FR3025658A1

FR3025658A1 - Antenne a diagramme de rayonnement mecaniquement reconfigurable

Info

Publication number: FR3025658A1
Application number: FR1458299A
Authority: FR
Inventors: Antoine Chauloux
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2014-09-04
Filing date: 2014-09-04
Publication date: 2016-03-11
Anticipated expiration: 2034-09-04
Also published as: US20170279193A1; EP3189557A1; US10403975B2; FR3025658B1; WO2016034656A1; EP3189557B1

Abstract

Antenne à diagramme de rayonnement mécaniquement reconfigurable. Elle est notamment utilisable dans les stations d'essai de champs électromagnétiques. Elle a une fréquence de fonctionnement prédéfinie, correspondant à une longueur d'onde prédéfinie, et comprend : un cornet sectoriel conducteur (2) dont une extrémité ouverte (6) est intégrée à un plan de masse (8), des fentes rayonnantes court-circuitées (10, 12), intégrées au plan de masse, de part et d'autre de cette extrémité ouverte et des volets conducteurs (22, 24), disposés au-dessus des fentes et de cette extrémité ouverte, et déployables mécaniquement de manière continue pour modifier le diagramme de rayonnement de l'antenne.

Description

1 ANTENNE A DIAGRAMME DE RAYONNEMENT MECANIQUEMENT RECONFIGURABLE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne une antenne à diagramme de rayonnement reconfigurable. Elle trouve notamment des applications dans des installations d'essai de champs électromagnétiques. Parmi les caractéristiques radioélectriques d'une antenne, la maîtrise du rayonnement relève d'une importance particulière. Combiner la capacité à illuminer une large surface avec la faculté de focaliser l'énergie dans une direction privilégiée requiert l'élaboration d'une antenne de type « reconfigurable en diagramme de rayonnement ». De plus, dans le cadre de certaines applications, cette antenne doit être pourvue d'une tenue en puissance élevée. La présente invention vise à répondre à ces critères. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La variation du diagramme de rayonnement d'une antenne peut être effectuée selon divers procédés. Il est par exemple connu d'utiliser un changement des caractéristiques propres à une source rayonnante par polarisation d'un diélectrique. Il est également connu d'introduire des circuits actifs assurant, entre autres, des fonctions de déphasage ou de commutation. Outre la nécessité de mettre en oeuvre des circuits électroniques ayant potentiellement une tenue en puissance limitée, certaines de ces techniques imposent une reconfiguration discontinue d'un diagramme de rayonnement. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients. De façon précise, la présente invention a pour objet une antenne à diagramme de rayonnement reconfigurable, ayant une fréquence de fonctionnement prédéfinie, correspondant à une longueur d'onde prédéfinie, cette antenne étant caractérisée en ce qu'elle comprend : 3025658 2 -un plan de masse électriquement conducteur, -un cornet sectoriel électriquement conducteur, ayant des première et deuxième extrémités ouvertes et allant en s'évasant de la première à la deuxième extrémité ouverte, la deuxième extrémité ouverte étant intégrée au plan de masse et de 5 forme allongée, -des fentes rayonnantes court-circuitées, de forme allongée, intégrées au plan de masse, disposées de part et d'autre de la deuxième extrémité ouverte, parallèlement à celle-ci, et -des volets électriquement conducteurs, disposés au-dessus des fentes 10 et de la deuxième extrémité ouverte, et déployables mécaniquement de manière continue pour modifier le diagramme de rayonnement de l'antenne. De préférence, les fentes ont une profondeur sensiblement égale au quart de la longueur d'onde prédéfinie. De préférence également, les fentes et la deuxième extrémité ouverte 15 ont une longueur sensiblement égale au triple de la longueur d'onde prédéfinie. Selon un mode de réalisation préféré de l'antenne, objet de l'invention, cette antenne comprend en outre des premières rainures dans le plan de masse, entre les fentes rayonnantes et la deuxième extrémité ouverte. Dans ce cas, les fentes rayonnantes et les premières rainures ont de 20 préférence sensiblement la même profondeur. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, chaque fente rayonnante est discontinue et constituée d'un ensemble de fentes élémentaires allongées, espacées les unes des autres. De préférence, la longueur de chaque fente élémentaire est 25 sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde prédéfinie. De préférence, l'antenne, objet de l'invention, comprend en outre des deuxièmes rainures dans le plan de masse, ces deuxièmes rainures reliant les fentes élémentaires d'une même fente rayonnante les unes aux autres. De préférence, chacune des deuxièmes rainures a une longueur sensiblement égale à 1,5 fois la longueur d'onde prédéfinie.

3025658 3 Les deuxièmes rainures ont de préférence une profondeur sensiblement égale au quart de la longueur d'onde prédéfinie. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, le cornet sectoriel est replié et présente un rayon de courbure minimum, choisi pour maintenir 5 sensiblement constante la répartition de la phase du champ électromagnétique présent dans la deuxième extrémité ouverte du cornet sectoriel. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description 10 d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : -les figures 1A et 1B montrent un exemple de l'antenne, objet de l'invention, comprenant un cornet sectoriel dont l'ouverture rayonnante est intégrée dans un plan de masse, 15 -les figures 2A et 2B montrent le cornet sectoriel associé à des fentes rayonnantes court-circuitées, -les figures 3A et 3B montrent des rainures intégrées entre les fentes rayonnantes et l'ouverture rayonnante du cornet sectoriel pour favoriser le couplage, -la figure 4 montre la répartition de la phase du champ 20 électromagnétique présent dans l'ouverture rayonnante du cornet sectoriel ainsi que dans les fentes rayonnantes, -les figures 5A et 5B montrent les fentes rayonnantes divisées en fentes plus petites, entre lesquelles sont ajoutées des rainures, -la figure 6 est une illustration d'une répartition de phase identique dans 25 chaque zone correspondant à une fente plus petite, -les figures 7A, 7B et 7C montrent des volets positionnés au-dessus des fentes rayonnantes et de l'ouverture rayonnante du cornet sectoriel pour trois configurations d'écartement des volets, -la figure 8 montre des diagrammes de rayonnement théoriques dans le 30 plan vertical pour plusieurs valeurs de cet écartement, 3025658 4 -la figure 9 montre des diagrammes de rayonnement théoriques dans le plan horizontal pour plusieurs valeurs de cet écartement, -les figures 10A, 10B et 10C montrent une alimentation de l'antenne par une antenne monopôle, introduite dans un guide d'onde prolongeant le cornet sectoriel, 5 -la figure 11 montre l'antenne monopôle alimentant le guide d'onde, avec l'ensemble des dimensions correspondantes, et -les figures 12A, 12B et 12C montrent un autre exemple de l'antenne à diagramme reconfigurable, dans lequel le cornet sectoriel est replié.

10 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS On donne ci-après un exemple de l'antenne, objet de l'invention. Dans cet exemple (donné à titre purement indicatif et nullement limitatif), l'antenne est dimensionnée pour fonctionner à une fréquence F égale à 2,47 GHz. On rappelle que la longueur d'onde X prédéfinie, associée à cette fréquence prédéfinie F, est égale à c/F où c 15 représente la vitesse de la lumière dans le vide. En outre, le diagramme de rayonnement de l'antenne varie continûment dans le plan vertical : l'ouverture à mi-puissance du lobe principal varie continûment de 20° à 70°. Le diagramme de rayonnement dans le plan horizontal reste, quant à lui, stable ; et l'ouverture à mi-puissance correspondante du lobe principal vaut 20 30°. L'antenne décrite utilise un cornet sectoriel, associé à des fentes rayonnantes. Des volets se déplacent mécaniquement au-dessus du cornet et des fentes. Ce mouvement mécanique engendre la reconfiguration du diagramme de rayonnement. L'ensemble de la structure de cette antenne est fait d'un matériau 25 électriquement conducteur, de préférence un métal. On limite ainsi les pertes et l'on donne à l'antenne une tenue en puissance potentiellement élevée, lui permettant de supporter des niveaux de puissance de l'ordre de 1 kW. On va maintenant décrire de façon détaillée l'antenne à diagramme de rayonnement reconfigurable, donnée à titre d'exemple.

3025658 5 On considère tout d'abord la source rayonnante que comporte l'antenne A. Elle comprend en premier lieu un cornet sectoriel métallique 2 (figures 1A et 1B) qui est dimensionné afin d'obtenir une ouverture à mi-puissance du lobe principal, égale à 20° dans le plan vertical. Ce cornet 2 va en s'évasant d'une première extrémité 5 ouverte 4 à une deuxième extrémité ouverte 6 appelée « ouverture rayonnante ». L'intérieur du cornet est rempli d'air. L'ouverture rayonnante 6 du cornet 2 est intégrée à un plan de masse métallique 8 et a une forme allongée. L'ouverture à mi-puissance d'une telle source rayonnante est très large dans le plan horizontal : elle vaut environ 130°. Pour réduire cette ouverture, des fentes 10 rayonnantes court-circuitées 10, 12 (figures 2A et 2B) sont associées au cornet afin de produire un effet de réseau (en anglais, grating) qui focalise le diagramme de rayonnement dans le plan horizontal et réduit l'ouverture à mi-puissance. Ces fentes sont intégrées au plan de masse 8. Elles ont une forme allongée et sont disposées de part et d'autre de l'ouverture rayonnante 6, parallèlement à celle-ci. Elles sont court-circuitées 15 au moyen d'un capot métallique (non représenté), situé sous le plan de masse, et sont alimentées par couplage avec l'énergie électromagnétique sortant de l'ouverture rayonnante 6 du cornet sectoriel 2. La profondeur de ces fentes 10, 12 est égale au quart de la longueur d'onde X, correspondant à la fréquence de fonctionnement F de l'antenne. Cela permet 20 de minimiser l'énergie réactive de ces fentes en vue de maximiser le rayonnement de celles-ci. On note G la distance entre le centre de l'ouverture rayonnante 6 et le centre de la fente court-circuitée 10 ou 12. Et l'on note W la largeur de chaque fente 10 ou 12. Dans l'exemple donné, la distance G et la largeur W valent respectivement 85 mm 25 et 28 mm. Ces valeurs sont optimisées afin de limiter le déphasage entre les champs électromagnétiques rayonnés par l'ouverture 6 du cornet 2 et par les fentes 10 et 12. Le couplage de l'énergie électromagnétique de l'ouverture 6 du cornet 2 vers les fentes 10 et 12 est en outre optimisé grâce à l'intégration de rainures 14 et 16 (figures 3A et 3B) dans le plan de masse 8. Comme on le voit, ces rainures 14 et 16 sont 30 comprises entre les fentes 10, 12 et l'ouverture 6 et vont de cette dernière jusqu'aux 3025658 6 fentes 10 et 12. Les rainures 14 (respectivement 16) s'étendent du haut (respectivement du bas) de l'ouverture 6 au haut (respectivement au bas) des fentes 10 et 12. La profondeur des rainures 14 et 16 est identique à celle des fentes court-circuitées 10 et 12. La largeur WR de ces rainures est de taille limitée par rapport à 5 la longueur d'onde X, à savoir inférieur à 0,1 X (dans l'exemple décrit wR vaut 5 mm) afin de réduire l'encombrement. La longueur des fentes court-circuitées 10, 12 et de l'ouverture 6 du cornet sectoriel 2 vaut environ 3 fois la longueur d'onde X (correspondant à la fréquence de fonctionnement F). Cette configuration donne lieu à une répartition variable de la phase 10 dans les fentes 10 et 12. Ces variations sont visibles sur la figure 4 qui montre la répartition de la phase du champ électromagnétique présent dans l'ouverture 6 et dans les fentes 10 et 12. A droite de la figure 4, l'échelle est graduée en degrés. Afin d'assurer une répartition constante de la phase du champ électromagnétique dans les fentes rayonnantes 10, 12 qui sont adjacentes à l'ouverture 6 15 du cornet 2, ces fentes 10 et 12 sont discrétisées par portions dont la longueur vaut une demi-onde. Plus précisément, chaque fente rayonnante 10 ou 12 est discontinue et constituée d'un ensemble de fentes élémentaires allongées 18 (figures 5A et 5B), espacées les unes des autres. Et la longueur L de chaque fente élémentaire 18 est sensiblement égale à X/2.

20 De plus, d'autres rainures 20 (figures 5A et 5B) sont intégrées dans le plan de masse 8, entre ces fentes élémentaires 18. Ces autres rainures 20 relient les unes aux autres les fentes élémentaires 18 d'une même fente 10 ou 12. La profondeur de ces autres rainures 20 vaut sensiblement le quart de la longueur d'onde X (correspondant à la fréquence de fonctionnement F). La largeur WR2 de ces autres rainures 20 vaut 3 mm 25 dans l'exemple et la longueur totale de chaque rainure 20 vaut sensiblement 1,5 X. Dans l'exemple, cette longueur égale à 1,5 X est obtenue en donnant aux rainures 20 une configuration en zigzag. Cette longueur assure la correction nécessaire pour que la répartition de phase des champs électromagnétiques rayonnés par les fentes élémentaires 18 soit la 3025658 7 même pour chacune d'elles comme l'illustre la figure 6 où l'échelle située à droite est graduée en degrés. L'association et l'agencement, à l'aide des rainures 14, 16 et 20, de fentes court-circuitées avec le cornet sectoriel permet de réduire à une valeur de 30° 5 l'ouverture à mi-puissance du diagramme de rayonnement dans le plan horizontal. On considère à présent le système de reconfiguration du diagramme de rayonnement dont est pourvue l'antenne. Afin d'obtenir la variation de ce diagramme de rayonnement dans le plan vertical, des éléments parasites sont disposés au-dessus de l'ouverture rayonnante 6 10 et des fentes rayonnantes 10, 12. Ces éléments sont des volets métalliques 22 et 24, déployables mécaniquement, de manière continue, et situés à 3 cm au-dessus du plan de masse 8 (figures 7A, 7B et 7C). Les volets 22 et 24 peuvent être réalisés sous la forme de volets télescopiques que l'on fixe au plan de masse 8.

15 La variation de distance d entre les volets 22 et 24 provoque la variation de l'ouverture à mi-puissance du diagramme de rayonnement dans le plan vertical. Les figures 7A, 7B et 7C correspondent respectivement à trois configurations d'écartement des volets 22 et 24 : d = 0,8 X, d = 1,6 X et d = 3,3 X. Le tableau 1 ci-dessous regroupe quelques valeurs de l'ouverture à 20 mi-puissance dans le plan vertical et dans le plan horizontal en fonction de la distance d. Tableau 1 d 107,5 mm 205 mm 302,5 mm 400 mm Ouverture verticale dans le 70,3° 31,5° 23,6° 19° diagramme de rayonnement Ouverture horizontale dans le diagramme de rayonnement 26,5° 32,5° 31,5° 30° 25 3025658 8 La figure 8 (respectivement la figure 9) montre des diagrammes de rayonnement théoriques dans le plan vertical (respectivement horizontal) sous plusieurs valeurs de d : d = 107,5 mm (courbe I), d = 205 mm (courbe 11), d = 302,5 mm (courbe III) et d = 400 mm (courbe IV). L'intensité I (en dB) est tracée en fonction de l'angle 0 (en 5 degrés). On considère à présent l'alimentation de l'antenne A. L'extrémité du cornet sectoriel 2, qui est opposée à l'ouverture rayonnante 6 dans le plan de masse 8, se prolonge en un guide d'onde rectangulaire court-circuité 25 (figures 10A, 10B et 10C). Ce dernier a une taille standard pour un 10 fonctionnement à 2,47 GHz (hauteur de 43 mm et largeur de 86 mm). Une antenne monopôle 26 est introduite dans ce guide d'onde 25 afin d'alimenter l'antenne A. L'antenne monopôle 26 est soudée sur un connecteur N référencé 30, pour être alimentée par un câble coaxial non représenté. Et le guide d'onde 25 est fermé par un court-circuit 32.

15 Sur la figure 10C, les longueurs L1, L2, L3 et L4 valent respectivement 64 mm, 392 mm, 99 mm et 32 mm. Les diverses dimensions relatives à l'antenne monopôle 26 sont notées sur la figure 11. La partie I (respectivement 11) de la figure 11 correspond à ce qui se trouve à l'intérieur (respectivement à l'extérieur) du guide d'onde 25. Sur la figure 11, les 20 diamètres notés D1, D2 et D3 valent respectivement 6 mm, 14,5 mm et 11,5 mm et les longueurs notées 11, 12 et 13 valent respectivement 6 mm, 11 mm et 11,5 mm. L'adaptation simulée de l'antenne A est inférieure à -14 dB pour toute valeur de l'écartement d. Le gain obtenu en simulation varie de 11 à 16,5 dBi. Le gain le plus élevé est obtenu lorsque l'ouverture à mi-puissance dans le plan vertical est la plus 25 réduite. On décrit ci-après (figures 12A, 12B et 12C) un mode de réalisation particulier de l'antenne A, permettant d'en réduire l'encombrement. Afin de conserver un encombrement convenable pour cette antenne A, le cornet sectoriel 2 est replié afin de le « plaquer » contre le plan de masse 8. Le rayon 30 de courbure minimum noté R sur la figure 12 C vaut 10 mm. Si ce rayon n'est pas 3025658 9 respecté, la répartition de phase du champ électromagnétique présent dans l'ouverture 6 du cornet 2 n'est plus constante. Dans ce cas, le diagramme de rayonnement est moins focalisé et l'ouverture à mi-puissance dans le plan vertical augmente. Il devient alors quasiment impossible de conserver un angle de 20°, même avec une distance d de 5 400 mm. On donne ci-après les étapes d'un exemple de procédé de fabrication de l'antenne A. 1. Usinage du plan de masse 8 : L'ouverture 6 du cornet 2, les fentes rayonnantes 10 et 12 ainsi que 10 l'ensemble des rainures 14 et 16 sont dessinées au jet d'eau dans le métal massif. 2. Usinage du cornet sectoriel 2 et du guide d'onde court-circuité 25. On réalise deux parties symétriques de l'ensemble constitué par ce cornet 2 et ce guide d'onde 25 et ces deux parties sont assemblées par la suite. 3. Ajout d'un capot métallique sous le plan de masse 8, ce capot 15 permettant de court-circuiter les fentes 10 et 12. L'empreinte de l'ouverture 6 du cornet 2 est usinée dans le capot. 4. Fixation du cornet sectoriel 2 et du guide d'onde 25 sur l'ensemble constitué par ce capot et le plan de masse 8. 5. Réalisation de l'antenne monopôle 26 soudée sur le connecteur N 30. 20 6. Fixation (par vissage) du connecteur N 30 et de l'antenne monopôle 26 sur l'ensemble formé par le cornet 2 et le guide d'onde 25. 7. Réalisation des volets 22 et 24 sous la forme de volets télescopiques et fixation de ceux-ci sur le plan de masse 8. 25

Claims

REVENDICATIONS1. Antenne à diagramme de rayonnement reconfigurable, ayant une fréquence de fonctionnement prédéfinie, correspondant à une longueur d'onde prédéfinie, cette antenne (A) étant caractérisée en ce qu'elle comprend : -un plan de masse électriquement conducteur (8), -un cornet sectoriel électriquement conducteur (2), ayant des première et deuxième extrémités ouvertes (4, 6) et allant en s'évasant de la première (4) à la deuxième extrémité ouverte (6), la deuxième extrémité ouverte (6) étant intégrée au plan de masse (8) et de forme allongée, -des fentes rayonnantes court-circuitées (10, 12), de forme allongée, intégrées au plan de masse (8), disposées de part et d'autre de la deuxième extrémité ouverte (6), parallèlement à celle-ci, et -des volets électriquement conducteurs (22, 24), disposés au-dessus des fentes (10, 12) et de la deuxième extrémité ouverte (6), et déployables mécaniquement de manière continue pour modifier le diagramme de rayonnement de l'antenne (A).
2. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle les fentes (10, 12) ont une profondeur sensiblement égale au quart de la longueur d'onde prédéfinie.
3. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans laquelle les fentes (10, 12) et la deuxième extrémité ouverte (6) ont une longueur sensiblement égale au triple de la longueur d'onde prédéfinie.
4. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre des premières rainures (14, 16, 18) dans le plan de masse (8), entre les fentes rayonnantes (10, 12) et la deuxième extrémité ouverte (6). 3025658 11
5. Antenne selon la revendication 4, dans laquelle les fentes rayonnantes (10, 12) et les premières rainures (14, 16) ont sensiblement la même profondeur. 5
6. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle chaque fente rayonnante (10, 12) est discontinue et constituée d'un ensemble de fentes élémentaires (18), allongées, espacées les unes des autres.
7. Antenne selon la revendication 6, dans laquelle la longueur de chaque 10 fente élémentaire (18) est sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde prédéfinie.
8. Antenne selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, comprenant en outre des deuxièmes rainures (20) dans le plan de masse (8), ces 15 deuxièmes rainures (20) reliant les fentes élémentaires (18) d'une même fente rayonnante (10, 12) les unes aux autres.
9. Antenne selon la revendication 8, dans laquelle chacune des deuxièmes rainures (20) a une longueur sensiblement égale à 1,5 fois la longueur d'onde 20 prédéfinie.
10. Antenne selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, dans laquelle les deuxièmes rainures (20) ont une profondeur sensiblement égale au quart de la longueur d'onde prédéfinie. 25
11. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans laquelle le cornet sectoriel (2) est replié et présente un rayon de courbure minimum, choisi pour maintenir sensiblement constante la répartition de la phase du champ électromagnétique présent dans la deuxième extrémité ouverte (6) du cornet sectoriel (2).