FR2751470A1 - Dispositif d'antennes spirales perfectionne - Google Patents

Abstract

Le dispositif d'antennes comprend, sur un substrat, une pluralité d'éléments rayonnants et une paire de bornes d'alimentation en signaux électriques haute fréquence pour chacun de ces éléments. Chacun de ces éléments rayonnants comporte une zone conformée en spirale (SPi), et possède un prolongement (PB1i, PB2i) des brins de sa spirale ayant des caractéristiques géométriques différentes de celles de ladite spirale, pour former par exemple une couronne périphérique (CP) entourant ces dernières.

Description

Dispositif d'antennes spirales perfectionné
L'invention concerne les antennes spirales.

Une antenne spirale comporte, sur un support, deux brins de longueur identique enroulés de façon adjacente pour former ensemble une spirale, dont la valeur de la fréquence inférieure de fonctionnement est liée en première approximation à celle de son diamètre externe.

Si l'on souhaite limiter le rayonnement à la portion d'espace située en regard de la spirale, on peut placer l'autre face du support au contact d'une cavité remplie d'un matériau électromagnétiquement absorbant. Correctement alimentée en signaux électriques haute fréquence, une antenne de ce type rayonne dans la portion d'espace souhaitée, dans une très large bande de fréquences.

I1 a été envisagé de disposer de telles antennes en réseau.

Cependant, une telle configuration soulève, comme on le verra plus en détail ci-après, des problèmes de fonctionnement liés notamment aux propriétés des réseaux, en particulier lorsqu'un fonctionnement dans une très large bande de fréquences est envisagé.

L'invention vise à apporter une solution à ce problème.

Un but de l'invention est de proposer un dispositif comportant une pluralité d'antennes spirales disposées en réseau, pouvant fonctionner dans une très large bande de fréquences sans altérations de fonctionnement liées à la structure en réseau.

Selon une caractéristique générale de l'invention, le dispositif d'antenne proposé comprend, sur un substrat, au moins deux éléments rayonnants et une paire de bornes d'alimentation en signaux électriques haute fréquence pour chacun de ces éléments; chacun d'entre eux comporte une zone conformée en spirale, et, l'un au moins d'entre eux possède un prolongement des brins de sa spirale ayant des caractéristiques géométriques différentes de celles de ladite spirale.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention appa raieront à l'examen de la description détaillée ci-après et des dessins annexés sur lesquels - les figures 1 et 2 illustrent très schématiquement une antenne spirale classique isolée, - la figure 3 illustre schématiquement trois antennes spirales regroupées selon une configuration présentant des problèmes de fonctionnement, et - la figure 4 est une illustration schématique partielle d'un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention.

Les dessins comportent pour l'essentiel des éléments de caractère certain. A ce titre ils font partie intégrante de la description et pourront non seulement servir à mieux faire comprendre la description détaillée ci-après, mais aussi contribuer, le cas échéant, à la définition de l'invention.

Telle qu'illustrée schématiquement sur les figures 1 et 2, une antenne spirale imprimée comporte, sur une face d'un support (par exemple un diélectrique) SU, deux brins métalliques Bl et B2, de longueur identique, mutuellement enroulés de façon adjacente pour former une spirale SP. En d'autres termes, à l'exception du voisinage des extrémités de brin, chaque portion de brin est encadrée par deux portions de 11 autre brin.

Il convient de remarquer qu'est illustrée ici une spirale dite "d'Archimède", c'est-à-dire une spirale dans laquelle chaque brin a une épaisseur constante et un espacement constant vis-à-vis de l'autre brin. Cependant, d'autres types de spirales sont envisageables, telles que les spirales dites "logarithmiques" dans lesquelles il est prévu un taux d'expansion pour les largeurs des brins ainsi qu'un espacement grandissant entre ceux-ci. Au sens de la présente description, les termes "spirales" ou "antennes spirales" doivent être interprétés dans un sens très large couvrant tous les types de spirales.

Une telle antenne est susceptible de fonctionner dans une très large bande de fréquences, telle que le rapport de la fréquence supérieure à la fréquence inférieure soit par exemple de l'ordre de quatre. Sa fréquence inférieure de fonctionnement Fl est alors donnée en première approximation par la formule suivante pi.D = c/Fl = lambdal dans laquelle pi désigne le nombre réel sensiblement égal
à 3,14,
D désigne le diamètre externe de la spirale
SP,
c désigne la vitesse de la lumière,
Fl désigne la fréquence inférieure de fonc
tionnement, et
lambdal désigne la longueur d'onde associée
à la fréquence Fl.

Une antenne spirale présente également la particularité de rayonner, aussi bien dans la portion d'espace située en regard de la spirale SP que dans la portion d'espace en regard de l'autre face, ou face arrière, du support SU.

Aussi, si l'on souhaite limiter ce rayonnement à la portion d'espace située en regard de la face avant du support, on peut disposer l'autre face de ce dernier au contact d'une cavité CA remplie d'un matériau absorbant les ondes électromagnétiques haute fréquence dans une large bande.

L'alimentation des deux brins d'une telle antenne s'effectue par deux fils Fil et FI2 connectés aux extrémités respectives des deux brins situées au centre de la spirale. L'alimentation en signaux électriques haute fréquence s'effectue généralement à l'aide d'un cable coaxial CO, qui est par nature asymétrique, puisqu'il comporte une âme centrale et une gaine. Un bon fonctionnement d'une antenne spirale requiert, en raison de ses caractéristiques géométriques symétriques, une alimentation en signaux électriques de type "symétrique", c'est-à-dire identique pour les deux brins. Aussi, est-il nécessaire de prévoir, à 1' arrière de la cavité CA, un élément électronique symétriseur SY assurant cette fonction de symétrisation. I1 convient de remarquer ici que les deux fils FI1 et FI2, traversant la cavité de matériau absorbant CA, ne perturbent pas le rayön- nement de l'antenne puisque celui-ci est inhibé dans la portion d'espace arrière.

Afin notamment de bénéficier des propriétés de fonctionnement très large bande des antennes spirales, il a été envisagé de regrouper celles-ci en réseau. Une solution pourrait consister à disposer ces spirales côte à côte tel qu'illustré très schématiquement sur la figure 3. Cependant, une telle solution ne donne pas satisfaction pour les raisons qui sont maintenant évoquées.

On sait en effet que le bon fonctionnement d'un réseau à une fréquence donnée dépend étroitement du pas d'espacement des antennes élémentaires constituant ce réseau. Ainsi, pour une longueur d'onde lambda, correspondant à une fréquence de fonctionnement donnée, il est nécessaire que le pas p du réseau soit inférieur ou égal à la moitié de la valeur de cette longueur d'onde. En effet, si le pas p excède la moitié de cette valeur, le diagramme de rayonnement du réseau peut présenter un lobe parasite, ou "lobe de réseau", décalé par rapport au lobe principal utile de ce réseau et perturbant le fonctionnement de ce dernier.

Le pas p d'un tel réseau est minimal lorsque les spirales sont voisines les unes des autres de sorte que leur diamètre externe respectif D soit sensiblement égal au pas p. A la fréquence basse de fonctionnement Fl, correspondant à la longueur d'onde lambdal, le pas p, égal par ailleurs au diamètre D, prend alors, par application de la formule évoquée plus haut, la valeur (lambdal /pi). I1 ne se pose alors à cette fréquence aucun problème de fonctionnement puisque le pas p est inférieur à (lambdal /2).

Cependant, si l'on souhaite faire fonctionner ce réseau dans une très large bande de fréquences allant jusqu'à une fréquence haute de fonctionnement F2 égale par exemple à quatre fois la fréquence basse de fonctionnement F1, on s'aperçoit que le pas p est alors égal au produit de la longueur d'onde lambda2, correspondant à la fréquence F2, par un facteur égal à 4/pi. Le fonctionnement du réseau est donc altéré à la fréquence F2 par la présence d'un lobe de réseau puisque le pas p est supérieur à lambda2 et donc a fortiori à (lambda2 /2).

L'invention vient apporter une solution à ce problème.

La Demanderesse a en effet observé que dans un dispositif d'antennes comportant une pluralité d'éléments rayonnants (au moins deux) ayant chacun une zone conformée en spirale, il convenait que l'un au moins d'entre eux possédât un prolongement des brins de sa spirale ayant des caractéristiques géométriques différentes de celles de ladite spirale.

A partir de cette observation très générale, la Demanderesse a mis en oeuvre l'invention dans un mode particulier de réalisation illustré sur la figure 4.

Sur cette figure, à des fins de simplification, n'ont été représentées que les configurations géométriques des brins des différentes spirales, une paire de bornes d'alimentation en signaux électriques haute fréquence étant naturellement prévue pour chacun des éléments rayonnants de ce réseau.

Ce réseau devant fonctionner à partir d'une fréquence basse
F1, la longueur des deux brins de chaque élément rayonnant du réseau, longueur identique pour tous les éléments rayonnants, est déterminée pour qu'une antenne spirale élémentaire formée par ces deux brins ait un diamètre externe D permettant le fonctionnement à cette fréquence basse Fl.

Le réseau devant fonctionner dans une très large bande de fréquences jusqu'à une fréquence haute F2, par exemple égale à quatre fois la fréquence basse, on choisit un pas de réseau p2 généralement inférieur, et de préférence égal, à la moitié de la valeur de la longueur d'onde lambda2. Les deux brins de chaque élément rayonnant du réseau sont alors enroulés de façon adjacente pour former une zone conformée en spirale ayant un diamètre externe D2 sensiblement égal au pas p2. Toutes ces zones conformées en spirales SP1-SP7 sont alors alignées côte à côte sur le substrat de façon à former une rangée.

Le surplus de longueur des brins Bli et B2i d'un élément rayonnant est alors disposé sur la surface libre du substrat et forme un prolongement PBli et PB2i ayant des caractéristiques géométriques différentes de celles de la spirale correspondante SPi.

Ainsi, dans cet exemple, les deux brins PBli et PB2i du prolongement de la spirale SPi quittent cette dernière en des points diamétralement opposés et circulent autour de toutes les zones SPl-SP7 des éléments rayonnants dans le même sens que celui des spirales. En d'autres termes, tous les brins de tous les prolongements circulent de façon adjacente les uns aux autres pour former une couronne périphérique entourant complètement les spirales SPl-SP7.

Un tel réseau fonctionne alors correctement à la fréquence haute F2, puisque le pas a été déterminé en conséquence.

Il fonctionne également correctement à toutes les autres fréquences jusqu'à la fréquence basse Fl puisque le pas p2, calculé pour la fréquence haute F2, est forcément inférieur à la moitié de la valeur de la longueur d'onde lambda correspondant à cette fréquence basse de fonctionnement.

Il convient également de remarquer que la contribution du rayonnement de ce dispositif d'antenne est principalement fournie par les spirales SPi en ce qui concerne la fréquence haute de fonctionnement alors que la couronne périphérique
CP contribue principalement pour la fréquence basse de fonctionnement.

Cependant, il peut être avantageux que les lignes de cette couronne périphérique CP soient partiellement ou totalement recouvertes d'un matériau à pertes hyperfréquence, tels que les matériaux chargés en ferrite (Ferrite). Dans ce cas, les lignes de cette couronne ne participent pas directement au rayonnement en bas de bande puisqu'elles amortissent l'onde électromagnétique tout au long de son parcours sur ces lignes. En contrepartie, ces lignes permettent alors d'améliorer notablement les performances en bas de bande en évitant très largement la propagation de retour de l'onde électromagnétique dans la spirale, propagation engendrée par la réflexion de l'onde électromagnétique en bout de brin.

On peut bien entendu contrôler ce rayonnement en bas de bande par une localisation appropriée du matériau à perte, remarque étant faite que de toute façon ce rayonnement basse fréquence se produit également pour une faible part au niveau des spirales SPi, et ce, sans pratiquement aucune perturbation.

L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation cidessus décrit mais en embrasse toutes les variantes contenues dans le cadre des revendications ci-après.

Ainsi, le prolongement des brins des spirales peut se situer dans le plan de ces dernières ou bien hors de ce plan. De même, dans l'un et/ou l'autre des cas, ce prolongement peut circuler, ou ne pas circuler autour desdites spirales.

On a décrit ci-avant des spirales ayant toutes dans leur plan la même configuration angulaire. L'homme de l'art sait qu'il est possible de faire varier la phase d'une antenne spirale en agissant sur cette configuration angulaire. Une telle considération peut s'appliquer à la présente invention.

Bien entendu, certains des moyens décrits ci-dessus peuvent être omis dans les variantes où ils ne servent pas.

Claims (12)

Revendications.

1. Dispositif d'antenne, caractérisé en ce qu'il comprend, sur un support (SU), au moins deux éléments rayonnants et une paire de bornes d'alimentation en signaux électriques haute fréquence pour chacun de ces éléments, et en ce que chacun de ces deux éléments comporte une zone conformée en spirale (SPi), l'un au moins d'entre eux possédant un prolongement (PBli, PB2i) des brins de sa spirale ayant des caractéristiques géométriques différentes de celles de ladite spirale.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque élément possède un prolongement des brins de sa spirale ayant des caractéristiques géométriques différentes de celles de cette spirale.

3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le pas d'espacement (p2) des spirales est sensiblement inférieur ou égal à la moitié de la longueur d'onde correspondant à la fréquence haute de fonctionnement du dispositif.

4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caracté risé en ce que les diamètres externes respectifs (D2) desdites spirales sont sensiblement égaux.

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le pas d'espacement est sensiblement égal au diamètre externe des spirales.

6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit prolongement circule autour de zones conformées en spirale des éléments rayonnants dans le même sens que celui desdites spirales, les deux brins de ce prolongement formant mutuellement une couronne périphérique (CP).

7. Dispositif selon les revendications 2 et 6 prises en combinaison, caractérisé en ce que tous les brins de tous les prolongements circulent de façon adjacente les uns aux autres pour former ladite couronne périphérique entourant complètement les spirales.

8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'éléments rayonnants dont les zones conformées en spirale forment une rangée.

9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que toutes les spirales des éléments rayonnants de ladite rangée ont la même configuration angulaire.

10. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que les deux brins du prolongement d'une spirale quittent ladite spirale en des points diamétralement opposés de ladite spirale.

11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, carat térisé en ce que la longueur de tous les brins de tous les éléments rayonnants est sensiblement identique et déterminée en fonction de la fréquence basse de fonctionnement du dispositif.

12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un prolongement de brins est recouvert au moins partiellement d'un matériau à pertes hyperfréquence.