FR2556510A1 - Antenne periodique plane - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UNE ANTENNE PERIODIQUE PLANE CARACTERISEE EN CE QU'ELLE COMPREND UNE PLAQUE CONDUCTRICE1 COMPORTANT DES ELEMENTS RAYONNANTS FORMES DE DEUX SERIES DE DENTS PLANES (D-D),(Q-Q) DONT LES DIMENSIONS SE DEDUISENT LES UNES DES AUTRES A PARTIR D'UNE HOMOTHETIE DE RAPPORTT ET DE POLE D'EXPANSION0, LES DENTS DE L'UNE DES SERIES ETANT INTERCALEES ENTRE LES DENTS DE L'AUTRE SERIE ET L'EXTREMITE4 D'UNE DENT DONNEE ETANT SEPAREE DU BORD5 DE LA PLAQUE SITUEE ENTRE DEUX DENTS DE L'AUTRE SERIE PAR UN INTERVALLE PREDETERMINE (E); UNE LIGNE D'ALIMENTATION3 PLACEE DANS UN PLAN PROCHE DU PLAN DE LA PLAQUE1 PERMET D'ALIMENTER LES DENTS A PARTIR DE L'INTERVALLE PREDETERMINE(E); UN PLAN DE MASSE9 SITUE A UNE DISTANCEH DE CHAQUE DENT, VARIANT EN FONCTION DE LA LONGUEUR D'ONDEL DE RESONANCE DE CHAQUE DENT. APPLICATION AUX ANTENNES EMBARQUEES LARGE BANDE.

Description

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ANTENNE PERIODIQUE PLANE

La présente invention se rapporte aux antennes périodiques

planes du type log-périodique.

De manière générale, les antennes périodiques sont des anten-

nes très large bande, indépendantes de la fréquence du signal d'ali-

mentation. Elles sont constituées par des éléments rayonnants dont les dimensions se déduisent les unes des autres par une homothétie de rapport T à partir d'un pôle d'expansion donné. Deux éléments rayonnants consécutifs présentent les mêmes propriétés l'un à une fréquence f qui est sa fréquence de résonance, et l'autre à la fréquence f/T ou fT. Le facteur T est généralement voisin de l'unité si bien que ce type d'antenne présente des caractéristiques

assez peu différentes sur une grande bande de fréquence.

Les antennes périodiques planes sont formées d'éléments rayonnants plats par opposition aux éléments rayonnants filaires et de manière générale aux éléments volumétriques. On entend donc par antenne plane, une antenne dont les éléments rayonnants ont une faible épaisseur, cette dimension étant non significative par rapport

aux longueurs et aux largeurs des éléments.

Classiquement, une antenne périodique plane est constituée de deux plaques dans un même plan formées chacune de deux séries de dents généralement trapézoïdales. L'antenne est par conséquent constituée de deux demi-antennes qui sont alimentées en symétrie à

partir de leur sommet. Le diagramme de rayonnement est symé-

trique par rapport au plan de l'antenne avec des maxima suivant la normale à ce plan. L'antenne présente donc une directivité normale

au plan de sa structure.

Dans certaines applications, notamment lorsqu'on désire placer l'antenne périodique sur une structure métallique plate ou galbée sans perturber l'aérodynamisme de cette structure, il est nécessaire d'utiliser des antennes périodiques planes. Or, le fonctionnement de

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iantenne est perturbé car elle est plaquée sur la structure metai-

lique qui se comporte alors comme un réflecteur non adapté au

fonctionnement de l'antenne.

Par ailleurs, il est quelquefois également nécessaire d'obtenir un diagramme de rayonnement dont le faisceau principal est incliné par rapport à la structure de l'antenne. Or une antenne périodique plane classique ne permet pas d'avoir une inclinaison du lobe

principal par rapport au plan de sa structure.

C'est pour pallier à ces deux inconvénients que l'invention propose une antenne périodique plane large bande permettant de

fonctionner sans perturbation lorsqu'elle est encastrée sur une struc-

ture métallique plate ou galbée et de plus d'avoir un lobe principal

incliné par rapport à la normale de la structure métallique.

L'invention propose donc une antenne périodique plane princi-

paiement caractérisée en ce qu'elle comprend des éléments rayon-

nants formés de deux séries de dents planes dont les dimensions se déduisent les unes des autres à partir d'une homothétie de rapport T et de pÈle d'expansion 0, les dents de l'une des séries étant intercalées entre les dents de l'autre série et l'extrémité d'une dent donnée étant séparée du bord de la plaque situé entre deux dents de

l'autre série par un intervalle prédéterminé; une ligne d'alimen-

tation placée dans un plan proche du plan de la plaque permet d'alimenter les dents à partir de l'intervalle prédéterminé; un plan de masse situé à une distance Hn de chaque dent, variant en fonction de la longueur d'onde Xn de résonance de chaque dent, l'antenne pouvant ainsi être encastrée dans une structure métallique

plate ou galbée sans changer l'aérodynamisme de cette structure.

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-

après, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins annexés sur lesquels:

- la figure I représente une coupe de l'antenne selon l'in-

vention suivant le plan de sa structure rayonnante; - la figure 2 représente une coupe suivant un axe AB selon la figure 1; - la figure 3 représente une coupe suivant un axe OD selon la figure 1;

- la figure 4 représente une variante de réalisation de l'an-

tenne vue en coupe suivant l'axe AB.

Pour faciliter la compréhension, on définit le plan de la structure rayonnante P comme étant le plan de la feuille et l'axe OD, un axe qui passe par le pôle d'expansion 0 et qui est l'axe

longitudinal de l'antenne.

La figure 2 représente donc une coupe suivant un plan conte-

nant l'axe AB perpendiculaire à l'axe OD et la figure 3 représente une coupe suivant un plan perpendiculaire au plan P et contenant

l'axe OD.

Par ailleurs, les figures 1, 2 et 3 représentées étant des coupes suivant trois plans différents de l'antenne périodique plane selon

l'invention, sont décrites dans ce qui suit sans dissociation.

L'antenne représentée sur ces figures est une antenne pério-

dique de pôle d'expansion 0. Une plaque conductrice i est constituée par une série de dents D1 à Dm, et une série de dents Q1 à Qp, p=m

ou p=m-l, s'intercalant entre les dents de la première série.

Le nombre de dents varie selon les caractéristiques de rayon-

nement désirées pour l'antenne. On s'est limité à ne représenter que trois dents dans la première série et deux dans la deuxième série

(m = 3 et p=2).

Les dents ont une forme trapézoïdale selon une forme préférée

de réalisation. Il est bien évident que l'invention s'applique égale-

ment aux antennes dont les dents ont une forme couramment

utilisées dans les antennes log-périodique classiques du type rec-

tangulaire ou à axe en arc de cercle de centre le pôle d'expansion.

Les dimensions des dents D1, D2, D3 se déduisent les unes des autres par une similitude de rapport T et de pôle 0. De la même façon les dimensions Q1 et Q2 se déduisent l'une de l'autre par une similitude de rapport T2 et de pôle 0, les dimensions de Q1 par

rapport à D1 étant obtenues en multipliant parer.

De manière connue en soi, les dimensions de la dent la plus proche du pôle définissent une première fréquence de résonance f donnant l'ordre de grandeur de la limite supérieure de la bande passante de l'antenne de même que les dimensions de la dent la plus éloignée du pôle définissent une fréquence de résonance fm donnant l'ordre de grandeur de la limite inférieure de la bande passante de l'antenne.

Les dents Di, D2 et D3 s'inscrivent dans une enveJlpr défiï-û.

par les droites E1 et E2 sécantes au pôle 0 et faisant un anglec.

Les dents Q1 et Q2 s'inscrivent dans une enveloppe définie par les droites F1 et F2 sécantes également au pôle 0 et faisant le

même angle l.

Cette plaque 1 est réalisée sur l'unique face métallisée d'un circuit imprimé 2 de faible épaisseur par rapport aux longueurs d'ondes de travail et qui est représenté en coupe sur la figure 2. La longueur d'onde X de l'onde émise varie entre les longueurs d'ondes

extrême À m et X M définies par la bande passante.

Une ligne d'alimentation 3 représentée en pointillés - sur la figure 1 permet d'alimenter l'antenne en excitant les éléments

rayonnants à partir de points 4 et 5 qui seront définis ultérieure-

ment. Cette ligne d'alimentation 3 est réalisée par un ruban métal-

lisé imprimé sur un circuit imprimé 6, également de faible épais-

seur. La face métallisée de ce circuit 6 se trouve du côté de la face non métallisée du circuit 2, le circuit 6 joue ainsi un rôle de protection analogue à celui d'un radome vis-à-vis de l'extérieur. Ce circuit 6 est situé dans un plan proche du plan du circuit 2 et contenant par exemple le pôle d'expansion 0 ou encore dans un plan parallèle au plan du circuit 2 et à proximité de celui-ci. Les deux circuits 2 et 6 sont séparés par un diélectrique 8 qui peut être (à la

limite) le milieu air ou un nid d'abeilles.

La ligne 3 décrit des dents trapézoïdales se déduisant par une similitude de pôle 0 et de rapport T, dont les côtés sont parallèles aux côtés des dents rayonnantes et passent par les milieux 4 des segments In extrêmes de chaque dent et par les milieux 5 des segments opposés Ln. La coupure de largeur E entre ces deux

points 4 et 5 permet d'exciter les éléments rayonnants.

Le circuit 2 est solidaire de la structure métallique 9 (son plan de masse) sur laquelle est plaquée l'antenne et le circuit 1 est maintenu en contact électrique avec cette structure 9 au niveau des tronçons de droites OE1 et OF2 passant par les points respecti- vement 5 et 15. Ce contact est assuré, par exemple au moyen de

vis 10 et 11 représentées sur la figure 1.

La coupe représentée sur la figure 3 permet de mettre en évidence la hauteur Hn séparant le plan de masse de chaque élément

rayonnant.

Bien entendu, les paramètres référencés avec un indice n varient en fonction de n o n est l'indice repérant la dent, le nombre

total de dents étant désigné par N (N = 5 dans le cas de la figure 1).

Pour la première dent, on aura donc une longueur hl, un inter-

valle E1 et une hauteur H1.

Les éléments rayonnants se comportent comme des demi-

doublets court-circuités à la résonance quart d'onde. Pour cela, on doit avoir la relation Hn + hn = Xn/4. Chaque élément rayonnant est donc courtcircuité à l'une de ses extrémités 15 à la structure métallique 9 sur laquelle l'antenne est plaquée. L'autre extrémité 4 est isolée de la structure métallique et la coupure qui en résulte est excitée par la ligne d'alimentation. L'impédance de rayonnement de la plaque court- circuitée à la résonance quart d'onde s'insère en

série dans la ligne microbande 3 à l'endroit de la coupure.

Le choix des dimensions des éléments rayonnants est effectué de telle sorte que, lorsque la ligne d'alimentation microbande 3 transmet une onde dont la fréquence est inférieure à la fréquence de résonance propre d'une dent donnée, celle-ci présente, au niveau de sa coupure, une impédance faible qui perturbe peu la transmission de

la ligne.

L'angle d'inclinaison du diagramme de rayonnement sur le plan de la structure est directement lié à la longueur kn géométrique ou électrique de la ligne d'alimentation microbande 3 comprise entre les coupures de deux sources rayonnantes adjacentes. On considère la longueur électrique lorsque la ligne se trouve en présence a'un matériau diélectrique. Il est donc aisé par construction de modifier l'angle d'inclinaison en modifiant cette longueur. La relation existant entre l'angle d'inclinaison entre le faisceau principal et le plan de la structure de l'antenne et la longueur de la ligne k n alimentant deux doublets court-circuités à la résonance quart d'onde résulte de calculs théoriques connus que l'on peut trouver dans les revues IEEE transaction dans les articles de G.DUBOST intitulés

"Antennas and Propagation" de mai 1981 et 1983.

Cependant, une condition doit être respectée pour qu'il n'y ait pas d'aberration - dans le fonctionnement. En effet, la longueur électrique Kn doit être inférieure à Xn/2 afin que l'antenne ne soit pas désadaptée. Ainsi, les réflexions partielles dues aux insertions

des éléments rayonnants le long de la ligne ne se cumulent pas.

Le cas le plus favorable se présente lorsque cette longueur kn est égale à À n/4 car elle permet une compensation pratiquement

idéale de toutes les réflexions. Cependant, pour des raisons prati-

ques, une longueur intermédiaire s'impose par exemple 0,3 À n' ce qui correspond compte tenu des autres paramètres géométriques et électriques, à une impédance d'entrée bien adaptée. Pour obtenir la longueur la mieux adaptée, il est donc nécessaire que les éléments

rayonnants soient intercalés.

Il est évident que pour modifier la longueur électrique de la ligne 3, on peut d'une pa.+rt agir en modifiant le diélectrique 8, (sa constante diélectrique ou l'épaisseur) et d'autre part, donner une forme différente à la ligne de sorte que par exemple si on veut diminuer sa longueur géométrique elle ne suive pas rigoureusement l'axe médian de chaque plaque comme cela est représenté sur la

figure 1, en passant toutefois au milieu des diverses coupures.

On peut également agir sur la longueur des plaques rayon-

nantes en plaçant un matériau diélectrique 12 dans l'espace compris

entre la structure métallique 9 et la plaque métallique 1 (compor-

tant les dents). En diminuant ainsi la longueur hn de chaque élément rayonnant, cela permet de diminuer la longueur de la ligne 3 entre

deux coupures.

La ligne 3 est fermée sur son impédance caractéristique au moyen d'une résistance 13 adaptée à son extrémité la plus éloignée du p8le 0. Cette résistance peut être un élément à constantes localisées ou un dipôle à constantes réparties. Quelques résultats théoriques sont donnés cidessous pour un

choix des différents paramètres et de la bande passante, déterminés.

En choisissant: fm =0,9 GHz fM= 9 GHz

T = 0,95

W n !5 n= 0,166 n H1n

H- = 0,1

n kn

- = 0,35

n Ra impédance caractéristique de la ligne 3 égale à 150 Q et N = 50, on obtient les résultats suivants: L'angle d'inclinaison théorique du faisceau, c'est-à-dire l'angle entre la direction du maximum de rayonnemant et la direction

perpendiculaire au plan de la structure est de 50 .

L'ouverture à 3dB du faisceau principal sensiblement de révo-

lution est égale à 45 .

Le rapport d'ondes stationnaires de l'impédance d'entrée de l'antenne rapportée à la résistance caractéristique de la ligne est

inférieur à 2 dans toute la bande 0,9 GH - 9 GHz.

Sur la figure 4, on a représenté une variante de réalisation.

L'antenne est vue en coupe commroe sur la figure 2.

Dans cette variante, la ligne d'alimentation 3 est imprimée sur la face opposée du circuit 2, ce circuit comportant sur l'autre face les éléments rayonnants. C'est dans ce cas un substrat diélectrique métallisé sur ses deux faces. Cette variante est avantageuse sur le plan de l'encombrement. La réalisation qui a été décrite est relative à une antenne plane, c'està-dire, à une antenne dont les éléments rayonnants ont une très faible épaisseur vis-à-vis de leur longueur et de leur largeur. Par ailleurs, cette antenne a une structure plane dans son ensemble, c'est-à-dire qu'elle peut être encastrée sur une structure métallique plane. Il est bien évident que l'invention concerne également les antennes à structure générale galbée destinées à être encastrées sur des structures métalliques galbées (du type avions). Il suffit pour cela de conformer les circuits sur lesquels sont placés les éléments de l'antenne à la forme de la structure métallique tout en respectant les conditions de fonctionnement données dans la

description.

En conclusion, l'antenne selon l'invention a tout d'abord les avantages d'une antenne log-périodique classique, car elle a une très large bande passante. De plus, elle est facilement encastrable dans une structure métallique et ne modifie donc pas son aérodynamisme puisqu'elle est plane et que son plan de masse adapté à la réalisation

peut être encastré dans la structure métallique.

Elle a en plus l'avantage de pouvoir rayonner suivant une direction incliné par rapport à la normale au plan de sa structure, ce

qui est utile lorsque par exemple l'antenne est placée sur un avion.

Claims (14)

REVENDICATIONS

1. Antenne périodique plane caractérisée en ce qu'elle com-

prend une plaque conductrice (1) comportant des éléments rayon-

nants formés de deux séries de dents planes (Di-Dm), (Q1-Qp)dont les dimensions se déduisent les unes des autres à partir d'une homothétie de rapport T et de pôle d'expansion 0, les dents de l'une des séries étant intercalées entre les dents de l'autre série et l'extrémité (4) d'une dent donnée étant séparée du bord (5) de la plaque situé entre deux dents de l'autre série par un intervalle prédéterminé ( n); une ligne d'alimentation (3) placée dans un plan proche du plan de la plaque (1) permet d'alimenter les dents à partir de l'intervalle prédéterminé (' En); un plan de masse (9) situé à une distance Hn de chaque dent, variant en fonction de la longueur d'onde Xn de résonance de chaque dent, l'antenne pouvant ainsi être encastrée dans une structure métallique plate ou galbée, sans

1 changer l'aérodynamisme de cette structure.

2. Antenne périodique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les axes longitudinaux des dents (Di-Dm), (Qi-Qp) sont parallèles.

3. Antenne selon l'une quelconque des revendications I ou 2,

caractérisée en ce que les dents ont une forme trapézoîdale.

4. Antenne selon l'une quelconque des revendications I à 3,

caractérisée en ce que la somme des longueurs Hn et hn doit être sensiblement égale à X n, chaque dent et son plan de masse constituant ainsi un demi doublet court-circuité à la résonance quart

d'onde, hn étant la longueur d'une dent.

5. Antenne selon l'une quelconque des revendications I à 4,

caractérisée en ce que les deux séries de dents sont réalisées sur la

face métallisée (1) d'un premier circuit imprimé (2) de faible épais-

seur par rapport aux longueurs d'ondes des fréquences d'émission.

6. Antenne selon l'une quelconque des revendications I à 5,

caractérisée en ce que le plan de masse métallique (9) situé à la hauteur Hn de chaque dent, est solidaire du premier circuit imprimé (2) et est relié électriquement à la face métallisée (1) de ce

circuit (2).

7. Antenne selon la revendication 6, caractérisée en ce que le plan de masse (9) est relié électriquement à la face métallisée (1) au

moyen de vis (10, 11) placées sur l'ensemble de la plaque (1).

8. Antenne selon l'une quelconque des revendications I à 7,

caractérisée en ce que l'espace compris entre le plan de masse (9) et

la plaque (1) est rempli d'un matériau diélectrique (12).

9. Antenne selon l'une quelconque des revendications I à 8,

caractérisée en ce que la ligne d'alimentation (3) est une ligne microbande réalisée sur la face métallisée d'un deuxième circuit imprimé (6) de faible épaisseur par rapport aux longueurs d'ondes des

fréquences d'émission.

10. Antenne selon la revendication 9, caractérisée en ce que la face métallisée du deuxième circuit imprimé (6) est située dans un plan contenant le pôle d'expansion (0) et proche du plan dans lequel

se trouve le premier circuit (2) de sorte que la ligne d'alimen-

tation (3) se trouve au milieu de l'intervalle ( E n) définissant les

coupures quart d'onde des dents.

11. Antenne selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'un matériau diélectrique (8) est placé entre les premiers (2) et

deuxième circuit (6) imprimés.

12. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que la ligne d'alimentation (3) est une ligne microbande réalisée sur l'autre

face métallisée du premier circuit imprimé (2).

13. Antenne selon l'une quelconque des revendications I à 12,

caractérisée en ce que la ligne d'alimentation (3) est fermée sur son impédance caractéristique (Ra) au moyen d'une résistance (13) adaptée et en ce que la longueur kn de la ligne (3) comprise en deux points de coupure est inférieure à X n/2ce qui contribue à-obtenir un rayonnement de l'antenne dans une direction inclinée par rapport à

la normale au plan (P) de la structure.

14. Antenne selon l'une quelconque des revendications I à 13,

caractérisé en ce que les plans dans lesquels se trouvent les éléments rayonnants (Di-Dm), (Qi-Qp) et la ligne d'alimentation (3) sont galbés de manière à ce que l'antenne soit encastrable sur une structure métallique elle-même galbée, afin de ne pas modifier

l'aérodynamisme de cette structure.