 331 to 335 of conductive motifs 33 whose surfaces are increasingly larger as we move away from the center of the antenna reflector 3. Each assembly 331 to 335 forms a surface of high impedance to the frequency radiated locally by the spiral antenna. The high impedance character can thus be maintained throughout the surface of the antenna reflector 3, and, therefore, for the entire operating frequency band of the spiral antenna. Due to the evolution of the dimensions of the conductive motifs 33 of the different assemblies, the antenna reflector 3 can be described as an artificial magnetic near-conductor structure.
1010
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