FR2973587A1 - Antenne reseau directive large bande, du type a circuit imprime - Google Patents

Antenne reseau directive large bande, du type a circuit imprime Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne une antenne directive large bande du type à circuit imprimé. L'antenne comporte au moins : - un plan rayonnant (1) composé d'un réseau de motifs élémentaires formant les éléments rayonnant ; - une surface haute impédance (2) formée d'un réseau métallique périodique en regard d'un plan de masse métallique, - un isolant électrique (3) disposé entre le plan rayonnant et la surface haute impédance ; au moins une bande passante de l'antenne étant centrée sur la fréquence de résonnance de la surface haute impédance. L'invention s'applique notamment pour la réalisation d'antennes à balayage électronique très compactes dont l'épaisseur peut être très faible. Ces antennes sont particulièrement adaptées aux applications radar ou de communication aéroportées.

Description

Antenne réseau directive large bande, du type à circuit imprimé La présente invention concerne une antenne directive large bande du type à circuit imprimé. Elle s'applique notamment pour la réalisation d'antennes à balayage électronique très compactes dont l'épaisseur peut être très faible. Ces antennes sont particulièrement adaptées aux applications radar ou de communication aéroportées. Elles sont également susceptibles de pouvoir remplir les mêmes fonctions sur des véhicules terrestres et/ou navals.
La technologie des antenne imprimées permet de réaliser des antennes directives en réalisant des éléments rayonnants par gravure de motifs métalliques sur une couche diélectrique comportant un plan de masse métallique en face arrière. Cette technologie conduit à des antennes très compactes simples à réaliser et donc peu onéreuses. Cependant, elle présente notamment l'inconvénient de se prêter difficilement à la réalisation d'antennes à large bande de fréquences en raison notamment du plan de masse métallique disposé en face arrière. L'existence d'un tel plan de masse est cependant inévitable en raison généralement de la structure mécanique sur laquelle est placée l'antenne.
Un but de l'invention est notamment de pallier l'inconvénient précité. A cet 20 effet, l'invention a pour objet une antenne réseau de type circuit imprimé, cette antenne comportant au moins : un plan rayonnant composé d'un réseau de motifs élémentaires formant les éléments rayonnant ; une surface haute impédance formée d'un réseau métallique 25 périodique en regard d'un plan de masse métallique, un isolant électrique disposé entre le plan rayonnant et la surface haute impédance ; au moins une bande passante de l'antenne étant centrée sur la fréquence de résonnance de la surface haute impédance. 30 La distance entre le plan rayonnant et la surface haute impédance est par exemple sensiblement égale à À/4, À étant la longueur d'onde correspondant à la fréquence de résonnance de la surface haute impédance.
Dans un mode de réalisation possible, deux éléments consécutifs du réseau de la surface haute impédance sont connectés par des composants à capacité variable, ladite capacité étant apte à être commandée, la variation de la capacité modifiant la fréquence de résonnance de la surface haute impédance. Les éléments consécutifs, selon les lignes et les colonnes du réseau, sont par exemple connectés par les composants à capacité variable. Les composants à capacité variable peuvent être les diodes d'un varactor dont la capacité est commandable en tension.
Un élémént sur deux est par exemple porté à une tension +V et un motif sur deux est porté à une tension -V, les quatre motifs entourant un motif portés à la tension +V étant tous quatre portés à -v et vice versa, les cathodes de toutes les diodes étant reliées à une des deux tensions et les anodes étant reliées à l'autre tension, la capactité des diodes variant avec la valeur de la tension +V. Deux éléments rayonnant consécutifs du réseau du plan rayonnant sont par exemple reliés par une ligne bifilaire, un premier conducteur de ladite ligne étant relié à un élément et l'autre conducteur étant relié à l'élément suivant. Un premier conducteur de la ligne est par exemple porté à une tension donnée et l'autre conducteur est porté à la tension donnée opposée. Dans un mode de réalisation particulier, deux éléments rayonnant du plan rayonnant étant des pavés métalliques, les lignes bifilaires sont raccordées aux éléments rayonnant au niveau de leurs angles. La distance entre le plan rayonnant et la surface haute impédance est par 25 exemple inférieure à À étant la longueur d'onde correspondant à la fréquence de résonnance de la surface haute impédance. La distance entre le plan rayonnant et la surface haute impédance peut être suffisamment faible pour que l'antenne comporte une seule bande passante centrée sur la fréquence de résonnance de la surface haute impédance, 30 ladite fréquence variant avec la valeur de la capacité variable.
L'invention a notamment comme principal avantage qu'elle permet de modifier facilement la bande passante instantanée de l'antenne par la variation d'une tension de commande.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : la figure 1, par une vue en coupe, les différents composants possibles d'une antenne selon l'invention ; la figure 2, un exemple de réalisation du plan rayonnant d'une antenne 10 selon l'invention ; la figure 3, un exemple de réalisation d'une surface haute impédance disposée en face arrière d'une antenne selon l'invention ; la figure 4, un exemple de système de commande de la fréquence de résonnance de la surface haute impédance ; 15 la figure 5, des représentations différentes valeurs de modules de coefficients de réflexions en fonction de la fréquence, pour une antenne selon l'invention.
La figure 1 présente par une vue en coupe les différentes parties d'une 20 antenne selon l'invention. Elle comporte notamment : un plan rayonnant 1 ; un plan de masse électrique structuré 2 ; un isolant électrique 3 disposé entre le plan rayonnant 1 et le plan de masse structuré 2, constitué par exemple d'une ou plusieurs couches 25 de matériau diélectrique ; et par exemple un ensemble de lignes bifilaires d'alimentation 4 traversant l'isolant 3 et reliant le plan de masse structuré 2 au plan rayonnant 1.
30 La figure 2 présente par une vue de face un exemple de réalisation du plan rayonnant 1 de l'antenne. Ce dernier est composé d'un réseau de motifs élémentaires 21, formant les éléments rayonnant de l'antenne, imprimés sur une couche de matériau diélectrique formant l'isolant 3. Dans l'exemple de la figure 2, les motifs 21 sont des pavés métalliques alimentés par les fils 35 d'alimentation 4. La structure du réseau est auto-complémentaire.
Les motifs du plan rayonnant sont donc par exemple imprimés sur un empilement 3 de couches diélectriques posées sur le plan de masse structuré 2 permettant notamment d'accorder l'antenne. L'excitation du plan rayonnant est effectuée par la ligne bifilaire 4 dont les conducteurs 401, 402 sont soudés à la jonction 25 entre deux pavés 21. Plus particulièrement un premier conducteur 401 de la ligne bifilaire 4, porté par exemple à un potentiel +VRF, est connecté à un coin d'un pavé alors que le deuxième conducteur 402, porté par exemple à un potentiel -VRF, est connecté au coin en regard, appartenant à l'autre pavé. La liaison par ligne bifilaire permet de polariser le rayonnement produit par les éléments 21. Des lignes 28, 29 délimitent les surfaces couvertes par les mailles élémentaires 20 du réseau. On obtient ainsi un champ rayonné polarisé suivant les directions ±45°. La recombinaison de ces polarisations 201, 202, 203, 204 permet d'obtenir : 15 une polarisation verticale ; une polarisation horizontale ; ou encore une polarisation circulaire droite ou gauche. Dans ces conditions, et suivant le type de recombinaison choisi, le centre de phase 24 de chaque recombinaison est localisé au centre de chaque maille 20 25 du réseau. Pour décrire la construction de ces polarisations, on nomme a, b, c, d les quatre polarisations 201, 201, 203, 204 générées aux jonctions entre les motifs 21 entourant successivement les centres de phase 24. Les différentes polarisations précitées sont obtenues en effectuant les recombinaisons 25 suivantes : la polarisation verticale Pv est obtenue en additionnant les quatre polarisations, ce qui peut se noter symboliquement Pv = a + b + c + d ; la polarisation horizontale Ph est obtenue en sommant les polarisations parallèles puis en retranchant une polarisation à une autre, 30 soit Ph = (a+d) - (b+c) ; - la polarisation circulaire Pc droite ou gauche est obtenue en sommant les polarisations parallèles puis en additionnant ou retranchant une polarisation à une autre avec un déphase de 90°, ce que l'on peut noter symboliquement Pc = (a+d) ± j(b+c), où j est le nombre complexe. 35 La figure 3 illustre un exemple de réalisation du plan de masse structuré 2. Le plan de masse structuré est une surface à haute impédance, dite SHI, faisant partie de la classe des métamatériaux. Il est composé d'un réseau périodique métallique 30 posé sur une couche diélectrique elle-même posée sur un plan de masse métallique. Les éléments 31 du réseau sont disposés en lignes et en colonnes. Le pas du réseau 39 est inférieur au pas 29 du réseau du plan rayonnant. Des vias, ou trous métallisés, 32 raccordent le plan de masse métallique à chaque élément 31 du réseau métallique. Des capacités variables 34 sont par exemple connectées entre deux éléments métalliques 31 consécutifs du réseau. Dans l'exemple de réalisation de la figure 3, deux éléments 31 consécutifs du réseau sont connectés par l'intermédiaire d'une capacité variable 34, selon les lignes et les colonnes du réseau. La commande de ces capacités variables est par exemple amenée à travers les vias. La variation de ces capacités 34 permet de faire varier la fréquence de résonance de la SHI. Les capacités variables sont par exemple des varactors ou des MEMS capacitifs.
La figure 4 présente le circuit de commande des capacités variables. A titre 20 d'exemple, les capacités variables sont les capacités de diodes varactor 34, commandables par une tension. La figure 4 présente par une vue en coupe des motifs métalliques 31 reliés par des vias 32 au plan de masse métallique de la SHI porté au potentiel électrique -V. Des trous 45 sont par exemple réalisés dans le plan métallique 25 41 pour permettre aux vias d'atteindre une source de tension, non représentée, délivrant le potentiel +V. D'autres motifs 31', intercalés entre les précédents motifs relié à -V, sont reliés par des vias 32' à un potentiel de commande +V. De cette façon, un motif 31 sur deux est relié à +V et un motif sur deux est connecté à -V. Les quatre motifs 31' entourant un motif 31 30 portés à +V sont tous quatre portés à -V et vice versa. Dans cet exemple de configuration les cathodes de toutes les diodes sont reliées à la tension -V et les anodes sont reliées à la tension +V. Toutes les diodes sont commandées en même temps avec la même tension de commande +V.
La tension +V est par exemple celle d'un plan métallique ou d'une grille métallique. Il en résulte que la tension de commande +V permet d'ajuster la fréquence à une fréquence fo pour laquelle la phase du champ réfléchi par la SHI est nulle. Dans ce cas, la SHI se comporte comme un conducteur magnétique parfait, c'est-à-dire que contrairement à un conducteur électrique parfait où le coefficient de réflexion est égal à -1, son coefficient de réflexion est égal à +1. Le champ arrière, généré par les éléments rayonnants 21, est ainsi réfléchi par le plan de masse structuré 2 sans déphasage. Si de plus, la hauteur de l'isolant 3 est sensiblement égale à À/2 à cette même fréquence fo, où À = 1/fo, alors l'antenne présente un rayonnement avant, optimal à cette fréquence. En effet, le champ arrière subit un déphasage total aller-retour sur le plan de masse de 21c. De façon générale, la phase du champ réfléchi par la SHI varie en fonction 15 de la fréquence dans l'intervalle [0, 2n], la tension de commande permettant de régler le passage par zéro de la phase. Il est aussi possible de prévoir une hauteur d'isolant 3 égale à À/4, À étant la longueur d'onde correspondant à la fréquence fo/2. La SHI présente alors une phase égale à n, conformément à une propriété de la SHI, avec une 20 fréquence de résonnance égale à fo. Une solution classique avec un plan de masse parfaitement conducteur ne permettrait alors d'obtenir qu'une bande passante autour de la fréquence fo/2. L'invention permet d'obtenir une seconde bande passante autour de la fréquence fo. La première bande passante correspond à la solution classique 25 d'une antenne positionnée à ?J4 au-dessus d'un plan de masse parfaitement conducteur tandis que la seconde bande passante, centrée sur fo, est due à la présence de la SHI.
Dans le cas général, la combinaison du déphasage introduit par l'isolant, 30 variable avec la fréquence, et de la capacité de la SHI variable avec la fréquence et commandable avec la tension de commande +V permet de déplacer la bande passante de l'antenne autour d'un point de fonctionnement désiré. La largeur de la bande passante est égale à la bande pour laquelle la variation de la phase réfléchie par la SHI est comprise entre ± 45°. 35 Ainsi selon une première variante de réalisation, dans le cas où la SHI n'est pas commandable, l'invention permet d'obtenir une antenne réseau compacte, large bande et d'épaisseur très faible, par exploitation d'une bande passante correspondant au fonctionnement classique d'une antenne réseau, avec une épaisseur d'isolant de À/4 au-dessus d'un plan de masse parfaitement conducteur et d'une seconde bande passante liée à la résonance de la SHI, correspondant à une épaisseur de X/2 au-dessus d'une SHI à la résonance. Dans une deuxième variante de réalisation, dans le cas où la SHI est commandable, l'invention permet d'obtenir une antenne réseau compacte, large bande et d'épaisseur très faible, par exploitation d'une bande passante correspondant au fonctionnement classique d'une antenne réseau, avec une épaisseur d'isolant À/4 au-dessus d'un plan de masse parfaitement conducteur et d'une seconde bande passante liée à la résonance de la SHI, correspondant à une épaisseur de ?J2 au-dessus d'une SHI à la résonance. Cette seconde bande passante étant commandable en jouant sur la tension ±V.
Si l'antenne est positionnée immédiatement au-dessus de la SHI, c'est-à-dire que l'épaisseur de l'isolant 3 est très faible alors l'antenne ne présente plus qu'une seule bande passante éventuellement commandable par la variation de la tension de commande. Il est à noter que la forme du motif de la SHI peut être adaptée pour optimiser la largeur de la bande passante instantanée.
La figure 5 illustre la bande passante d'une telle antenne en fonction de la fréquence variant de 4 GHz à 18 GHz. Plus particulièrement, la figure 5 présente le module du coefficient de réflexion de l'antenne, encore appelé « Return Loss », exprimé en dB, en fonction de la fréquence. La figure 5 présente le « Return Loss » de l'antenne en fonction de la fréquence pour quatre valeurs de capacités 34. Le RL est ainsi représenté par quatre courbes successives 51, 52, 53, 54. Ces quatre courbes montrent que la bande passante varie et qu'elle peut être déplacée dans des proportions importantes en fonction de la valeur de la capacité variable 34 placée entre les éléments métalliques 31 du motif 30. Ainsi, avantageusement, la bande passante instantanée peut être modifiée à tout instant, facilement, par une simple tension de commande appliquée sur les capacités variables disposées entres les éléments métalliques du plan de masse structuré 2. A titre d'exemple, une première courbe 51 correspond à une valeur de capacité égale à 2,5 pF, une deuxième courbe 52 correspond à une valeur égale à 0,5 pF, une troisième courbe 53 correspond à une valeur égale à 0,1 pF et une quatrième courbe correspond à une valeur égale à 0,02 pF.
L'invention apporte notamment les avantages suivants : elle permet de déplacer la bande passante choisie autour d'une fréquence désirée ; elle permet de rendre non passante des bandes de fréquences non utiles à un moment donné, simplifiant ainsi le problème important du filtrage nécessaire dans les antennes multifonctions ; elle permet de faire varier la largeur de faisceau d'une antenne.20

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Antenne réseau de type circuit imprimé, caractérisée en ce qu'elle 5 comporte au moins : - un plan rayonnant (1) composé d'un réseau de motifs élémentaires (21) formant les éléments rayonnant ; - une surface haute impédance (2) formée d'un réseau métallique périodique (30) en regard d'un plan de masse métallique (41), 10 - un isolant électrique (3) disposé entre le plan rayonnant et la surface haute impédance ; au moins une bande passante de l'antenne étant centrée sur la fréquence de résonnance de la surface haute impédance. 15
  2. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la distance entre le plan rayonnant (1) et la surface haute impédance (2) est égale à À/4, À étant la longueur d'onde correspondant à la fréquence de résonnance de la surface haute impédance. 20
  3. 3. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que deux éléments consécutifs (31, 31') du réseau de la surface haute impédance sont connectés par des composants (34) à capacité variable, ladite capacité étant apte à être commandée, la variation de la capacité modifiant la fréquence de résonnance de la surface haute 25 impédance.
  4. 4. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que les éléments (31, 31') consécutifs, selon les lignes et les colonnes du réseau, sont connectés par les composants (34) à capacité variable.
  5. 5. Antenne selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que les composants à capacité variable (34) sont les diodes d'un varactor dont la capacité est commandable en tension. 35
  6. 6. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'un élément (31) sur deux est porté à une tension +V et un motif sur deux est porté à une 30tension -V, les quatre motifs (31') entourant un motif (31) portés à la tension +V étant tous quatre portés à -V et vice versa, les cathodes de toutes les diodes étant reliées à une des deux tensions et les anodes étant reliées à l'autre tension, la capacité des diodes variant avec la valeur de la tension +V.
  7. 7. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que deux éléments rayonnant (21) consécutifs du réseau du plan rayonnant (1) sont reliés par une ligne bifilaire (4), un premier conducteur (401) de ladite ligne étant relié à un élément et l'autre conducteur (402) étant relié à l'élément suivant.
  8. 8. Antenne selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'un premier conducteur (401) de la ligne est porté à une tension donnée et l'autre conducteur (402) est porté à la tension donnée opposée.
  9. 9. Antenne selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisée en ce que les éléments rayonnant (21) du plan rayonnant (1) étant des pavés métalliques, les lignes bifilaires (4) sont raccordées aux éléments rayonnant au niveau de leurs angles. 20
  10. 10. Antenne selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisée en ce que la distance entre le plan rayonnant (1) et la surface haute impédance (2) est inférieure à À. 25
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