WO2007003653A1 - Lentille inhomogene a gradient d'indice de type oeil de poisson de maxwell, systeme d'antenne et applications correspondants - Google Patents

Lentille inhomogene a gradient d'indice de type oeil de poisson de maxwell, systeme d'antenne et applications correspondants Download PDF

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WO2007003653A1
WO2007003653A1 PCT/EP2006/063912 EP2006063912W WO2007003653A1 WO 2007003653 A1 WO2007003653 A1 WO 2007003653A1 EP 2006063912 W EP2006063912 W EP 2006063912W WO 2007003653 A1 WO2007003653 A1 WO 2007003653A1
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WO
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lens
shells
antenna
source
maxwell
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/063912
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Inventor
Olivier Lafond
Mohamed Himdi
Sébastien RONDINEAU
Benjamin Fuchs
Original Assignee
Universite De Rennes 1
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—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
    • H01Q19/06—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 refracting or diffracting devices, e.g. lens
    • H01Q19/062—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 refracting or diffracting devices, e.g. lens for focusing
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    • H01Q19/00—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
    • H01Q19/06—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 refracting or diffracting devices, e.g. lens

Definitions

  • the field of the invention is that of focusing systems of the lens type, usable in the microwave and in particular in millimeter waves.
  • the invention relates to an index-index inhomogeneous lens of the Maxwell Poisson's Eye type.
  • the invention also relates to an antenna system associating such a lens with one or more source antennas.
  • the invention has many applications, such as, for example, high speed satellite communications, digital satellite television, anti-collision radar applications in the automobile, etc.
  • the antenna system according to the invention can be used as a source of a reflector (for example in the 50 GHz band).
  • the antenna system according to the invention in one of its configurations, can be used to detach the beam to replace these two sources by one.
  • an antenna system according to the invention (that is to say a “lens antenna”) can make it possible to reach the necessary directivity and the index gradient aspect can bring about a reduction in size and weight interesting.
  • the beam of the antenna located at the front of the car is fixed, but it would be interesting to detach the beam slightly to follow more precisely the routes of the road.
  • the antenna system according to the invention in one of its configurations, can make it possible to change the direction of the beam on a sufficient angle.
  • each point of the surface is an ideal focal point.
  • the distribution of Eaton-Lippman reacts like a mirror: the points objects and images are perfectly confused. It is an omnidirectional reflector.
  • Emerson & Cumming made a L ⁇ neburg lens by interweaving several homogeneous, sphere-shaped concentric shells with different indices. It has also been proposed to make lenses L ⁇ neburg by inserting air holes in a Teflon sphere (marked deposited). The number of holes and their diameters are optimized so that the artificial law follows at best the theoretical law. However, the latter technique is also complex in terms of mechanics because the number of holes is prohibitive. None of these two known solutions, specific to the L ⁇ neburg lens, can be transposed to the production of a Maxwell Fish Eye lens.
  • the invention in at least one embodiment, is intended in particular to overcome these various disadvantages of the state of the art.
  • one of the objectives of the present invention in at least one embodiment, is to provide a technique for manufacturing an eyeglass lens.
  • Maxwell's fish which is simple in terms of mechanics and inexpensive.
  • the invention also aims to theoretically give the manner of choosing the number and nature of the materials used to make a Maxwell Fish Eye lens, and thus generalize the production technique.
  • the invention also aims to provide an antenna system comprising a lens thus manufactured, and which is itself simple to achieve and inexpensive.
  • Another object of the invention is to provide such an antenna system which, in one embodiment where the source is constituted by one or more printed antennas, makes it possible to obtain an interesting directionality while limiting the printed surfaces, which reduces the losses caused by the printed source.
  • Another object of the invention is to provide such an antenna system which, in a particular embodiment, has a minimum compactness.
  • Yet another object of the invention is to provide such an antenna system which, in a particular embodiment, allows scanning of the focused beam at the exit of the lens, making this antenna system usable in all applications. requiring a misalignment of the beam or obtaining a multibeam radiation pattern. 4. Presentation of the invention
  • the lens comprises N concentric shells in the shape of a half-sphere, different discrete dielectric constants and interleaved with each other without empty space between two successive shells, with 3 ⁇ N ⁇ 20, the discrete dielectric constants of the N shells being as they define a discrete distribution approaching the theoretical distribution of the index inside the lens.
  • the shells do not all have the same dielectric constant and there is no space filled with air between two successive shells.
  • the lens comprises three shells, said shell central, intermediate and outer eggshell, the standardized external radii are respectively: d u U 2 and 3, and whose standard radial thicknesses are respectively equal to: d ls U 2 - d 1 and d 3 - U 2 to the nearest hundredth.
  • a lens according to the invention consists of three shells only allows for example a side lobe level of about - 20 dB relative to the main lobe which proves that the focus is done correctly.
  • the invention also relates to an antenna system comprising a lens according to the invention (as mentioned above) associated with at least one source antenna.
  • said at least one source antenna belongs to the group comprising: printed antennas; waveguides; cornets; and - wire antennas.
  • the system comprises positioning means for placing said at least one source antenna at a distance h from the lens, and in a position included in a focal spot that this lens has.
  • said lens has a focal spot because the index distribution obtained with said concentric shells is discrete (and is therefore only an approximation, with a limited number of shells, of the theoretical continuous distribution.
  • focal length is located outside the lens and at a determined distance h from the lens.
  • the positioning means comprise at least one shim made of a dielectric material whose dielectric permittivity is close to that of the air and for positioning the lens relative to said at least one source antenna.
  • the positioning means comprise an additional shell, whose dielectric permittivity approaches that of the air, having a shape matching the external surface of the lens, and at least a part of said source antenna being shaped directly to the outer surface of said additional shell.
  • the size of the antenna system is reduced.
  • the system comprises a single source antenna, which is an antenna printed on air and powered by slot.
  • a single source antenna of this type the dielectric losses are missing and the directivity of this type of antenna (pellet) is very important (9 - 10 dBi) because of the very low permittivity of the substrate (air).
  • this solution provides very good radiation characteristics (openings, lobes, directivity) compared to the solution comprising a source network.
  • the focal spot possessed by said lens is used because the index distribution obtained with said concentric shells is discrete. This focal spot is located outside the lens and at a determined distance h from the lens.
  • the system further comprises means for decentering said at least one source antenna with respect to the axis of the lens, allowing said at least one source antenna to occupy successively at least two different positions included in said spot focal, in order to allow scanning, on an angular sector, the focused beam at the exit of the lens.
  • the lens according to the invention has a focal spot (and not a single focal point). , which allows to detach the beam or to obtain multibeam diagrams.
  • the fact that there is a focal spot makes it possible to move the source under the lens and thus obtain a scanning, on a determined angular sector, of the focused beam.
  • the invention also relates to an application of the antenna system according to the invention to the misalignment of the beam at the exit of the lens.
  • FIGS. 1a and 1b show a perspective view and a sectional view, respectively, of a first particular embodiment of an antenna system according to the invention, associating a lens of the Poisson's Eye type;
  • FIG. 2 shows a view from above of a particular embodiment of a Maxwell Poisson's Eye lens according to the invention, which can be used in the antenna system of FIGS. 1a and 1b;
  • FIG. 3 shows the curve of a polynomial of degree 3 approximating the theoretical distribution of the index inside an eye-type lens.
  • FIGS. 4a and 4b illustrate the results of a first example of a Maxwell Poisson's Eye lens according to the invention, in terms of electric field and power density respectively
  • FIGS. 5a and 5b illustrate the results of a second example of a Maxwell Poisson's Eye lens according to the invention, in terms of electric field and power density respectively
  • Figures 6a, 6b and 6c show a top view, a bottom view and a sectional view respectively of a particular embodiment of the antenna array appearing in Figures la and Ib;
  • FIG. 7a and 7b show a bottom view and a cross-sectional view respectively of a first embodiment of a pellet on air (unconformed, vertical linear polarization), which can be associated with a Poisson's eye-type lens; Maxwell according to the invention;
  • Figure 8 shows a bottom view of a second embodiment of a pellet (unconformed, bipolarization), which can be associated with a lens of the type of Fish Eye Maxwell according to the invention;
  • FIG. 9 is a bottom view of a third embodiment of a pellet (unconformed, circular polarization), which can be associated with a Maxwell Poisson's Eye lens according to the invention;
  • FIG. 10 shows a sectional view of a second particular embodiment of an antenna system according to the invention, associating a lens of Maxwell Poisson's eye type according to the invention and a shaped antenna array. 6.
  • the invention thus relates to a non-homogeneous gradient-index lens of the Maxwell Poisson eye type, as well as an antenna system associating this lens with one or more source antennas.
  • the Maxwell Poisson Eye lens according to the invention comprises N shells in the form of half-spheres, with 3 ⁇ N ⁇ 20. N directly depends on the size of the lens. The larger the lens, the higher the number N of shells must be in order to approach the theoretical distribution law of the index inside the lens.
  • the shells are concentric, different discrete dielectric constants and nested with each other without empty space between two successive shells.
  • FIGS. 1a and 1b respectively, a first particular embodiment of the antenna system according to the invention is presented. For the sake of simplification of FIG. positioning means of the lens relative to the source are shown only in Figure Ib.
  • the Maxwell 1 Fish Eye lens 1 comprises three shells, said central shell 2, intermediate shell 3 and outer shell 4.
  • the standardized external radii of these shells 2 to 4 are respectively: d ls U 2 and d 3.
  • Their normalized radial thicknesses are respectively equal to: d u U 2 - & ⁇ and d 3 - U 2 to the nearest hundredth.
  • Their dielectric constants are respectively equal to: ⁇ ls ⁇ 2 and ⁇ 3 .
  • the inventors have carried out an optimization calculation of the parameters of the three shells forming the Maxwell Poisson's Eye lens in this particular embodiment of the invention.
  • this first cost function is original because the optimization is done on the volume of the half-sphere and not on a 2D sectional view (steps).
  • the second cost function is minimized as follows:
  • the materials marketed by Emerson & Cuming whose names are:
  • one or two dielectric constants are fixed and the rays are optimized
  • the dielectric constants are all variable as well as the rays.
  • a second example of a Maxwell Poisson's Eye lens according to the invention (after optimization with the second cost function), in accordance with the last line of the table above, was tested in terms of electric field and laser density. power.
  • the rays u U 2 and 3 are respectively 6.84, 9.48 and 12 mm.
  • the dielectric constants are 2.77, 1.81 and 1.19, respectively.
  • the lens 1 is associated with a printed antenna array 5.
  • the latter is for example optimized around 48.7 GHz.
  • the antenna system according to the invention further comprises means for positioning the lens relative to the printed antenna array.
  • These positioning means comprise for example: a support (or base) 7, made of foam material (whose dielectric permittivity is close to that of air) and in which is embedded the lens 1; a metal base 8 on which rests the printed antenna array 5; shims 9a, 9b made of foam material and for maintaining a distance h between the outer surface of the lens 1 and the pellets of the printed antenna array 5. The distance h is discussed in detail later; and - screws 10a, 10b for assembling the support 7, metal plate 8 and shims 9a, 9b.
  • the printed antenna array 5 i.e., the excitation source of the lens
  • the printed antenna array 5 is example realized in the form of a structure comprising: a feed line 65 printed on the underside of a first substrate layer 67; a ground plane 69 with slot 68, interposed between the first substrate layer 67 and a second substrate layer 66; four pastilles (or patches) 61 to 64 printed on the upper face of the second substrate layer 66.
  • the height h between the source and the lens varies because the zone focus does not necessarily lie in the same place.
  • the lenses have relatively limited surface yields because of their large size.
  • To calculate the surface efficiency of the lens it is necessary to consider a radiating aperture of the same dimension as the lens, namely 24 mm, and calculate the associated directivity. The latter is given by the following formula:
  • ⁇ is the wavelength in the vacuum and d is the diameter of the opening.
  • the yield due to losses is lower. But the losses introduced are essentially by the printed network which serves as a source for the lens.
  • the solution to increase the overall efficiency is therefore to use a very low loss substrate such as quartz for example or to limit the line lengths of the network tree.
  • This last remark led the inventors to study an original solution for the source of the lens. Indeed, they decided to use only one printed pellet to feed the lens.
  • the source diagram is very wide, which implies problems of spill-over and backward radiation.
  • the overall directivity is much lower than with a network of four elements.
  • FIGS. 7a and 7b show a bottom view and a sectional view respectively of a first embodiment of an air-printed pellet (unconformed, vertical linear polarization), which can be associated with a Poisson-like lens. Maxwell according to the invention.
  • the printed pellet 70 is in the form of a structure comprising: a feed line 73 printed on the underside of a first substrate layer 74; a ground plane 75 with slot 76, interposed between the first substrate layer 74 and a second substrate layer 77; an air cavity 78 formed in the second substrate layer 77; a third layer of foam substrate 72 of very low permittivity (1.45), used as a support for the chip 71, so that the chip is above the air cavity 78.
  • the input impedance of this printed chip 70 has been simulated with the CST Microwave Studio software, between 40 and 55 GHz. As a result of this simulation, the printed chip 70 is well adapted to the band in question (47.2 GHz - 50.2 GHz). The directivity obtained is stable in the frequency band and equal to 9 dBi. The latter is strong because the pellet is printed on air.
  • the next step was to associate this printed chip 70 with an example of inhomogeneous lens according to the invention (that of diameter 24 mm).
  • the support of the printed pellet here has a height h of 1 mm because this height h between pellet and lens makes it possible to obtain a directivity that is interesting for the whole and almost stable over the frequency band considered.
  • the complete structure was simulated on CST.
  • the radiation diagrams calculated at 48.7 GHz show the very clear effect of focusing. Indeed, the half-power openings obtained are respectively 23.1 ° and 19.1 °.
  • the level of the secondary lobes is satisfactory, of the order of -18 dB compared to the main lobe.
  • the directivity is therefore stable on the band of interest.
  • the lens excited by a single printed chip is a very interesting device because it provides very good radiation characteristics (openings, lobes, directivity) compared to the solution comprising a network of four sources.
  • the losses due to the substrate of the source are reduced because the printed areas are smaller. This increases the overall performance of the structure, which was one of the objectives.
  • the printed pellet that excites the lens sets the type of polarization.
  • the polarization obtained is vertical linear.
  • Other polarizations can be envisaged.
  • the patch 91 is almost square and two orthogonal slots 96a and 96b (cross slots) are etched in the ground plane and fed by a single power supply line 93, which makes it possible to create out of phase modes of 90 ° at a frequency and thus create a circular polarization.
  • FIG. 10 shows a sectional view of a second particular embodiment of an antenna system according to the invention, associating a Maxwell Poisson's Eye lens according to the invention 1 and an antenna array 106 .
  • the positioning means of the lens 1 relative to the printed antenna array 106 comprise: an additional shell 101, having a shape matching the external surface of the lens 1, made in a substrate whose permittivity dielectric approximates that of air, and which is metallizable (so as to receive one or more radiating pellets); a support (or base) 102, made of foam material (whose dielectric permittivity is close to that of air) and in which is embedded the lens 1 surrounded by the additional shell 101; a metal sole 103; shims 104a, 104b made of foam material and making it possible to maintain a determined distance (not to be confused with the height h, as explained hereinafter) between the lens 1 and the metal plate 8; and screws 105a, 105b assembling the support 102, the metal sole 103 and shims 104a, 104b.
  • the printed antenna array 106 is of the type shown above in connection with FIGS. 6a and 6b, but differs in that at least part of this network is shaped directly on the outer surface of the antenna. additional shell 101.
  • the pellets 107, 108 are shaped on the outer surface of the additional shell 101.
  • it is the thickness of the additional shell 101 that gives the height h between the lens 1 and the network of antennas printed. It is important to note that given the very small size of the pellets relative to the radius of the half-sphere constituting the lens 1, the curvature of the metal pellets is low and does not significantly modify the results of the planar case.
  • the rest of the antenna array (namely a substrate layer 110 on the underside of which is printed a feed line 109 and on the upper face of which rests a ground plane 111 with slot 112) rests on the metal sole 103.
  • the space filled with air between, on the one hand, the shaped pellets 107, 108 and, on the other hand, the ground plane 111 with slot 112 plays the same role as the referenced substrate layer. 66 in Figure 6c.
  • the entire printed antenna array is shaped to the outer surface of the additional shell 101.
  • the source associated with the lens is a single antenna printed on air, shaped at least in part to the outer surface of the additional shell 101.
  • D ' the system of the invention (association of a lens with at least one source antenna) is not related to a particular type of antenna .
  • this system can be implemented for example with one or more printed antennas (mono or multi-layer), one or more waveguides, one or more horns, one or more wire antennas, etc.
  • the antenna system according to the invention further comprises means for off-centering the source (for example a printed antenna array or a single patch printed on air) with respect to the axis of the lens, allowing the source of successively occupying at least two different positions included in the focal spot. This allows scanning, on a small angular sector, the focused beam at the exit of the lens.
  • the lens of the invention whatever its embodiment, has a focal spot because the index distribution obtained with the N concentric shells is discrete.
  • This focal spot is located outside the lens and at a determined distance h from the lens.
  • the decentering means are for example made in mechanical form (any means allowing a physical displacement of the source with respect to the lens) or in electronic form (displacement of the source beam by switching between elements of an antenna array, intelligent antenna type).
  • the physical displacement of the source relative to the lens is achieved by a rotational movement or translation of the source relative to the lens.
  • Maxwell Poisson's eye lens has only one focal point and does not allow detaching the beam or obtaining multibeam diagrams.
  • the law of the index in the lens produced according to the invention is discrete, it is in fact a focal spot that is obtained (see FIGS. 4a and 5a). The fact that there is a focal spot makes it possible to move the source under the lens and thus obtain a misalignment of the beam or a multibeam diagram.
  • the antenna structure according to the invention can for example be used in satellite reception (band 12-14 GHz). Indeed, when a customer wants to receive two different satellites, currently two switchable sources illuminating the dish are needed.
  • the solution of the invention makes it possible to have only one source (lens illuminated by an array of printed antennas for example) whose diagram can detach to target the two satellites.
  • the antenna structure according to the present invention (association of at least one source antenna with a Maxwell Poisson's Eye lens) can also make it easy to obtain multibeam diagrams by changing the position of the source with respect to the axis. of the lens.
  • This aspect is particularly interesting because many applications may require the use of multibeam antennas: automobile collision radar (77 GHz), indoor communications (60 GHz), satellite television reception, high-speed space communications ...

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Abstract

L'invention concerne une lentille inhomogène à gradient d'indice (1), de type Œil de Poisson de Maxwell, réalisée sous la forme d'une demi-sphère. Selon l'invention, la lentille comprend N coquilles concentriques (2 à 4) en forme de demi-sphère, de constantes diélectriques discrètes différentes et imbriquées entre elles sans espace vide entre deux coquilles successives, avec 3 ≤ N ≤ 20, les constantes diélectriques discrètes des N coquilles étant telles qu'elles définissent une distribution discrète approchant la distribution théorique de l'indice à l'intérieur de la lentille.

Description

Lentille inhomogène à gradient d'indice de type Œil de Poisson de Maxwell, système d'antenne et applications correspondants. I1 Domaine de l'invention
Le domaine de l'invention est celui des systèmes de focalisation de type lentille, utilisables en hyperfréquence et notamment en ondes millimétriques.
Plus précisément, l'invention concerne une lentille inhomogène à gradient d'indice, de type Œil de Poisson de Maxwell.
L'invention concerne également un système d'antenne associant une telle lentille à une ou plusieurs antennes source. L'invention a de nombreuses applications, telles que par exemple les communications satellitaires à haut débit, la télévision numérique par satellite, les applications radar anti-collision dans l'automobile, ...
Dans le cas de la première application précitée, à savoir les communications satellitaires à haut débit, le système d'antenne selon l'invention peut être utilisé comme source d'un réflecteur (par exemple dans la bande des 50 GHz).
Pour la seconde application précitée, à savoir la télévision numérique par satellite , il est nécessaire pour les abonnés voulant avoir accès à deux satellites, qu'il y ait deux sources différentes illuminant la parabole. Le système d'antenne selon l'invention, dans une de ses configurations, peut permettre de dépointer le faisceau afin de remplacer ces deux sources par une seule.
Enfin, dans la troisième application précitée, à savoir l'automobile, dans le cas des futurs radars anti-collision à 77 GHz, des antennes à longue portée (200m) et à courte portée, simple ou multifaisceaux, seront utilisées. Dans le cas de la longue portée, un système d'antenne selon l'invention (c'est-à-dire une « antenne lentille ») peut permettre d'atteindre la directivité nécessaire et l'aspect gradient d'indice peut amener une réduction de taille et de poids intéressantes. Actuellement le faisceau de l'antenne située à l'avant de la voiture est fixe, mais il serait intéressant de dépointer le faisceau légèrement afin de suivre de manière plus précise les tracés de la route. Le système d'antenne selon l'invention, dans une de ses configurations, peut permettre de changer la direction du faisceau sur un angle suffisant.
2. Art antérieur Parmi tous les systèmes de focalisation de type lentille utilisables en hyperfréquence, et notamment en ondes millimétrique, une grande catégorie est nommée « Lentilles inhomogènes à gradient d'indice ». Ces lentilles sont des boules inhomogènes dont la constante diélectrique change en fonction de la distance au centre. Ces lentilles sphériques à gradient d'indice permettent une réduction de poids significative.
Dans la littérature, plusieurs types de lentilles à gradient d'indice permettent la focalisation. Les lois des indices variables sont optimisées pour minimiser les différences de longueurs optiques entre les différents chemins Les plus connues sont les distributions suivantes, où R est le rayon de la lentille : distribution de Lϋneburg : εr (r) = 2 - (r/R)2, (Lϋneburg 1944 ; Rozenfeld 1976 ;
D. Greenwood 1999), distribution d'Eaton : εr (r) = (r/R)2, distribution d'Eaton-Lippman : εr (r) = (2R-r/r), (Rozenfeld 1976), - distribution de l'Œil de poisson de Maxwell : εr (r) = 4/(1 + (r/R)2)2.
Dans le cas de la lentille de Lϋneburg, chaque point de la surface est un point focal idéal. La distribution d'Eaton-Lippman réagit comme un miroir : les points objets et images sont parfaitement confondus. Il s'agit d'un réflecteur omnidirectionnel.
Dans le cas de l'Œil de poisson de Maxwell, les points objets et images sont diamétralement opposés sur la surface extérieure de la lentille. Ainsi, par symétrie, une onde plane se forme sur le plan médian. Ceci explique alors l'utilisation d'une demi- boule uniquement pour focaliser le rayonnement. C'est ce dernier aspect de demi-sphère qui est particulièrement intéressant pour la lentille Œil de Poisson de Maxwell, car cette lentille permet donc une réduction de taille intéressante pour les applications visées. C'est à cette catégorie de lentille qu'appartient la lentille de la présente invention.
Dans le cadre de la présente invention, on s'intéresse à la technique de réalisation de ce type de lentille à gradient d'indice.
Comme il est aisé de le remarquer, la distribution de la constante diélectrique est continue dans la lentille Œil de Poisson de Maxwell, comme dans la lentille de Lϋneburg d'ailleurs. Il est donc impossible de respecter strictement cette loi lors de la réalisation de la lentille. Parmi les solutions trouvées pour approcher ces lois non linéaires, les exemples trouvés dans la littérature concernent exclusivement la lentille de Lϋneburg.
Ainsi, dès les années 60, la société Emerson & Cumming a par exemple réalisé une lentille de Lϋneburg en imbriquant plusieurs coquilles concentriques homogènes, en forme de sphère, et d'indices différents. Il a également été proposé de réaliser les lentilles de Lϋneburg en insérant des trous d'air dans une sphère en Téflon (marqué déposée). Le nombre de trous et leurs diamètres sont optimisés pour que la loi artificielle suive au mieux la loi théorique. Cependant, cette dernière technique est également complexe en terme de mécanique car le nombre de trous est prohibitif. Aucune de ces deux solutions connues, spécifiques à la lentille de Lϋneburg, n'est transposable à la réalisation d'une lentille Œil de Poisson de Maxwell.
Par ailleurs, malgré que la lentille Œil de Poisson de Maxwell est connue d'un point de vue théorique depuis très longtemps, les inventeurs n'ont trouvé aucune référence bibliographique faisant référence à une quelconque technique connue permettant de fabriquer ce type de lentille. 3. Objectifs de l'invention
L'invention, dans au moins un mode de réalisation, a notamment pour objectif de pallier ces différents inconvénients de l'état de la technique.
Plus précisément, l'un des objectifs de la présente invention, dans au moins un mode de réalisation, est de fournir une technique de fabrication d'une lentille Œil de
Poisson de Maxwell, qui soit simple en terme de mécanique et peu coûteuse.
L'invention a également pour objectif de donner théoriquement la manière de choisir le nombre et la nature des matériaux utilisés pour fabriquer une lentille Œil de Poisson de Maxwell, et de généraliser ainsi la technique de réalisation. L'invention a également pour objectif de fournir un système d'antenne comprenant une lentille ainsi fabriquée, et qui soit lui-même simple à réaliser et peu coûteux.
L'invention a également pour objectif de fournir un tel système d'antenne qui, dans un mode de réalisation où la source est constituée par une ou plusieurs antennes imprimées, permette d'obtenir une directivité intéressante tout en limitant les surfaces imprimées, ce qui permet de réduire les pertes induites par la source imprimée. Un autre objectif de l'invention est de fournir un tel système d'antenne qui, dans un mode de réalisation particulier, présente une compacité minimale. Encore un autre objectif de l'invention est de fournir un tel système d'antenne qui, dans un mode de réalisation particulier, permette un balayage du faisceau focalisé à la sortie de la lentille, rendant ce système d'antenne utilisable dans toutes les applications nécessitant un dépointage du faisceau ou l'obtention d'un diagramme de rayonnement multifaisceaux. 4. Exposé de l'invention
Ces différents objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints selon l'invention à l'aide d'une lentille inhomogène à gradient d'indice, de type
Œil de Poisson de Maxwell, réalisée sous la forme d'une demi-sphère. Selon l'invention, la lentille comprend N coquilles concentriques en forme de demi-sphère, de constantes diélectriques discrètes différentes et imbriquées entre elles sans espace vide entre deux coquilles successives, avec 3 ≤ N ≤ 20, les constantes diélectriques discrètes des N coquilles étant telles qu'elles définissent une distribution discrète approchant la distribution théorique de l'indice à l'intérieur de la lentille.
Il est important de noter que dans la technique de l'invention, contrairement à la technique connue précitée de réalisation de la lentille de Lϋneburg, les coquilles ne possèdent pas toutes la même constante diélectrique et il n'y a pas d'espace empli d'air entre deux coquilles successives.
Il est également à noter qu'un nombre de coquilles supérieur à 20 rendrait la réalisation complexe et coûteuse.
Préférentiellement, les N coquilles possèdent des constantes diélectriques discrètes εu ε2...εN et des rayons externes normalisés du U2 - àN, avec dN=l, tels qu'ils minimisent la fonction suivante :
Δ =
Figure imgf000006_0001
avec q = ∞ et où :
I \εr [ /r \) - ε l I∞ = sup I \εr [ /r \) - ε I I , avec i représentant le numéro de la coquille concernée dv = 2πr2dr εr() est la distribution théorique de l'indice à l'intérieur de la lentille, et dv est un élément de volume. Dans le présent document, on appelle rayon externe normalisé un rayon externe normalisé par rapport au rayon externe maximal (c'est-à-dire celui de la coquille externe : dN=l).
De façon avantageuse, la lentille comprend trois coquilles, dites coquille centrale, coquille intermédiaire et coquille externe, dont les rayons externes normalisés sont respectivement : du U2 et d3, et dont les épaisseurs radiales normalisées sont respectivement égales à : dls U2 - d1 et d3 - U2 au centième près.
Une analyse par les modes sphériques a permis aux inventeurs de montrer qu'un nombre limité de coquilles pour réaliser la lentille, à savoir trois, est suffisant pour assurer un niveau de lobes secondaires satisfaisant. En effet, une lentille selon l'invention constituée de trois coquilles seulement permet d'obtenir par exemple un niveau de lobes secondaires d'environ - 20 dB par rapport au lobe principal ce qui prouve que la focalisation se fait correctement.
Dans un mode de réalisation particulier de la lentille selon l'invention, les rayons externes normalisés sont respectivement égaux à : d! = 0,43, U2 = 0,70 et d3 = 1 au centième près, et les constantes diélectriques des coquilles centrale, intermédiaire et externe sont respectivement égales à 3,57, 2,72 et 1,86 au centième près.
Selon une variante, les N coquilles possèdent des constantes diélectriques discrètes εu ε2...εN et des rayons externes normalisés du U2 ...dN, avec dN=l, tels qu'ils minimisent la fonction suivante :
Δ
Figure imgf000007_0001
L dN [ \ 'εr{r) - £ N\ 'dv où εr() est la distribution théorique de l'indice à l'intérieur de la lentille, et dv est un élément de volume.
Dans un premier mode de réalisation particulier de cette variante, les rayons externes normalisés sont respectivement égaux à : d! = 0,33, dj = 0,65 et d3 = 1 au centième près, et les constantes diélectriques des coquilles centrale, intermédiaire et externe sont respectivement égales à 4, 2,5 et 1,5 au centième près.
Dans un second mode de réalisation particulier de cette variante, les rayons externes normalisés sont respectivement égaux à : d! = 0,57, dj = 0,79 et d3 = 1 au centième près, et les constantes diélectriques des coquilles centrale, intermédiaire et externe sont respectivement égales à 2,77, 1,81 et 1,19 au centième près. II est clair que d'autres modes de réalisation peuvent être envisagés sans sortir du cadre de la présente invention.
L'invention concerne également un système d'antenne comprenant une lentille selon l'invention (telle que précitée), associée à au moins une antenne source. Avantageusement, ladite au moins une antenne source appartient au groupe comprenant : des antennes imprimées ; des guides d'ondes ; des cornets ; et - des antennes filaires.
De façon avantageuse, le système comprend des moyens de positionnement, permettant de placer ladite au moins une antenne source à une distance h de la lentille, et dans une position comprise dans une tache focale que possède cette lentille. En effet, ladite lentille possède une tache focale du fait que la distribution d'indice obtenue avec lesdites coquilles concentriques est discrète (et n'est donc qu'une approximation, avec un nombre restreint de coquilles, de la distribution continue théorique. Cette tache focale est située à l'extérieur de la lentille et à une distance h déterminée de la lentille.
De façon avantageuse, les moyens de positionnement comprennent au moins une cale réalisée dans un matériau diélectrique dont la permittivité diélectrique avoisine celle de l'air et permettant de positionner la lentille par rapport à ladite au moins une antenne source.
Selon une variante avantageuse, les moyens de positionnement comprennent une coquille supplémentaire, dont la permittivité diélectrique avoisine celle de l'air, possédant une forme épousant la surface externe de la lentille, et au moins une partie de ladite antenne source étant conformée directement à la surface externe de ladite coquille supplémentaire.
Ainsi, on réduit l'encombrement du système d'antenne.
Selon une caractéristique avantageuse, le système comprend une unique antenne source, qui est une antenne imprimée sur air et alimentée par fente. Ainsi, et contrairement à l'alternative consistant à utiliser un réseau imprimé d'antennes, avec une unique antenne source de ce type, les pertes diélectriques sont absentes et la directivité de ce type d'antenne (pastille) est très importante (9 - 10 dBi) du fait de la très basse permittivité du substrat (air). En outre, cette solution permet d'obtenir de très bonnes caractéristiques en rayonnement (ouvertures, lobes, directivité) comparativement à la solution comprenant un réseau de sources. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, on utilise la tache focale que possède ladite lentille du fait que la distribution d'indice obtenue avec lesdites coquilles concentriques est discrète. Cette tache focale est située à l'extérieur de la lentille et à une distance h déterminée de la lentille. Pour cela, le système comprend en outre des moyens de décentrage de ladite au moins une antenne source par rapport à l'axe de la lentille, permettant à ladite au moins une antenne source d'occuper successivement au moins deux positions différentes comprises dans ladite tache focale, afin de permettre un balayage, sur un secteur angulaire, du faisceau focalisé à la sortie de la lentille.
Ainsi, on tire profit du fait que comme la loi de l'indice dans la lentille selon l'invention est discrète (et non pas continue), la lentille selon l'invention possède une tache focale (et non pas un seul point focal), ce qui permet de dépointer le faisceau ou d'obtenir des diagrammes multifaisceaux. En d'autres termes, le fait qu'il y ait une tache focale permet de bouger la source sous la lentille et d'obtenir ainsi un balayage, sur un secteur angulaire déterminé, du faisceau focalisé. L'invention concerne aussi une application du système d'antenne selon l'invention au dépointage du faisceau à la sortie de la lentille.
L'invention concerne encore une application du système d'antenne selon l'invention à l'obtention d'un diagramme multifaisceaux. 5. Liste des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, donné à titre d'exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels : les figures la et Ib présentent une vue en perspective et une vue en coupe respectivement d'un premier mode de réalisation particulier d'un système d'antenne selon l'invention, associant une lentille de type Œil de Poisson de
Maxwell selon l'invention et un réseau d'antennes source ; la figure 2 présente une vue de dessus d'un mode de réalisation particulier d'une lentille de type Œil de Poisson de Maxwell selon l'invention, pouvant être utilisée dans le système d'antenne des figures la et Ib ; la figure 3 présente la courbe d'un polynôme de degré 3 approchant la distribution théorique de l'indice à l'intérieur d'une lentille de type Œil de
Poisson de Maxwell, ainsi que les paramètres α, β et γ intervenant dans un calcul d'optimisation des paramètres des différentes coquilles formant la lentille de type Œil de Poisson de Maxwell dans un mode de réalisation particulier de l'invention ; les figures 4a et 4b illustrent les résultats d'un premier exemple de lentille de type Œil de Poisson de Maxwell selon l'invention, en terme de champ électrique et de densité de puissance respectivement ; les figures 5a et 5b illustrent les résultats d'un second exemple de lentille de type Œil de Poisson de Maxwell selon l'invention, en terme de champ électrique et de densité de puissance respectivement ; les figures 6a, 6b et 6c présentent une vue de dessus, une vue de dessous et une vue en coupe respectivement d'un mode de réalisation particulier du réseau d'antennes apparaissant sur les figures la et Ib ; les figures 7a et 7b présentent une vue de dessous et une vue en coupe respectivement d'un premier mode de réalisation d'une pastille sur air (non conformée, polarisation linéaire verticale), pouvant être associée à une lentille de type Œil de Poisson de Maxwell selon l'invention ; la figure 8 présente une vue de dessous d'un deuxième mode de réalisation d'une pastille (non conformée, bipolarisation), pouvant être associée à une lentille de type Œil de Poisson de Maxwell selon l'invention ; la figure 9 présente une vue de dessous d'un troisième mode de réalisation d'une pastille (non conformée, polarisation circulaire), pouvant être associée à une lentille de type Œil de Poisson de Maxwell selon l'invention ; et la figure 10 présente une vue en coupe d'un second mode de réalisation particulier d'un système d'antenne selon l'invention, associant une lentille de type Œil de Poisson de Maxwell selon l'invention et un réseau d'antennes conformé. 6. Description détaillée
Sur toutes les figures du présent document, les éléments identiques sont désignés par une même référence numérique.
L'invention concerne donc une lentille inhomogène à gradient d'indice de type Œil de Poisson de Maxwell, ainsi qu'un système d'antenne associant cette lentille à une ou plusieurs antennes source.
La lentille de type Œil de Poisson de Maxwell selon l'invention comprend N coquilles en forme de demi-sphères, avec 3 ≤ N ≤ 20. N dépend directement de la taille de la lentille. Plus la lentille est grande, plus le nombre N de coquilles doit être élevé pour bien approcher la loi théorique de distribution de l'indice à l'intérieur de la lentille.
Les coquilles sont concentriques, de constantes diélectriques discrètes différentes et imbriquées entre elles sans espace vide entre deux coquilles successives. Ainsi, on obtient une lentille dont la distribution discrète approche au mieux la distribution théorique de l'indice à l'intérieur de la lentille, à savoir : εr (r) = 4 / (1 + (r/R)2)2, avec R le rayon de rayon de la lentille.
On présente maintenant, en relation avec les figures la et Ib (vues en perspective et en coupe respectivement), un premier mode de réalisation particulier du système d'antenne selon l'invention 6. Dans un souci de simplification de la figure la, les moyens de positionnement de la lentille par rapport à la source sont représentés uniquement sur la figure Ib.
Dans ce mode de réalisation particulier, la lentille de type Œil de Poisson de Maxwell 1 comprend trois coquilles, dites coquille centrale 2, coquille intermédiaire 3 et coquille externe 4.
Comme illustré sur la figure 2 (vue de dessus), les rayons externes normalisés de ces coquilles 2 à 4 sont respectivement : dls U2 et d3. Leurs épaisseurs radiales normalisées sont respectivement égales à : du U2 - &\ et d3 - U2 au centième près. Leurs constantes diélectriques (permittivités diélectriques) sont respectivement égales à : εls ε2 et ε3. Comme illustré sur la figure 3. les inventeurs ont effectué un calcul d'optimisation des paramètres des trois coquilles formant la lentille de type Œil de Poisson de Maxwell dans ce mode de réalisation particulier de l'invention.
Tout d'abord la loi théorique de l'indice dans la lentille a été approchée par un polynôme de degré 3 pour simplifier les calculs. Ainsi, il a été obtenu : 6.69x2 - 0.66x + 4.04
Figure imgf000012_0001
La courbe de ce polynôme est référencée 31 sur la figure 3. Elle se superpose parfaitement à la courbe de la loi théorique.
Ensuite, l'optimisation des différentes coquilles (εi, di) revient à minimiser la première fonction de coût suivante :
Δ = J Cv
Figure imgf000012_0002
- + JLa1 - ε2\9 dv + • + •/ h"Λ'-l ~ E J( dv avec q = ∞ et où :
|εr (r) - E11 = sup |εr (r) - ε( I , avec i représentant le numéro de la coquille concernée dv = 2πr2dr εr() est la distribution théorique de l'indice à l'intérieur de la lentille, et dv est un élément de volume.
Il est à noter que cette première fonction de coût est originale du fait que l'optimisation est faite sur le volume de la demi-sphère et non sur une vue en coupe 2D (marches d'escalier). Dans un mode de réalisation particulier de la lentille selon l'invention, après optimisation avec la première fonction de coût et en choisissant N égal à trois à titre d'exemple, les rayons externes normalisés sont respectivement égaux à : d! = 0,43, U2 = 0,70 et d3 = 1 au centième près, et les constantes diélectriques des coquilles centrale, intermédiaire et externe sont respectivement égales à 3,57, 2,72 et 1,86 au centième près. II est clair que cette première fonction de coût peut être utilisée pour d'autres valeurs de N (3 ≤ N ≤ 20).
Dans une variante, et en choisissant N égal à trois à titre d'exemple, on minimise la seconde fonction de coût suivante :
^absolue = J f coquil „le \ 1 '£ r W " £1 \ 1 & +J f coquille 2 U' r (ή ~ S2 \ 1 dv +J f coquille 3 k ' ^ - ^ 'dv où l'élément de volume est : dv = —πr3 π(r - drj ≈ 2πr2dr ψu Ier ordre J
3 3
D'où cela revient donc à minimiser l'expression :
^absolue = £ \£ r ir Y £l \2jt r ^ + £ \£ r ir Y £ 2 \2jt r ^ + J^K ^ )" £3 \2jt r ^
Δabsolue
Figure imgf000013_0001
+
J Id1
Figure imgf000013_0002
γ.πr2dr - εr (r)βπr2dr + fdi lε r (rY ε 3
Figure imgf000013_0003
+ jj[ε3 - εr (r)~fyπr2dr
Les variables α, β et Y sont représentées sur la figure 3.
Les inventeurs ont tout d'abord optimisé les rayons du U2 et d3 en fixant les constantes diélectriques des trois coquilles à : B1 = 4, ε2 = 2,5 et ε3 = 1,5. Le résultat de cette optimisation est le suivant : àλ = 0,33, U2 = 0,65 et d3 = 1. On utilise par exemple les matériaux commercialisés par la société Emerson & Cuming, dont les noms sont :
Eccostock K=4, pour εr = 4 ;
Eccostock K=2.5, pour εr = 2,5 ;
Eccostock K= 1,5, pour εr = 1,5.
Puis, afin de rechercher d'autres solutions optimales avec constantes diélectriques et rayons différents, plusieurs cas ont été distingués :
- une ou deux constantes diélectriques sont fixées et on optimise les rayons ;
- les constantes diélectriques sont toutes variables ainsi que les rayons.
Le tableau suivant résume les résultats obtenus (la dernière ligne de ce tableau correspondant au cas optimal) :
Figure imgf000013_0004
Ces résultats sont très intéressants car ils permettent de voir qu'une bonne approche de la loi théorique peut être obtenue par divers rayons et constantes diélectriques pour les coquilles. En quelque sorte, la technique de réalisation est généralisée. Bien sûr ces résultats ne sont pas exhaustifs car, il est tout à fait possible de trouver d'autres solutions optimisées si une ou plusieurs autres constantes diélectriques sont fixées au départ. Un premier exemple de lentille de type Œil de Poisson de Maxwell selon l'invention (après optimisation avec la seconde fonction de coût), conforme à la première ligne du tableau ci-dessus, a été testé en terme de champ électrique et de densité de puissance. Les rayons du U2 et d3 sont respectivement de 4, 8 et 12 mm. Les constantes diélectriques sont respectivement de 4, 2,5 et 1,5. Les résultats pour ce premier test (lentille 1 illuminée par une onde plane) sont représentés en terme de champ électrique (V/m) sur la figure 4a. et de densité de puissance (V A/m) sur la figure 4b. Sur la figure 4a, on voit que le champ est bien focalisé, sous la forme d'une tache focale (et non pas d'un unique point focal), de l'autre côté de la lentille 1 par rapport à l'onde plane. La figure 4b permet de voir que la focalisation se fait à l'extérieur de la lentille 1, ce qui permet (comme expliqué en détail par la suite) de disposer une source imprimée illuminant la lentille. La distance entre source et lentille peut être optimisée pour obtenir les bonnes caractéristiques radioélectriques voulues (gain, diagramme de rayonnement,..).
Un second exemple de lentille de type Œil de Poisson de Maxwell selon l'invention (après optimisation avec la seconde fonction de coût), conforme à la dernière ligne du tableau ci-dessus, a été testé en terme de champ électrique et de densité de puissance. Les rayons du U2 et d3 sont respectivement de 6,84, 9,48 et 12 mm. Les constantes diélectriques sont respectivement de 2,77, 1,81 et 1,19.
Les résultats pour ce second test sont représentés en terme de champ électrique (V/m) sur la figure 5a. et de densité de puissance (V A/m) sur la figure 5b. Sur la figure
5a, on voit que le champ est bien focalisé de l'autre côté de la lentille 1 par rapport à l'onde plane. La figure 5b permet de voir que la focalisation se fait correctement et ceci juste sur la lentille 1.
Dans le premier mode de réalisation particulier du système d'antenne selon l'invention 6 illustré sur les figures la et Ib, la lentille 1 est associée à un réseau d'antennes imprimé 5. Ce dernier est par exemple optimisé autour de 48,7 GHz. Comme illustré sur la figure Ib, le système d'antenne selon l'invention comprend en outre des moyens de positionnement de la lentille par rapport au réseau d'antennes imprimé. Ces moyens de positionnement comprennent par exemple : un support (ou socle) 7, réalisé en matériau mousse (dont la permittivité diélectrique avoisine celle de l'air) et dans lequel est encastrée la lentille 1 ; une semelle métallique 8 sur laquelle repose le réseau d'antennes imprimé 5 ; des cales 9a, 9b réalisées en matériau mousse et permettant de maintenir une distance h entre la surface externe de la lentille 1 et les pastilles du réseau d'antennes imprimé 5. La distance h est discutée en détail par la suite ; et - des vis 10a, 10b d'assemblage du support 7, de la semelle métallique 8 et des cales 9a, 9b.
Comme illustré sur les figures 6a. 6b et 6c (vues de dessus, de dessous et en coupe respectivement), afin d'obtenir les directivités souhaitées, le réseau d'antennes imprimé 5 (c'est-à-dire la source d'excitation de la lentille) est par exemple réalisé sous la forme d'une structure comprenant : une ligne d'alimentation 65 imprimée sur la face inférieure d'une première couche de substrat 67 ; un plan de masse 69 avec fente 68, intercalé entre la première couche de substrat 67 et une deuxième couche de substrat 66 ; - quatre pastilles (ou patchs) 61 à 64 imprimées sur la face supérieure de la seconde couche de substrat 66.
Ce réseau d'antennes est par exemple réalisé sur un substrat céramique PTFE (RT Duroid 6006, εr =7.0 et épaisseur =254μm).
Un exemple de structure complète 6 selon le premier mode de réalisation précité (association du réseau d'antennes 5 ci-dessus avec la lentille « Œil de Poisson de
Maxwell » 1 selon la première ligne du tableau ci-dessus) a été simulée avec le logiciel
3D CST Microwave Studio (marque déposée) (basé sur la méthode des différences finies temporelles) et ensuite des mesures ont été effectuées.
Plusieurs simulations de cet exemple de structure d'antenne 6 ont été effectuées en changeant la distance h entre ces deux éléments afin de montrer l'importance de ce paramètre. Il en ressort que la directivité peut être quasi stable sur la bande de fréquences considérée si h est égale à 2,5 mm En effet, comme la distribution de constante diélectrique n'est pas continue dans la lentille 1, le réseau source 5 peut ne pas se trouver sur la lentille mais en être écarté d'une distance h sensiblement égale à la distance à laquelle la focalisation de la lentille se fait à l'extérieur de la lentille (voir ci- dessus la description des figures 4a, 4b, 5a et 5b). Ceci permet d'optimiser la directivité sur la bande de fréquences considérée. Par exemple, on peut souhaiter que la directivité de la structure soit la plus stable possible entre 47,2 et 50,2 GHz (application communication satellitaire à haut débit).
Il est important de noter que selon la source utilisée (réseau, pastille unique ...) et selon la constitution de la lentille (nombre de coquilles, rayons et constantes diélectriques), la hauteur h entre la source et la lentille varie car la zone de focalisation ne situe pas obligatoirement au même endroit.
Les mesures effectuées avec l'exemple précité de structure complète 6 montrent que la présence de la lentille 1 ne dégrade pas l'adaptation obtenue avec le réseau d'antennes 5 seul. Elles montrent également que le gain maximum obtenu est de 16,4 dB autour de 49 GHz. L'efficacité qui s'en déduit (45%) n'est due qu'aux pertes induites par les matériaux utilisés (PTFE, cuivre, ...).
Maintenant, il est important de regarder l'efficacité de surface de cette antenne.
Par nature, les lentilles ont des rendements de surface assez limités du fait de leur dimensions importantes. Pour calculer l'efficacité de surface de la lentille, il faut considérer une ouverture rayonnante de la même dimension que la lentille, à savoir 24 mm, et calculer la directivité associée. Cette dernière est donnée par la formule suivante :
Figure imgf000016_0001
où λ est la longueur d'onde dans le vide et d le diamètre de l'ouverture.
Considérons par exemple la fréquence centrale de la bande, soit 48,7 GHz. La directivité obtenue avec une lentille de diamètre 24 mm est 21,7 dBi. Or la directivité calculée de la lentille avec le logiciel de simulation 3D CST Micro wave Studio est de 19,9 dBi à la même fréquence. Ces résultats permettent de conclure à un rendement de surface de 66 %. Ce résultat est très satisfaisant pour une lentille dans ces bandes de fréquences élevées. Pour conclure, le rendement global de l'exemple précité de structure complète 6 est donc d'environ 30 % à la fréquence de 48,7 GHz.
On présente maintenant une variante de réalisation de la source de la lentille, c'est-à-dire une alternative au réseau d'antennes imprimé discuté ci-dessus et illustré sur les figures 6a et 6b.
Si le rendement de surface obtenu est très intéressant (66 %), le rendement dû aux pertes (45 %) est lui plus faible. Or les pertes introduites le sont essentiellement par le réseau imprimé qui sert de source à la lentille. La solution pour augmenter le rendement global est donc d'utiliser un substrat très faibles pertes comme le quartz par exemple ou bien de limiter les longueurs de ligne de l'arborescence du réseau. Cette dernière remarque a amené les inventeurs à étudier une solution originale pour la source de la lentille. En effet, ils ont décidé de n'utiliser qu'une seule pastille imprimée pour alimenter la lentille. Cependant, dans ce cas, le diagramme de la source est donc très large, ce qui implique des problèmes de débordement de signal (spill-over) et de rayonnement arrière. De plus, la directivité globale est beaucoup plus faible qu'avec un réseau de quatre éléments.
La solution à ce problème tient dans l'utilisation d'une seule pastille imprimée sur air et alimentée par fente. Dans ce cas, les pertes diélectriques sont absentes et la directivité de ce type de pastille est importante (9 - 10 dBi) du fait de la très basse permittivité du substrat (air).
Les figures 7a et 7b présentent une vue de dessous et une vue en coupe respectivement d'un premier mode de réalisation d'une pastille imprimée sur air (non conformée, polarisation linéaire verticale), pouvant être associée à une lentille de type Œil de Poisson de Maxwell selon l'invention. La pastille imprimée 70 est réalisée sous la forme d'une structure comprenant : une ligne d'alimentation 73 imprimée sur la face inférieure d'une première couche de substrat 74 ; un plan de masse 75 avec fente 76, intercalé entre la première couche de substrat 74 et une deuxième couche de substrat 77 ; - une cavité d'air 78 formée dans la deuxième couche de substrat 77 ; une troisième couche de substrat mousse 72 de très faible permittivité (1,45), utilisé comme support de la pastille 71, de sorte que la pastille se trouve au-dessus de la cavité d'air 78.
L'impédance d'entrée de cette pastille imprimée 70 a été simulée avec le logiciel CST Microwave Studio, entre 40 et 55 GHz. Il résulte de cette simulation que la pastille imprimée 70 est bien adaptée sur la bande considérée (47,2 GHz - 50,2 GHz). La directivité obtenue est stable dans la bande de fréquence et égale à 9 dBi. Cette dernière est forte du fait que la pastille est imprimée sur de l'air.
L'étape suivante a consisté à associer cette pastille imprimée 70 avec un exemple de lentille inhomogène selon l'invention (celle de diamètre 24 mm). Le support de la pastille imprimée possède ici une hauteur h de 1 mm car cette hauteur h entre pastille et lentille permet d'obtenir une directivité intéressante pour l'ensemble et quasi stable sur la bande de fréquences considérée.
La structure complète a été simulée sur CST. Les diagrammes de rayonnement calculés à 48,7 GHz permettent de montrer l'effet très net de focalisation. En effet, les ouvertures à mi-puissance obtenues sont respectivement de 23,1° et 19,1 °. Le niveau des lobes secondaire est satisfaisant, de l'ordre de - 18 dB par rapport au lobe principal.
Concernant la directivité, les valeurs obtenues entre 47 et 50 GHz sont comprises entre
17,7 dBi et 18,4 dBi. La directivité est donc stable sur la bande d'intérêt. La lentille excitée par une seule pastille imprimée est un dispositif très intéressant car il permet d'obtenir de très bonnes caractéristiques en rayonnement (ouvertures, lobes, directivité) comparativement à la solution comprenant un réseau de quatre sources. De plus, les pertes dues au substrat de la source sont réduites du fait que les surfaces imprimées sont moindres. Ceci permet d'accroître le rendement global de la structure, ce qui était un des objectifs visés.
La pastille imprimée qui excite la lentille fixe le type de polarisation. Dans le cas des figures 7a et 7b, la polarisation obtenue est linéaire verticale. D'autres polarisations peuvent être envisagées.
Il est tout a fait possible d'obtenir une polarisation linéaire horizontale et même, comme illustré sur la figure 8. de créer une bipolarisation avec deux lignes d'alimentation 83a, 83b d'une même pastille 81. Chaque ligne d'alimentation excite la pastille 81 via une fente distincte 86a, 86b, les deux fentes étant orthogonales entre elles pour exciter deux modes orthogonaux.
Comme illustré sur la figure 9. il est de la même façon tout a fait envisageable d'obtenir une polarisation circulaire. Dans ce cas, la pastille 91 est presque carrée et deux fentes orthogonales 96a et 96b (fentes en croix) sont gravées dans le plan de masse et alimentée par une unique ligne d'alimentation 93, ce qui permet de créer des modes déphasés de 90° à une fréquence et ainsi de créer une polarisation circulaire.
La figure 10 présente une vue en coupe d'un second mode de réalisation particulier d'un système d'antenne selon l'invention, associant une lentille de type Œil de Poisson de Maxwell selon l'invention 1 et un réseau d'antennes 106.
Dans ce second mode de réalisation, les moyens de positionnement de la lentille 1 par rapport au réseau d'antennes imprimé 106 comprennent : une coquille supplémentaire 101, possédant une forme épousant la surface externe de la lentille 1, réalisée dans un substrat dont la permittivité diélectrique avoisine celle de l'air, et qui est métallisable (de façon à pouvoir recevoir une ou plusieurs pastilles rayonnantes) ; un support (ou socle) 102, réalisé en matériau mousse (dont la permittivité diélectrique avoisine celle de l'air) et dans lequel est encastrée la lentille 1 entourée de la coquille supplémentaire 101 ; - une semelle métallique 103 ; des cales 104a, 104b réalisées en matériau mousse et permettant de maintenir une distance déterminée (à ne pas confondre avec la hauteur h, comme expliqué ci-après) entre la lentille 1 et la semelle métallique 8 ; et des vis 105a, 105b d'assemblage du support 102, de la semelle métallique 103 et des cales 104a, 104b.
Le réseau d'antennes imprimé 106 est du type de celui présenté ci-dessus en relation avec les figures 6a et 6b, mais s'en distingue en ce qu'au moins une partie de ce réseau est conformée directement à la surface externe de la coquille supplémentaire 101.
Dans l'exemple illustré sur la figure 10, les pastilles 107, 108 sont conformées à la surface externe de la coquille supplémentaire 101. Ainsi, c'est l'épaisseur de la coquille supplémentaire 101 qui donne la hauteur h entre la lentille 1 et le réseau d'antennes imprimé. Il est important de noter qu'étant donnée la taille très réduite des pastilles par rapport au rayon de la demi-sphère constituant la lentille 1, la courbure des pastilles métalliques est faible et ne modifie pas notablement les résultats du cas plan.
Par ailleurs, le reste du réseau d'antennes (à savoir une couche de substrat 110 sur la face inférieur de laquelle est imprimée une ligne d'alimentation 109 et sur la face supérieure de laquelle repose un plan de masse 111 avec fente 112) repose sur la semelle métallique 103. On notera que l'espace empli d'air entre d'une part les pastilles conformées 107, 108 et d'autre part le plan de masse 111 avec fente 112 joue le même rôle que la couche de substrat référencée 66 sur la figure 6c. Dans une variante de réalisation (non illustrée), la totalité du réseau d'antennes imprimé est conformé à la surface externe de la coquille supplémentaire 101.
Dans une autre variante du second mode de réalisation du système d'antenne selon l'invention, la source associée à la lentille est une unique antenne imprimée sur air, conformée au moins en partie à la surface externe de la coquille supplémentaire 101. D'une façon générale, et quel que soit le mode de réalisation adopté (premier ou second), le système de l'invention (association d'une lentille avec au moins une antenne source) n'est pas liée à un type d'antenne particulier. En d'autres termes, ce système peut être mis en œuvre par exemple avec une ou plusieurs antennes imprimées (mono ou multi couche), un ou plusieurs guides d'ondes, un ou plusieurs cornets, une ou plusieurs antennes filaires, ... L'optimisation de la source permet d'optimiser le diagramme de rayonnement de l'« antenne-lentille », et ainsi de jouer sur la directivité, le niveau des lobes secondaires et l'ouverture à -3dB. Notamment, la ou les pastilles ne sont pas obligatoirement excitées par fente(s), mais peuvent être excitées directement par une ou plusieurs lignes d'alimentation. Optionnellement, le système d'antenne selon l'invention comprend en outre des moyens de décentrage de la source (par exemple un réseau d'antennes imprimé ou une unique pastille imprimée sur air) par rapport à l'axe de la lentille, permettant à la source d'occuper successivement au moins deux positions différentes comprises dans la tache focale. Ceci permet un balayage, sur un petit secteur angulaire, du faisceau focalisé à la sortie de la lentille. Ce balayage permet l'obtention de diagrammes multifaisceaux ou le dépointage du faisceau. On rappelle que la lentille de l'invention, quel que soit son mode de réalisation, possède une tache focale du fait que la distribution d'indice obtenue avec les N coquilles concentriques est discrète. Cette tache focale est située à l'extérieur de la lentille et à une distance h déterminée de la lentille.Les moyens de décentrage sont par exemple réalisés sous forme mécanique (tout moyen permettant un déplacement physique de la source par rapport à la lentille) ou sous forme électronique (déplacement du faisceau de la source par commutation entre des éléments d'un réseau d'antennes, de type antenne intelligente).
Le déplacement physique de la source par rapport à la lentille est réalisé par un mouvement de rotation ou de translation de la source par rapport à la lentille.
On rappelle que théoriquement la lentille dite de l'œil de Poisson de Maxwell ne possède qu'un seul point focal et ne permet pas de dépointer le faisceau ou d'obtenir des diagrammes multifaisceaux. Cependant, comme la loi de l'indice dans la lentille réalisée selon l'invention est discrète, c'est en fait une tache focale qui est obtenue (voir figures 4a et 5a). Le fait qu'il y ait une tache focale permet de bouger la source sous la lentille et d'obtenir ainsi un dépointage du faisceau ou un diagramme multifaisceaux.
Cette innovation supplémentaire apportée par la lentille de l'invention a été testée par simulation. La source a ainsi été bougée de quelques mm et ceci dans les deux directions. Pour cette simulation, la source utilisée est de nouveau le réseau d'antennes imprimé à quatre éléments (voir figures 6a et 6b). L'idée est donc de changer la position de cette source sous la lentille afin de voir si le diagramme de rayonnement de l'ensemble associant la source et la lentille peut par exemple dépointer sur un certain secteur angulaire. Les contraintes sont de conserver un niveau de lobes secondaires assez faible et une directivité suffisante. Plusieurs déplacements de la source par rapport à la lentille ont été considérés (d = 1, 2 ou 3 mm) et ces cas ont été simulés. Le cas où le réseau est décalé de 2mm par rapport à l'axe de la lentille est présenté ci-après. Les résultats de simulation sont très encourageants puisque le faisceau dépointe d'environ 10° à 47.2 GHz. Le niveau des lobes secondaires reste très satisfaisant (- 20 dB) et la directivité est de 18.5 dBi. Des simulations complémentaires ont consister à dépointer le faisceau dans les deux axes. Pour cela, on change la position de la source sous la lentille suivant les deux directions x et y. On a ainsi bougé la source de 2 et 3 mm respectivement selon les deux axes. Le diagramme de rayonnement obtenu montre bien que le faisceau est dépointé suivant les deux plans.
Ces résultats sont très satisfaisants car ils démontrent la faisabilité d'une antenne à dépointage de faisceau voire multifaisceaux basée sur une lentille de type Œil de Poisson de Maxwell et donc un réduction de taille importante par rapport à la lentille de Lϋneburg par exemple qui permet également cette fonctionnalité. La structure d'antenne selon l'invention peut par exemple être utilisée dans la réception par satellite (bande 12 - 14 GHz). En effet, lorsqu'un client veut réceptionner deux satellites différents, actuellement deux sources commutables éclairant la parabole sont nécessaires. La solution de l'invention permet de n'avoir qu'une source (lentille éclairée par un réseau d'antennes imprimé par exemple) dont le diagramme peut dépointer afin de viser les deux satellites.
La structure d'antenne selon la présente invention (association d'au moins une antenne source avec une lentille Œil de Poisson de Maxwell) peut également permettre d'obtenir facilement des diagrammes multifaisceaux en changeant la position de la source par rapport à l'axe de la lentille. Cet aspect est particulièrement intéressant car de nombreuses applications peuvent nécessiter l'utilisation d'antennes multifaisceaux : radars anti-collision pour automobiles (77 GHz), communications indoor (60 GHz), réception télévision par satellites, communications spatiales à haut débit ...

Claims

REVENDICATIONS
1. Lentille inhomogène à gradient d'indice (1), de type Œil de Poisson de Maxwell, réalisée sous la forme d'une demi-sphère, caractérisée en ce qu'elle comprend N coquilles concentriques (2 à 4) en forme de demi-sphère, de constantes diélectriques discrètes différentes et imbriquées entre elles sans espace vide entre deux coquilles successives, avec 3 ≤ N ≤ 20, les constantes diélectriques discrètes des N coquilles étant telles qu'elles définissent une distribution discrète approchant la distribution théorique de l'indice à l'intérieur de la lentille.
2. Lentille selon la revendication 1, caractérisée en ce que les N coquilles possèdent des constantes diélectriques discrètes εu ε2...εN et des rayons externes normalisés du U2
...dN, avec dN=l, tels qu'ils minimisent la fonction suivante : Δ = J Cv
Figure imgf000023_0001
+- + •/ L"Λ'-l
Figure imgf000023_0002
- εNfdv avec q = ∞ et où : - ε \ I∞ = - ε I I , avec i représentant le numéro de la coquille concernée
Figure imgf000023_0003
dv = 2πr2dr εr() est la distribution théorique de l'indice à l'intérieur de la lentille, et dv est un élément de volume.
3. Lentille selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'elle comprend trois coquilles, dites coquille centrale (2), coquille intermédiaire (3) et coquille externe (4), dont les rayons externes normalisés sont respectivement : (I1, (I2 et d3, et dont les épaisseurs radiales normalisées sont respectivement égales à : du U2 - U1 et d3 - dj au centième près.
4. Lentille selon la revendication 3, caractérisée en ce que les rayons externes normalisés sont respectivement égaux à : d1 = 0,43, dj = 0,70 et d3 = 1 au centième près, et en ce que les constantes diélectriques des coquilles centrale, intermédiaire et externe sont respectivement égales à 3,57, 2,72 et 1,86 au centième près.
5. Système d'antenne (6), caractérisé en ce qu'il comprend une lentille (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, associée à au moins une antenne source (5 ; 70 ; 106).
6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite au moins une antenne source appartient au groupe comprenant : des antennes imprimées ; des guides d'ondes ; des cornets ; et des antennes filaires.
7. Système selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, ladite lentille possédant une tache focale du fait que la distribution d'indice obtenue avec lesdites coquilles concentriques est discrète, ladite tache focale étant située à l'extérieur de la lentille et à une distance h déterminée de la lentille, ledit système étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de positionnement, permettant de placer ladite au moins une antenne source à ladite distance h de la lentille
(1), et dans une position comprise dans ladite tache focale.
8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de positionnement comprennent au moins une cale (9a, 9b) réalisée dans un matériau diélectrique dont la permittivité diélectrique avoisine celle de l'air et permettant de positionner la lentille (1) par rapport à ladite au moins une antenne source (5).
9. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de positionnement comprennent une coquille supplémentaire (101), dont la permittivité diélectrique avoisine celle de l'air, possédant une forme épousant la surface externe de la lentille, et au moins une partie de ladite antenne source (106) étant conformée directement à la surface externe de ladite coquille supplémentaire.
10. Système selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend une unique antenne source (70), qui est une antenne imprimée sur air et alimentée par fente.
11. Système selon l'une quelconque des revendications 5 à 10, ladite lentille possédant une tache focale du fait que la distribution d'indice obtenue avec lesdites coquilles concentriques est discrète, ladite tache focale étant située à l'extérieur de la lentille et à une distance h déterminée de la lentille, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de décentrage de ladite au moins une antenne source par rapport à l'axe de la lentille, permettant à ladite au moins une antenne source d'occuper successivement au moins deux positions différentes comprises dans ladite tache focale, afin de permettre un balayage, sur un secteur angulaire, du faisceau focalisé à la sortie de la lentille.
12. Application du système d'antenne selon la revendication 11 au dépointage du faisceau à la sortie de la lentille.
13. Application du système d'antenne selon la revendication l i a l'obtention d'un diagramme multifaisceaux.
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