FR3012916A1

FR3012916A1 - Antenne a reflecteur

Info

Publication number: FR3012916A1
Application number: FR1302557A
Authority: FR
Inventors: Philippe Pouliguen; Patrick Potier; Herve Aubert; Olivier Ripoche; Anthony Bellion
Original assignee: Direction General pour lArmement DGA; Centre National dEtudes Spatiales CNES; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Etat Francais
Current assignee: Direction General pour lArmement DGA; Centre National dEtudes Spatiales CNES; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Etat Francais
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2015-05-08
Anticipated expiration: 2033-11-05
Also published as: FR3012916B1

Abstract

L'invention a pour objet une antenne à réflecteur, l'antenne présentant un plan de référence et un axe de référence orthogonal au plan de référence et passant par le centre de l'antenne, le circuit résonant de l'antenne s'étendant soit dans le plan de référence soit suivant une direction orthogonale à partir de celui-ci suivant l'axe de référence, de telle sorte que la projection selon l'axe de référence du circuit résonant de l'antenne dans le plan de référence délimite un contour fermé d'antenne dans le plan de référence, caractérisée par le fait que le réflecteur comprend au moins deux circuits résonants fermés plans formés dans des plans parallèles distincts, chaque circuit résonant fermé plan étant formé dans l'un des plans dans l'ensemble comprenant le plan de référence de l'antenne et des plans parallèles au plan de référence de l'antenne, les circuits résonants fermés plans de réflecteur ayant pour axe l'axe de référence, chaque circuit résonant fermé plan de réflecteur ayant sensiblement la forme du contour fermé d'antenne.

Description

ANTENNE A REFLECTEUR L'invention concerne le domaine des antennes, et porte plus particulièrement sur une antenne à réflecteur.

Les réflecteurs associés à une antenne permettent de manière générale de modifier le diagramme de rayonnement de l'antenne. On connaît divers types de réflecteurs. La demande de brevet américain US2013/0113668 Al 10 décrit par exemple une antenne plane, montée au-dessus d'un plan de masse, et associée à un réflecteur constitué d'une pluralité de rubans de même forme que celle de l'antenne plane, disposés chacun dans des plans parallèles à celui de l'antenne plane, de largeurs décroissantes à partir du plan 15 de l'antenne. Le brevet européen EP1796213B1 décrit une antenne microruban, disposée au-dessus d'un plan de masse, et comportant un réflecteur constitué de réflecteurs primaires situés dans un plan parallèle à celui de l'antenne 20 microruban et de réflecteurs secondaires également situés dans des plans parallèles à celui de l'antenne microruban, entre le plan de l'antenne microruban et le plan des réflecteurs primaires, les réflecteurs secondaires étant des anneaux concentriques de diamètres croissants à partir 25 du plan de l'antenne microruban. Ces antennes à réflecteur connues présentent des inconvénients. En effet, pour toutes les structures connues, un plan de masse est nécessaire. Du fait de la présence nécessaire du plan de 30 masse, l'encombrement de l'antenne avec son réflecteur est important, la distance optimale entre le plan de l'antenne et le plan de masse étant classiquement égale au quart de la longueur d'onde associée à la fréquence de fonctionnement de l'antenne. La présente invention vise à surmonter ces inconvénients et porte sur une antenne à réflecteur dans 5 laquelle le plan de masse n'est pas nécessaire. L'antenne à réflecteur de l'invention permet, pour une bande passante de largeur égale à environ dix pour cent de la valeur de la fréquence minimale de la bande passante, d'avoir un réflecteur plus proche de l'antenne 10 que les plans de masse dans les structures d'antenne à réflecteur classiques et donc une épaisseur totale antenne avec son réflecteur inférieure aux structures classiques, permettant notamment une épaisseur de dispositif antenne et réflecteur de l'ordre d'un neuvième de la longueur d'onde 15 associée à la fréquence minimale de fonctionnement de l'antenne, sans diminution des performances de l'antenne en termes de rendement. Selon l'invention, le réflecteur est constitué par un empilement de circuits résonants fermés plans, dans 20 des plans parallèles, les circuits résonants fermés plans pouvant avoir des formes identiques et ayant le même centre. L'invention a donc pour objet une antenne à réflecteur, l'antenne présentant un plan de référence et un 25 axe de référence orthogonal au plan de référence et passant par le centre de l'antenne, le circuit résonant de l'antenne s'étendant soit dans le plan de référence soit suivant une direction orthogonale à partir de celui-ci suivant l'axe de référence, de telle sorte que la 30 projection selon l'axe de référence du circuit résonant de l'antenne dans le plan de référence délimite un contour fermé d'antenne dans le plan de référence, caractérisée par le fait que le réflecteur comprend au moins deux circuits résonants fermés plans formés dans des plans parallèles distincts, chaque circuit résonant fermé plan étant formé dans l'un des plans dans l'ensemble comprenant le plan de référence de l'antenne et des plans parallèles au plan de référence de l'antenne, les circuits résonants fermés plans de réflecteur ayant pour axe l'axe de référence, chaque circuit résonant fermé plan de réflecteur ayant sensiblement la forme du contour fermé d'antenne.

Suivant une caractéristique particulière, les circuits résonants fermés plans de réflecteur sont tous identiques. La présence d'un plan de masse n'est plus nécessaire avec l'antenne à réflecteur selon l'invention, 15 conduisant à une épaisseur réduite de la structure antenne plus réflecteur. Les circuits résonants fermés de réflecteur sont donc plans, potentiellement identiques entre eux et ont leur centre situé sur l'axe de référence de l'antenne. 20 L'antenne peut avoir n'importe quelle forme. Selon un mode de réalisation, l'antenne peut être plane, le circuit résonant de l'antenne étant alors dans un plan. La projection de l'antenne plane dans le plan de 25 référence est l'antenne elle-même. Selon un autre mode de réalisation, le circuit résonant de l'antenne s'étend sur un solide de révolution (cylindre ou tronc de cône) dont l'axe est l'axe de référence. 30 Le contour en projection de l'antenne selon l'axe de référence dans le plan de référence est, de préférence, un cercle, un ovale, ou un polygone régulier, sans que l'invention ne soit limitée à cet égard, les circuits résonants fermés plans de réflecteur pouvant avoir alors la même forme. Selon un mode de réalisation, chaque circuit 5 résonant fermé plan de réflecteur est un circuit unifilaire ou une bande en circuit fermé. Un circuit résonant fermé plan à motifs en échelle (c'est-à-dire deux circuits unifilaires de même forme de contour mais de dimensions différentes, reliés 10 entre eux à des points spécifiques de leurs contours par des fils) pourrait également être envisagé dans le cadre de la présente invention. Selon un mode de réalisation, chaque circuit résonant fermé plan de réflecteur est métallique. 15 Selon un mode de réalisation, le contour de chaque circuit résonant fermé plan de réflecteur est constitué de motifs répétitifs et/ou auto-similaires (fractals). On augmente ainsi, pour une même dimension de 20 contour de la projection d'antenne dans le plan de référence, la longueur de chaque circuit résonant fermé plan de réflecteur, ce qui a pour effet d'augmenter les performances du réflecteur constitué par l'ensemble des circuits résonants fermés plans. 25 Du fait des motifs répétitifs et/ou auto- similaires formés sur le contour de chaque circuit résonant fermé plan, la longueur du circuit résonant fermé plan est supérieure à la longueur du contour fermé d'antenne dans le plan de référence. Par ajustement des motifs répétitifs 30 et/ou auto-similaires et de leur nombre, on peut ajuster la longueur du circuit résonant fermé plan de telle sorte que sa fréquence de résonance soit, de préférence, à la fois proche de la fréquence minimale de fonctionnement de l'antenne et inférieure à celle-ci pour favoriser un couplage du circuit résonant fermé plan et de l'antenne. Selon un mode de réalisation, le contour de chaque circuit résonant fermé plan de réflecteur est constitué d'un ou plusieurs motifs répétitifs périodiques de type créneau, sinusoïde ou triangle ou d'une superposition de motifs périodiques ou fractals. Dans un mode de réalisation particulier, les 10 circuits résonants fermés plans de réflecteur peuvent être connectés entre eux par une connexion métallique. Dans un mode de réalisation, l'antenne à réflecteur comprend au moins trois circuits résonants fermés plans de réflecteur, la distance entre deux circuits 15 résonants fermés plans adjacents de réflecteur étant une constante. Sans s'éloigner du cadre de la présente invention, les distances entre deux circuits résonants fermés plans adjacents peut varier entre différentes paires 20 de circuits résonants fermés plans adjacents du réflecteur. Dans un mode de réalisation, l'antenne a un contour rond en projection selon l'axe de référence dans le plan de référence, chaque circuit résonant fermé plan de réflecteur ayant la forme d'un anneau dont le centre est 25 sur l'axe de référence orthogonal au plan de référence de l'antenne et passant par le centre du contour rond de l'antenne en projection selon l'axe de référence dans le plan de référence. D'autres formes de contour d'antenne, par exemple 30 en forme de carré, sont également envisagés dans le cadre de la présente invention, auquel cas chaque circuit résonant fermé plan de réflecteur aura une forme carrée.

Plus généralement, le contour d'antenne peut avoir toute forme polygonale, chaque circuit résonant fermé plan de réflecteur ayant la même forme polygonale. Encore plus généralement, le contour d'antenne 5 peut avoir toute forme, chaque circuit résonant fermé plan de réflecteur ayant la même forme. Dans un mode de réalisation, l'antenne est une antenne spirale, formée dans le plan de référence ou s'étendant sur la surface d'un cône, la base dudit cône 10 constituant le plan de référence et l'axe dudit cône constituant l'axe de référence. L'antenne spirale peut en particulier être une antenne spirale de type Archimède ou logarithmique. Dans un mode de réalisation, les circuits 15 résonants fermés plans de réflecteur sont des anneaux de même diamètre, concentriques autour de l'axe de référence. L'un des circuits résonants fermés plans de réflecteur peut être dans le plan de référence. Selon un mode de réalisation, les circuits 20 résonants fermés plans de réflecteur peuvent tous être du même côté du plan de référence. Les circuits résonants fermés plans de réflecteur peuvent également être de part et d'autre du plan de référence, sans s'éloigner du cadre de la présente 25 invention. Le nombre de circuits résonants fermés plans pouvant être associés à l'antenne dans l'antenne à réflecteur selon l'invention n'est pas limité au nombre de circuits résonants fermés plans décrits dans les différents 30 modes de réalisation, et tout nombre de circuits résonants fermés plans associés à une antenne à réflecteur peut être envisagé selon l'invention Pour mieux illustrer l'objet de la présente invention, on va maintenant en décrire, à titre illustratif et non limitatif, un mode de réalisation particulier en liaison avec les dessins annexés.

Sur ces dessins : - la Figure 1 est une vue schématique en perspective d'une antenne à réflecteur selon un mode de réalisation de l'invention ; les Figures 2A à 2C représentent différents motifs possibles pour le contour de chaque circuit résonant fermé plan de réflecteur ; - les Figures 3A et 3B représentent un diagramme de rayonnement d'une antenne spirale plane, avec et sans un réflecteur à cinq anneaux et sur lesquelles les valeurs de gain en dB sont indiquées entre parenthèses; et - la Figure 4 représente un diagramme de gain simulé dans les plans 9=0° et 9=90° des antennes spirales des Figures 3A et 3B. Si l'on se réfère à la Figure 1, on peut voir que 25 l'on y a représenté une antenne 1 équipée d'un réflecteur 2 selon la présente invention. Bien que l'antenne 1 ait été représentée sur les Figures comme une antenne spirale plane, l'invention n'est pas limitée à cet égard et l'antenne peut avoir toute forme 30 de contour extérieur, et peut être plane ou s'étendre suivant une direction orthogonale à un plan, appelé plan de référence, suivant un axe, appelé axe de référence, passant par le centre de l'antenne, par exemple s'enrouler sur la surface extérieure d'un tronc de cône, de la base au sommet du tronc de cône, ou plus généralement s'enrouler autour d'un solide ayant un axe de révolution (cylindre par exemple). Le réflecteur 2 est constitué d'une pluralité d'anneaux 3, chaque anneau 3 formant un circuit résonant fermé plan, formé dans un plan parallèle à celui de l'antenne plane 1.

Lorsque l'antenne 1 n'est pas plane comme dans le mode de réalisation représenté sur les dessins, alors les anneaux 3 sont formés dans des plans parallèles à un plan de référence de l'antenne 1, qui est le plan à partir duquel le circuit résonant de l'antenne 1 s'étend suivant une direction orthogonale. Les distances séparant deux anneaux 3 consécutifs à partir du plan de l'antenne 1 peuvent être identiques ou différentes entre deux paires d'anneaux consécutifs, et sont de préférence identiques.

L'un des anneaux 2 peut être formé dans le plan de l'antenne 1 (distance nulle entre le plan de l'antenne 1 et celui de l'anneau 3 correspondant), sans toutefois être en contact avec celle-ci. Les anneaux 3 peuvent également être formés tous 25 dans des plans parallèles à celui de l'antenne 1, sans qu'aucun des anneaux 3 ne soit formé dans le plan de l'antenne 1. Les anneaux 3 peuvent être d'un même côté du plan de l'antenne 1, ou de part et d'autre du plan de l'antenne 30 1. Les anneaux 3 peuvent avoir la même longueur que le contour externe de l'antenne 1, mais peuvent également avoir une plus grande longueur, par formation de motifs répétitifs et/ou autosimilaires sur les anneaux 3. On augmente ainsi sensiblement la longueur déployée de chaque anneau 3, tout en gardant un contour 5 sensiblement égal à celui de l'antenne 1, en projection des anneaux 3 dans le plan de l'antenne 1. Des exemples de motifs qui peuvent être formés sur les anneaux sont illustrés aux Figures 2A à 2C. La Figure 2A représente un motif répétitif 10 triangulaire, la Figure 2B représente un motif répétitif sinusoïdal, la Figure 2C représente un motif répétitif en créneaux. Les Figures 2A à 2C indiquent à titre d'exemple illustratif et non limitatif des motifs qui peuvent être 15 formés sur les contours des anneaux 3, mais d'autres motifs répétitifs peuvent être formés, par exemple par une combinaison de plusieurs des motifs répétitifs des Figures 2A à 2C. En outre, sans s'éloigner du cadre de la présente 20 invention, il est également possible de former en variante des motifs autosimilaires (fractals) sur les contours des anneaux 3, afin d'augmenter leur longueur. Les profils choisis pour les contours d'anneaux 3 permettent d'en ajuster la longueur. 25 Les anneaux 3 du réflecteur 2 sont identiques, et ont tous leur centre sur un axe passant par le centre de l'antenne 1 et perpendiculaire au plan de l'antenne 1. Les anneaux 3 peuVent par exemple être disposés parallèles entre eux et parallèles au plan de l'antenne 1 30 en étant séparés par des couches de diélectrique (non représentées sur la Figure 1 pour alléger la lecture de la Figure 1).

Pour une antenne de petite taille, on peut par exemple envisager de former des anneaux métalliques entre des couches de diélectrique empilées, l'antenne étant alors formée par superposition de couches diélectriques entre lesquelles sont disposés des circuits résonants fermés plans en anneaux. Les performances d'une antenne à réflecteur selon l'invention vont maintenant être illustrées en rapport avec les Figures 3A et 3B qui représentent les diagrammes de rayonnement dans le cas d'une spirale de 95cm de diamètre seule (Figure 3A) et avec réflecteur à cinq anneaux (Figure 3B), à leurs fréquences basses de fonctionnement respectives. Cet exemple n'est qu'illustratif et non 15 limitatif, et l'invention est également applicable à toute taille d'antenne associée à un réflecteur avec un nombre différent de circuits résonants fermés plans. Le diagramme de l'antenne spirale seule est symétrique par rapport au plan de l'antenne spirale (Figure 20 3A). Après ajout du réflecteur (Figure 3B), le gain dans la direction du réflecteur (z croissant) est fortement atténué, alors que le gain dans la direction inverse (z décroissant) est fortement augmenté. 25 La Figure 4 illustre le rayonnement de chaque antenne des Figures 3A et 3B dans les plans de coupe 9=0° (correspondant au plan contenant les axes x et z des Figures 3A et 3B) et p=90° (correspondant au plan contenant les axes y et z des Figures 3A et 3B), en 30 distinguant la polarisation droite de la polarisation gauche.

Il apparaît que le gain maximal de chaque antenne est atteint dans l'axe de la spirale (0=0° pour la polarisation droite, et 0=180° pour la polarisation gauche, 0 représentant l'angle par rapport à l'axe z dans un plan 5 contenant l'axe z, avec 0=0° correspondant à la direction de l'axe z croissant (côté du plan contenant les axes x et y contenant le réflecteur sur la Figure 3B) et 0=180° correspondant à la direction de l'axe z décroissant (côté du plan contenant les axes x et y ne contenant pas le 10 réflecteur sur la Figure 3B)). Le gain maximal de la spirale seule est proche de 0dB dans les deux directions (0=0° et 0=180°) en polarisation principale, et proche de -6dB dans les deux directions en polarisation croisée. Avec le réflecteur 15 (antenne de la Figure 3B avec réflecteur à cinq anneaux), le gain en polarisation droite (0=0°) descend à -7dB tandis que le gain en polarisation gauche (0=180°) monte à plus de 3dB. Il existe ce même écart de 10dB en polarisation 20 croisée, entre la polarisation gauche (0=0°) et la polarisation droite (0=180°). A sa fréquence basse de fonctionnement, l'ensemble constitué de l'antenne spirale et de son réflecteur présente donc un rapport avant-arrière de 10dB. 25 En observant expérimentalement le gain en fonction de la fréquence de l'antenne avec réflecteur pour 0=0° et 0=180°, il apparaît que les gains pour 0=180° sont supérieurs aux gains pour 0=0° pour toute la bande d'observation, et ce à la fois en polarisation principale et en polarisation 30 croisée. Si l'on observe la différence des gains en polarisation principale (gauche pour 0=180° et droite pour 0=0°) en fonction de la fréquence, il s'avère que le réflecteur assure un rapport avant-arrière supérieur à 5dB sur une bande passante de plus de 10%, là où le rapport avant-arrière de la spirale seule est nul quelle que soit la fréquence. L'augmentation du nombre d'anneaux constituant le réflecteur permet d'augmenter le rapport avant-arrière de l'antenne spirale. Ainsi, moyennant une augmentation de la hauteur du réflecteur, de meilleurs résultats de largeur de bande de fréquences pour laquelle le rapport avant-arrière est supérieur à 5dB en augmentant le nombre d'anneaux peuvent être anticipés. L'ensemble d'anneaux constituant le réflecteur permet donc d'augmenter le rapport avant-arrière de l'antenne spirale de l'exemple des Figures 3A et 3B à plus de 5dB sur une bande de fréquence de plus de 10%, ce rapport pouvant atteindre au maximum 10db à la fréquence basse de fonctionnement de l'antenne spirale.

La bande de fréquences concernée est la bande basse de l'antenne pour laquelle les longueurs d'onde sont les plus grandes, et ce système permet d'obtenir ce rapport avant-arrière pour un encombrement de À/9 (ici hauteur H de l'ensemble antenne et réflecteur égale à 44cm) là où un panneau métallique serait situé à À/4 (H=1m), À étant la longueur d'onde associée à la fréquence basse de fonctionnement de l'antenne spirale. A titre d'exemple, pour une antenne spirale de 95cm de diamètre avec un réflecteur à cinq anneaux d'un mètre de diamètre chacun, le premier anneau étant dans le plan de l'antenne spirale, les trois anneaux suivants à partir du plan de l'antenne étant espacés chacun de l'anneau précédent de 2,5 cm et le dernier anneau étant espacé de l'avant-dernier anneau de 36,5 cm, la dimension totale de l'ensemble antenne et réflecteur est de H=44 cm. Le réflecteur associé à une antenne spirale, 5 selon le mode de réalisation représenté sur les Figures, permet donc d'obtenir un rapport avant-arrière positif, supérieur à 5dB sur une bande de fréquences de 10% dans le cas d'un réflecteur à cinq anneaux dans l'exemple des Figures 3A et 3B.

10 La hauteur totale de l'ensemble antenne et réflecteur ne dépasse pas À/9, là où un plan de masse serait distant de À/4 de l'antenne spirale. L'augmentation du nombre d'anneaux permet d'augmenter le rapport avant-arrière maximum de l'antenne spirale et la largeur de bande 15 pour laquelle le rapport avant-arrière de l'antenne est supérieur à 5dB. De plus, les performances de l'antenne à réflecteur selon l'invention sont conservées en termes de rendement par rapport à l'antenne seule, là où d'autres technologies (surface haute impédance par exemple) 20 dégradent le rendement de l'antenne.

Claims

REVENDICATIONS1 - Antenne (1) à réflecteur (2), l'antenne (1) présentant un plan de référence et un axe de référence orthogonal au plan de référence et passant par le centre de l'antenne (1), le circuit résonant de l'antenne (1) s'étendant soit dans le plan de référence soit suivant une direction orthogonale à partir de celui-ci suivant l'axe de référence, de telle sorte que la projection selon l'axe de référence du circuit résonant de l'antenne (1) dans le plan de référence délimite un contour fermé d'antenne dans le plan de référence, caractérisée par le fait que le réflecteur (2) comprend au moins deux circuits résonants fermés plans (3) formés dans des plans parallèles distincts, chaque circuit résonant fermé plan (3) étant formé dans l'un des plans dans l'ensemble comprenant le plan de référence de l'antenne et des plans parallèles au plan de référence de l'antenne, les circuits résonants fermés plans (3) de réflecteur (2) ayant pour axe l'axe de référence, chaque circuit résonant fermé plan (3) de réflecteur (2) ayant sensiblement la forme du contour fermé d'antenne.
2 - Antenne à réflecteur selon la revendication 1, caractérisée par le fait que chaque circuit résonant 25 fermé plan (3) de réflecteur (2) est un circuit unifilaire ou une bande en circuit fermé.
3 - Antenne à réflecteur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée par le fait que chaque circuit résonant fermé plan (3) de réflecteur (2) est 30 métallique.
4 - Antenne à réflecteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que lecontour de chaque circuit résonant fermé plan (3) de réflecteur (2) est constitué de motifs répétitifs et/ou auto-similaires. - Antenne à réflecteur selon la revendication 5 4, caractérisée par le fait que le contour de chaque circuit résonant fermé plan (3) de réflecteur (2) est constitué d'un ou plusieurs motifs répétitifs périodiques de type créneau, sinusoïde ou triangle ou d'une superposition de motifs périodiques ou fractals. 6 - Antenne à réflecteur selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant au moins trois circuits résonants fermés plans (3) de réflecteur (2), la distance entre deux circuits résonants fermés plans (3) adjacents de réflecteur (2) étant une constante. 7 - Antenne à réflecteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que l'antenne (1) a un contour rond en projection selon l'axe de référence dans le plan de référence, chaque circuit résonant fermé plan (3) de réflecteur (2) ayant la forme d'un anneau dont le centre est sur l'axe de référence orthogonal au plan de référence de l'antenne (1) et passant par le centre du contour rond de l'antenne (1) en projection selon l'axe de référence dans le plan de référence. 8 - Antenne à réflecteur selon la revendication 7, caractérisée par le fait que l'antenne (1) est une antenne spirale, formée dans le plan de référence OU s'étendant sur la surface d'un cône, la base dudit cône constituant le plan de référence et l'axe dudit cône constituant l'axe de référence. 9 - Antenne plane à réflecteur selon la revendication 8, caractérisée par le fait que l'antennespirale est une antenne spirale de type Archimède ou logarithmique. 10 - Antenne à réflecteur selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisée par le fait que les 5 circuits résonants fermés plans (3) de réflecteur (2) sont des anneaux de même diamètre, concentriques autour de l'axe de référence. 11 - Antenne à réflecteur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée par le fait que l'un 10 des circuits résonants fermés plans (3) de réflecteur (2) est dans le plan de référence. 12 - Antenne à réflecteur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisée par le fait que les circuits résonants fermés plans (3) de réflecteur sont tous 15 du même côté du plan de référence.