WO2005124927A1 - Antenne a materiau bip (bande interdite photonique) a paroi laterale entourant un axe - Google Patents

Antenne a materiau bip (bande interdite photonique) a paroi laterale entourant un axe Download PDF

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WO2005124927A1
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central
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Bernard Jecko
Laure Freytag
Elisa Pointereau
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Centre National De La Recherche Scientifique (C.N.R.S.)
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Definitions

  • BIP Formbidden Photonic Band
  • the present invention relates to an antenna with material BIP (Photonic Forbidden Band) with side wall surrounding an axis.
  • BIP Photonic Forbidden Band
  • Known antennas of BIP material include: - a side wall of BIP material completely surrounding a central axis and spaced from this central axis to provide a resonant central cavity capable of creating at least one narrow band of pass frequencies within a wide band non-passing frequencies of the BIP material, and - at least one radiating element placed inside the cavity, capable of exciting an electromagnetic field to radiate or receive electromagnetic radiation at a given working frequency located inside the narrow band of passing frequencies.
  • patent application FR 99 14 521 proposes to produce a BIP material antenna having a side wall formed from coaxial cylinders surrounding the probe.
  • the preferred embodiments described use a plate probe or patch probe.
  • the invention aims to improve the gain of these antennas.
  • the invention therefore relates to such a BIP material antenna in which: - the or each radiating element is positioned inside the cavity to excite an electromagnetic field parallel to the central axis, and - at least one radiating element is able to more strongly excite the modes of the central cavity having a radial resonance than the other modes of the central cavity. It has been found that it is possible to increase the gain of these antennas with BIP material by positioning and choosing the or each probe as indicated above.
  • radial resonance we mean the resonances which are established in a plane perpendicular to the central axis.
  • These modes of the cavity exhibiting radial resonance are also known by the terms of "TE modes” when they are excited by a magnetic field H z or "TM modes” when they are excited by an electric field E z .
  • the embodiments of the BIP material antenna may include one or more of the following characteristics: - the or each radiating element is able to excite only the modes of the central cavity having a radial resonance, - at least one of the elements radiating forms an elementary electric dipole parallel to or coincident with the central axis, - at least one of the radiating elements forms an elementary magnetic dipole parallel to or coincident with the central axis; -
  • the antenna comprises at least one probe placed inside the cavity, the or each probe having one or more of said radiating elements; - At least one conductive plane perpendicular to the central axis, and the or each probe is supported by the or one of these conductive planes; - At least two probes arranged relative to each other so that one of these probes is the electrical image of the other probe by a symmetry with respect to the conductive plane; - A central core of conductive material aligned on the central axis, and in that the or each probe is supported by this central core; - an electrical supply conductor
  • the radiating elements are adapted to work at the same working frequency, and the or each radiating element forming an elementary electric dipole is excited in phase quadrature with respect to the or each radiating element forming an elementary magnetic dipole so as to create a circular polarization;
  • the cavity has the shape of a barrel, the axis of symmetry of the barrel being coincident with the central axis, - the cavity is a cylinder of revolution whose axis of revolution is coincident with the central axis, - the central cavity has two through ends crossed by the central axis, and the central core comprises two flared portions connected to one another by a finer portion, each of these flared portions partially closing off a respective through end.
  • FIG. 1 is a schematic and partial perspective view of a first mode production of a BIP material antenna
  • - Figure 2 is a sectional view of the antenna of Figure 1
  • - Figure 3 is a sectional view of a second embodiment of a BIP material antenna
  • - Figure 4 is a schematic and partial perspective view of a third embodiment of a BIP material antenna
  • - Figure 5A is a sectional view of the antenna of Figure 4
  • - Figure 5B is a schematic perspective view of a probe used in the antenna of Figure 4
  • - Figure 6A is a sectional view of a fourth embodiment of a BIP material antenna
  • - Figures 6B and 6C are schematic front and rear views respectively of a probe used in the antenna of Figure 6A
  • - Figures 7, 8 and 9 are simplified perspective views respectively of a fifth, sixth and seventh embodiments of a BIP material antenna
  • - Figure 10 is a simplified
  • FIG. 1 represents an antenna with BIP material designated by the general reference 2.
  • the antenna 2 has a vertical side wall 4 completely surrounding a central axis 6 and spaced from this central axis to provide a resonant central cavity 8.
  • the wall 4 is a cylinder of revolution having the axis of revolution as axis 6.
  • This wall 4 is made of one-dimensional BIP material having a radial periodicity.
  • this BIP material successively comprises an inner cylinder 10, an intermediate cylinder 12 and an outer cylinder 14.
  • the inner cylinder 10 is made of a dielectric material of relative permittivity £ r ⁇ and constant thickness di.
  • the inside diameter of this cylinder 10 corresponds to the outside diameter of the cavity 8.
  • £ is equal to nine in the following description.
  • the cylinder 12 is made of a material of relative permittivity S a and of constant thickness d 2 .
  • the relative permittivity S a is different from 6 ⁇ ⁇ .
  • the material is air and S ⁇ is equal to 1.
  • the cylinder 14 is made of a material of relative permittivity equal to that of the cylinder 10 and of constant thickness di.
  • the cavity 8 is filled with the same material as the cylinder 12 so as to correspond to a defect in the radial periodicity of the BIP material.
  • the diameter d c of the cavity 8 is chosen so that it is a resonant cavity capable of creating at least one narrow band of pass-through frequencies within a wide band of non-pass frequencies of the material. BIP forming the wall 4.
  • the diameter d c of the cavity 8 is chosen as a function of the desired working frequency for the antenna 2 according to the following relationship:
  • d c .
  • ⁇ Q2 x I (fr. -i ⁇ ) or: - A g2 is the wavelength of the working frequency in the material filling the cavity 8, - a is a constant coefficient chosen between 0.75 and 0.85 and preferably equal to 0.8; - c is the speed of the light, and - fr is the desired working frequency for the antenna 2.
  • the value of the coefficient a is determined experimentally to create the narrow band of passing frequencies within a wide band of non-passing frequencies of the BIP material.
  • the thicknesses di and d 2 are also chosen as a function of the desired working frequency according to the following relationships:
  • a and ⁇ g ⁇ Q2 are respectively the wavelength corresponding to the operating frequency in the materials of cylinders 10 and 12.
  • the transmission coefficient of such a BIP material antenna is similar to that illustrated in FIG. 7 of patent application FR 99 14521.
  • the desired working frequency f ⁇ is equal to 5.5 GHz
  • d c is equal to 43 mm
  • di is equal to 10.5 mm
  • d 2 is equal to 3.5 mm.
  • the antenna 2 comprises a conductive plane 20 perpendicular to the axis 6 and intersecting the antenna 2 at mid-height.
  • this conductive plane is a cylindrical plate whose thickness is small compared to its width. This plate is centered on the axis 6 and its diameter is greater than the outside diameter of the cylinder 14. For example, the diameter of the plane 20 is 95mm.
  • the elements of the antenna 2 already described with reference to FIG. 1 have the same references. Inside the cavity 8 are placed two identical wire-plate probes 24, 26.
  • each wire-plate probe is formed by two conductive plates 30, 32 parallel and a radiating element 34 s 'extending perpendicular to the conductive plates and electrically connecting these two conductive plates.
  • Each plate 30, 32 is circular and has a diameter of 13mm.
  • the length of the radiating element 34 which extends between the plates 30 and 32 is a function of the desired working frequency fr. Here the length is chosen equal to 0.8mm.
  • the plates 30 and 32 are connected to an electrical energy generator / receiver 38 such as a voltage or current generator / receiver.
  • electrical conductors 40, 42 respectively connect the plates 30 and 32 of the probe 24 to respective inputs of the generator / receiver 38.
  • electrical conductors 44, 46 respectively connect the plates 30 and 32 of the probe 26 to respective inputs of the generator / receiver 38.
  • These conductors 40, 42, 44 and 46 are fixed to the surface of the plane 20 or incorporated into the thickness of this plane 20 so as not to disturb the electric field radiated by the probes 24 and 26.
  • the radiating element of a wire-plate probe is equivalent to an elementary electric dipole whose axis coincides with that of the radiating element. Therefore, here, the probes 24 and 26 are positioned inside the cavity 8 so that the axes of the radiating elements 34 are aligned on the axis 6.
  • each of the probes 24, 26 forms a dipole elementary electrical whose axis coincides with the axis 6. Under these conditions, each probe 24 and 26 excites only an electric field E z parallel to the axis 6. The advantage of such a characteristic will appear during the description the operation of this antenna.
  • the probes 24 and 26 are arranged on either side of the plane 20 so that one of the probes is the electrical image of the other probe by a symmetry with respect to the plane 20. Thus, the plane 20 does not introduce any asymmetry in the radiation pattern of the antenna 2.
  • the probes 24 and 26 are held in place inside the cavity 8 by the plane 20. More precisely, here, each probe 24, 26 is fixed in plane 20 via a respective shim 50, 52.
  • these shims 50 and 52 are made of a material whose relative permittivity is equal at +/- 3 ready for that of the material filling the cavity 8.
  • the material used for these shims is, for example, a Rhoacel foam whose relative permittivity is equal to 1.
  • these shims have a thickness of 5mm to raise each probe 24, 26 by 5mm compared to the on face of the plane 20. These shims increase the gain of the antenna.
  • the antenna 2 has, at the two open ends of the cavity 8, a circular closure cover 54, 56.
  • each cover 54 and 56 is chosen large enough to close both the through end of the cavity 8 and the end of the cylinder 12.
  • the diameter of the covers 54 and 56 is therefore, for example, equal to the outside diameter of the cylinder 14.
  • these covers are made of a dielectric material whose relative permittivity is between 1 and 3.
  • the probes 24 and 26 only excite the field E 2 . Therefore only the TM modes of the cavity are excited. The other modes of the cavity are not excited, which explains its better performance.
  • the maximum intrinsic gain of the antenna is approximately 9.4 dB
  • - the antenna gain-band product is equal to 62.
  • the gain-band product is obtained by multiplying the maximum intrinsic gain of the antenna in linear (that is to say not expressed in decibels) by the bandwidth expressed in percent.
  • the bandwidth expressed in percent is obtained by dividing the width of the bandwidth by the center frequency, all multiplied by one hundred.
  • the radiation pattern of the antenna 2 is symmetrical with respect to the plane 20 and also has a symmetry of revolution with respect to the axis 6.
  • the value of the intrinsic gain of the antenna 2 is better than that which would be obtained with a similar antenna but equipped with a patch probe arranged parallel to the plane 20 or else a wire-plate probe but whose axis of the radiating element would not be aligned on axis 6.
  • the improvement in gain obtained is explained by the choice of a particular type of probe and by the particular position of this probe inside the cavity 8.
  • guided operating mode there are two distinct operating modes in the antenna 2, hereinafter called guided operating mode and radiant operating mode respectively.
  • the guided operating mode the energy is guided along the axis 6 and is not radiated through the wall 4.
  • the mode guided operation is not useful when using antenna 2 and corresponds to lost energy.
  • FIG. 3 represents another antenna 60 with BIP material.
  • the antenna 60 differs essentially from the antenna 2 in that it only has a single wire-plate probe 62 and in the method of fixing this probe inside the cavity 8.
  • the probe 62 does not differs from probes 24 or 26 only in its dimensions.
  • the diameter of the plates 30 and 32 is equal to 9mm and the length of the radiating element 34 is equal to 5mm.
  • the radiating element 34 of the probe 62 is aligned on the axis 6 and placed substantially halfway up the cavity 8.
  • Each plate 30, 32 is connected to the generator / receiver 38 by l 'through a respective electrical conductor 66, 68.
  • conductors 66 and 68 extend vertically along axis 6 and are formed, for example, each by a coaxial cable of so as not to disturb the electromagnetic fields inside the cavity 8.
  • the probe 62 is placed or fixed on a support 70 made of dielectric material.
  • this support 70 is, for example, fixed on the cover 56 so as to hold in place the probe 62 in the middle of the cavity 8.
  • the support 70 is made of a dielectric material whose relative permittivity is equal to that of the dielectric material filling the cavity 8 to +/- 3 ready.
  • the material of the support 70 is, for example, Rhoacel foam.
  • the electrical conductors 66 and 68 pass through the support 70.
  • the probe 62 only excites the TM modes of the cavity 8. The improvement in the performance of the antenna 60 can therefore be explained in the same way as for the antenna 2.
  • the antenna 80 represents a antenna 80 comprising a side wall 82 completely surrounding a central axis 84 and spaced from this central axis by a resonant cavity 86.
  • the antenna 80 comprises a cylindrical central core 88 of conductive material which extends along the axis 84.
  • the wall 82 is a one-dimensional BIP material which, like for the wall 4 of the antenna 2, is formed by a juxtaposition of three vertical cylinders 90, 92 and 94.
  • the cylinder 90 is the internal cylinder whose internal diameter defines the outside diameter d c of the cavity 86.
  • d ac is the diameter of the central core 88.
  • the thickness of the cylinders 90, 92 and 94 is calculated using relationships
  • the cavity 86 thus constructed creates a narrow band of passing frequencies within a wide band of non-passing frequencies of the BIP material.
  • the height of the wall 82 is chosen as a function of a compromise between, on the one hand the gain, and on the other hand, the width of the pass band.
  • the core 88 is here a hollow cylinder of conductive material whose outside diameter is 4mm. As will now be described in more detail with reference to FIG. 5A, this core 88 serves to hold in place a wire-plate probe 98 inside the cavity 86.
  • the core 88 is also used as shielding for two electrical conductors 100 and 102 for supplying the probe 98.
  • FIG. 5B shows the probe 98 in more detail.
  • This probe comprises two parallel circular conductive plates 104 and 106 electrically connected to one another by four radiating elements 108 to 111 extending perpendicular to the plates 104 and 106.
  • the radiating elements are, for example, of square section. Here their sections are 1mm 2 .
  • the height of each of the radiating elements is 5mm.
  • the plates 104 and 106 each have a central orifice 114 and 116 suitable for receiving the core 88.
  • the radiating elements 108 to 111 are uniformly distributed around these central orifices 114 and 116.
  • the width the width
  • the probe 98 also includes a conductive rod 118 extending parallel to the radiating elements 108 to 111 between the plates 104 and 106. This rod 118 is fixed by one of its ends to the plate 104 while the other end is free . Thus this rod is electrically connected to the plate 104 and electrically isolated from the plate 106. The free end of the rod 118 is connected to the conductor 100. The conductor 102 is in turn electrically connected to the plate 106.
  • the probe 98 is held in place inside the cavity 86 by the core 88 halfway up the wall 82.
  • the core 88 passes through the orifices 114 and 116 and the probe 98 is fixed to this core 88 by l 'through a ring 120 of dielectric material.
  • the relative permittivity of the material of the ring 120 is equal to or close to the relative permittivity of the material filling the cavity 86.
  • this material is Rhoacel foam (registered trademark).
  • the ends of the conductors 100 and 102, connected to the probe 98, extend through the ring 120 in a plane perpendicular to the axis 84 so as not to disturb the electromagnetic fields inside the cavity 86.
  • a intermediate part of the conductors 100 and 102 is housed inside the core 88 and connects these ends to a generator / receiver 122 of electrical energy identical to the generator / receiver 38.
  • the conductors 101 and 102 being separated from the cavity 86 by a conductive material, their electromagnetic radiation does not interfere with that of the probe 98. Thanks to the fact that the radiating elements of the probe 98 are uniformly distributed around the axis 84, the radiation pattern of the antenna 80 has, on the one hand, a symmetry with respect to a plane perpendicular to the axis 84 and passing through the middle of these radiating elements and, on the other hand, a symmetry of revolution with respect to the axis 84.
  • FIG. 6A represents an antenna 130 whose structure is identical to that of the antenna 80 with the exception of the fact that the probe 98 is replaced by four identical electrical dipoles.
  • the elements of the antenna 130 already described with reference to FIG. 5A bear the same references in FIG. 6A and will not be described again.
  • FIGS. 6B at 6C Only three printed dipoles 132 to 134 have been shown on the four that comprise the antenna 130. The rear and front faces of one of these dipoles are shown in more detail respectively in FIGS. 6B at 6C.
  • Each printed dipole consists of a rectangular dielectric substrate 138.
  • the substrate here is 8.1mm wide and 42mm long.
  • the rear face has a strip 140 of conductive material occupying the entire upper part of the rear face.
  • This strip 140 here has a length of 22mm from the upper end of the substrate.
  • a strip 142 of conductive material occupies the entire lower part of the front face.
  • This strip 142 also measures 22mm long starting from the lower end of the substrate.
  • These bands 140 and 142 are connected via respective electrical conductors 144, 146 to a generator / receiver 150 of electrical energy. The dipoles are held in place inside the cavity 86 by the core
  • each dipole is spaced from the outer surface of the core 88 by an air gap with a thickness of 0.81 mm to improve the antenna gain.
  • the electrical conductors 144 and 146 are chosen to be rigid enough so that their ends connected to the printed dipoles serve as an element for fixing the dipoles to the core 88 without having to use a shim or another support.
  • the printed dipoles are placed at different heights along the core 88 which makes it possible to spread the field E 2 which they generate along the axis 86. This improves the performance of the antenna and in particular its gain.
  • the dipoles 132 and 133 are arranged just above a median plane perpendicular to the axis 84 and passing halfway up the side wall made of BIP material.
  • the printed dipoles 132 and 133 are arranged relative to each other so that one of these dipoles is the image of the other by a symmetry with respect to the axis 84.
  • the dipole 134 and a dipole not shown in FIG. 6A are arranged just below the median plane so as to be the image of each other by an axis symmetry 84.
  • a printed dipole forms an equivalent radiating element to an elementary electric dipole.
  • the printed dipoles are vertical so that the axis of the corresponding elementary electric dipole is parallel to axis 86.
  • FIG. 7A represents an antenna 160 in which the side wall made of dielectric BIP material is replaced by a side wall made of metallic BIP material 162.
  • the cylindrical central core is replaced by a central core 164 comprising two flared ends 166 and 168 connected to each other by a central portion 170 whose section is narrower.
  • a metallic BIP material comprises a distribution of conductive material having a spatial periodicity in at least one direction.
  • the wall 162 is formed of a succession of vertical metal bars 172 uniformly distributed the along the periphery of a horizontal circle 174.
  • the metal bars 172 are here separated from each other by a material whose electrical conductivity is different such as, for example, air.
  • the dimensions of the wall 162 are, for example, determined using relations (2), (3) and (4).
  • the wall 162 has an axis 176 of revolution coincident with the central axis of the antenna.
  • the BIP material of the wall 162 has no periodicity in the direction of the axis 176.
  • the wall 162 only modifies the vertical polarization of a probe, that is to say that created by one or more probes equivalent to an elementary electrical dipole parallel or coincident with the axis 176.
  • a probe that is to say that created by one or more probes equivalent to an elementary electrical dipole parallel or coincident with the axis 176.
  • four vertical printed dipoles are fixed around the central portion 170 halfway up the wall 162. To obtain a symmetrical radiation diagram, these dipoles are uniformly distributed along the outer periphery of the central portion 170.
  • the core 164 is made of a hollow conductive material.
  • the flared ends 166, 168 partially obstruct the through ends of the resonant cavity. This configuration of the central core increases the gain of the antenna by around ten percent compared to that of an antenna whose side wall and central core are cylindrical.
  • FIG. 8 represents an antenna 180 in which the side wall is made with another metallic BIP material having a one-dimensional periodicity in a direction parallel to a central axis 182 of the antenna. More specifically, the side wall is formed of a vertical stack of rings 184 of conductive material centered on the axis 182. These rings are spaced from each other by a constant interval made of a material of different conductivity such as, for example, air.
  • Metallic BIP materials having a one-dimensional periodicity in the vertical direction such as here, only modify the horizontal polarization, that is to say that created by a magnetic field H 2 parallel to the axis 182.
  • a probe 186 able to excite the magnetic field H z is placed inside the resonant cavity of the antenna 180. In order to excite only the magnetic field H z , this probe 186 only comprises radiating elements equivalent to an elementary magnetic dipole the axis of which coincides or is parallel to the axis 182.
  • the probe 186 is a current loop placed in a plane perpendicular to the axis 182, halfway up the antenna 180, and the axis of revolution of the loop coincides with the axis 182.
  • This probe 186 like the previously described probes only excites the modes of the cavity having a radial resonance so that the antenna 180 presents essentially u n radiant operating mode and not a guided operating mode.
  • the modes of the cavity excited by the probe 186 are the TE modes.
  • the different techniques, described with reference to FIGS. 1 to 7, for holding a probe inside the resonant cavity can be used to keep the probe 186 in place in the cavity.
  • the means for holding the probe 186 in the cavity have not been shown to simplify FIG. 8.
  • FIG. 9 represents an antenna 200 combining characteristics of the antennas 2 and 180.
  • the side wall of the antenna 200 is formed by the juxtaposition of a metallic BIP material 202 and a dielectric BIP material 204.
  • the metallic BIP material 202 is identical to that of the antenna 180 and the dielectric BIP material 204 is identical to that of the antenna 2.
  • a probe comprising two radiating elements 206 and 208.
  • the radiating element 206 is equivalent to an elementary electric dipole whose axis is coincident with a central axis 210 of antenna 200.
  • the radiating element 208 is equivalent to a magnetic dipole elementary whose axis is also coincident with the central axis of the antenna.
  • the radiating element 206 excites only the electric field E z while the radiating element 208 excites only the magnetic field H z .
  • the presence of metallic BIP material 202 does not modify the vertical polarization generated by the radiating element 206 since the latter has only one-dimensional periodicity in a direction parallel to the central axis 210.
  • the antenna 200 therefore has both a vertical polarization and a horizontal polarization.
  • the radiating element 206 is excited in phase quadrature with respect to the radiating element 208.
  • Figure 10 shows in vertical section and in perspective a side wall 220 of an antenna 222.
  • This side wall has the shape of a barrel.
  • the wall 220 is, for example, made using a dielectric BIP material.
  • Such a conformation of the side wall creates a barrel-shaped central cavity and increases the gain of the antenna by about ten percent compared to an antenna whose side wall is formed of cylinders of constant section.
  • One or more of the previously described probes are held in place inside the barrel-shaped central cavity using the teaching previously described. These probes and their embodiments have therefore not been shown in FIG. 10 to simplify the illustration. Many other embodiments of a BIP material antenna exist.
  • the wire-plate probes, the electrical dipoles or the magnetic dipoles can be replaced by one another in the preceding embodiments. It is also possible as in the antenna 200 to use these probes jointly inside the same resonant cavity.
  • the probes have been described as either wire probes plates, either electric dipoles printed or not, or even current loops.
  • all the probes of which each radiating element is equivalent either to an elementary electrical dipole or to an elementary magnetic dipole can be used in place of one of the previously described probes when it is positioned in the resonant cavity so that radiating elements excite an electromagnetic field parallel to the central axis.
  • the radiating elements are uniformly distributed around the central axis so as to obtain an omnidirectional radiation diagram in a plane perpendicular to the central axis.
  • the radiating elements are arranged in greater number on the same side of a plane containing the central axis so as to create an asymmetry in the radiation diagram.
  • the wire-plate probes comprise two plates distinct from the conductive plane 20.
  • the plate 32 of the probes 24 and / or 26 is omitted and the conductive element 34 is directly connected to the one of its ends to the conducting plane 20.
  • the shims are uniformly distributed around the central axis so as to obtain an omnidirectional radiation diagram in a plane perpendicular to the central axis.
  • the radiating elements are arranged in greater number on the same side of a plane containing the central axis so as to create an asymmetry in the radiation diagram.
  • the wire-plate probes comprise two plates distinct from the conductive plane 20.
  • the plate 32 of the probes 24 and / or 26
  • the central core has been described in the previous embodiments as being made of a conductive material. As a variant, this central core is made of BIP material. The central core has also been described as a cylinder of revolution. However, as a variant, the section of the central core is a parallelogram. In another embodiment, the BIP material of the side wall is a two or three-dimensional BIP material like those disclosed in patent application FR 99 14521.

Abstract

Cette antenne à matériau BIP (Bande Interdite Photonique) comporte : - une paroi latérale (4) en matériau BIP entourant complètement un axe central (6) et espacé de cet axe central pour ménager une cavité centrale résonante, et - au moins un élément rayonnant (34 ) placé à l'intérieur de la cavité. Le ou chaque élément rayonnant est positionné à l'intérieur de la cavité pour exciter un champ électromagnétique parallèle à l'axe central, et ledit ou au moins un élément rayonnant est apte à exciter plus fortement les modes de la cavité centrale présentant une résonance radiale que les autres modes de la cavité centrale

Description

Antenne à matériau BIP (Bande Interdite Photoniαue) à paroi latérale entourant un axe
La présente invention concerne une antenne à matériau BIP (Bande Interdite Photonique) à paroi latérale entourant un axe. Des antennes connues à matériau BIP comportent : - une paroi latérale en matériau BIP entourant complètement un axe central et espacé de cet axe central pour ménager une cavité centrale résonante propre à créer au moins une bande étroite de fréquences passantes au sein d'une large bande de fréquences non passantes du matériau BIP, et - au moins un élément rayonnant placé à l'intérieur de la cavité, apte à exciter un champ électromagnétique pour rayonner ou recevoir un rayonnement électromagnétique à une fréquence de travail donnée située à l'intérieur de la bande étroite de fréquences passantes. Par exemple, la demande de brevet FR 99 14 521 propose de réaliser une antenne à matériau BIP ayant une paroi latérale formée de cylindres coaxiaux entourant la sonde. Dans cette demande de brevet, les modes de réalisation préférés décrits utilisent une sonde plaque ou sonde Patch. Toutefois, le gain de telles antennes équipées d'une sonde Patch n'est pas très élevé. L'invention vise à améliorer le gain de ces antennes. L'invention a donc pour objet une telle antenne à matériau BIP dans laquelle : - le ou chaque éléments rayonnants est positionné à l'intérieur de la cavité pour exciter un champ électromagnétique parallèle à l'axe central, et - au moins un élément rayonnant est apte à exciter plus fortement les modes de la cavité centrale présentant une résonance radiale que les autres modes de la cavité centrale. Il a été constaté qu'il est possible d'accroître le gain de ces antennes à matériau BIP en positionnant et en choisissant la ou chaque sonde comme indiqué ci-dessus. Ici, par résonance radiale on désigne les résonances qui s'établissent dans un plan perpendiculaire à l'axe central. Ces modes de la cavité présentant une résonance radiale sont également connus sous les termes de « modes TE » lorsqu'ils sont excités par un champ magnétique Hz ou « modes TM » lorsqu'ils sont excités par un champ électrique Ez. Les modes de réalisation de l'antenne à matériau BIP peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le ou chaque élément rayonnant est apte à exciter uniquement les modes de la cavité centrale présentant une résonance radiale, - au moins l'un des éléments rayonnant forme un dipôle électrique élémentaire parallèle à ou confondu avec l'axe central, - au moins l'un des éléments rayonnants forme un dipôle magnétique élémentaire parallèle à ou confondu avec l'axe central ; - l'antenne comporte au moins une sonde placée à l'intérieur de la cavité, la ou chaque sonde ayant l'un ou plusieurs desdits éléments rayonnants ; - au moins un plan conducteur perpendiculaire à l'axe central, et la ou chaque sonde est supportée par le ou l'un de ces plans conducteurs ; - au moins deux sondes disposées l'une par rapport à l'autre de manière à ce que l'une de ces sondes soit l'image électrique de l'autre sonde par une symétrie par rapport au plan conducteur ; - une âme centrale en matériau conducteur aligné sur l'axe central, et en ce que la ou chaque sonde est supportée par cette âme centrale ; - un conducteur électrique d'alimentation de la ou de chaque sonde passant à l'intérieur de l'âme centrale ; - plusieurs éléments rayonnants uniformément répartis autour de la périphérie de l'âme centrale ; - un support pour maintenir en place la ou chaque sonde dans la cavité, ce support étant réalisé dans un matériau dont la permittivité relative est égale à la permittivité relative du matériau remplissant la cavité à +/- 3 prêt, - la ou chaque sonde est choisie dans un ensemble composé d'un dipôle électrique ou d'une sonde fil-plaques ; - plusieurs éléments rayonnants disposés à des hauteurs différentes le long de l'axe central, - plusieurs éléments rayonnants disposés à une même hauteur le long de l'axe central ; - la cavité centrale présente deux extrémités débouchantes traversées par l'axe central, et l'antenne comporte au moins un capot d'obturation d'une des extrémités débouchantes, ce capot d'obturation étant réalisé dans un matériau diélectrique dont la permittivité relative est comprise entre 1 et 3 ; - la paroi latérale en matériau BIP comporte une structure en matériau
BIP métallique ; - les éléments rayonnants sont adaptés pour travailler à la même fréquence de travail, et le ou chaque élément rayonnant formant un dipôle électrique élémentaire est excité en quadrature de phase par rapport au ou à chaque élément rayonnant formant un dipôle magnétique élémentaire de manière à créer une polarisation circulaire ; - la cavité présente la forme d'un tonneau, l'axe de symétrie du tonneau étant confondu avec l'axe central, - la cavité est un cylindre de révolution dont l'axe de révolution est confondu avec l'axe central, - la cavité centrale présente deux extrémités débouchantes traversées par l'axe central, et l'âme centrale comporte deux portions évasées reliées l'une à l'autre par une portion plus fine, chacune de ces portions évasées obturant partiellement une extrémité débouchante respective. 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 vue en perspective schématique et partielle d'un premier mode de réalisation d'une antenne à matériau BIP ; - la figure 2 est une vue en coupe de l'antenne de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en coupe d'un second mode de réalisation d'une antenne à matériau BIP ; - la figure 4 est une vue en perspective schématique et partielle d'un troisième mode de réalisation d'une antenne à matériau BIP ; - la figure 5A est une vue en coupe de l'antenne de la figure 4 ; - la figure 5B est une vue en perspective schématique d'une sonde utilisée dans l'antenne de la figure 4 ; - la figure 6A est une vue en coupe d'un quatrième mode de réalisation d'une antenne à matériau BIP ; - les figures 6B et 6C sont des vues schématiques respectivement avant et arrière d'une sonde utilisée dans l'antenne de la figure 6A ; - les figures 7, 8 et 9 sont des vues simplifiées en perspective respectivement d'un cinquième, sixième et septième modes de réalisation d'une antenne à matériau BIP ; et - la figure 10 est une vue simplifiée en coupe et en perspective d'un huitième mode de réalisation d'une antenne à matériau BIP. La figure 1 représente une antenne à matériau BIP désignée par la référence générale 2. L'antenne 2 comporte une paroi latérale verticale 4 entourant complètement un axe central 6 et espacé de cet axe central pour ménager une cavité centrale résonante 8. La paroi 4 est un cylindre de révolution ayant pour axe de révolution l'axe 6. Cette paroi 4 est réalisée en matériau BIP à une dimension présentant une périodicité radiale. Par exemple, ce matériau BIP comporte successivement un cylindre intérieur 10, un cylindre intermédiaire 12 et un cylindre extérieur 14. Le cylindre intérieur 10 est réalisé dans un matériau diélectrique de permittivité relative £ rι et d'épaisseur constante d-i. Le diamètre intérieur de ce cylindre 10 correspond au diamètre extérieur de la cavité 8. A titre d'exemple, £ est égal à neuf dans la suite de cette description. Le cylindre 12 est réalisé dans un matériau de permittivité relative S a et d'épaisseur constante d2. La permittivité relative S a est différente de 6\ι. Ici, par exemple, le matériau est de l'air et S ^est égal à 1. Le cylindre 14 est réalisé dans un matériau de permittivité relative égale à celle du cylindre 10 et d'épaisseur constante di. La cavité 8 est remplie d'un même matériau que le cylindre 12 de manière à correspondre à un défaut de la périodicité radiale du matériau BIP. Le diamètre dc de la cavité 8 est choisi de manière à ce que celle-ci soit une cavité résonante propre à créer au moins une bande étroite de fréquences passantes au sein d'une large bande de fréquences non passantes du matériau BIP formant la paroi 4. Pour cela, le diamètre dc de la cavité 8 est choisi en fonction de la fréquence de travail souhaitée pour l'antenne 2 selon la relation suivante :
(1 ) dc = . λQ2 = x I (fr. -iε ) ou : - Ag2 est la longueur d'onde de la fréquence de travail dans le matériau remplissant la cavité 8, - a est un coefficient constant choisi entre 0,75 et 0,85 et de préférence égal à 0,8 ; - c est la célérité de la lumière, et - fr est la fréquence de travail souhaitée pour l'antenne 2. La valeur du coefficient a est déterminée de façon expérimentale pour créer la bande étroite de fréquences passantes au sein d'une large bande de fréquences non passantes du matériau BIP. Les épaisseurs di et d2 sont également choisies en fonction de la fréquence de travail souhaitée selon les relations suivantes :
Figure imgf000007_0001
(3) d2 = ^2/4 = c / (4.fτ ^ ) où Agι et λQ2 sont respectivement les longueurs d'ondes correspondant à la fréquence de travail dans les matériaux des cylindres 10 et 12. Le coefficient de transmission d'une telle antenne à matériau BIP est similaire à celui illustré à la figure 7 de la demande de brevet FR 99 14521. A titre d'exemple, dans la suite de cette description, la fréquence de travail souhaitée fτ est égale à 5,5 GHz, dc est égal à 43 mm, di est égal à 10,5mm et d2 est égal à 3,5mm. En ce qui concerne la hauteur H de la paroi 4 dans la direction parallèle à l'axe 6, celle-ci est choisie pour correspondre à un bon compromis entre d'une part le gain et d'autre part la largeur de la bande passante de l'antenne 2. D'une façon générale, plus la hauteur augmente plus le gain augmente et plus la largeur de la bande passante de l'antenne 2 diminue. Ici, la hauteur de l'antenne 2 est choisie égale à 214 mm. Dans ce mode de réalisation, l'antenne 2 comporte un plan conducteur 20 perpendiculaire à l'axe 6 et coupant l'antenne 2 à mi-hauteur. Ici, ce plan conducteur est une plaque cylindrique dont l'épaisseur est faible devant sa largeur. Cette plaque est centrée sur l'axe 6 et son diamètre est supérieur au diamètre extérieur du cylindre 14. Par exemple, le diamètre du plan 20 est de 95mm. Sur la figure 2, les éléments de l'antenne 2 déjà décrits en regard de la figure 1 portent les mêmes références. A l'intérieur de la cavité 8 sont placées deux sondes fils-plaques 24, 26 identiques. Ces sondes 24, 26 sont réalisées conformément à l'enseignement de la demande de brevet FR 93 10 597. On rappellera simplement ici que chaque sonde fil-plaques est formée de deux plaques conductrices 30, 32 parallèles et d'un élément rayonnant 34 s'étendant perpendiculairement aux plaques conductrices et raccordant électriquement ces deux plaques conductrices. Chaque plaque 30, 32 est circulaire et présente un diamètre de 13mm. La longueur de l'élément rayonnant 34 qui s'étend entre les plaques 30 et 32 est fonction de la fréquence de travail souhaitée fr. Ici la longueur est choisie égale à 0,8mm. Les plaques 30 et 32 sont raccordées à un générateur/récepteur 38 d'énergie électrique tel qu'un générateur/récepteur de tension ou de courant. A cet effet, des conducteurs électriques 40, 42 raccorde respectivement les plaques 30 et 32 de la sonde 24 à des entrées respectives du générateur/récepteur 38. De même, des conducteurs électriques 44, 46 raccordent respectivement les plaques 30 et 32 de la sonde 26 à des entrées respectives du générateur/récepteur 38. Ces conducteurs 40, 42, 44 et 46 sont fixés à la surface du plan 20 ou incorporés dans l'épaisseur de ce plan 20 pour ne pas perturber le champ électrique rayonné par les sondes 24 et 26. L'élément rayonnant d'une sonde fil-plaques est équivalent à un dipôle électrique élémentaire dont l'axe est confondu avec celui de l'élément rayonnant. Dés lors, ici, les sondes 24 et 26 sont positionnées à l'intérieur de la cavité 8 de manière à ce que les axes des éléments rayonnants 34 soient alignés sur l'axe 6. Ainsi, chacune des sondes 24, 26 forme un dipôle électrique élémentaire dont l'axe est confondu avec l'axe 6. Dans ces conditions, chaque sonde 24 et 26 excite uniquement un champ électrique Ez parallèle à l'axe 6. L'intérêt d'une telle caractéristique apparaîtra lors de la description du fonctionnement de cette antenne. Les sondes 24 et 26 sont disposées de part et d'autre du plan 20 de manière à ce que l'une des sondes soit l'image électrique de l'autre sonde par une symétrie par rapport au plan 20. Ainsi, le plan 20 n'introduit aucune dissymétrie dans le diagramme de rayonnement de l'antenne 2. Les sondes 24 et 26 sont maintenues en place à l'intérieur de la cavité 8 par le plan 20. Plus précisément, ici, chaque sonde 24, 26 est fixée au plan 20 par l'intermédiaire d'une cale respective 50, 52. Pour ne pas perturber la répartition des champs électriques à l'intérieur de la cavité 8, ces cales 50 et 52 sont réalisées dans un matériau dont la permittivité relative est égale à +/-3 prêt à celle du matériau remplissant la cavité 8. Ici, le matériau utilisé pour ces cales est, par exemple, une mousse de Rhoacel dont la permittivité relative est égal à 1. A titre d'exemple, ces cales ont une épaisseur de 5mm pour surélever chaque sonde 24, 26 de 5mm par rapport à la surface du plan 20. Ces cales permettent d'accroître le gain de l'antenne. Afin d'empêcher que des saletés puissent pénétrer dans la cavité 8 ou dans le cylindre 12, l'antenne 2 comporte aux deux extrémités ouvertes de la cavité 8 un capot d'obturation circulaire 54, 56. Le diamètre de chaque capot 54 et 56 est choisi suffisamment grand pour obturer à la fois l'extrémité débouchante de la cavité 8 ainsi que l'extrémité du cylindre 12. Le diamètre des capots 54 et 56 est donc, par exemple, égal au diamètre extérieur du cylindre 14. Pour ne pas perturber la répartition des champs électromagnétiques à l'intérieur de la cavité 8 ces capots sont réalisés dans un matériau diélectrique dont la permittivité relative est comprise entre 1 et 3. Lors du fonctionnement de l'antenne 2, les sondes 24 et 26 excitent uniquement le champ E2. Par conséquent seuls les modes TM de la cavité sont excités. Les autres modes de la cavité ne sont pas excités, ce qui explique ses meilleures performances. A titre d'exemple, dans le cas particulier de l'antenne 2 décrite ici, les performances simulées suivantes sont obtenues : - le gain intrinsèque maximal de l'antenne est d'environ 9,4 dB, - la bande passante en rayonnement à -3dB et comprise entre 5,4 et 5,8 GHz, et - le produit gain-bande de l'antenne est égal à 62. Le produit gain-bande est obtenu en multipliant le gain intrinsèque maximal de l'antenne en linéaire (c'est-à-dire non exprimé en décibels) par la bande passante exprimée en pourcents. La bande passante exprimée en pourcents s'obtient en divisant la largeur de la bande passante par la fréquence centrale, le tout multiplié par cent. Le diagramme de rayonnement de l'antenne 2 est symétrique par rapport au plan 20 et présente également une symétrie de révolution par rapport à l'axe 6. Ceci est principalement dû à la disposition des sondes 24 et 26 dans la cavité 8. La valeur du gain intrinsèque de l'antenne 2 est meilleure que celle qui serait obtenue avec une antenne similaire mais équipée d'une sonde Patch disposée parallèlement au plan 20 ou encore d'une sonde fil-plaques mais dont l'axe de l'élément rayonnant ne serait pas aligné sur l'axe 6. L'amélioration du gain obtenu s'explique par le choix d'un type particulier de sonde et par la position particulière de cette sonde à l'intérieur de la cavité 8. En effet, il a été constaté qu'il existe dans l'antenne 2 deux modes de fonctionnement distincts appelés par la suite respectivement mode de fonctionnement guidé et mode de fonctionnement rayonnant. Dans le mode de fonctionnement guidé, l'énergie est guidée le long de l'axe 6 et n'est pas rayonnée au travers de la paroi 4. Le mode de fonctionnement guidé n'est pas utile lors de l'utilisation de l'antenne 2 et correspond à de l'énergie perdue. Au contraire, dans le mode de fonctionnement rayonnant, l'énergie est rayonnée au travers de la paroi 4 et n'est pas guidée le long de l'axe 6. Le mode de fonctionnement rayonnant correspond aux modes de la cavité 8 présentant une résonance radiale, c'est-à-dire les modes TE et TM. Ainsi en excitant préférentiellement les modes de la cavité présentant une résonance radiale, les performances de l'antenne et en particulier son gain sont améliorés. La figure 3 représente une autre antenne 60 à matériau BIP. Dans cette figure 3, les éléments déjà décrits en regard de la figure 2 portent les mêmes références et ne seront pas décrits à nouveau. L'antenne 60 diffère essentiellement de l'antenne 2 par le fait qu'elle ne comporte qu'une seule sonde fil-plaques 62 et par le mode de fixation de cette sonde à l'intérieur de la cavité 8. La sonde 62 ne diffère des sondes 24 ou 26 que par ses dimensions. Ici, le diamètre des plaques 30 et 32 est égal à 9mm et la longueur de l'élément rayonnant 34 est égal à 5mm. Comme pour les sondes 24 et 26, l'élément rayonnant 34 de la sonde 62 est aligné sur l'axe 6 et placé sensiblement à mi-hauteur de la cavité 8. Chaque plaque 30, 32 est raccordée au générateur/récepteur 38 par l'intermédiaire d'un conducteur électrique respectif 66, 68. Toutefois, contrairement aux conducteurs 40 et 42, les conducteurs 66 et 68 s'étendent verticalement le long de l'axe 6 et sont formés, par exemple, chacun par un câble coaxial de manière à ne pas perturber les champs électromagnétiques à l'intérieur de la cavité 8. Ici, la sonde 62 est posée ou fixée sur un support 70 en matériau diélectrique. Ici, ce support 70 est, par exemple, fixé sur le capot 56 de manière à maintenir en place la sonde 62 au milieu de la cavité 8. De façon similaire à ce qui a été décrit pour les cales 50 et 52, le support 70 est réalisé dans un matériau diélectrique dont la permittivité relative est égale à celle du matériau diélectrique remplissant la cavité 8 à +/-3 prêt. Le matériau du support 70 est, par exemple, de la mousse Rhoacel. Les conducteurs électriques 66 et 68 traversent le support 70. Comme dans l'antenne 2, la sonde 62 excite uniquement les modes TM de la cavité 8. L'amélioration des performances de l'antenne 60 s'explique donc de la même façon que pour l'antenne 2. La figure 4 représente une antenne 80 comportant une paroi latérale 82 entourant complètement un axe central 84 et espacé de cet axe central par une cavité résonante 86. L'antenne 80 comporte une âme centrale cylindrique 88 en matériau conducteur qui s'étend le long de l'axe 84. La paroi 82 est un matériau BIP à une dimension qui, comme pour la paroi 4 de l'antenne 2, est formée d'une juxtaposition de trois cylindres verticaux 90, 92 et 94. Le cylindre 90 est le cylindre intérieur dont le diamètre intérieur défini le diamètre extérieur dc de la cavité 86. Lorsque l'antenne comporte une âme centrale, la relation (1) est remplacée par la relation suivante :
(4) dc = λg2 + dac = c / (fτ & ) + dac où dac est le diamètre de l'âme centrale 88. L'épaisseur des cylindres 90, 92 et 94 est calculée à l'aide des relations
(2) et (3) précédentes. Comme pour l'antenne 2, la cavité 86 ainsi construite crée une bande étroite de fréquences passantes au sein d'une large bande de fréquences non passantes du matériau BIP. La hauteur de la paroi 82 est choisie en fonction d'un compromis entre, d'une part le gain, et d'autre part, la largeur de la bande passante. L'âme 88 est ici un cylindre creux en matériau conducteur dont le diamètre extérieur est de 4mm. Comme cela va maintenant être décrit plus en détail en regard de la figure 5A, cette âme 88 sert à maintenir en place une sonde fil-plaques 98 à l'intérieur de la cavité 86. L'âme 88 est aussi utilisée comme blindage pour deux conducteurs électriques 100 et 102 d'alimentation de la sonde 98. La figure 5B représente plus en détail la sonde 98. Cette sonde, comporte deux plaques conductrices circulaires parallèles 104 et 106 raccordées électriquement l'une à l'autre par quatre éléments rayonnants 108 à 111 s'étendant perpendiculairement aux plaques 104 et 106. Les éléments rayonnants sont, par exemple, de section carrée. Ici, leurs sections est de 1mm2. La hauteur de chacun des éléments rayonnants est de 5mm. Les plaques 104 et 106 comportent chacune un orifice central 114 et 116 propre à recevoir l'âme 88. Les éléments rayonnants 108 à 111 sont uniformément répartis autour de ces orifices centraux 114 et 116. Ici, la largeur
Li entre l'orifice central 114 ou 116 et la périphérie extérieure des plaques 104 ou 106 mesure 5,5mm. Le diamètre de chaque orifice central est de 9mm. La sonde 98 comporte également une tige conductrice 118 s'étendant parallèlement aux éléments rayonnants 108 à 111 entre les plaques 104 et 106. Cette tige 118 est fixée par l'une de ses extrémités à la plaque 104 tandis que l'autre extrémité est libre. Ainsi cette tige est électriquement raccordée à la plaque 104 et électriquement isolée de la plaque 106. L'extrémité libre de la tige 118 est raccordée au conducteur 100. Le conducteur 102 est quant à lui raccordé électriquement à la plaque 106. La sonde 98 est maintenue en place à l'intérieur de la cavité 86 par l'âme 88 à mi-hauteur de la paroi 82. Plus précisément, l'âme 88 traverse les orifices 114 et 116 et la sonde 98 est fixée sur cette âme 88 par l'intermédiaire d'un anneau 120 en matériau diélectrique. La permittivité relative du matériau de l'anneau 120 est égale ou proche de la permittivité relative du matériau remplissant la cavité 86. Par exemple, ici, ce matériau est de la mousse de Rhoacel (marque déposée). Les extrémités des conducteurs 100 et 102, raccordées à la sonde 98, s'étendent au travers de l'anneau 120 dans un plan perpendiculaire à l'axe 84 pour ne pas perturber les champs électromagnétiques à l'intérieur de la cavité 86. Une partie intermédiaire des conducteurs 100 et 102 est logée à l'intérieur de l'âme 88 et relie ces extrémités à un générateur/récepteur 122 d'énergie électrique identique au générateur/récepteur 38. Les conducteurs 101 et 102 étant séparés de la cavité 86 par un matériau conducteur, leur rayonnement électromagnétique n'interfère pas avec celui de la sonde 98. Grâce au fait que les éléments rayonnants de la sonde 98 sont uniformément répartis autour de l'axe 84, le diagramme de rayonnement de l'antenne 80 présente, d'une part une symétrie par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe 84 et passant par le milieu de ces éléments rayonnants et, d'autre part, une symétrie de révolution par rapport à l'axe 84. La sonde 98 est équivalente à quatre dipôles électriques élémentaires et excite uniquement les modes TM de la cavité 8. Jusqu'à présent, les antennes 2, 60 et 80 ont été décrites dans le cas particulier où elles comportent des sondes fil-plaques. La figure 6A représente une antenne 130 dont la structure est identique à celle de l'antenne 80 à l'exception du fait que la sonde 98 est remplacée par quatre dipôles électriques identiques. Les éléments de l'antenne 130 déjà décrits en regard de la figure 5A portent les mêmes références sur la figure 6A et ne seront pas décrits à nouveau. Ici, pour simplifier l'illustration, seuls trois dipôles imprimés 132 à 134 ont été représentés sur les quatre que comporte l'antenne 130. Les faces arrière et avant de l'un de ces dipôles sont représentées plus en détail respectivement sur les figures 6B à 6C. Chaque dipôle imprimé se compose d'un substrat diélectrique rectangulaire 138. Le substrat fait ici 8,1mm de largeur et 42mm de longueur. La face arrière comporte une bande 140 en matériau conducteur occupant toute la partie supérieure de la face arrière. Cette bande 140 présente ici une longueur de 22mm à partir de l'extrémité supérieure du substrat. A l'inverse, sur la face avant, une bande 142 de matériau conducteur occupe toute la partie inférieure de la face avant. Cette bande 142 mesure également 22mm de long en partant de l'extrémité inférieure du substrat. Ces bandes 140 et 142 sont raccordées par l'intermédiaire de conducteurs électriques respectifs 144, 146 à un générateur/récepteur 150 d'énergie électrique. Les dipôles sont maintenus en place à l'intérieur de la cavité 86 par l'âme
88. Plus précisément, chaque dipôle est espacé de la surface extérieure de l'âme 88 par un intervalle d'air d'une épaisseur de 0,81mm pour améliorer le gain de l'antenne. Ici, les conducteurs électriques 144 et 146 sont choisis suffisamment rigides pour que leurs extrémités raccordées aux dipôles imprimés servent d'élément de fixation des dipôles à l'âme 88 sans avoir recours à une cale ou à un autre support. Ici, les dipôles imprimés sont placés à différentes hauteurs le long de l'âme 88 ce qui permet d'étaler le champ E2 qu'ils génèrent le long de l'axe 86. Ceci améliore les performances de l'antenne et notamment son gain. Ici, les dipôles 132 et 133 sont disposés juste au dessus d'un plan médian perpendiculaire à l'axe 84 et passant à mi-hauteur de la paroi latérale en matériau BIP. Les dipôles imprimés 132 et 133 sont disposés l'un par rapport à l'autre de manière à ce que l'un de ces dipôles soit l'image de l'autre par une symétrie par rapport à l'axe 84. De façon similaire le dipôle 134 et un dipôle non représenté sur la figure 6A sont disposés juste en dessous du plan médian de manière à être l'image l'un de l'autre par une symétrie d'axe 84. Un dipôle imprimé forme un élément rayonnant équivalent à un dipôle électrique élémentaire. Ici, les dipôles imprimés sont verticaux de manière à ce que l'axe du dipôle électrique élémentaire correspondant soit parallèle à l'axe 86. Ainsi, ces dipôles excitent uniquement les modes TM de la cavité. L'amélioration des performances obtenues à l'aide de dipôles imprimés est similaire à celle obtenue grâce à l'utilisation de sondes fil-plaques dont les éléments rayonnants sont parallèles à l'axe central de l'antenne. Jusqu'à présent, les antennes décrites comportaient une paroi latérale réalisée en matériau BIP diélectrique. La figure 7A représente une antenne 160 dans laquelle la paroi latérale en matériau BIP diélectrique est remplacée par une paroi latérale en matériau BIP métallique 162. De plus, dans l'antenne 160, l'âme centrale cylindrique est remplacée par une âme centrale 164 comportant deux extrémités évasées 166 et 168 raccordées l'une à l'autre par une portion centrale 170 dont la section est plus étroite. Contrairement à un matériau BIP diélectrique, un matériau BIP métallique comporte une répartition de matériau conducteur présentant une périodicité spatiale dans au moins une direction. Par exemple, ici, la paroi 162 est formée d'une succession de barres métalliques verticales 172 uniformément réparties le long de la périphérie d'un cercle horizontal 174. Les barres métalliques 172 sont ici séparées les unes des autres par un matériau dont la conductivité électrique est différente telle que, par exemple, de l'air. Les dimensions de la paroi 162 sont, par exemple, déterminées à l'aide des relations (2), (3) et (4). La paroi 162 présente un axe 176 de révolution confondu avec l'axe central de l'antenne. Le matériau BIP de la paroi 162 ne présente aucune périodicité dans la direction de l'axe 176. Dans ces conditions, la paroi 162 modifie uniquement la polarisation verticale d'une sonde, c'est-à-dire celle crée par une ou plusieurs sondes équivalentes à un dipôle électrique élémentaire parallèle ou confondu avec l'axe 176. Par exemple, ici, quatre dipôles imprimés verticaux sont fixés autour de la portion centrale 170 à mi-hauteur de la paroi 162. Pour obtenir un diagramme de rayonnement symétrique, ces dipôles sont uniformément répartis le long de la périphérie extérieure de la portion centrale 170. Comme dans les modes de réalisation précédents, l'âme 164 est réalisée dans un matériau conducteur creux. Les extrémités évasées 166, 168 obstruent partiellement les extrémités débouchantes de la cavité résonante. Cette configuration de l'âme centrale augmente d'environ dix pour cent le gain de l'antenne par rapport à celui d'une antenne dont la paroi latérale et l'âme centrale sont cylindriques. L'utilisation d'un matériau BIP métallique pour former la paroi latérale présente plusieurs avantages dont notamment celui d'améliorer les performances de l'antenne par rapport à une antenne identique formée avec un matériau BIP diélectrique. Un matériau BIP métallique est également moins coûteux qu'un matériau BIP diélectrique. La figure 8 représente une antenne 180 dans laquelle la paroi latérale est réalisée avec un autre matériau BIP métallique présentant une périodicité à une dimension dans une direction parallèle à un axe central 182 de l'antenne. Plus précisément, la paroi latérale est formée d'un empilement vertical d'anneaux 184 en matériau conducteur centrés sur l'axe 182. Ces anneaux sont espacés les uns des autres par un intervalle constant réalisé dans un matériau de conductivité différente telle que, par exemple, de l'air. Les matériau BIP métalliques présentant une périodicité à une dimension dans la direction verticale, telle qu'ici, modifient uniquement la polarisation horizontale c'est-à-dire celle créée par un champ magnétique H2 parallèle à l'axe 182. Une sonde 186 propre à exciter le champ magnétique Hz est placée à l'intérieur de la cavité résonante de l'antenne 180. De manière à exciter uniquement le champ magnétique Hz, cette sonde 186 ne comporte que des éléments rayonnants équivalents à un dipôle magnétique élémentaire dont l'axe est confondu ou parallèle à l'axe 182. A titre d'exemple, la sonde 186 est une boucle de courant placée dans un plan perpendiculaire à l'axe 182, à mi-hauteur de l'antenne 180, et l'axe de révolution de la boucle est confondu avec l'axe 182. Cette sonde 186 comme les sondes précédemment décrites excite uniquement les modes de la cavité présentant une résonance radiale de sorte que l'antenne 180 présente essentiellement un mode de fonctionnement rayonnant et non pas un mode de fonctionnement guidé. Toutefois, contrairement au cas des sondes équivalentes à des dipôles électriques élémentaires, les modes de la cavité excités par la sonde 186 sont les modes TE. Les différentes techniques, décrites en regard des figures 1 à 7, pour maintenir en place une sonde à l'intérieur de la cavité résonante sont utilisables pour maintenir en place la sonde 186 dans la cavité. Ici, les moyens pour maintenir la sonde 186 dans la cavité n'ont pas été représentés pour simplifier la figure 8. La figure 9 représente une antenne 200 combinant des caractéristiques des antennes 2 et 180. Plus précisément, la paroi latérale de l'antenne 200 est formée par la juxtaposition d'un matériau BIP métallique 202 et d'un matériau BIP diélectrique 204. A titre d'exemple, le matériau BIP métallique 202 est identique à celui de l'antenne 180 et le matériau BIP diélectrique 204 est identique à celui de l'antenne 2. A l'intérieur de la cavité résonante est placée une sonde comportant deux éléments rayonnants 206 et 208. L'élément rayonnant 206 est équivalent à un dipôle électrique élémentaire dont l'axe est confondu avec un axe central 210 de l'antenne 200. L'élément rayonnant 208 est équivalent à un dipôle magnétique élémentaire dont l'axe est aussi confondu avec l'axe central de l'antenne. Dans ces conditions, l'élément rayonnant 206 excite uniquement le champ électrique Ez tandis que l'élément rayonnant 208 excite uniquement le champ magnétique Hz. On notera de plus que la présence du matériau BIP métallique 202 ne modifie pas la polarisation verticale générée par l'élément rayonnant 206 puisque celui-ci présente uniquement une périodicité à une dimension dans une direction parallèle à l'axe central 210. L'antenne 200 présente donc à la fois une polarisation verticale et une polarisation horizontale. De plus, ici, de manière à créer une polarisation circulaire, l'élément rayonnant 206 est excité en quadrature de phase par rapport à l'élément rayonnant 208. Ces éléments rayonnants 206 et 208 sont maintenus en place à l'intérieur de la cavité résonante en appliquant l'enseignement de l'un des modes de réalisation précédents. Pour simplifier l'illustration de la figure 9, les moyens pour les maintenir en place n'ont pas été représentés. La figure 10 représente en coupe verticale et en perspective d'une paroi latérale 220 d'une antenne 222. Cette paroi latérale présente la forme d'un tonneau. La paroi 220 est, par exemple, réalisée à l'aide d'un matériau BIP diélectrique. Une telle conformation de la paroi latérale crée une cavité centrale en forme de tonneau et augmente d'environ dix pour cent le gain de l'antenne par rapport à une antenne dont la paroi latérale est formée de cylindres dont la section est constante. Une ou plusieurs des sondes décrites précédemment sont maintenues en place à l'intérieur de la cavité centrale en forme de tonneau en utilisant l'enseignement précédemment décrit. Ces sondes et leurs modes de réalisation n'ont donc pas été représentés sur la figure 10 pour simplifier l'illustration. De nombreux autres modes de réalisation d'une antenne à matériau BIP existent. Par exemple, les sondes fil-plaques, les dipôles électriques ou les dipôles magnétiques peuvent être remplacés les uns par les autres dans les modes de réalisation précédents. Il est également possible comme dans l'antenne 200 d'utiliser ces sondes conjointement à l'intérieur d'une même cavité résonante. Ici, les sondes ont été décrites comme étant soit des sondes fil- plaques, soit des dipôles électriques imprimés ou non, soit encore des boucles de courant. Toutefois, toutes sondes dont chaque élément rayonnant est équivalent soit à un dipôle électrique élémentaire, soit à un dipôle magnétique élémentaire est utilisable en lieu et place d'une des sondes précédemment décrites lorsqu'elle est positionnée dans la cavité résonante de telle manière que les éléments rayonnants excitent un champ électromagnétique parallèle à l'axe central. Dans les modes de réalisation précédents, les éléments rayonnants sont uniformément répartis autour de l'axe central de manière à obtenir un diagramme de rayonnement omnidirectionnel dans un plan perpendiculaire à l'axe central. Toutefois, en variante, les éléments rayonnants sont disposés en nombre plus important du même côté d'un plan contenant l'axe central de manière à créer une dissymétrie dans le diagramme de rayonnement. Dans le mode de réalisation de la figure 2, les sondes fil-plaques comportent deux plaques distinctes du plan conducteur 20. En variante, la plaque 32 des sondes 24 et/ou 26 est supprimée et l'élément conducteur 34 est directement raccordé à l'une de ses extrémités au plan conducteur 20. Les cales
50, 52 sont également supprimées dans cette variante. L'âme centrale a été décrite dans les précédents modes de réalisation comme étant réalisée dans un matériau conducteur. En variante, cette âme centrale est réalisée en matériau BIP. L'âme centrale a été également décrite comme étant un cylindre de révolution. Toutefois, en variante, la section de l'âme centrale est un parallélogramme. Dans un autre mode de réalisation, le matériau BIP de la paroi latérale est un matériau BIP à deux ou à trois dimensions comme ceux divulgués dans la demande de brevet FR 99 14521. Ce qui a été décrit précédemment n'est pas limité aux parois latérales en forme de cylindre ou de tonneau, mais s'applique à toute paroi latérale en matériau BIP entourant complètement un axe central et espacé de cet axe central pour ménager une cavité centrale résonante, cette cavité présentant au moins un plan de symétrie contenant l'axe central.

Claims

REVENDICATIONS
1. Antenne à matériau BIP (Bande Interdite Photonique) comportant : - une paroi latérale (4 ; 82 ; 162 ; 220) en matériau BIP entourant complètement un axe central (6 ; 84 ; 176 ; 210) et espacé de cet axe central pour ménager une cavité centrale résonante propre à créer au moins une bande étroite de fréquences passantes au sein d'une large bande de fréquences non passantes du matériau BIP, et - au moins un élément rayonnant (34 ; 108 à 111 ; 132 à 134 ; 206, 208) placé à l'intérieur de la cavité, apte à exciter un champ électromagnétique pour rayonner ou recevoir un rayonnement électromagnétique à une fréquence de travail donnée située à l'intérieur de la bande étroite de fréquences passantes, caractérisé : - en ce que le ou chaque élément rayonnant est positionné à l'intérieur de la cavité pour exciter un champ électromagnétique parallèle à l'axe central, et - en ce que ledit ou au moins un élément rayonnant est apte à exciter plus fortement les modes de la cavité centrale présentant une résonance radiale que les autres modes de la cavité centrale.
2. Antenne selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le ou chaque élément rayonnant est apte à exciter uniquement les modes de la cavité centrale présentant une résonance radiale.
3. Antenne selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'au moins l'un des éléments rayonnant (34 ; 108 à 111 ; 132 à 134) forme un dipôle électrique élémentaire parallèle à ou confondu avec l'axe central.
4. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'au moins l'un des éléments rayonnants (186 ; 208) forme un dipôle magnétique élémentaire parallèle à ou confondu avec l'axe central.
5. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'antenne comporte au moins une sonde placée à l'intérieur de la cavité, la ou chaque sonde ayant l'un ou plusieurs desdits éléments rayonnants,
6. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un plan conducteur (20) perpendiculaire à l'axe central (6), et en ce que la ou chaque sonde (24, 26) est supportée par le ou l'un de ces plans conducteurs.
7. Antenne selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux sondes (24, 26) disposées l'une par rapport à l'autre de manière à ce que l'une de ces sondes soit l'image électrique de l'autre sonde par une symétrie par rapport au plan conducteur (20).
8. Antenne selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte une âme centrale (88 ; 164) en matériau conducteur aligné sur l'axe central, et en ce que la ou chaque sonde est supportée par cette âme centrale.
9. Antenne selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comporte un conducteur électrique (100, 102 ; 144, 146) d'alimentation de la ou de chaque sonde passant à l'intérieur de l'âme centrale.
10. Antenne selon la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs éléments rayonnants (108 à 111 ; 132 à 134) uniformément répartis autour de la périphérie de l'âme centrale.
11. Antenne selon l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisée en ce qu'elle comporte un support (70) pour maintenir en place la ou chaque sonde (62) dans la cavité, ce support étant réalisé dans un matériau dont la permittivité relative est égale à la permittivité relative du matériau remplissant la cavité à +/- 3 prêt.
12. Antenne selon l'une quelconque des revendications 5 à 11 , caractérisée en ce que la ou chaque sonde est choisie dans un ensemble composé d'un dipôle électrique ou d'une sonde fil-plaques.
13. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs éléments rayonnants (132 à 134) disposés à des hauteurs différentes le long de l'axe central.
14. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs éléments rayonnants (108 à 111 ; 132 à 134) disposés à une même hauteur le long de l'axe central.
15. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la cavité centrale présente deux extrémités débouchantes traversées par l'axe central, et en ce que l'antenne comporte au moins un capot d'obturation (54, 56) d'une des extrémités débouchantes, ce capot d'obturation étant réalisé dans un matériau diélectrique dont la permittivité relative est comprise entre 1 et 3.
16. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la paroi latérale (162 ; 202) en matériau BIP comporte une structure en matériau BIP métallique.
17. Antenne selon les revendications 3 et 4 prises ensemble, caractérisée en ce que les éléments rayonnants (206, 208) sont adaptés pour travailler à la même fréquence de travail, et en ce que le ou chaque élément rayonnant (206) formant un dipôle électrique élémentaire est excité en quadrature de phase par rapport au ou à chaque élément rayonnant (208) formant un dipôle magnétique élémentaire de manière à créer une polarisation circulaire.
18. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la cavité présente la forme d'un tonneau, l'axe de symétrie du tonneau étant confondu avec l'axe central.
19. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la cavité (8 ; 86) est un cylindre de révolution dont l'axe de révolution est confondu avec l'axe central.
20. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la cavité centrale (164) présente deux extrémités débouchantes traversées par l'axe central, et en ce que l'âme centrale comporte deux portions évasées (166, 168) reliées l'une à l'autre par une portion plus fine, chacune de ces portions évasées obturant partiellement une extrémité débouchante respective.
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