FR3003701A1 - Antenne filaire amelioree a large bande de frequences. - Google Patents

Abstract

Cette Antenne filaire à large bande de fréquences (2) comporte un élément rayonnant (4) et un plan réflecteur (8), qui est situé à une distance prédéterminée au-dessous de l'élément rayonnant, l'élément rayonnant comportant au moins un fil métallique conformé, dans une surface de rayonnement (S), selon un motif présentant une direction caractéristique (D) à partir d'un point origine (O, E). Elle se caractérise en ce qu'elle comporte un substrat (6) disposée entre l'élément rayonnant et le plan réflecteur, ledit substrat ayant une épaisseur constante (h) et présentant au moins une grandeur électromagnétique caractéristique qui est une fonction d'une distance (r) au point origine (0,E) selon la direction caractéristique (D). Le substrat est muni d'une pluralité de trous (20) dont la densité par unité de surface est une fonction de la distance au point origine.

Description

Antenne filaire améliorée à large bande de fréquences L'invention a pour domaine celui des antennes filaires à large bande de fréquences. Dans un système d'écoute électromagnétique, par exemple aéroporté, les antennes, qui sont utilisées soit unitairement soit en réseau goniométrique ou interférométrique, doivent fonctionner dans une très large bande de fréquences et dans une polarisation circulaire, linéaire ou double linéaire, car ni la fréquence ni la polarisation du signal à capter ne sont a priori connues. Il est à noter que les caractéristiques d'une antenne étant les mêmes en réception et en émission, une antenne peut être caractérisée soit en émission, soit en réception. Ces antennes doivent présenter un encombrement le plus réduit possible et, en particulier, une épaisseur faible. Elles doivent également présenter des performances de rayonnement (gain, qualité des diagrammes de rayonnement, etc.) reproductibles d'une antenne à l'autre, en particulier pour des applications en réseau ou pour en faciliter le remplacement lors d'une opération de maintenance. Dans ce contexte, il est connu d'utiliser des antennes filaires. Dans une telle antenne, l'élément rayonnant est constitué d'un fil métallique qui est conformé pour décrire, dans une surface dite de rayonnement, un motif du type en spirale ou du type log-périodique.

Dans une antenne du type en spirale, le fil métallique est enroulé sur lui-même de manière à former, en vue de dessus, une spirale. Cette spirale peut par exemple être une spirale d'Archimède, une spirale logarithmique, ou autre. Dans une antenne du type log-périodique, le fil métallique est conformé de manière à comporter, en vue de dessus, plusieurs brins. Chaque brin est inscrit dans un secteur angulaire, s'étend radialement et présente des indentations. La longueur de chaque dent et l'écartement entre deux dents successives d'un brin suivent une progression logarithmique. En pratique, en technologie planaire, l'élément rayonnant est réalisé par gravure d'une couche métallique fine, par exemple une couche de cuivre entre 2 et 20 1.1M, déposée sur un support de faible épaisseur. Dans une première antenne filaire de l'art antérieur, l'élément rayonnant, gravé sur une surface de rayonnement plane, est située au-dessus d'une cavité absorbante délimitée par des parois métalliques, est remplie d'un matériau absorbant les ondes électromagnétiques. L'élément rayonnant est propre à émettre une onde qui se propage vers l'avant de la surface de rayonnement (à l'écart de la cavité absorbante) et une onde qui se propage vers l'arrière de la surface de rayonnement (vers la cavité absorbante). Cette dernière est absorbée par la cavité absorbante. Une telle antenne présente un encombrement important à cause des dimensions de la cavité absorbante. Elle présente également un rendement faible puisque la moitié de la puissance émise par l'élément rayonnant est absorbée dans la cavité absorbante. Enfin, la reproductibilité des performances radioélectriques d'une telle antenne est difficile à obtenir, à cause d'un manque de maîtrise des caractéristiques électromagnétiques du matériau absorbant remplissant la cavité. Dans une seconde antenne filaire de l'art antérieur, l'élément rayonnant, gravé sur une surface de rayonnement plane, est situé au-dessus d'un plan réflecteur en métal. Dans cette antenne, l'onde émise vers l'arrière de la surface de rayonnement par l'élément rayonnant est réfléchie vers l'avant par le plan réflecteur. Lors de cette réflexion, l'onde est déphasée d'un angle Tr. L'onde réfléchie se propage vers l'avant et vient interférer, au-delà de la surface de rayonnement, avec l'onde émise vers l'avant par l'élément rayonnant. Cette interférence est constructive lorsque, pour une position du front d'onde, les phases des ondes émise vers l'avant et réfléchie vers l'avant sont proches. Ceci se produit si la distance séparant la surface de rayonnement et le plan réflecteur est proche de À/4, où À est la longueur d'onde dans le vide de l'onde émise par l'élément rayonnant.

L'épaisseur d'une telle antenne est réduite par rapport à celle d'une antenne à cavité absorbante. De plus, sa fabrication est fortement simplifiée et reproductible. Cependant, la bande de fréquences d'une telle antenne est restreinte à cause de la relation entre la fréquence de fonctionnement de l'antenne et la distance entre la surface de rayonnement et le plan réflecteur.

Dans une troisième antenne filaire de l'art antérieur, la l'élément rayonnant, gravé sur une surface de rayonnement plane, est disposé au-dessus d'un matériau à bande interdite électromagnétique (BIE) chargé par des résistances. Dans cette antenne, l'onde émise vers l'arrière par l'élément rayonnant est absorbée dans une couche peu épaisse constituée d'un plan réflecteur métallique surmonté de métal et du matériau BIE chargé par des résistances. L'épaisseur d'une telle antenne est réduite par rapport à celle d'une antenne à cavité absorbante et sa fabrication est relativement simple. Cependant, comme pour l'antenne à cavité absorbante, une telle antenne présente un rendement faible, puisque la moitié de la puissance rayonnée par l'élément rayonnant est absorbée dans le matériau BIE chargé par des résistances.

Dans une quatrième antenne filaire de l'art antérieur, l'élément rayonnant, gravé sur une surface de rayonnement plane, est disposé au-dessus d'un plan en un matériau conducteur magnétique parfait (PMC pour « Perfect Magnetic Conductor » en anglais). Dans cette antenne, l'onde émise par l'élément rayonnant vers l'arrière de la surface de rayonnement est réfléchie vers l'avant par le matériau PMC, avec un déphasage nul. Cette onde réfléchie vers l'avant vient interférer, au-delà de la surface de rayonnement, avec l'onde émise vers l'avant par l'élément rayonnant. Cette interférence est constructive à condition que, pour une position du front d'onde, les phases entre les ondes émise vers l'avant et réfléchie vers l'avant soient proches. Cette condition est remplie si la distance entre la surface de rayonnement et le plan PMC est très petite devant la longueur d'onde À. L'épaisseur d'une telle antenne est fortement réduite par rapport à celle d'une antenne à cavité absorbante. Cependant, la bande de fréquences accessible au moyen d'une telle antenne est restreinte. En effet, si la distance entre la surface de rayonnement et le plan PMC est choisie très faible, il y a une limitation aux fréquences basses à cause d'une forte diminution de l'impédance et l'établissement d'un court-circuit entre l'élément rayonnant et le plan PMC. En revanche, si cette distance est choisie plus grande, pour chaque fréquence de fonctionnement telle que À/4 soit un multiple de la distance entre la surface de rayonnement et le plan PMC, la puissance rayonnée vers l'avant de la surface de rayonnement est nulle. L'invention a donc pour but de pallier aux problèmes précités. A cette fin, l'invention a pour objet une antenne filaire à large bande de fréquences comportant un élément rayonnant et un plan réflecteur, qui est situé à une distance prédéterminée au-dessous de l'élément rayonnant, l'élément rayonnant comportant au moins un fil métallique conformé, dans une surface de rayonnement, selon un motif présentant une direction caractéristique à partir d'un point origine, caractérisée en ce qu'elle comporte un substrat disposée entre l'élément rayonnant et le plan réflecteur, ledit substrat ayant une épaisseur constante et présentant au moins une grandeur électromagnétique caractéristique qui est une fonction d'une distance au point origine selon la direction caractéristique. Suivant des modes particuliers de réalisation, l'antenne comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - la ou chaque grandeur électromagnétique caractéristique du substrat est choisie parmi une permittivité relative e ,.(r) , e eff (r) et une perméabilité relative ,ur(r) u eff (r) ; - la ou chaque grandeur électromagnétique caractéristique est une fonction croissante et sensiblement continue de la distance au point origine selon la direction caractéristique ; - la ou de chaque grandeur électromagnétique caractéristique est une fonction à gradient sensiblement continu de la distance au point origine selon la direction caractéristique ; - le substrat comporte une pluralité de trous dont une densité par unité de surface est une fonction de la distance au point origine selon la direction caractéristique, de manière à faire varier de manière adaptée la ou chaque grandeur électromagnétique caractéristique du substrat ; - chaque trou est un trou pratiqué selon l'épaisseur du substrat ; - les trous ont un diamètre inférieure à min/10 , de préférence à Âmin/ 20 , où min est la longueur d'onde à une fréquence de fonctionnement maximale Fmax de l'antenne ; - un diamètre des trous est une fonction de la distance au point origine selon la direction caractéristique ; - le diamètre des trous est constant ; - certains trous sont remplis d'un matériau présentant une valeur spécifique de la ou de chaque grandeur électromagnétique caractéristique différente de celle d'un matériau constitutif du substrat ; - la surface de rayonnement est conformée selon une géométrie adaptée à celle d'un porteur de l'antenne ; - le substrat résulte de la superposition d'une première couche en un matériau diélectrique et d'une seconde couche en un matériau magnétique - le motif de l'élément rayonnant est du type à spirale ou du type log-périodique. L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation en perspective d'un premier mode de réalisation d'une antenne filaire à large bande de fréquences, l'élément rayonnant étant conformé selon un motif du type en spirale ; - la figure 2 est une demi-section axiale de l'antenne de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue de dessus du substrat de l'antenne des figures 1 et 2 ; - la figure 4 est une vue de dessus d'une variante de réalisation de l'antenne de la figure 1 ; - la figure 5 est une représentation schématique en perspective d'un second mode de réalisation d'une antenne en technologie planaire, l'élément rayonnant étant du type en spirale ; - la figure 6 est une demi-section axiale de l'antenne de la figure 5 ; - la figure 7 est un graphe représentant l'évolution de la permittivité relative du substrat de l'antenne de la figure 5 en fonction de la distance au centre de l'antenne ; - la figure 8 est un graphe représentant le déphasage entre une onde émise vers l'avant par l'élément rayonnant et une onde réfléchie vers l'avant par le substrat de l'antenne de la figure 5, en fonction de la fréquence de fonctionnement de l'antenne ; - la figure 9 est un schéma blocs d'un procédé de dimensionnement de l'antenne des figures 5 à 8 ; - les figures 10 à 13 représentent des variantes de réalisation de l'antenne de la figure 5 ; et, - la figure 14 est une représentation schématique en vue d'une variante de réalisation de l'élément rayonnant des antennes des figures 1 et 5, l'élément rayonnant étant du type log-périodique. Un premier mode de réalisation d'une antenne filaire à large bande de fréquences va maintenant être décrit en détail.

Comme représenté sur les figures 1 et 2, l'antenne filaire à large bande de fréquences 2 comporte, empilés selon un axe A, un plan réflecteur 8, un substrat 6 et un élément rayonnant 4. L'élément rayonnant 4 est disposé dans une surface de rayonnement S, qui est plane.

L'élément rayonnant 4 comporte des premier et second fils métalliques 10 et 12 qui sont respectivement conformés selon un motif du type en spirale. Plus particulièrement, le motif forme une spirale d'Archimède. Chaque fil, 10, 12, est enroulé autour d'un point origine O, qui correspond à l'intersection de l'axe A et de la surface de rayonnement S.

Dans ce mode de réalisation, le motif présente une direction caractéristique D qui correspond à un rayon quelconque de la spirale, s'étendant radialement vers l'extérieur, à partir du point origine O. La distance au point origine O, le long de la direction caractéristique D, est repérée par la variable r. Le plan réflecteur 8 est un disque d'axe A et de rayon r0. Il est réalisé en un matériau métallique. Il est situé à une distance h au-dessous de la surface de rayonnement S. Il a pour fonction de réfléchir toute onde incidente quelle que soit sa fréquence. Le substrat 6 présente la forme générale extérieure d'un disque d'axe A et d'épaisseur constante, sensiblement égale à la distance h.

Le substrat 6 est en contact, par une surface inférieure 14, avec le plan réflecteur 8. L'élément rayonnant 4 est en fait réalisé par une opération de gravure, soit directement sur une surface supérieure 16 du substrat 6, soit sur un film 5 rapporté sur la surface supérieure 16 du substrat 6 comme cela est représenté sur la figure 2.

L'épaisseur du film 5 supplémentaire est à prendre en compte dans le calcul du déphasage affectant l'onde émise par l'élément rayonnant 4 vers l'arrière de la surface de rayonnement S. Un dispositif d'alimentation (non représenté) de l'élément rayonnant 4 est positionné au-dessous du plan réflecteur 8. Le plan réflecteur 8 et le substrat 6 sont munis d'un passage 18, le long de l'axe A, pour le passage d'un fil conducteur propre à être connecté à l'élément rayonnant 4, afin d'alimenter ce dernier comme il se doit. En fonctionnement, une zone active Z de l'élément rayonnant 4 émet une onde S1 directe se propageant vers l'avant, c'est-à-dire à l'écart du substrat 6, et une onde S2 se propageant vers l'arrière, c'est-à-dire en direction du substrat 6.

L'onde S2 traverse le substrat 6, est réfléchie par le plan réflecteur 8, puis traverse à nouveau le substrat 6. L'onde S2 est déphasée d'un angle q;$ lors de chaque traversée du substrat 6 et d'un angle Ir lors de la réflexion sur le plan réflecteur 8. L'onde S2 émergeant du substrat 6, se propage vers l'avant. Elle interfère avec l'onde S1 directe au-delà de la surface de rayonnement S. Pour que l'interférence entre les ondes S1 et S2 soit constructive, il faut que le déphasage total AO affectant l'onde S2 se situe dans l'intervalle [-120°; +1201. Or, le déphasage total AO est donné par l'équation : 00= -40-1-7r = -2,07/ +7t. (1) Avec 2 ft-F fi= (2) Où e,. la permittivité électrique relative du matériau diélectrique constitutif du substrat 6 traversé par l'onde S2, c'est-à-dire celle du matériau immédiatement au-dessous de la zone active Z.

Plus précisément, pour le calcul du déphasage, il conviendrait de considérer non pas la permittivité relative du substrat mais sa permittivité relative effective qui dépend : de la permittivité relative du matériau utilisé comme substrat ; de la permittivité relative du matériau utilisé comme film 5 de support de l'élément rayonnant ; de grandeurs géométriques, telles que la distance h entre la surface rayonnante et le plan réflecteur métallique, la distance entre fils de l'élément rayonnant, ... En toute rigueur, l'équation à utiliser s'écrit donc : 27F. Je fi= C où eeff la permittivité relative effective du matériau diélectrique constitutif du substrat 6 traversé par l'onde S2, c'est-à-dire celle du matériau immédiatement au-dessous de la zone active Z. Dans une explication simplifiée du fonctionnement d'une antenne filaire, à une fréquence de fonctionnement F, l'élément rayonnant 4 est actif dans une zone active Z qui correspond à un anneau, d'axe A et de rayon r, dont le périmètre est sensiblement égal à la longueur d'onde À = c/F, où c est la vitesse de la lumière dans le vide : 27tr = c I F , soit F = c 12e. (3) Ainsi, plus la fréquence de fonctionnement F augmente, plus la zone active Z se déplace de l'extérieur vers le point central O de l'élément rayonnant 4. C'est donc la partie périphérique de l'élément rayonnant qui rayonne aux fréquences de fonctionnement basses et la partie centrale de l'élément rayonnant 4 qui rayonne aux fréquences de fonctionnement hautes. Pour que l'antenne fonctionne sur une large bande de fréquences, le substrat 6 présente une permittivité électrique relative er(r) qui est une fonction de la distance r au point origine O, telle que le déphasage introduit par le matériau du substrat 6 situé au-dessous de la zone active Z à la fréquence de fonctionnement soit dans l'intervalle [120 ;+1201. Idéalement, le déphasage introduit à la fréquence de fonctionnement F est nul (A0 = 0 ), de sorte que, en utilisant les équations (1), (2) et (3), la permittivité électrique relative er dépend de la variable r selon l'équation : 2 er (r) = e, (2 hf- -r--) (4) Où e0 est la permittivité électrique du vide. Une première manière de réaliser un substrat dont la permittivité électrique relative Er dépend de la distance r au point origine O va maintenant être présentée. Le substrat 6 est réalisé d'un unique matériau qui se caractérise par une permittivité électrique relative erm élevée. L'ajustement de la permittivité électrique relative Cr du substrat 6 en fonction de la distance r à l'axe A est obtenu en pratiquant une pluralité de trous 20 dans le matériau constitutif du substrat 6, sur la surface inférieure 14 du substrat 6. Lorsque l'élément rayonnant 4 est gravé directement sur la surface supérieure 16 du substrat 6, les trous 20 ne débouchent pas sur la surface supérieure 14 du substrat 6. Dans la variante où l'élément rayonnant 4 est gravé sur un film 5 rapporté sur la surface supérieure 16 du substrat 6, chaque trou 20 est avantageusement traversant et débouche sur la surface inférieure 14 du substrat 6. Chaque trou 20 est un micro tube pratiqué selon l'épaisseur du substrat, sensiblement parallèlement à l'axe A de l'antenne. Chaque trou 20 a un diamètre réduit par rapport à une longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne. Pour éviter tout phénomène parasite, le diamètre des trous 20 est strictement inférieur à 1/10ième, de préférence 1/20iè", de la longueur d'onde minimale Àmin de l'antenne 2, qui est inversement proportionnelle à la fréquence de fonctionnement maximale Fmax de celle-ci. Par exemple, pour une fréquence de fonctionnement maximale Fmax de 15 GHz, le diamètre des trous 20 est inférieur à environ 1 mm. Dans le présent mode de réalisation, tous les trous 20 ont le même diamètre, ce qui facilite le procédé de fabrication du substrat. La densité de trous 20 par unité de surface du substrat 6 est alors choisie en fonction de la distance r, pour adapter la valeur locale de la permittivité électrique relative Er du substrat 6. Pour le dimensionnement de l'antenne, on définit, dans un premier temps, la bande de fréquences sur laquelle on souhaite que l'antenne 2 fonctionne. On définit ainsi les fréquences de fonctionnement minimale Fmin et maximale Fmax. L'épaisseur h du substrat 6 est ensuite déterminée de façon qu'à la fréquence Fmax, l'épaisseur h soit sensiblement égale à Àmin/4.

Puis, le matériau constitutif du substrat 6 est sélectionné en fonction de la valeur de sa permittivité électrique relative ErM , de façon à ce qu'à la fréquence Fmin, correspondant à la longueur d'onde maximale Àmax, on ait approximativement la relation : max h= (5) 4-1e71,1 On détermine ensuite la densité de trous par unité de surface. Selon une première approche simple, une aire élémentaire SO de la surface supérieure 16 du substrat 6 est percée de N trous 20 ayant chacun une section As. Le taux de remplissage '1" , exprimé en pourcentage, du matériau diélectrique constitutif du substrat 6 est alors donné par : As r =100.(1- N(r)-) (6) SO La permittivité électrique relative Er(r) du substrat 6 est alors obtenue par l'expression : AS' er(r)= erm(1- N(r)s)+1.(N(r)-AsSO SOj= (1- erm)N(r)-+ erm SO L'équation (4) permet de déduire de l'expression précédente, la densité N de trous Une fois cette densité déterminée, les trous 20 sont réalisés, par exemple par une fraiseuse numérique ou un laser piloté numériquement, dans le matériau sélectionné pour constituer le substrat.

Le substrat 6 présente finalement une permittivité électrique relative er(r) qui est une fonction de la variable r à la fois croissante, continue et à gradient continu. En variante, les trous 20 peuvent être de section As variable. De préférence, la section As est une fonction de la distance r : elle est plus petite vers le centre O de l'antenne et plus importante vers l'extérieur de celle-ci. L'homme du métier saura comment adapter le calcul de la densité de trous. L'homme du métier sait comment déterminer le déphasage d'une onde à la traversée d'un milieu caractérisé par une valeur particulière de la permittivité électrique relative er(r) et/ou de la perméabilité magnétique relative pr(r). En conséquence, de nombreuses variantes de réalisation de l'antenne sont envisageables en fonction des propriétés électromagnétiques du matériau constitutif du substrat. (7) 20 par unité de surface en ( 1 fonction r : 1 SO e0 de la distance (8) -= (7r r12 e 2 h ) rM N(r) 1 - erm As Par exemple, à la place d'un substrat réalisé en un matériau diélectrique, le substrat est réalisé en un matériau magnétique. Dans une variante de réalisation représentée sur la figure 4, certains des trous dont est muni le substrat 106 sont remplis d'un matériau se différenciant du matériau constitutif du substrat 106 par une valeur spécifique de la perméabilité relative. Ainsi, une portion centrale du substrat 106 est percée de trous 120 qui sont vides afin de diminuer la permittivité relative du substrat 106 à l'aplomb des zones actives de l'élément rayonnant 4 aux fréquences de fonctionnement proches de la fréquence Fmax. Une portion intermédiaire du substrat 106 n'est percée d'aucun trou, de sorte que la permittivité électrique relative de cette portion du substrat 106 correspond à la permittivité électrique relative ErM du matériau constitutif du substrat 106. Enfin, une portion périphérique du substrat 106 est percée de trous 121 qui sont ensuite remplis d'un matériau magnétique, pour augmenter la valeur de la perméabilité du substrat 106 à l'aplomb de la zone active de l'élément rayonnant 4 aux fréquences de fonctionnement proches de la fréquence Fmin. Ceci a pour but d'abaisser encore la valeur de la fréquence de fonctionnement minimale Fmin de l'antenne. Celle-ci peut ainsi atteindre des valeurs aussi basses que 100 MHz. Dans encore une autre variante, le substrat est constitué par la superposition de deux disques, l'un étant réalisé en un matériau diélectrique, l'autre, en un matériau magnétique. Chaque disque est percé de trous, éventuellement avec des densité différentes, afin d'adapter la variation de la grandeur électromagnétique caractéristique du matériau constitutif de ce disque selon la direction caractéristique du motif de l'élément rayonnant. L'antenne présentée ci-dessus fonctionne sur une très large bande de fréquences.

Ce résultat est obtenu simplement et à moindre coût puisque la structure de l'antenne comporte un substrat monolithique d'épaisseur constante, simplement muni d'une pluralité de trous. L'ajustement de la densité des trous et/ou des propriétés électromagnétiques du matériau les remplissant permet de moduler les propriétés électromagnétiques du substrat de manière à ce qu'elles correspondent à la position de la zone active de l'élément rayonnant à la fréquence de fonctionnement courante. Un second mode de réalisation d'une antenne filaire à large bande de fréquences va maintenant être décrit en détail. Comme représenté aux figures 5 et 6, l'antenne filaire à large bande de fréquences 202 comporte, empilés selon un axe A, un plan réflecteur 208, un substrat 206 et un élément rayonnant 204.

L'élément rayonnant 204 est disposé dans une surface de rayonnement S, qui est plane. L'élément rayonnant 204 comporte des premier et second fils métalliques 210 et 212 qui sont respectivement conformés selon un motif du type en spirale. Plus particulièrement, le motif forme une spirale d'Archimède. Chaque fil, 210, 212, est enroulé autour d'un point origine O, qui correspond à l'intersection de l'axe A et de la surface de rayonnement S. Le motif présente donc une direction caractéristique D qui correspond à un rayon quelconque de la spirale, s'étendant radialement vers l'extérieur, à partir du point origine 0. La distance au point origine O, le long de la direction caractéristique D, est repérée par la variable r. Le plan réflecteur 208 est un disque d'axe A et de rayon r0. Il est réalisé en un matériau métallique. Il est situé à une distance h au-dessous de la surface de rayonnement S. Il a pour fonction de réfléchir toute onde incidente quelle que soit sa fréquence. Le substrat 206 présente la forme générale extérieure d'un disque d'axe A et d'épaisseur constante, sensiblement égale à la distance h. Le substrat 206 est en contact, par une surface inférieure 214, avec le plan réflecteur 208.

L'élément rayonnant 204 est gravé sur une surface supérieure 216 du substrat 206. En variante, l'élément rayonnant 204 est gravé sur un film 205 rapporté sur la surface supérieure 216 du substrat 206. L'épaisseur de ce film supplémentaire est à prendre en compte dans le calcul du déphasage affectant l'onde émise par l'élément rayonnant 204 vers l'arrière de la surface de rayonnement S. Un dispositif d'alimentation (non représenté) de l'élément rayonnant 204 est positionné au-dessous du plan réflecteur 208. Le plan réflecteur 208 et le substrat 206 sont munis d'un passage 218, le long de l'axe A, pour le passage d'un fil conducteur propre à être connecté à l'élément rayonnant 204, afin d'alimenter ce dernier comme il se doit. En fonctionnement, une zone active Z de l'élément rayonnant 204 émet une onde S1 directe se propageant vers l'avant, c'est-à-dire à l'écart du substrat 206, et une onde S2 se propageant vers l'arrière, c'est-à-dire en direction du substrat 206. L'onde S2 traverse le substrat 206, est réfléchie par le plan réflecteur 208, puis traverse à nouveau le substrat 206.

L'onde S2 est déphasée d'un angle yo lors de chaque traversée du substrat 206 et d'un angle Ir lors de la réflexion sur le plan réflecteur 208. L'onde S2 émergeant du substrat 6, se propage vers l'avant. Elle interfère avec l'onde S1 directe au-delà de la surface de rayonnement S.

Pour que l'interférence entre les ondes S1 et S2 soit constructive, il faut que le déphasage total 00 affectant l'onde S2 se situe dans l'intervalle [-120`); +1201. Or, le déphasage total AO est donné par l'équation : AO = -2( - - = -2f3h + Avec = (9) (10) Où ci est la permittivité relative du matériau constitutif du substrat 206. Plus précisément, pour le calcul du déphasage, il conviendrait de considérer non pas la permittivité relative du substrat mais sa permittivité relative effective qui dépend : - de la permittivité relative du matériau utilisé comme substrat ; - de la permittivité relative du matériau utilisé comme film 205 de support de l'élément rayonnant ; de grandeurs géométriques, telles que la distance h entre la surface rayonnante et le plan réflecteur métallique, la distance entre fils de l'élément rayonnant, ...

En toute rigueur, l'équation à utiliser s'écrit donc : fi_ 27rE \leeff où eeff la permittivité relative effective du matériau diélectrique constitutif du substrat 6 traversé par l'onde S2, c'est-à-dire celle du matériau immédiatement au-dessous de la zone active Z.

Dans une explication simplifiée du fonctionnement d'une antenne filaire, à une fréquence de fonctionnement F, l'élément rayonnant 204 est actif dans une zone active Z qui correspond à un anneau, d'axe A et de rayon r, dont le périmètre est sensiblement égal à la longueur d'onde À = c/F, où c est la vitesse de la lumière dans le vide : 2= c/ F, soit F= c/ 2gr (il) Ainsi, plus la fréquence de fonctionnent F augmente, plus la zone active Z se déplace de l'extérieur vers le point central O de l'élément rayonnant 204. C'est donc la partie périphérique de l'élément rayonnant qui rayonne aux fréquences de fonctionnement basses et la partie centrale de l'élément rayonnant 204 qui rayonne aux fréquences de fonctionnement hautes. Pour que l'antenne fonctionne sur une large bande de fréquences, le substrat 206 présente une permittivité relative er(r) qui est une fonction de la distance r au point origine O, telle que le déphasage introduit par le matériau du substrat 206 situé au- dessous de la zone active Z à la fréquence de fonctionnement soit dans l'intervalle [120 ;+1201. Idéalement, le déphasage introduit à la fréquence de fonctionnement F est nul ( 3.0= 0 ), de sorte que, en utilisant les équations (9), (10) et (11), la permittivité relative er dépend de la variable r selon l'équation : 12 er (r). 1 1, eo 2 h ) La manière de réaliser le substrat 206 dont la permittivité relative er dépend de la distance r au point origine O va maintenant être présentée. Le substrat 206 est composite. Il résulte de l'association d'une pluralité de pièces élémentaires. Dans le mode de réalisation des figures 5 à 8, le motif de l'élément rayonnant 204 étant du type en spirale, chaque pièce élémentaire forme un anneau. Sur la figure 5, le substrat 206 est ainsi composé de quatre anneaux 221, 222, 223 et 224.

Chaque anneau est réalisé dans un matériau ayant une valeur spécifique de la permittivité relative en. Les différents anneaux 221 à 224 sont emboîtés les uns à l'intérieur des autres et ajustés les uns aux autres de manière à constituer un substrat 206 continu. Les permittivités électriques relatives en, de chacun des anneaux 221 à 224, ainsi que les dimensions de chacun des anneaux 221 à 224 sont choisies pour que le substrat 206 présente une permittivité relative er qui est une fonction de la variable r croissante et continue, du point origine O vers l'extérieur de l'antenne 202, le long de la direction caractéristique D. En particulier, deux anneaux successifs se recouvrent partiellement selon la direction caractéristique D de manière à réaliser un gradient de la permittivité relative Cr. Plus précisément, le premier anneau 221, qui est situé le plus au centre de l'antenne 202 et qui est réalisé dans un matériau de permittivité relative Cri réduite, présente une paroi radiale extérieure tronconique. Celle-ci présente, sur la surface (12) inférieure 214 du substrat 6, une petite base de rayon r1 et, sur la surface supérieure 216 du substrat, une grande base de rayon r2. Le second anneau 222, qui est réalisé dans un matériau de permittivité relative er2 supérieure à cri, présente une paroi radiale intérieure tronconique présentant, sur la surface 214, une petite base de rayon r1 et, sur la surface 216, une grande base de rayon r2. Le second anneau 222 présente une surface radiale extérieure tronconique présentant, sur la surface 214, une petite base de rayon r2 et, sur la surface 216, une grande base de rayon r3. Le troisième anneau 223, qui est réalisé dans un matériau de permittivité relative er3 supérieure à er2, présente une paroi radiale intérieure tronconique présentant, sur la surface 214, une petite base de rayon r2 et, sur la surface 216, une grande base de rayon r3. Le troisième anneau 223 présente une surface radiale extérieure tronconique présentant, sur la surface 214, une petite base de rayon r3 et, sur la surface 216, une grande base de rayon r4.

Enfin, le quatrième anneau 224, qui est situé le plus à l'extérieur de l'antenne 202 et qui est réalisé dans un matériau de permittivité relative er4, présente une paroi radiale intérieure tronconique. Celle-ci présente, sur la surface 214, une petite base de rayon r3 et, sur la surface 216, une grande base de rayon r4. Le graphe de la figure 7 donne l'évolution de la permittivité relative er du substrat 206 en fonction de la distance r à l'axe A, pour un ensemble particulier de valeurs des rayons ri et des permittivités électriques relatives en, ainsi que pour une distance h particulière entre la surface rayonnante et le plan réflecteur métallique 208 ( h valant ici 5 mm).

La fonction donnant la permittivité relative er en fonction de la distance r est continue, grâce à la forme tronconique des interfaces entre deux anneaux successifs. La fonction donnant la permittivité relative er en fonction de la distance r est ae croissante et ne présente aucun plateau intermédiaire, c'est-à-dire que le gradient de ar la fonction est strictement positif, grâce au choix d'une valeur identique pour le rayon de la grande base de la paroi radiale intérieure d'un anneau et pour le rayon de la petite base de la paroi radiale extérieure de ce même anneau. La figure 8 est un graphe représentant, pour chacune des permittivités électriques relatives en des anneaux 221 à 224, le déphasage total 00 de l'onde S2, en fonction de la fréquence de fonctionnement F. La portion de ce graphe située entre -120° et +120° correspond au domaine où il y a des interférences constructives entre les ondes S1 et S2. L'antenne 202 résulte d'un procédé de dimensionnement représenté schématiquement sur la figure 9. Ce procédé comporte les étapes suivantes.

Dans une étape 1000 la fréquence maximale Fmax, qui constitue la borne supérieure de la bande de fréquences de l'antenne 202, est choisie. A l'étape 1100, est sélectionné le matériau diélectrique de l'anneau 221 centrale, qui correspond à la zone active de l'antenne 202 lorsque la fréquence de fonctionnement F est proche de la fréquence maximale Fmax. Ce matériau est sélectionné en fonction de la valeur de sa permittivité relative En qui doit être faible. Dans une étape 1200, l'épaisseur h du substrat est déterminée en considérant que l'anneau centrale 221, réalisé dans le matériau sélectionné à l'étape 1100, doit introduire un déphasage propre à créer des interférences constructives pour des fréquences de fonctionnement F proches de la fréquence maximale Fmax.

Dans une étape 2000, la fréquence minimale Fmin, qui constitue la borne inférieure de la bande de fréquences de l'antenne 202, est choisie. A l'étape 2100, est sélectionné le matériau diélectrique de l'anneau 224 externe, qui correspond à la zone active de l'antenne 202 lorsque la fréquence de fonctionnement F est proche de la fréquence minimale Fmin. Ce matériau est sélectionné en fonction de sa permittivité relative er4, qui doit être élevée, et qui doit permettre, avec l'épaisseur h déterminée à l'étape 1200, d'introduire un déphasage créant des interférences constructives pour des fréquences de fonctionnement F proches de la fréquence minimale Fmin. Dans une étape 3000, les matériaux diélectriques constitutifs des différents anneaux intermédiaires sont sélectionnés de sorte que leurs permittivités électriques relatives respectives augmentent en s'écartant de l'axe A. Enfin, à l'étape 3100, les rayons des faces radiales tronconiques des anneaux constitutifs du substrat 206 sont déterminés pour obtenir une dépendance de la permittivité relative er du substrat 206 en fonction de la distance r à l'axe A qui soit adaptée à l'évolution de la position de la zone active de l'élément rayonnant 204 à la fréquence de fonctionnement F. Plus précisément, le rayon r, de la petite base de la face radiale d'un anneaux est choisie de manière à ce que le déphasage total introduit par le substrat en cet endroit soit nul (A0 = 0 ). A partir de l'équation (12), on obtient : 2h .j7 (13) Dans une variante de réalisation représentée à la figure 10, le substrat 306 de l'antenne 302 résulte de l'association de quatre anneaux 321 à 324. L'anneau extérieur 324 est réalisé dans un matériau présentant à la fois une permittivité relative er4, par exemple égale à 10,5, et une perméabilité relative fir4, par exemple égale à 2. Il est à noter que lorsque l'on ajoute de la matière magnétique, l'équation exacte devient : 27rF',\Ieeff X peff 16= Où peff est la perméabilité relative effective du substrat.

Compte tenu des grandeurs caractéristiques du matériau constitutif de cet anneau extérieur 324, la géométrie de sa face radiale intérieure est modifiée par rapport à celle de l'anneau 224, de manière à obtenir une variation continue et graduelle, non seulement de la permittivité relative er du substrat 306, mais également de la perméabilité relative du substrat 306.

Dans une autre variante de réalisation représentée à la figure 11, l'anneau extérieur 424 du substrat 406 comporte une couche 425 réalisée en un matériau magnétique, formant un film déposé sur une portion périphérique de la surface inférieure 414 du substrat 406. La couche 425 permet d'introduire un déphasage permettant un fonctionnement de l'antenne 402 à des fréquences particulièrement basses.

Dans encore une autre variante de réalisation représentée à la figure 12, la couche 525 réalisée en un matériau magnétique ne forme plus un simple film comme dans la variante précédente, mais constitue l'angle inférieur de l'anneau extérieur 524. Enfin, dans une dernière variante de réalisation représentée à la figure 13, l'anneau extérieur 624 est constitué d'une couche inférieure 625, réalisée en un matériau magnétique, et d'une couche supérieure 626, réalisée en un matériau diélectrique. Cet anneau extérieur 624, composite, est par exemple réalisé par collage. Les épaisseurs hl et h2 des couches 625 et 626, ainsi que les permittivités et perméabilités relatives de chacun des matériaux constitutifs des couches 625 et 626, sont choisies en fonction de la valeur de la fréquence minimale Fmin que doit atteindre l'antenne 602.

L'antenne présentée ci-dessus fonctionne sur une très large bande de fréquences. Ce résultat est obtenu simplement et à moindre coût en réalisant un substrat composite d'épaisseur constante dont les propriétés électromagnétiques varient de manière à correspondre à la position de la zone active de l'élément rayonnant à la fréquence de fonctionnement courante. D'autres configurations de l'élément rayonnant, qui permettent l'émission d'ondes selon l'axe A perpendiculaire à la surface de rayonnement, sont envisageables, telles que par exemple log-périodique à deux brins ou quatre brins, rectiligne ou sinueuse, etc. A été représenté de manière schématique à la figure 14, un élément rayonnant 804 conformé selon un motif log-périodique sinueuse comportant quatre brins. Chaque brin est conformé en zig-zag pour présenter des indentations. La longueur de chacune des dents d'un brin, ainsi que l'espacement entre deux dents successives, suivent une progression logarithmique. L'antenne présentée ci-dessus a une épaisseur totale réduite. Avantageusement elle peut être conformée de manière à s'adapter à la forme de la paroi de l'élément mécanique par lequel elle est portée.

Claims (13)

1. REVENDICATIONS1. Antenne filaire à large bande de fréquences (2, 102) comportant un élément rayonnant (4, 104) et un plan réflecteur (8), qui est situé à une distance prédéterminée au-dessous de l'élément rayonnant, l'élément rayonnant comportant au moins un fil métallique conformé, dans une surface de rayonnement (S), selon un motif présentant une direction caractéristique (D) à partir d'un point origine (O, E), caractérisée en ce qu'elle comporte un substrat (6, 106) disposée entre l'élément rayonnant et le plan réflecteur, ledit substrat ayant une épaisseur constante (h) et présentant au moins une grandeur électromagnétique caractéristique qui est une fonction d'une distance (r) au point origine (0,E) selon la direction caractéristique (D).
2. 2. Antenne (2) selon la revendication 1, dans laquelle la ou chaque grandeur électromagnétique caractéristique du substrat (6, 106) est choisie parmi une permittivité relative (er(r),ee(r) ) et une perméabilité relative Cur(r) ,,uee (r))
3. 3. Antenne (2) selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans laquelle la ou chaque grandeur électromagnétique caractéristique est une fonction croissante et sensiblement continue de la distance (r) au point origine (O, E) selon la direction caractéristique (D).
4. 4. Antenne selon la revendication 3, dans laquelle la ou de chaque grandeur électromagnétique caractéristique est une fonction à gradient sensiblement continu de la distance (r) au point origine (O, E) selon la direction caractéristique (D).
5. 5. Antenne selon la revendication 3 ou la revendication 4, dans laquelle le substrat (6, 106) comporte une pluralité de trous (20, 120, 121) dont une densité par unité de surface est une fonction de la distance (r) au point origine (O, E) selon la direction caractéristique (D), de manière à faire varier de manière adaptée la ou chaque grandeur 30 électromagnétique caractéristique du substrat (6, 106).
6. 6. Antenne selon la revendication 5, dans laquelle chaque trou (20, 120, 121) est un trou pratiqué selon l'épaisseur du substrat.
7. 7. Antenne (2) selon la revendication 5 ou la revendication 6, dans laquelle les trous (20, 120, 121) ont un diamètre inférieure à Â min/10 , de préférence à 2 min/ 20, où min est la longueur d'onde à une fréquence de fonctionnement maximale Fmax de l'antenne (2, 102).
8. 8. Antenne selon la revendication 7, dans laquelle un diamètre des trous est 5 une fonction de la distance (r) au point origine (O, E) selon la direction caractéristique (D).
9. 9. Antenne (2, 102) selon la revendication 7, dans laquelle le diamètre des trous (20, 120, 121) est constant. 10
10. 10.- Antenne (102) selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, dans laquelle certains trous (121) sont remplis d'un matériau présentant une valeur spécifique de la ou de chaque grandeur électromagnétique caractéristique différente de celle d'un matériau constitutif du substrat (106). 15
11. 11.- Antenne (2, 102) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la surface de rayonnement (S) est conformée selon une géométrie adaptée à celle d'un porteur de l'antenne.
12. 12.- Antenne selon l'une quelconque des revendications 2 à 11, dans laquelle le 20 substrat résulte de la superposition d'une première couche en un matériau diélectrique et d'une seconde couche en un matériau magnétique.
13. 13.- Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans laquelle le motif de l'élément rayonnant est du type à spirale (4) ou du type log-périodique (804).25