FR3017493A1 - COMPACT WIRED ANTENNA WITH RESISTIVE PATTERNS - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une antenne filaire apte à fonctionner dans au moins une bande de fréquence prédéterminée, comportant une pluralité de couches comportant au moins un élément rayonnant (4) positionné sur une couche de support (6), ladite couche de support (6) étant positionnée sur un substrat espaceur (8), ledit substrat espaceur (8) étant positionné sur un plan réflecteur (10). L'antenne comprend au moins une couche résistive (12) entre la couche de support (6) du ou des éléments rayonnants (4) et ledit substrat espaceur (8), la couche résistive (12) comprenant au moins un ensemble de motifs résistifs réguliers, positionnés sur au moins une zone de la couche résistive.The invention relates to a wire antenna adapted to operate in at least one predetermined frequency band, comprising a plurality of layers comprising at least one radiating element (4) positioned on a support layer (6), said support layer (6) being positioned on a spacer substrate (8), said spacer substrate (8) being positioned on a reflective plane (10). The antenna comprises at least one resistive layer (12) between the support layer (6) of the at least one radiating element (4) and the spacer substrate (8), the resistive layer (12) comprising at least one set of resistive patterns regular, positioned on at least one area of the resistive layer.
Description
Antenne filaire compacte à motifs résistifs La présente invention concerne une antenne filaire apte à fonctionner dans au moins une bande de fréquence prédéterminée, du type comportant au moins un élément rayonnant positionné sur une couche de support, ladite couche de support étant positionnée sur un substrat espaceur en matériau diélectrique, ledit substrat espaceur étant positionné sur un plan réflecteur. L'invention trouve des applications notamment dans le domaine des systèmes d'écoute électromagnétique. Dans un système d'écoute électromagnétique, par exemple aéroporté ou naval, 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 d'une onde 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.The present invention relates to a wire antenna capable of operating in at least one predetermined frequency band, of the type comprising at least one radiating element positioned on a support layer, said support layer being positioned on a spacer substrate. dielectric material, said spacer substrate being positioned on a reflective plane. The invention finds applications in particular in the field of electromagnetic listening systems. In an electromagnetic listening system, for example airborne or naval, the antennas, which are used either individually or in a goniometric or interferometric network, must operate in a very wide frequency band and in a circular polarization, linear or double linear, because neither the frequency nor the polarization of a wave to be picked up are a priori known. It should be noted that the characteristics of an antenna being the same in reception and transmission, an antenna can be characterized either in transmission or in reception. These antennas must have the smallest possible footprint and, in particular, a low thickness. They must also have radiation performance (gain, quality of radiation patterns, etc.) reproducible from one antenna to another, particularly for network applications or to facilitate replacement during a maintenance operation. . In this context, it is known to use wired antennas. In such an antenna, the radiating element consists of a wire which is shaped to describe, in a so-called radiation surface, a pattern of the spiral type or of the log periodic type.
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 pm (micromètres), déposée sur une couche de support de faible épaisseur.In a spiral type antenna, the wire is wound on itself so as to form a spiral view in top view. This spiral can for example be an Archimedean spiral, a logarithmic spiral, or other. In a log-periodic antenna, the wire is shaped so as to have, in top view, several strands. Each strand is inscribed in an angular sector, extends radially and has indentations. The length of each tooth and the distance between two successive teeth of a strand follow a logarithmic progression. In practice, in planar technology, the radiating element is produced by etching a thin metal layer, for example a copper layer between 2 and 20 μm (micrometers), deposited on a thin support layer.
On connaît dans l'état de la technique des antennes filaires à cavité absorbante, dans lesquelles l'élément rayonnant, gravé sur une surface de rayonnement plane, est situé au-dessus d'une cavité absorbante délimitée par des parois métalliques, et 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.In the state of the art, wired antennas with an absorptive cavity are known in which the radiating element, etched on a plane radiation surface, is situated above an absorbent cavity delimited by metal walls, and filled with a material absorbing electromagnetic waves. The radiating element is adapted to emit a wave propagating towards the front of the radiating surface (away from the absorbing cavity) and a wave propagating towards the rear of the radiating surface (towards the absorbent cavity). The latter is absorbed by the absorbent cavity. Such an antenna has a large footprint because of the dimensions of the absorbent cavity. It also has a low efficiency since half of the power emitted by the radiating element is absorbed in the absorbent cavity. Finally, the reproducibility of the radio performance of such an antenna is difficult to obtain because of a lack of control of the electromagnetic characteristics of the absorbent material filling the cavity.
Pour réduire l'encombrement d'une antenne à cavité absorbante tout en conservant une large bande fréquentielle de fonctionnement, il a été proposé de réaliser une antenne ayant des éléments rayonnants sur un substrat magnéto-diélectrique progressif ou une antenne à éléments rayonnants sur substrat diélectrique de permittivité relative élevée et percé de trous verticaux minces. Cependant, il a été constaté que ces deux types d'antennes présentent l'inconvénient d'instabilité ou de respiration suivant la fréquence du diagramme de rayonnement en fonction de la fréquence. Plus particulièrement, l'ouverture angulaire de lobe de rayonnement (ouverture à mi-puissance, par exemple), varie très rapidement avec la fréquence. L'invention a pour but de pallier aux problèmes précités, en proposant une antenne filaire à faible encombrement, à bon rendement et présentant un diagramme de rayonnement stable. A cet effet, l'invention propose une antenne filaire apte à fonctionner dans au moins une bande de fréquence prédéterminée, comportant une pluralité de couches comportant au moins un élément rayonnant positionné sur une couche de support, ladite couche de support étant positionnée sur un substrat espaceur, ledit substrat espaceur étant positionné sur un plan réflecteur, comprenant au moins une couche résistive entre la couche de support du ou des éléments rayonnants et ledit substrat espaceur, la couche résistive comprenant au moins un ensemble de motifs résistifs réguliers positionnés sur au moins une zone de la couche résistive.To reduce the bulk of an absorbing cavity antenna while maintaining a wide operating frequency band, it has been proposed to produce an antenna having radiating elements on a progressive magnetodielectric substrate or a dielectric substrate radiating element antenna. of high relative permittivity and pierced by thin vertical holes. However, it has been found that these two types of antennas have the disadvantage of instability or respiration depending on the frequency of the radiation pattern as a function of frequency. More particularly, the angular aperture of the radiation lobe (mid-power aperture, for example) varies very rapidly with frequency. The object of the invention is to overcome the aforementioned problems by proposing a wire antenna with a small overall size, good efficiency and having a stable radiation pattern. For this purpose, the invention proposes a wire antenna capable of operating in at least one predetermined frequency band, comprising a plurality of layers comprising at least one radiating element positioned on a support layer, said support layer being positioned on a substrate spacer, said spacer substrate being positioned on a reflective plane, comprising at least one resistive layer between the support layer of the at least one radiating element and said spacer substrate, the resistive layer comprising at least one set of regular resistive patterns positioned on at least one area of the resistive layer.
Avantageusement, l'antenne filaire selon l'invention comprend une couche résistive positionnée entre la couche de support des éléments rayonnants et le substrat espaceur permet de lisser l'interaction entre le plan de rayonnement dans lequel sont positionnés les éléments rayonnants et le plan réflecteur ou plan de masse, et d'obtenir un diagramme de rayonnement stable. L'antenne filaire selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prises indépendamment ou en combinaison, selon toutes combinaisons techniquement acceptables : - la couche résistive est formée par dépôt desdits motifs résistifs sur première face du substrat espaceur opposée à une deuxième face du substrat espaceur, ladite deuxième face du substrat espaceur étant positionnée sur le plan réflecteur ; - le ou les éléments rayonnants sont positionnés sur une face supérieure de la couche de support, la couche résistive étant formée par dépôt desdits motifs résistifs sur une face inférieure de la couche de support, opposée à ladite surface supérieure de la couche de support ; - le substrat espaceur a une forme géométrique ayant un centre et un bord extérieur, ledit substrat espaceur étant formé en un matériau diélectrique percé, évidé en son centre, de manière à réaliser une permittivité relative croissante du centre vers le bord extérieur ; - lesdits motifs résistifs sont réalisés en encre résistive déposée par sérigraphie ; - la couche résistive comporte au moins deux ensembles concentriques distincts de motifs résistifs, chaque ensemble comprenant des motifs réguliers régulièrement espacés, de forme géométrique donnée ; - au moins un desdits ensembles est formé de motifs résistifs de forme carrée ; - lorsque l'antenne est circulaire ou carrée, la couche résistive comporte au moins deux ensembles concentriques de motifs en forme de couronnes concentriques, chaque couronne comprenant des motifs rectangulaires régulièrement espacés, la taille et l'espacement desdits motifs rectangulaires étant dépendants de la distance de ladite couronne du centre de l'antenne circulaire ; - chacun desdits ensembles se situe à une distance différente par rapport à ou aux éléments rayonnants ; - elle comporte deux éléments rayonnants de type spirale d'Archimède ; - l'élément rayonnant est de type log-périodique ou sinueux ; - la taille des motifs résistifs et leur espacement dans chacun des ensembles de motifs sont calculées par un simulateur électromagnétique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : -la figure 1 est une représentation éclatée en perspective d'une antenne filaire selon un mode de réalisation de l'invention; -la figure 2 est une représentation en perspective d'une antenne filaire selon la figure 1 ; -la figure 3 est une vue de dessus de la couche résistive selon un premier mode de réalisation ; -la figure 4 est une vue de dessus de la couche résistive selon un deuxième mode de réalisation ; -la figure 5 est une vue de dessus de la couche résistive selon un troisième mode de réalisation ; -la figure 6 est une vue de dessus de la couche résistive selon un quatrième mode de réalisation ; - les figures 7 à 10 représentent des exemples de diagrammes de rayonnement pour une antenne de type spirale sans couche résistive selon l'invention ; - les figures 11 à 14 représentent des exemples de diagrammes de rayonnement pour une antenne de type spirale avec une couche résistive selon l'invention. Les figures 1 et 2 représentent respectivement une vue en perspective éclatée et une vue en perspective d'une antenne filaire 2 selon un mode de réalisation de l'invention.Advantageously, the wire antenna according to the invention comprises a resistive layer positioned between the support layer of the radiating elements and the spacer substrate makes it possible to smooth the interaction between the radiation plane in which the radiating elements are positioned and the reflective plane or ground plane, and to obtain a stable radiation pattern. The wired antenna according to the invention may have one or more of the following characteristics, taken independently or in combination, in any technically acceptable combination: the resistive layer is formed by depositing said resistive patterns on the first face of the spacer substrate opposite to a second face of the spacer substrate, said second face of the spacer substrate being positioned on the reflective plane; the radiating element or elements are positioned on an upper face of the support layer, the resistive layer being formed by depositing said resistive patterns on a lower face of the support layer, opposite to said upper surface of the support layer; the spacer substrate has a geometric shape having a center and an outer edge, said spacer substrate being formed of a pierced dielectric material, hollowed at its center, so as to achieve a relative permittivity increasing from the center to the outer edge; said resistive patterns are made of resistive ink deposited by screen printing; the resistive layer comprises at least two distinct concentric sets of resistive patterns, each set comprising regularly spaced regular patterns of given geometrical shape; at least one of said sets is formed of resistive patterns of square shape; when the antenna is circular or square, the resistive layer comprises at least two concentric sets of concentric ring-shaped patterns, each ring comprising regularly spaced rectangular patterns, the size and spacing of said rectangular patterns being dependent on the distance said crown of the center of the circular antenna; each of said sets is at a different distance from or to the radiating elements; it comprises two spiral elements of Archimedes spiral type; the radiating element is of log-periodic or sinuous type; the size of the resistive patterns and their spacing in each of the sets of patterns are calculated by an electromagnetic simulator. Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the description given below, by way of indication and in no way limitative, with reference to the appended figures, among which: FIG. 1 is an exploded representation in perspective of a wire antenna according to one embodiment of the invention; FIG 2 is a perspective representation of a wire antenna according to Figure 1; FIG. 3 is a view from above of the resistive layer according to a first embodiment; FIG. 4 is a view from above of the resistive layer according to a second embodiment; FIG. 5 is a view from above of the resistive layer according to a third embodiment; FIG. 6 is a view from above of the resistive layer according to a fourth embodiment; FIGS. 7 to 10 show examples of radiation diagrams for a spiral antenna without a resistive layer according to the invention; FIGS. 11 to 14 show examples of radiation patterns for a spiral type antenna with a resistive layer according to the invention. Figures 1 and 2 respectively show an exploded perspective view and a perspective view of a wire antenna 2 according to one embodiment of the invention.
Dans ce mode de réalisation l'antenne filaire 2 est une antenne large bande de fréquence, apte à fonctionner dans un intervalle de fréquence de 1 GHz (Gigahertz) à 20 GHz. Dans ce mode de réalisation, l'antenne filaire 2 a la forme d'un disque de circonférence circulaire, de centre O et plusieurs couches concentriques empilées selon 25 un axe A. Un élément rayonnant 4, disposé dans une surface plane S, également appelée surface de rayonnement, est positionné sur une couche de support planaire 6, elle-même disposée au-dessus d'un substrat espaceur 8. Le substrat espaceur 8 est disposé sur un plan réflecteur 10. Le plan réflecteur 10 30 est de préférence métallique, et est situé à une distance hl au-dessous de la surface de rayonnement S. Il a pour fonction de réfléchir toute onde incidente quelle que soit sa fréquence dans un intervalle de fréquence donné. En variante, le plan réflecteur métallique 10 n'est pas plein mais présente des ajourages, par exemple des fentes. 35 Le substrat espaceur 8 présente la forme générale extérieure d'un disque d'axe A et d'épaisseur h2 sensiblement constante. Ce substrat espaceur 8 est en matériau diélectrique de permittivité donnée. Par exemple, le substrat espaceur est constitué d'un matériau diélectrique de faible permittivité relative (e.g. mousse) ou d'un matériau diélectrique de type Duroid (marque déposée) ou d'un matériau composite possiblement multi-couches.In this embodiment, the wired antenna 2 is a wideband frequency antenna capable of operating in a frequency range of 1 GHz (Gigahertz) to 20 GHz. In this embodiment, the wire antenna 2 has the shape of a disk of circular circumference, center O and several concentric layers stacked along an axis A. A radiating element 4 disposed in a flat surface S, also called radiation surface, is positioned on a planar support layer 6, itself disposed above a spacer substrate 8. The spacer substrate 8 is disposed on a reflective plane 10. The reflector plane 10 is preferably metallic, and is located at a distance hl below the radiation surface S. Its function is to reflect any incident wave regardless of its frequency in a given frequency range. In a variant, the metal reflector plane 10 is not full but has perforations, for example slits. The spacer substrate 8 has the general external shape of a disk of axis A and of thickness h2 that is substantially constant. This spacer substrate 8 is made of a dielectric material of given permittivity. For example, the spacer substrate is made of a dielectric material of low relative permittivity (e.g. foam) or a dielectric material of Duroid type (trademark) or a possibly multi-layered composite material.
En variante, le substrat espaceur 8 est en matériau magnéto-diélectrique ou magnétique pur. Dans un mode de réalisation alternatif, le substrat espaceur 8 est formé en un matériau diélectrique progressif ou percé, évidé en son centre, de manière à réaliser une permittivité relative croissante du centre vers le bord extérieur.In a variant, the spacer substrate 8 is made of a pure magneto-dielectric or magnetic material. In an alternative embodiment, the spacer substrate 8 is formed of a progressive dielectric material or drilled, recessed at its center, so as to achieve a relative permittivity increasing from the center to the outer edge.
Entre la couche de support 6 et le substrat espaceur 8 est disposée une couche résistive 12, à motifs résistifs réguliers sur au moins une couronne de centre O. La couche résistive 12 est, selon une première variante de réalisation, disposée sur une première face 14, ou face supérieure, du substrat espaceur 8 orientée vers l'élément rayonnant 4 et opposée à la deuxième face 16, ou face inférieure, en contact avec le réflecteurs métallique 10. Selon une deuxième variante de réalisation, la couche résistive 12 est disposée sur une deuxième face 20 ou face inférieure de la couche de support 6, l'élément rayonnant 4 étant disposé sur la première face 18 ou face supérieure de la couche de support 6.Between the support layer 6 and the spacer substrate 8 is arranged a resistive layer 12, with regular resistive patterns on at least one ring of center O. The resistive layer 12 is, according to a first embodiment, disposed on a first face 14 or upper face, of the spacer substrate 8 oriented towards the radiating element 4 and opposite the second face 16, or lower face, in contact with the metal reflector 10. According to a second variant embodiment, the resistive layer 12 is disposed on a second face 20 or lower face of the support layer 6, the radiating element 4 being disposed on the first face 18 or upper face of the support layer 6.
Selon une troisième variante, plusieurs couches résistives 12 sont réalisées, par exemple une couche résistive disposée sur la face supérieure 14 du substrat espaceur 8 et une deuxième couche résistive disposée sur la face inférieure 20 de la couche de support 6. Ainsi, la couche résistive 12 est disposée dans une zone dite « champ proche » de l'élément rayonnant 4. De préférence, la couche résistive 12 est réalisée à partir d'une encre résistive par procédé sérigraphique, les motifs résistifs étant déposés sur la face de support choisie selon la première ou la deuxième variante décrite ci-dessus. L'élément rayonnant 4 comporte des premier et second fils métalliques 22 et 24 qui sont respectivement conformés selon un motif du type en spirale ou de type log- périodiques sinueuse par exemple. Plus particulièrement, le motif forme une spirale d'Archimède dans le mode de réalisation de la figure 1. Chaque fil, 22, 24, est enroulé autour du point origine O, qui correspond à l'intersection de l'axe A et de la surface de rayonnement S.According to a third variant, several resistive layers 12 are made, for example a resistive layer disposed on the upper face 14 of the spacer substrate 8 and a second resistive layer disposed on the lower face 20 of the support layer 6. Thus, the resistive layer 12 is arranged in a so-called "near-field" zone of the radiating element 4. Preferably, the resistive layer 12 is made from a resistive ink by means of a screen printing process, the resistive patterns being deposited on the support face chosen according to the first or the second variant described above. The radiating element 4 comprises first and second metal wires 22 and 24 which are respectively shaped according to a pattern of the spiral type or serpentine log-periodic type, for example. More particularly, the pattern forms an Archimedean spiral in the embodiment of FIG. 1. Each wire, 22, 24, is wound around the origin point O, which corresponds to the intersection of the axis A and the radiation surface S.
L'élément rayonnant 4 est par exemple réalisé par une opération de gravure, directement sur la face supérieure 18 de la couche de support 6.The radiating element 4 is for example made by an etching operation, directly on the upper face 18 of the support layer 6.
Un dispositif d'alimentation (non représenté) de l'élément rayonnant 4 est positionné au-dessous du plan réflecteur 10, qui est relié électriquement à la masse. Le plan réflecteur 10 et les couches 8, 12, 6 positionnées au-dessus sont munis d'un passage évidé 28, 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 électriquement ce dernier. En fonctionnement, une zone active de l'élément rayonnant 4 émet une première onde directe se propageant vers l'avant, c'est-à-dire à l'écart du substrat espaceur 8, et une deuxième onde se propageant vers l'arrière, c'est-à-dire en direction du substrat espaceur 8.A supply device (not shown) for the radiating element 4 is positioned below the reflector plane 10, which is electrically connected to ground. The reflector plane 10 and the layers 8, 12, 6 positioned above are provided with a recessed passage 28, along the axis A, for the passage of a clean conductor wire to be connected to the radiating element 4, to power the latter electrically. In operation, an active zone of the radiating element 4 emits a first direct wave propagating forwards, that is to say away from the spacer substrate 8, and a second wave propagating towards the rear , that is to say in the direction of the spacer substrate 8.
La deuxième onde traverse la couche résistive 12, le substrat espaceur 8, est réfléchie par le plan réflecteur 10, puis traverse à nouveau le substrat espaceur 8, et la couche résistive 12. La couche résistive 12 comprend des motifs résistifs réguliers sur au moins une couronne de centre O.The second wave passes through the resistive layer 12, the spacer substrate 8, is reflected by the reflector plane 10, then crosses again the spacer substrate 8, and the resistive layer 12. The resistive layer 12 comprises regular resistive patterns on at least one crown of center O.
Plusieurs modes de réalisation des motifs résistifs réguliers composant cette couche 12 sont illustrés dans les figures 3 à 6. La forme, la taille et le schéma de répétition spatiale ou topologie des motifs sont variables et définis, pour chaque mode de réalisation, à l'aide d'un logiciel de simulation électromagnétique 3D ou simulateur électromagnétique. En effet, un pré- dimensionnement analytique des motifs résistifs est particulièrement complexe. D'une manière générale, étant donné un intervalle de fréquences à couvrir, on choisit une valeur de résistance par motif, une forme géométrique par motif et une topologie de répétition des motifs, et on calcule, à l'aide d'un logiciel de simulation électromagnétique 3D, la taille des motifs et l'espacement des motifs.Several embodiments of the regular resistive patterns composing this layer 12 are illustrated in FIGS. 3 to 6. The shape, the size and the pattern of spatial repetition or topology of the patterns are variable and defined, for each embodiment, to the using a 3D electromagnetic simulation software or electromagnetic simulator. Indeed, an analytical pre-dimensioning of the resistive units is particularly complex. In general, given a range of frequencies to be covered, a resistance value per pattern, a geometric shape per pattern and a repeating topology of the patterns are chosen, and a calculation software is calculated using 3D electromagnetic simulation, pattern size and pattern spacing.
De tels logiciels de simulation sont connus, par exemple des logiciels réalisant la résolution des équations de Maxwell sous la forme intégrale, par la méthode des intégrales finies. La taille et la topologie des motifs sont sélectionnées pour améliorer la stabilité du diagramme de rayonnement.Such simulation software is known, for example software that solves the Maxwell equations in integral form, using the finite integral method. The size and topology of the patterns are selected to improve the stability of the radiation pattern.
Etant donnés une hauteur de substrat support 6, une hauteur du substrat espaceur 8 et des valeurs de permittivités relatives des matériaux de substrat diélectriques, le choix de la valeur des résistances de la couche résistive 12 et des motifs est guidé par un compromis à trouver entre le gain en champ lointain rayonné dans l'axe radioélectrique, donc l'efficacité de rayonnement, et la forme ou la stabilité du diagramme de rayonnement (ouverture angulaire de lobe suivant la fréquence).Given a support substrate height 6, a height of the spacer substrate 8 and relative permittivity values of the dielectric substrate materials, the choice of the resistance value of the resistive layer 12 and the patterns is guided by a compromise to be found between the gain in the far field radiated in the radio axis, thus the radiation efficiency, and the shape or stability of the radiation pattern (angular aperture of the lobe according to the frequency).
Le choix de la valeur des résistances de la couche résistive 12 et des motifs se fait par mise en oeuvre de plusieurs simulations et comparaison des résultats pour sélectionner les valeurs et motifs les mieux adaptés pour une application visée. Dans un premier mode de réalisation, illustré à la figure 3, la couche résistive 30 comprend deux ensembles de motifs distincts 32, 34, disposés en zones concentriques de centre O du disque D définissant la circonférence de l'antenne filaire 2. Le premier ensemble 32 est de forme carrée et est formé de motifs 36 carrés, régulièrement espacés dans chaque direction, les centres de motifs 36 formant une grille carrée régulière. Par exemple, pour une valeur de résistance de 1000 Ohms par carré et pour une sous-bande de fréquences haute de la bande de fréquences totale 1-20 GHz, les motifs carrés peuvent avoir 1 mm de côté et l'espace entre motifs voisins peut être de 1 mm. Le deuxième ensemble de motifs 34 est une couronne circulaire comportant motifs 38 en forme de trapèze, répartis en anneaux concentriques 39, chaque anneau 39 étant composé de motifs 38 de mêmes dimensions et régulièrement espacés, les dimensions des motifs par anneau variant en fonction du rayon de l'anneau 39, donc de la distance par rapport au centre O du disque D. En particulier, la surface des motifs 38 augmente avec le rayon de l'anneau 39. Par exemple, pour une valeur de résistance de 1000 Ohms par carré et pour une sous-bande de fréquences basse de la bande de fréquences totale 1-20 GHz, la largeur de chaque motif résistif pourra être d'environ 2 mm (dans le sens radial) et l'espacement entre motifs voisins pourra être de 0,8 mm dans le sens radial et dans celui ortho-radial. En variante, l'espacement entre les motifs résistifs voisins est différent entre le sens radial et celui ortho-radial. Dans un deuxième mode de réalisation, illustré à la figure 4, la couche résistive 40 comprend deux ensembles concentriques distincts 42, 44, formés autour du centre O du disque D définissant la circonférence de l'antenne filaire 2. Le premier ensemble 42 est circulaire et comprend des motifs 46 carrés, régulièrement disposés radialement et angulairement, de forme carrée et de même taille. Dans ce deuxième mode de réalisation, le deuxième ensemble 44 est formé d'un anneau de motifs 48 carrés, de taille supérieure à la taille des motifs 46 du premier ensemble 42. Par exemple, pour une valeur de résistance de 1000 Ohms par carré et pour une sous-bande de fréquences haute de la bande de fréquences totale 1-20 GHz, les motifs résistifs 46 ont pour côté 2 mm et sont espacés de 2 mm alors que les motifs résistifs 48 ont pour côté 4 mm et sont espacés de 2 mm, pour un espacement radial de 2 mm entre les motifs 46 et 48.The choice of the value of the resistors of the resistive layer 12 and the patterns is done by implementing several simulations and comparing the results to select the values and patterns best suited for a targeted application. In a first embodiment, illustrated in FIG. 3, the resistive layer 30 comprises two sets of distinct patterns 32, 34 arranged in concentric zones of center O of the disk D defining the circumference of the wired antenna 2. The first set 32 is of square shape and is formed of 36 square patterns, regularly spaced in each direction, the pattern centers 36 forming a regular square grid. For example, for a resistance value of 1000 ohms per square and for a high frequency sub-band of the 1-20 GHz total frequency band, the square patterns may have 1 mm of side and the space between adjacent patterns may be 1 mm. The second set of patterns 34 is a circular ring with trapezoid-shaped patterns 38 distributed in concentric rings 39, each ring 39 being composed of patterns 38 of the same dimensions and regularly spaced apart, the dimensions of the patterns per ring varying according to the radius. of the ring 39, therefore the distance from the center O of the disk D. In particular, the surface of the patterns 38 increases with the radius of the ring 39. For example, for a resistance value of 1000 ohms per square and for a low frequency sub-band of the 1-20 GHz total frequency band, the width of each resistive pattern may be about 2 mm (in the radial direction) and the spacing between neighboring patterns may be 0 , 8 mm in the radial and in the ortho-radial direction. As a variant, the spacing between the adjacent resistive units is different between the radial direction and the ortho-radial direction. In a second embodiment, illustrated in FIG. 4, the resistive layer 40 comprises two distinct concentric assemblies 42, 44, formed around the center O of the disk D defining the circumference of the wire antenna 2. The first assembly 42 is circular and comprises square patterns 46, regularly arranged radially and angularly, of square shape and of the same size. In this second embodiment, the second assembly 44 is formed of a ring of 48 square patterns, larger than the size of the patterns 46 of the first set 42. For example, for a resistance value of 1000 ohms per square and for a high frequency sub-band of the 1-20 GHz total frequency band, the resistive patterns 46 are 2 mm apart and 2 mm apart while the resistive patterns 48 are 4 mm apart and 2 mm, for a radial spacing of 2 mm between patterns 46 and 48.
Dans un troisième mode de réalisation, illustré à la figure 5, la couche résistive 50 comprend un seul ensemble de motifs 52, en forme de couronne circulaire de centre O du disque D définissant la circonférence de l'antenne filaire 2, formée de motifs rectangulaires 54 répartis en anneaux concentriques 56, les motifs 54 étant régulièrement répartis angulairement et radialement. Les dimensions des motifs 54 par anneau 56 varient en fonction du rayon de l'anneau 56, donc de la distance par rapport au centre O du disque D. Par exemple, pour une valeur de résistance de 1000 Ohms par carré et pour une sous-bande de fréquences haute de la bande de fréquences totale 1-20 GHz, la largeur de chaque motif résistif pourra être d'environ 2 mm (dans le sens radial) et l'espacement entre motifs voisins pourra être de 2 mm dans le sens radial et dans celui ortho-radial. En variante, l'espacement entre les motifs résistifs voisins est différent entre le sens radial et celui ortho-radial. Dans un quatrième mode de réalisation, illustré à la figure 6, la couche résistive 60 comprend deux ensembles de motifs 62, 64, concentriques autour du centre O du disque D définissant la circonférence de l'antenne filaire 2, Le premier ensemble 62 est de forme carrée, centrée sur le centre O du disque D, et est formé de motifs carrés 66 régulièrement disposés selon une grille carrée autour du centre O.In a third embodiment, illustrated in FIG. 5, the resistive layer 50 comprises a single set of patterns 52, in the form of a circular ring of center O of the disk D defining the circumference of the wire antenna 2, formed of rectangular patterns. 54 distributed in concentric rings 56, the patterns 54 are regularly distributed angularly and radially. The dimensions of the patterns 54 per ring 56 vary as a function of the radius of the ring 56, hence the distance from the center O of the disk D. For example, for a resistance value of 1000 ohms per square and for a sub-phase high frequency band of the 1-20 GHz total frequency band, the width of each resistive pattern may be approximately 2 mm (in the radial direction) and the spacing between adjacent patterns may be 2 mm in the radial direction and in the ortho-radial one. As a variant, the spacing between the adjacent resistive units is different between the radial direction and the ortho-radial direction. In a fourth embodiment, illustrated in FIG. 6, the resistive layer 60 comprises two sets of patterns 62, 64, concentric around the center O of the disk D defining the circumference of the wired antenna 2, the first set 62 being of square shape, centered on the center O of the disk D, and is formed of square patterns 66 regularly arranged in a square grid around the center O.
Le deuxième ensemble 64 est également centré sur le point O. Géométriquement, la zone occupée par le deuxième ensemble 64 est délimitée par un contour intérieur 68 carré et un contour extérieur 70 circulaire, et est formée de motifs carrés 72, tronqués à proximité du contour extérieur 70, les carrés 72 étant de surface plus grande que les motifs carrés 66 de la première zone.The second set 64 is also centered on the point O. Geometrically, the zone occupied by the second set 64 is delimited by an inner contour 68 square and a circular outer contour 70, and is formed of square patterns 72, truncated near the contour outside 70, the squares 72 being larger in area than the square patterns 66 of the first zone.
Par exemple, pour une valeur de résistance de 1000 Ohms par carré et pour toute la bande de fréquences 1-20 GHz, les motifs carrés 66 ont pour côté 2 mm alors que les motifs carrés 72 ont pour côté 4 mm, l'espacement entre motifs carrés voisins pouvant être de 2 mm. Les modes de réalisation décrits en référence aux figures 4 et 5 sont adaptés pour l'optimisation des performances rayonnées, en particulier le compromis entre efficacité de rayonnement et stabilité des diagrammes de rayonnement, pour une sous-bande de fréquence donnée. Les modes de réalisation décrits en référence aux figures 3 et 6 sont adaptés pour l'optimisation des performances rayonnées, en particulier le compromis entre efficacité de rayonnement et stabilité des diagrammes de rayonnement, dans une large bande de fréquences, de l'ordre de 1 à 20 GHz.For example, for a resistance value of 1000 ohms per square and for the entire 1-20 GHz frequency band, the square patterns 66 have a side of 2 mm whereas the square patterns 72 have a side of 4 mm, the spacing between neighboring square patterns that can be 2 mm. The embodiments described with reference to FIGS. 4 and 5 are suitable for optimizing the radiated performances, in particular the compromise between radiation efficiency and stability of the radiation patterns, for a given frequency sub-band. The embodiments described with reference to FIGS. 3 and 6 are suitable for optimizing the radiated performances, in particular the compromise between radiation efficiency and stability of the radiation patterns, in a wide frequency band, of the order of 1 at 20 GHz.
Il a été constaté expérimentalement que le quatrième mode de réalisation illustré à la figure 6 présente une efficacité de rayonnement améliorée par rapport au premier mode de réalisation décrit en référence à la figure 3 pour une stabilité de diagramme de rayonnement analogue.It has been found experimentally that the fourth embodiment illustrated in FIG. 6 has an improved radiation efficiency with respect to the first embodiment described with reference to FIG. 3 for similar radiation pattern stability.
D'autres variantes de mise en oeuvre de l'invention que celles décrites en détail ci- dessus sont envisageables. En particulier, les antennes décrites sont de forme circulaire. En variante, des antennes carrées, à éléments rayonnants de forme spirale carrée sont envisageables. Des ensembles de motifs résistifs concentriques carrés sont mis en oeuvre.Other variants of implementation of the invention than those described in detail above are conceivable. In particular, the antennas described are circular in shape. In a variant, square antennas with radiating elements of square spiral shape are conceivable. Sets of concentric square resistive patterns are implemented.
Selon une variante, l'ensemble de motifs résistifs est constitué de plusieurs sous- ensembles qui sont décalés dans le sens de la hauteur, selon l'axe A des figures 1 et 2. Ainsi, par exemple, dans le premier mode de réalisation décrit en référence à la figure 3, les motifs 36 du premier sous-ensemble 32 sont à une distance dl de l'élément rayonnant, et les motifs 38 du deuxième sous-ensemble 34 sont à une distance d2 de l'élément rayonnant 4, d2 étant supérieure à dl. Afin de réaliser une hauteur différente des ensembles de motifs résistifs, dans un premier mode de réalisation, la surface sur laquelle sont réalisés les motifs résistifs, par exemple la face 14 du substrat espaceur 8, n'est pas plane, mais à deux niveaux de hauteur afin de réaliser les distances dl et d2.According to one variant, the set of resistive patterns consists of several subassemblies which are offset in the direction of the height, along the axis A of FIGS. 1 and 2. Thus, for example, in the first embodiment described with reference to FIG. 3, the patterns 36 of the first subassembly 32 are at a distance d1 from the radiating element, and the patterns 38 of the second subassembly 34 are at a distance d2 from the radiating element 4, d2 being greater than dl. In order to achieve a different height of the sets of resistive patterns, in a first embodiment, the surface on which the resistive patterns are made, for example the face 14 of the spacer substrate 8, is not flat, but at two levels of height to achieve distances dl and d2.
En variante, un décalage de hauteur est réalisé directement par sérigraphie (ou procédé de réalisation équivalent) des motifs résistifs. De manière analogue, un décalage dans le sens de la hauteur selon l'axe A entre sous-ensembles de motifs est envisageable pour les autres modes de réalisation décrits ci-dessus.As a variant, a height offset is made directly by screen printing (or equivalent production method) of the resistive patterns. Similarly, an offset in the direction of the height along the axis A between subassemblies of patterns is conceivable for the other embodiments described above.
Selon une autre variante, plusieurs couches de motifs résistifs sont superposées sur une ou plusieurs couronnes concentriques. A titre d'exemple illustratif, permettant de montrer les performances de l'invention, des diagrammes de rayonnement d'une antenne de type spirale en polarisation circulaire droite (figures 7 et 8) et en polarisation circulaire gauche (figures 9 et 10), selon une variation de l'angle de gisement à angle de site de 0° (figures 7 et 9), ou variation de l'angle de site à angle de gisement à 0° (figures 8 et 10) en fonction de la fréquence sont illustrés. L'antenne spirale utilisée pour l'exemple des figures 7 à 10 est une antenne spirale classique sur plan réflecteur métallique. Les diagrammes de rayonnement illustrés aux figures 7 à 10 présentent visiblement des variations selon la fréquence, et manquent de stabilité.According to another variant, several layers of resistive patterns are superimposed on one or more concentric rings. By way of illustrative example, to show the performance of the invention, radiation patterns of a spiral type antenna in right circular polarization (FIGS. 7 and 8) and in left circular polarization (FIGS. 9 and 10), at a 0 ° angle of elevation angle of elevation (Figures 7 and 9), or 0 ° angle of elevation angle variation (Figures 8 and 10) as a function of frequency are illustrated. The spiral antenna used for the example of FIGS. 7 to 10 is a conventional spiral antenna on a metal reflector plane. The radiation patterns illustrated in FIGS. 7 to 10 visibly show variations according to the frequency, and lack stability.
Les figures 11, 12, 13 et 14 représentent les diagrammes de rayonnement d'une même antenne spirale comprenant une couche à motifs résistifs, selon le mode de réalisation de la figure 6, intercalée entre le plan réflecteur métallique et l'élément spirale rayonnant selon l'invention.FIGS. 11, 12, 13 and 14 show the radiation patterns of the same spiral antenna comprising a resistive patterned layer, according to the embodiment of FIG. 6, interposed between the metallic reflector plane and the radiating spiral element according to FIG. the invention.
Les mêmes configurations de polarisation circulaire et des gisement/site que dans les figures 7, 8, 9 et 10 sont représentées. Ainsi, les diagrammes de rayonnement en polarisation circulaire droite sont représentés dans les figures 11 et 12, et en polarisation circulaire gauche dans les figures 13 et 14, selon une variation de l'angle de gisement à angle de site de 0° (figures 11 et 12), ou variation de l'angle de site à angle de gisement à 0° (figures 13 et 14) en fonction de la fréquence sont illustrés. Il apparaît clairement que les diagrammes de rayonnement obtenus sont largement stabilisés sur l'ensemble des fréquences représentées. Ces figures permettent d'illustrer l'amélioration nette de la stabilité des diagrammes de rayonnement grâce à l'invention, pour une large bande de fréquence. Avantageusement, une antenne filaire selon l'invention est particulièrement compacte, ce qui permet d'utiliser non seulement sur des surfaces planes, mais également sur des surfaces courbes. Ainsi, une telle antenne est mieux adaptée pour être utilisé sur un porteur de type aéronef, où une conformation de l'antenne peut être requise. 20The same circular polarization and deposit / site configurations as in Figures 7, 8, 9 and 10 are shown. Thus, the right circular polarization radiation patterns are shown in FIGS. 11 and 12, and in the left circular polarization in FIGS. 13 and 14, according to a variation of the angle of elevation angle of elevation of 0 ° (FIGS. and 12), or variation of the angle of elevation angle at 0 ° (Figures 13 and 14) as a function of frequency are illustrated. It is clear that the radiation patterns obtained are largely stabilized over all the frequencies represented. These figures make it possible to illustrate the clear improvement in the stability of the radiation patterns thanks to the invention, for a wide frequency band. Advantageously, a wire antenna according to the invention is particularly compact, which makes it possible to use not only on flat surfaces, but also on curved surfaces. Thus, such an antenna is better suited for use on an aircraft-type carrier, where a conformation of the antenna may be required. 20
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