WO2004040695A1 - Antenne a materiau bip multi-bandes de frequences - Google Patents

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WO2004040695A1
WO2004040695A1 PCT/FR2003/003146 FR0303146W WO2004040695A1 WO 2004040695 A1 WO2004040695 A1 WO 2004040695A1 FR 0303146 W FR0303146 W FR 0303146W WO 2004040695 A1 WO2004040695 A1 WO 2004040695A1
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narrow
antenna
frequencies
antenna according
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PCT/FR2003/003146
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Inventor
Marc Thevenot
Régis CHANTALAT
Bernard Jecko
Ludovic Leger
Thierry Monediere
Patrick Dumon
Original Assignee
Centre National De La Recherche Scientifique (C.N.R.S.)
Centre National D'etudes Spatiales
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    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/006—Selective devices having photonic band gap materials or materials of which the material properties are frequency dependent, e.g. perforated substrates, high-impedance surfaces
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
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    • H01Q19/17—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces wherein the surfaces are concave the primary radiating source comprising two or more radiating elements
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    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/40—Imbricated or interleaved structures; Combined or electromagnetically coupled arrangements, e.g. comprising two or more non-connected fed radiating elements

Definitions

  • the invention relates to a multi-frequency band antenna comprising:
  • BIP having at least one non-passing band and forming a radiant exterior surface in transmission and / or in reception
  • An excitation device capable of emitting and / or receiving electromagnetic waves inside said at least one narrow passband created by said at least one fault.
  • BIP material antennas have the advantage of having a smaller footprint compared to other types of antennas, such as reflector, lens or horn antennas.
  • Such antennas with BIP material are described in particular in patent application FR 99 14521, published under the number 2 801 428 in the name of C.N.R.S. (Scientific Research National Center).
  • This patent precisely describes an embodiment of a BIP material having a single defect forming a resonant cavity with leaks.
  • this patent also envisages the possibility of creating multi-band antennas from BIP materials. Indeed, this patent teaches that a defect created in the BIP material makes it possible to generate a narrow pass band within a wider non-pass band of this BIP material.
  • a multi-band antenna designates an antenna capable of working at several different and distinct working frequencies from one another.
  • the multi-band antenna has, for each of the working frequencies, the same radiation pattern and the same radiation polarization.
  • the invention aims to remedy this drawback by proposing a multi-frequency band antenna with BIP material which is simpler to construct.
  • the invention therefore also relates to a multi-frequency band antenna as described above, characterized in that: - the excitation device is able to work simultaneously at least around a first and a second separate working frequencies,
  • the first and second working frequencies are located respectively inside a first and a second narrow bandwidths, distinct from each other, and the first and second narrow bandwidths are created by the same defect in periodicity of the BIP material.
  • a defect in periodicity of the BIP material creating the first and second narrow bandwidths forms a resonant cavity with leaks having a constant height in one direction orthogonal to said radiating outer surface, and this height is suitable for placing the first and second narrow pass bands within said at least one non-pass band of BIP material
  • the height of the cavity is adapted to place the first and the second narrow pass bands within the same non-pass band of the BIP material
  • the BIP material has first and second non-passing bands which are disjoint and spaced apart from each other, and the height of the cavity is adapted to place the first and second narrow bandwidths within the first and second respectively the second non-passing bands of the BIP material
  • said first narrow passband is substantially centered on a fundamental frequency
  • said second narrow passband is substantially centered on an integer multiple of this fundamental frequency
  • the cavity has a family of resonant frequencies formed by a fundamental frequency and its harmonics, the cavity resonance mode and the antenna radiation pattern being the same for each resonance frequency of the family, and the first and second working frequencies each correspond, in their respective narrow bandwidth, to a frequency of the same family
  • the cavity has at least two families of resonance frequencies each formed by a fundamental frequency and its harmonics, the resonance mode and the radiation pattern of the antenna being the same for each resonance frequency of the same family and different those of the other families of resonant frequencies, and the first and second working frequencies each correspond, in their respective narrow bandwidth, to frequencies belonging to different families,
  • the excitation device is capable of emitting electromagnetic waves at the first working frequency having a different polarization from the electromagnetic waves emitted at the second working frequency.
  • the excitation device comprises at least one and the same excitation element capable of emitting and / or receiving electromagnetic waves simultaneously with the first and the second working frequencies
  • the excitation device comprises first and second excitation elements each capable of emitting and / or receiving electromagnetic waves, and in that the first excitation element is capable of work at the first working frequency, while the second excitation element is able to work at the second working frequency,
  • each of the excitation elements is capable of generating, on said external surface, respectively a first and a second radiating spots disjoint from one another, each of these radiating spots representing the origin of a beam of waves electromagnetic radiated in transmission and / or reception by the antenna,
  • FIG. 1 is an illustration of a multi-frequency band antenna according to the invention
  • FIG. 1 is a graph showing the transmission coefficient of the antenna of Figure 1;
  • FIGS. 3A and 3B are illustrations of the radiation patterns of the antenna of Figure 1;
  • - Figure 4 is an illustration of a second embodiment of a multi-frequency band antenna according to the invention.
  • - Figure 5 is a graph representing the transmission coefficient of the antenna of Figure 4.
  • FIG. 1 represents a multi-frequency band antenna 140 comprising a material 142 with photonic prohibition band or BIP material and a metallic plane 144 reflecting electromagnetic waves.
  • a BIP material is a material which has the property of absorbing certain frequency ranges, so that it has one or more non-pass bands, in which any transmission of electromagnetic waves is prohibited.
  • the BIP material generally consists of a periodic arrangement of dielectric with variable permittivity and / or permeability.
  • the BIP material is, under these conditions, designated by default BIP material.
  • the BIP 142 material is here chosen to have the widest possible non-passband B.
  • This non-passband B is illustrated on the graph in FIG. 2 representing the evolution of the transmission coefficient in decibels of the BIP material at fault 142 as a function of the frequency of the electromagnetic waves. This transmission coefficient represents the ratio between the quantity of electromagnetic energy emitted and the quantity of electromagnetic energy received.
  • the non-passband B of the BIP material here ranges from 5 GHz to 17 GHz.
  • the BIP 142 material comprises a stack of flat dielectric strips, along a direction perpendicular to the reflective plane 144.
  • This stack consists here, for example, of two strips 150, 152 made of a first dielectric material such as, for example , alumina, and two blades 154 and 156 made of a different dielectric material such as, for example, air.
  • the blade 154 is interposed between the blades 150 and 152, while the blade 156 is interposed between the blade 152 and the reflective plane 144.
  • the blade 150 is placed at the end of the stack opposite the reflective plane 144 and has an inner surface in contact with the blade 154 and an outer surface 158 opposite the inner surface.
  • the external surface 158 forms a radiating surface of the antenna in transmission and / or in reception.
  • the strips 150 to 156 are parallel to the reflective plane 144.
  • the height of the blade 156 is greater than the height of the blade 154 and therefore forms a single break in the geometric periodicity of the stack of dielectric materials of the BIP material.
  • BIP 142 material has therefore, in this exemplary embodiment, a single fault.
  • the plate 156 here forms a parallelepipedic resonant cavity with leaks of constant height H in a direction perpendicular to the reflective plane 144.
  • the cavity 156 creates a narrow bandwidth BP-i (FIG. 2) centered around a fundamental frequency f 0 .
  • the height H determines the frequency fo and therefore the position of the narrow passband BP-i within the non-passband B.
  • fo is substantially equal to 7 GHz.
  • this same defect or cavity 156 also generates other narrow passbands substantially centered on integer multiples of the frequency fo. Until now, these other narrow bandwidths had not been observed, because they were outside of the non-bandwidth B. In fact, in known antennas of this type, the bandwidth is not sufficiently wide and the frequency fo is placed substantially in the middle of the non-pass band. In this embodiment, the height H is therefore chosen so that the bandwidth BPi is sufficiently off-center so that a bandwidth BP 2 (FIG. 2), centered on a frequency fi substantially equal to twice fo, either also placed inside the same non-pass band B. Here, fi is substantially equal to 14 GHz. In known manner, such a parallelepiped resonant cavity has several families of resonant frequencies.
  • Each family of resonant frequencies is formed by a fundamental frequency and its harmonics or integer multiples of the fundamental frequency.
  • Each resonance frequency of the same family excites the same resonance mode of the cavity.
  • These resonance modes are known under the terms of modes TM 0) TM-i, ..., TMj. These resonance modes are described in more detail in the document by F. Cardiol, "Electromagnetism, Treatise on Electricity, Electronics and Electrical Engineering", Ed. Dunod, 1987.
  • Each resonance mode TMj is likely to be excited or activated by an electromagnetic wave close to a fundamental frequency f m j.
  • These frequencies f m i or their harmonics are present in each of the narrow passbands BPi and BP 2 .
  • Each resonance mode corresponds to a radiating diagram or form of radiation from the particular antenna 140.
  • FIGS. 3A and 3B each represent a radiation diagram or form of radiation corresponding respectively to the resonance modes TMo and TM-i.
  • the characteristics of the blades in the direction perpendicular to the reflective plane is determined in accordance with the teaching of patent application FR 99 14521. More precisely, these characteristics are determined so that the TMo resonance mode corresponds to a directional radiation in a preferred direction of emission and / or reception perpendicular to the external surface 158.
  • this directional radiation is represented in FIG. 3A by an elongated main lobe along the direction perpendicular to the surface 158. It has been found that the shape of the radiation represented in FIG. 3A does not depend on the lateral dimensions of the cavity 156, that is to say on the dimensions of this cavity in a plane parallel to the reflecting plane if these lateral dimensions are greater than ⁇ , ⁇ given by the following formula:
  • the radius R is substantially equal to 2.15 ⁇ .
  • the shape of the radiation corresponding to resonance modes greater than the resonance mode TM 0 varies according to the lateral dimensions of the cavity 156.
  • these lateral dimensions are determined so that the resonance mode TMi corresponds to a substantially omnidirectional radiation pattern in a three-dimensional half-space delimited by the plane passing through the reflective plane 144.
  • the dimensions of the antenna 140 making it possible to obtain the desired forms of radiation are determined, for example, by experimentation.
  • these experiments consist, using software of simulation of the antenna 140, in determining the forms of radiation corresponding to given dimensions, then in varying these dimensions until the desired radiation patterns are obtained.
  • the antenna 140 here comprises two excitation elements 160 and 162 arranged one next to the other on the surface of the plane 144 inside the cavity 156.
  • These excitation elements 160 and 162 are suitable for emitting and / or receiving an electromagnetic wave respectively at frequencies ⁇ and f T2 .
  • the frequency f T ⁇ is close to the frequency f m o or one of its harmonics. It is located inside the narrow passband BPi so as to excite the resonance mode TMo of the cavity 156.
  • the frequency f ⁇ 2 is close to the frequency f m ⁇ or one of its harmonics. It is placed inside the bandwidth BP 2 so as to excite the TM-i resonance mode.
  • excitation elements are known as such. These are, for example, plate or patch antennas, dipoles or slot antennas capable of transforming electrical signals into electromagnetic waves. To this end, the excitation elements 160 and 162 are connected to a generator / receiver 164 of conventional electrical signals.
  • the generator / receiver 164 transmits electrical signals to one or simultaneously to the two excitation elements 160 and 162. These electrical signals are converted by the element 160 into an electromagnetic wave of frequency fn and by the element 162 in an electromagnetic wave of frequency f ⁇ 2 - These electromagnetic waves at frequencies n and f ⁇ 2 do not interfere with each other, since the frequencies f ⁇ and f ⁇ 2 are very different. Indeed, here, the frequencies f ⁇ 1 and f ⁇ 2 are each located in a narrow passband, spaced from one another by a range of absorbed frequencies of width of the order of 7 GHz. In addition, these working frequencies fn and fj2 being each located within a narrow pass band inside the non-pass band B, they are not absorbed by the BIP 142 material.
  • the electromagnetic wave of frequency f ⁇ excites the TMo resonance mode of the cavity 156, which results in radiation from the antenna 140 directive for this frequency and by the appearance of a radiating spot in emission and / or in reception formed on the surface 158.
  • the radiating spot is here the area of the external surface containing all the points where the radiated power in transmission and / or in reception is greater than or equal to half of the maximum radiated power from this outer surface by the antenna 4.
  • Each radiating spot has a geometric center corresponding to the point where the radiated power is substantially equal to the maximum radiated power.
  • this radiating spot is inscribed in a circle whose diameter ⁇ is given by formula (1).
  • the electromagnetic wave of frequency fo excites, for its part, the resonance mode TM-i, which results in omnidirectional radiation in a half-space at this frequency fo and by the appearance of a second radiating spot in transmission and / or reception formed on the surface 158.
  • Each radiating spot corresponds to the base or cross section at the origin of a beam of radiated electromagnetic waves.
  • the radiating spots are separated.
  • the antenna 140 Given the directivity of the radiation pattern of the antenna 140 for the frequency f ⁇ , only the electromagnetic waves at the frequency f ⁇ and substantially perpendicular to the outer surface 158, are transmitted to the excitation element 160. On the contrary , since, for the frequency f T2 , the antenna 140 is practically omnidirectional in half a space, the direction of reception of the electromagnetic waves at the frequency fe on the external surface is practically any.
  • the excitation element 160 transforms the electromagnetic waves at the frequency f ⁇ into electrical signals transmitted to the generator / receiver 164.
  • the excitation element 162 acts identically for the electromagnetic waves at the frequency f T2 .
  • the antenna 140 has the characteristics of a multifunctional antenna, that is to say to be able to work at two different frequencies and to have, for each working frequency, a particular radiation pattern.
  • the antenna 140 is directive for the working frequency ⁇ and omnidirectional in a half-space for the frequency f ⁇ 2 .
  • FIG. 4 represents a second embodiment of a multi-frequency band antenna 170 comprising a BIP material 172 associated with a metallic plane 174 reflecting electromagnetic waves.
  • the BIP material is arranged so as to present several non-passing bands separated from each other by wide bands where the electromagnetic waves are not absorbed.
  • FIG. 5 represents the evolution of the transmission coefficient of this antenna 140 and, in particular, two non-passing bands Bi and B2 of the same BIP material 172.
  • the non-passing band B 1 is centered on a frequency f 0 and the band not B 2 is centered on an integer multiple of f 0 , here 2 f 0 .
  • the BIP 172 material comprises, similarly to the BIP 142 material, a break in the periodicity of its geometric characteristics forming a resonant parallelepiped cavity 180 having a constant height G.
  • the height G is here determined so as to create a narrow pass band E t substantially in the middle of the non-pass band Bi and a pass band E 2 substantially placed in the middle of the non-pass band B 2 .
  • the bandwidth E 1 is centered on the fundamental frequency fo substantially equal to 13 GHz.
  • the narrow passband E 2 is centered on a frequency i equal to an integer multiple of the fundamental frequency f 0 . This frequency is here substantially equal to 26 GHz.
  • a single excitation element 190 is placed on the reflecting plane 174 inside the cavity 180.
  • This excitation element 190 is suitable for emitting and / or receiving electromagnetic waves at frequencies of work fo and fo-
  • These frequencies f ⁇ and f ⁇ 2 are both suitable for exciting the same resonance mode of the cavity 180, for example here, the resonance mode TM 0 , so as to present, for each of these frequencies, practically the same radiation pattern.
  • these frequencies f T ⁇ and f ⁇ 2 are included in the passbands Ei and E 2 respectively .
  • the excitation element 190 is a rectangular plate or patch antenna, equipped with two ports 192, 194 connected to a generator / receiver 196 of electrical signals.
  • the ports 192 and 194 are adapted to excite two polarizations, preferably two orthogonal polarizations between them, of the excitation element 190.
  • the ports 192 and 194 are intended to receive and / or transmit the signals respectively at the frequencies fo and fo.
  • This antenna 170 similarly to the antenna 140, exploits the fact that the same defect creates several narrow bandwidths centered on whole multiple frequencies of a fundamental frequency.
  • a single excitation element is used to work simultaneously at the two working frequencies fo and fo.
  • the electromagnetic waves emitted at frequencies fo and fo are polarized orthogonally to one another to limit the interference between these two working frequencies.
  • this antenna 170 follows from that described for the antenna 140.
  • the antenna 170 described here is a multi-band antenna, that is to say capable of working at several different frequencies, but having, for each frequency working, the same radiation pattern.
  • the excitation elements 160 and 162 of the antenna 140 are replaced by a single excitation element capable of working simultaneously at the frequencies fo and fo. This single excitation element is, for example, identical to the excitation element 190.
  • the excitation element 190 of the antenna 170 is replaced, as a variant, by two distinct and independent excitation elements one of the other capable respectively of working at the frequency fo and fo- These two excitation elements are, for example, identical to the excitation elements 160 and 162.

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Abstract

Cette antenne multi-bandes de fréquences comporte : un matériau BIP (142) (Bande d'Interdiction Photonique) présentant au moins une bande non passante, un seul défaut (156) de périodicité du matériau BIP de manière à créer plusieurs bandes passantes étroites au sein de ladite au moins une bande non passante de ce matériau BIP, et un dispositif d'excitation (160, 162) apte à émettre et/ou recevoir des ondes électromagnétiques à l'intérieur des bandes passantes étroites.

Description

Antenne à matériau BIP m ulti -bandes de fréquences
L'invention concerne une antenne multi-bandes de fréquences comportant :
- un matériau BIP (Bande d'Interdiction Photonique) apte à filtrer spatialement et fréquentiellement des ondes électromagnétiques, ce matériau
BIP présentant au moins une bande non passante et formant une surface extérieure rayonnante en émission et/ou en réception,
- au moins un défaut de périodicité du matériau BIP de manière à créer au moins une bande passante étroite au sein de ladite au moins une bande non passante de ce matériau BIP, et
- un dispositif d'excitation apte à émettre et/ou recevoir des ondes électromagnétiques à l'intérieur de ladite au moins une bande passante étroite créée par ledit au moins un défaut.
Les antennes à matériau BIP présentent l'avantage d'avoir un encombrement réduit par rapport à d'autres types d'antennes, telles que les antennes à réflecteur, à lentille ou à cornet.
De telles antennes à matériau BIP sont décrites en particulier dans la demande de brevet FR 99 14521 , publiée sous le n° 2 801 428 au nom du C.N.R.S. (Centre National de la Recherche Scientifique). Ce brevet décrit précisément un mode de réalisation d'un matériau BIP présentant un seul défaut formant une cavité résonante à fuites. De plus, et bien qu'aucun mode de réalisation de cette variante ne soit décrit explicitement, ce brevet envisage également la possibilité de créer des antennes multi-bandes à partir de matériaux BIP. En effet, ce brevet enseigne qu'un défaut créé dans le matériau BIP permet d'engendrer une bande passante étroite au sein d'une bande non passante plus large de ce matériau BIP. Par conséquent, pour créer des antennes multi-bandes, plusieurs défauts doivent être créés dans le matériau BIP de manière à créer plusieurs bandes passantes étroites au sein de la même bande non passante du matériau BIP. C'est ce qui est indiqué à la page 10, lignes 23 à 25 de cette demande de brevet FR 99 14521.
Il est rappelé ici qu'une antenne multi-bandes désigne une antenne apte à travailler à plusieurs fréquences de travail différentes et distinctes les unes des autres. De plus, l'antenne multi-bandes présente, pour chacune des fréquences de travail, un même diagramme de rayonnement et la même polarisation de rayonnement.
La construction d'antennes multi-bandes selon l'enseignement de la demande de brevet FR 99 14521 s'est avérée compliquée, notamment à cause des difficultés de conception d'un matériau BIP multi-défauts.
L'invention vise à remédier à cet inconvénient en proposant une antenne multi-bandes de fréquences à matériau BIP plus simple à construire.
L'invention a donc également pour objet une antenne multi-bandes de fréquences telle que décrite ci-dessus, caractérisée en ce que : - le dispositif d'excitation est apte à travailler simultanément au moins autour d'une première et d'une seconde fréquences de travail distinctes,
- la première et la seconde fréquences de travail sont situées à l'intérieur respectivement d'une première et d'une seconde bandes passantes étroites, distinctes l'une de l'autre, et la première et la seconde bandes passantes étroites sont créées par le même défaut de périodicité du matériau BIP.
En effet, il a été découvert qu'un même et unique défaut du matériau BIP crée plusieurs bandes passantes étroites centrées respectivement autour de plusieurs fréquences différentes les unes des autres. Ainsi, pour construire une antenne multi-bandes de fréquences, il n'est pas nécessaire de construire une antenne à matériau BIP multi-défauts, ce qui simplifie la construction de telles antennes.
Suivant d'autres caractéristiques d'une antenne multi-bandes de fréquences conforme à l'invention : - le défaut de périodicité du matériau BIP créant la première et la seconde bandes passantes étroites forme une cavité résonante à fuites présentant une hauteur constante dans une direction orthogonale à ladite surface extérieure rayonnante, et cette hauteur est adaptée pour placer la première et de la seconde bandes passantes étroites au sein de ladite au moins une bande non passante du matériau BIP,
- la hauteur de la cavité est adaptée pour placer la première et la seconde bandes passantes étroites au sein d'une même bande non passante du matériau BIP, - le matériau BIP présente une première et une seconde bandes non passantes disjointes et espacées l'une de l'autre, et la hauteur de la cavité est adaptée pour placer la première et la seconde bandes passantes étroites au sein respectivement de la première et de la seconde bandes non passantes du matériau BIP,
- ladite première bande passante étroite est sensiblement centrée sur une fréquence fondamentale, tandis que ladite seconde bande passante étroite est sensiblement centrée sur un multiple entier de cette fréquence fondamentale, - la cavité présente une famille de fréquences de résonance formée par une fréquence fondamentale et ses harmoniques, le mode de résonance de la cavité et le diagramme de rayonnement de l'antenne étant les mêmes pour chaque fréquence de résonance de la famille, et la première et la seconde fréquences de travail correspondent chacune, dans leur bande passante étroite respective, à une fréquence de la même famille,
- la cavité présente au moins deux familles de fréquences de résonance formées chacune par une fréquence fondamentale et ses harmoniques, le mode de résonance et le diagramme de rayonnement de l'antenne étant les mêmes pour chaque fréquence de résonance d'une même famille et différents de ceux des autres familles de fréquences de résonance, et la première et la seconde fréquences de travail correspondent chacune, dans leur bande passante étroite respective, à des fréquences appartenant à des familles différentes,
- le dispositif d'excitation est propre à émettre des ondes électromagnétiques à la première fréquence de travail ayant une polarisation différente des ondes électromagnétiques émises à la seconde fréquence de travail.
- le dispositif d'excitation comporte au moins un même élément d'excitation apte à émettre et/ou à recevoir des ondes électromagnétiques simultanément à la première et à la seconde fréquences de travail,
- le dispositif d'excitation comporte un premier et un second éléments d'excitation aptes chacun à émettre et/ou à recevoir des ondes électromagnétiques, et en ce que le premier élément d'excitation est apte à travailler à la première fréquence de travail, tandis que le second élément d'excitation est apte à travailler à la seconde fréquence de travail,
- chacun des éléments d'excitation est propre à générer, sur ladite surface extérieure, respectivement une première et une seconde taches rayonnantes disjointes l'une de l'autre, chacune de ces taches rayonnantes représentant l'origine d'un faisceau d'ondes électromagnétiques rayonné en émission et/ou en réception par l'antenne,
- la cavité résonante à fuites est de forme parallélépipédique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins, sur lesquels :
- la figure 1 est une illustration d'une antenne multi-bandes de fréquences conforme à l'invention ;
- la figure 2 est un graphique représentant le coefficient de transmission de l'antenne de la figure 1 ;
- les figures 3A et 3B sont des illustrations des diagrammes de rayonnement de l'antenne de la figure 1 ;
- la figure 4 est une illustration d'un second mode de réalisation d'une antenne multi-bandes de fréquences conforme à l'invention ; et - la figure 5 est un graphique représentant le coefficient de transmission de l'antenne de la figure 4.
La figure 1 représente une antenne multi-bandes de fréquences 140 comportant un matériau 142 à bande d'interdiction photonique ou matériau BIP et un plan métallique 144 réflecteur d'ondes électromagnétiques. II est rappelé qu'un matériau BIP est un matériau qui possède la propriété d'absorber certaines gammes de fréquences, de sorte qu'il présente une ou plusieurs bandes non passantes, dans lesquelles toute transmission d'ondes électromagnétiques est interdite.
Le matériau BIP est généralement constitué d'un arrangement périodique de diélectrique de permittivité et/ou de perméabilité variable.
L'introduction d'une rupture dans cette périodicité géométrique et/ou radioélectrique, rupture encore appelée défaut, permet d'engendrer un défaut d'absorption et donc de créer une bande passante étroite au sein d'une bande non passante du matériau BIP. Le matériau BIP est, dans ces conditions, désigné par matériau BIP à défaut.
Pour une description détaillée d'une telle antenne présentant un seul défaut, le lecteur pourra utilement se reporter à la demande de brevet français FR 99 14521 (2 801 428), et plus particulièrement au mode de réalisation décrit en regard de la figure 6.
L'agencement général de l'antenne 140 étant déjà décrit en détail dans la demande de brevet référencée ci-dessus, seules les caractéristiques spécifiques à cette antenne 140 seront décrites ici en détail. Le matériau BIP 142 est ici choisi pour présenter une bande non passante B la plus large possible. Cette bande non passante B est illustrée sur le graphique de la figure 2 représentant l'évolution du coefficient de transmission en décibels du matériau BIP à défaut 142 en fonction de la fréquence des ondes électromagnétiques. Ce coefficient de transmission représente le rapport entre la quantité d'énergie électromagnétique émise sur la quantité d'énergie électromagnétique reçue. La bande non passante B du matériau BIP s'étend ici de 5 GHz à 17 GHz.
Le matériau BIP 142 comporte un empilement de lames plates diélectriques, le long d'une direction perpendiculaire au plan réflecteur 144. Cet empilement se compose ici, par exemple, de deux lames 150, 152 réalisées dans un premier matériau diélectrique tel que, par exemple, de l'alumine, et de deux lames 154 et 156 réalisées dans un matériau diélectrique différent tel que, par exemple, de l'air. La lame 154 est interposée entre les lames 150 et 152, tandis que la lame 156 est interposée entre la lame 152 et le plan réflecteur 144. La lame 150 est placée à l'extrémité de l'empilement à l'opposé du plan réflecteur 144 et présente une surface intérieure en contact avec la lame 154 et une surface extérieure 158 à l'opposé de la surface intérieure. La surface extérieure 158 forme une surface rayonnante de l'antenne en émission et/ou en réception. Les lames 150 à 156 sont parallèles au plan réflecteur 144.
La hauteur de la lame 156 est supérieure à la hauteur de la lame 154 et forme donc une unique rupture de la périodicité géométrique de l'empilement de matériaux diélectriques du matériau BIP. Le matériau BIP 142 présente donc, dans cet exemple de réalisation, un seul et unique défaut. La lame 156 forme ici une cavité résonante parallélépipédique à fuites de hauteur constante H dans une direction perpendiculaire au plan réflecteur 144.
La cavité 156 crée une bande passante étroite BP-i (figure 2) centrée autour d'une fréquence fondamentale f0. La hauteur H détermine la fréquence fo et donc la position de la bande passante étroite BP-i au sein de la bande non passante B. Ici, fo est sensiblement égal à 7 GHz.
Il a été constaté que ce même défaut ou cavité 156 génère également d'autres bandes passantes étroites sensiblement centrées sur des multiples entiers de la fréquence fo. Jusqu'à présent, ces autres bandes passantes étroites n'avaient pas été observées, car elles se situaient en dehors de la bande non passante B. En effet, dans les antennes de ce type connues, la bande non passante n'est pas suffisamment large et la fréquence fo est placée sensiblement au milieu de la bande non passante. Dans ce mode de réalisation, la hauteur H est donc choisie pour que la bande passante BPi soit suffisamment excentrée de manière à ce qu'une bande passante BP2 (figure 2), centrée sur une fréquence fi sensiblement égale à deux fois fo, soit également placée à l'intérieur de la même bande non passante B. Ici, fi est sensiblement égal à 14 GHz. De façon connue, une telle cavité résonante parallélépipédique présente plusieurs familles de fréquences de résonance. Chaque famille de fréquences de résonance est formée par une fréquence fondamentale et ses harmoniques ou multiples entiers de la fréquence fondamentale. Chaque fréquence de résonance d'une même famille excite le même mode de résonance de la cavité. Ces modes de résonance sont connus sous les termes de modes TM0) TM-i, ..., TMj. Ces modes de résonance sont décrits plus en détail dans le document de F. Cardiol, "Electromagnétisme, traité d'Electricité, d'Electronique et d'Electrotechnique", Ed. Dunod, 1987. Chaque mode de résonance TMj est susceptible d'être excité ou activé par une onde électromagnétique voisine d'une fréquence fondamentale fmj. Ces fréquences fmi ou leurs harmoniques sont présents dans chacune des bandes passantes étroites BPi et BP2. Chaque mode de résonance correspond à un diagramme rayonnant ou forme de rayonnement de l'antenne 140 particulier.
A titre d'exemple, les figures 3A et 3B représentent chacune un diagramme de rayonnement ou forme de rayonnement correspondant respectivement aux modes de résonance TMo et TM-i.
Ici, les caractéristiques des lames dans la direction perpendiculaire au plan réflecteur, c'est-à-dire, notamment, leur hauteur ou épaisseur respective, est déterminée conformément à l'enseignement de la demande de brevet FR 99 14521. Plus précisément, ces caractéristiques sont déterminées pour que le mode de résonance TMo corresponde à un rayonnement directif selon une direction privilégiée d'émission et/ou de réception perpendiculaire à la surface extérieure 158. Ici, ce rayonnement directif est représenté dans la figure 3A par un lobe principal allongé le long de la direction perpendiculaire à la surface 158. Il a été constaté que la forme du rayonnement représenté à la figure 3A ne dépend pas des dimensions latérales de la cavité 156, c'est-à-dire des dimensions de cette cavité dans un plan parallèle au plan réflecteur si ces dimensions latérales sont supérieures à φ, φ étant donné par la formule suivante :
GdB > 20log ^-2,5. (1 ) où :
- GdB est le gain en décibels souhaité pour l'antenne,
- Φ =2 R,
- λ est la longueur d'onde correspondant à la fréquence médiane fo
A titre d'exemple, pour un gain de 20 dB, le rayon R est sensiblement égal à 2.15 λ.
Par contre, la forme du rayonnement correspondant à des modes de résonance supérieurs au mode de résonance TM0 varie en fonction des dimensions latérales de la cavité 156. Ici, ces dimensions latérales sont déterminées de manière à ce que le mode de résonance TMi corresponde à un diagramme de rayonnement sensiblement omnidirectionnel dans un demi- espace à trois dimensions délimité par le plan passant par le plan réflecteur 144. Les dimensions de l'antenne 140 permettant d'obtenir les formes de rayonnement voulues sont déterminées, par exemple, par expérimentation.
Avantageusement, ces expérimentations consistent, à l'aide d'un logiciel de simulation de l'antenne 140, à déterminer les formes de rayonnement correspondant à des dimensions données, puis à faire varier ces dimensions jusqu'à obtenir les diagrammes de rayonnement voulus.
Finalement, l'antenne 140 comporte, ici, deux éléments d'excitation 160 et 162 disposés l'un à côté de l'autre sur la surface du plan 144 à l'intérieur de la cavité 156. Ces éléments d'excitation 160 et 162 sont propres à émettre et/ou recevoir une onde électromagnétique respectivement aux fréquences π et fT2. La fréquence fTι est voisine de la fréquence fmo ou de l'un de ses harmoniques. Elle est située à l'intérieur de la bande passante étroite BPi de manière à exciter le mode de résonance TMo de la cavité 156. La fréquence fτ2 est voisine de la fréquence fmι ou de l'un de ses harmoniques. Elle est placée à l'intérieur de la bande passante BP2 de manière à exciter le mode de résonance TM-i.
Ces éléments d'excitation sont connus en tant que tels. Ce sont, par exemple, des antennes plaques ou patch, des dipôles ou des antennes à fente propres à transformer des signaux électriques en des ondes électromagnétiques. A cet effet, les éléments d'excitation 160 et 162 sont raccordés à un générateur/récepteur 164 de signaux électriques conventionnels.
Le fonctionnement de l'antenne multi-bandes de fréquences décrit en regard de la figure 1 va maintenant être décrit. En émission, le générateur/récepteur 164 transmet des signaux électriques à l'un ou simultanément aux deux éléments d'excitation 160 et 162. Ces signaux électriques sont convertis par l'élément 160 en une onde électromagnétique de fréquence fn et par l'élément 162 en une onde électromagnétique de fréquence fτ2- Ces ondes électromagnétiques aux fréquences n et fτ2 n'interfèrent pas l'une avec l'autre, puisque les fréquences fτι et fτ2 sont très différentes. En effet, ici, les fréquences fτ1 et fχ2 sont situées chacune dans une bande passante étroite, espacées l'une de l'autre par une gamme de fréquences absorbées de largeur de l'ordre de 7 GHz. De plus, ces fréquences de travail fn et fj2 étant chacune située à l'intérieur d'une bande passante étroite à l'intérieur de la bande non passante B, elles ne sont pas absorbées par le matériau BIP 142.
L'onde électromagnétique de fréquence fτι excite le mode de résonance TMo de la cavité 156, ce qui se traduit par un rayonnement de l'antenne 140 directif pour cette fréquence et par l'apparition d'une tache rayonnante en émission et/ou en réception formée sur la surface 158. La tache rayonnante est ici la zone de la surface extérieure contenant l'ensemble des points où la puissance rayonnee en émission et/ou en réception est supérieure ou égale à la moitié de la puissance maximale rayonnee à partir de cette surface extérieure par l'antenne 4. Chaque tache rayonnante admet un centre géométrique correspondant au point où la puissance rayonnee est sensiblement égale à la puissance rayonnee maximale.
Dans le cas du mode de résonance TMo, cette tache rayonnante s'inscrit dans un cercle dont ie diamètre φ est donné par la formule (1 ).
L'onde électromagnétique de fréquence fo excite, quant à elle, le mode de résonance TM-i, ce qui se traduit par un rayonnement omnidirectionnel dans un demi-espace à cette fréquence fo et par l'apparition d'une seconde tache rayonnante en émission et/ou en réception formée sur la surface 158. Chaque tache rayonnante correspond à l'embase ou section droite à l'origine d'un faisceau d'ondes électromagnétiques rayonné.
Pour une distance appropriée séparant les éléments 160, 162, les taches rayonnantes sont disjointes.
En réception seules les ondes électromagnétiques reçues par la surface extérieure 158 et ayant une fréquence comprise soit dans la bande passante BPi, soit dans la bande passante BP2, se propagent jusqu'à la cavité 156.
Etant donné la directivité du diagramme de rayonnement de l'antenne 140 pour la fréquence fτι, seules les ondes électromagnétiques à la fréquence fπ et sensiblement perpendiculaires à la surface extérieure 158, sont transmises jusqu'à l'élément d'excitation 160. Au contraire, étant donné que, pour la fréquence fT2, l'antenne 140 est pratiquement omnidirectionnelle dans un demi-espace, la direction de réception des ondes électromagnétiques à la fréquence fe sur la surface extérieure est pratiquement quelconque.
A l'intérieur de la cavité 156, l'élément d'excitation 160 transforme les ondes électromagnétiques à la fréquence fτι en des signaux électriques transmis au générateur/récepteur 164. L'élément d'excitation 162 agit de façon identique pour les ondes électromagnétiques à la fréquence fT2.
Ainsi, l'antenne 140 présente les caractéristiques d'une antenne multifonctions, c'est-à-dire d'être apte à travailler à deux fréquences différentes et d'avoir, pour chaque fréquence de travail, un diagramme de rayonnement particulier. Ici, l'antenne 140 est directive pour la fréquence de travail π et omnidirectionnelle dans un demi-espace pour la fréquence fτ2.
La figure 4 représente un deuxième mode de réalisation d'une antenne multi-bandes de fréquences 170 comportant un matériau BIP 172 associé à un plan métallique 174 réflecteur d'ondes électromagnétiques. Dans ce mode de réalisation, le matériau BIP est agencé de manière à présenter plusieurs bandes non passantes séparées les unes des autres par de larges bandes où les ondes électromagnétiques ne sont pas absorbées.
La figure 5 représente l'évolution du coefficient de transmission de cette antenne 140 et, en particulier, deux bandes non passantes Bi et B2 du même matériau BIP 172. La bande non passante B1 est centrée sur une fréquence f0 et la bande non passante B2 est centrée sur un multiple entier de f0, ici 2 f0.
Des matériaux BIP présentant plusieurs bandes non passantes sont connus et l'agencement de ce matériau 172 pour créer ces bandes non passantes ne sera pas décrit ici.
Le matériau BIP 172 comporte, de façon similaire au matériau BIP 142, une rupture de périodicité de ses caractéristiques géométriques formant une cavité parallélépipédique résonante 180 ayant une hauteur constante G. La hauteur G est ici déterminée de manière à créer une bande passante étroite Et sensiblement au milieu de la bande non passante B-i et une bande passante E2 sensiblement placée au milieu de la bande non passante B2. Ici, la bande passante E1 est centrée sur la fréquence fondamentale fo sensiblement égale à 13 GHz. La bande passante étroite E2 est centrée sur une fréquence i égale à un multiple entier de la fréquence fondamentale f0. Cette fréquence est ici sensiblement égale à 26 GHz.
Finalement, par exemple, un seul élément d'excitation 190 est placé sur le plan réflecteur 174 à l'intérieur de la cavité 180. Cet élément d'excitation 190 est propre à émettre et/ou à recevoir des ondes électromagnétiques à des fréquences de travail fo et fo- Ces fréquences fπ et fτ2 sont propres toutes les deux à exciter le même mode de résonance de la cavité 180, par exemple ici, le mode de résonance TM0, de manière à présenter, pour chacune de ces fréquences, pratiquement le même diagramme de rayonnement. Toutefois, ces fréquences fTι et fγ2 sont comprises respectivement dans les bandes passantes Ei et E2.
Dans ce mode de réalisation, l'élément d'excitation 190 est une antenne plaque ou patch rectangulaire, équipée de deux accès 192, 194 raccordés à un générateur/récepteur 196 de signaux électriques. Les accès 192 et 194 sont propres à exciter deux polarisations, de préférence deux polarisations orthogonales entre elles, de l'élément d'excitation 190. Ici, les accès 192 et 194 sont destinés à recevoir et/ou émettre les signaux respectivement aux fréquences fo et fo. Cette antenne 170, de façon similaire à l'antenne 140, exploite le fait qu'un même défaut crée plusieurs bandes passantes étroites centrées sur des fréquences multiples entiers d'une fréquence fondamentale. Toutefois, dans ce mode de réalisation, un seul élément d'excitation est utilisé pour travailler simultanément aux deux fréquences de travail fo et fo. De plus, dans ce mode de réalisation, les ondes électromagnétiques émises aux fréquences fo et fo sont polarisées de façon orthogonale l'une par rapport à l'autre pour limiter les interférences entre ces deux fréquences de travail.
Le fonctionnement de cette antenne 170 découle de celui décrit pour l'antenne 140. L'antenne 170 décrite ici est une antenne multi-bandes, c'est-à-dire apte à travailler à plusieurs fréquences différentes, mais présentant, pour chaque fréquence de travail, le même diagramme de rayonnement. En variante, les éléments d'excitation 160 et 162 de l'antenne 140 sont remplacés par un seul élément d'excitation apte à travailler simultanément aux fréquences fo et fo. Cet unique élément d'excitation est, par exemple, identique à l'élément d'excitation 190. Réciproquement, l'élément d'excitation 190 de l'antenne 170 est remplacé, en variante, par deux éléments d'excitation distincts et indépendants l'un de l'autre aptes respectivement à travailler à la fréquence fo et fo- Ces deux éléments d'excitation sont, par exemple, identiques aux éléments d'excitation 160 et 162.

Claims

REVENDICATIONS
1. Antenne multi-bandes de fréquences comportant :
- un matériau BIP (142 ; 172) (Bande d'Interdiction Photonique) apte à filtrer spatialement et fréquentiellement des ondes électromagnétiques, ce matériau BIP présentant au moins une bande non passante et formant une surface extérieure (38 ; 158) rayonnante en émission et/ou en réception,
- au moins un défaut (156 ; 180) de périodicité du matériau BIP de manière à créer au moins une bande passante étroite au sein de ladite au moins une bande non passante de ce matériau BIP, et - un dispositif d'excitation (160, 162 ; 190) apte à émettre et/ou recevoir des ondes électromagnétiques à l'intérieur de ladite au moins une bande passante étroite créée par ledit au moins un défaut, caractérisée
- en ce que le dispositif d'excitation est apte à travailler simultanément au moins autour d'une première et d'une seconde fréquences de travail distinctes,
- en ce que la première et la seconde fréquences de travail sont situées à l'intérieur respectivement d'une première et d'une seconde bandes passantes étroites, distinctes l'une de l'autre, et - en ce que la première et la seconde bandes passantes étroites sont créées par le même défaut (156, 180) de périodicité du matériau BIP (142, 172).
2. Antenne selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le défaut de périodicité du matériau BIP (142, 172) créant la première et la seconde bandes passantes étroites forme une cavité résonante à fuites présentant une hauteur constante dans une direction orthogonale à ladite surface extérieure rayonnante (158), et en ce que cette hauteur est adaptée pour placer la première et de la seconde bandes passantes étroites au sein de ladite au moins une bande non passante du matériau BIP.
3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que la hauteur de la cavité est adaptée pour placer la première et la seconde bandes passantes étroites au sein d'une même bande non passante du matériau BIP (156).
4. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le matériau BIP (172) présente une première et une seconde bandes non passantes disjointes et espacées l'une de l'autre, et en ce que la hauteur de la cavité est adaptée pour placer la première et la seconde bandes passantes étroites au sein respectivement de la première et de la seconde bandes non passantes du matériau BIP (172).
5. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ladite première bande passante étroite est sensiblement centrée sur une fréquence fondamentale, tandis que ladite seconde bande passante étroite est sensiblement centrée sur un multiple entier de cette fréquence fondamentale.
6. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la cavité présente une famille de fréquences de résonance formée par une fréquence fondamentale et ses harmoniques, le mode de résonance de la cavité et le diagramme de rayonnement de l'antenne étant les mêmes pour chaque fréquence de résonance de la famille, et en ce que la première et la seconde fréquences de travail correspondent chacune, dans leur bande passante étroite respective, à une fréquence de la même famille.
7. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la cavité présente au moins deux familles de fréquences de résonance formées chacune par une fréquence fondamentale et ses harmoniques, le mode de résonance et le diagramme de rayonnement de l'antenne étant les mêmes pour chaque fréquence de résonance d'une même famille et différents de ceux des autres familles de fréquences de résonance, et en ce que la première et la seconde fréquences de travail correspondent chacune, dans leur bande passante étroite respective, à des fréquences appartenant à des familles différentes.
8. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le dispositif d'excitation (190) est propre à émettre des ondes électromagnétiques à la première fréquence de travail ayant une polarisation différente des ondes électromagnétiques émises à la seconde fréquence de travail.
9. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le dispositif d'excitation comporte au moins un même élément d'excitation (190) apte à émettre et/ou à recevoir des ondes électromagnétiques simultanément à la première et à la seconde fréquences de travail.
10. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le dispositif d'excitation comporte un premier et un second éléments d'excitation (160, 162) aptes chacun à émettre et/ou à recevoir des ondes électromagnétiques, et en ce que le premier élément d'excitation (160) est apte à travailler à la première fréquence de travail, tandis que le second élément d'excitation (162) est apte à travailler à la seconde fréquence de travail.
11. Antenne selon la revendication 10, caractérisée en ce que chacun des éléments d'excitation est propre à générer, sur ladite surface extérieure, respectivement une première et une seconde taches rayonnantes disjointes l'une de l'autre, chacune de ces taches rayonnantes représentant l'origine d'un faisceau d'ondes électromagnétiques rayonné en émission et/ou en réception par l'antenne.
12. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 , caractérisée en ce que la cavité résonante à fuites est de forme parallélépipédique.
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CN100397704C (zh) * 2004-11-25 2008-06-25 刘正芳 多频带平面式天线

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