WO2012041770A1 - Reflecteur d'antenne large bande pour une antenne filaire plane a polarisation circulaire et procede de realisation du reflecteur d'antenne - Google Patents

Reflecteur d'antenne large bande pour une antenne filaire plane a polarisation circulaire et procede de realisation du reflecteur d'antenne Download PDF

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WO2012041770A1
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electromagnetic radiation
reflector
band
reflection
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PCT/EP2011/066563
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Michaël Grelier
Michel Jousset
Stéphane Mallegol
Xavier Begaud
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Thales
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    • H01Q11/10—Logperiodic antennas

Definitions

  • the invention applies to the field of circular polarization plane wired antennas for broadband transmitting or receiving devices. It relates to an antenna reflector for such an antenna, an antenna device comprising the reflector and the antenna, and a method of producing the antenna reflector.
  • the antennas must have a wide operating frequency band, for example of the order of the decade, that is to say a frequency band whose maximum frequency is at least ten times the minimum frequency.
  • Planar circular polarization antennas such as spiral antennas are part of these broadband antennas.
  • a spiral antenna generally consists of a dielectric substrate on which is etched a radiating element.
  • the radiating element comprises at least two spirally wound strands and the inner ends of which are supplied with current. Depending on the number of strands and the phase of the current in each strand, the electromagnetic radiation of the spiral antenna is different.
  • the width of the frequency band depends on the inner and outer diameters of the spiral.
  • a plane wire antenna has a plane of symmetry and thus radiates throughout the space, in particular in the two directions orthogonal to the plane of the antenna.
  • antennas must not interfere with other nearby systems. Therefore, they are very often specified to radiate in a half-space.
  • the antenna is associated with a reflector that converts the bidirectional radiation into a unidirectional radiation. From a practical point of view, this reflector also plays a role of support for stiffening the antenna and supply current.
  • the reflector comprises an electrical conducting plane disposed at a distance from the antenna equal to one quarter of the average wavelength of the radiation that it emits or receives.
  • the electric field of the reflected back radiation is in phase with the electric field of the forward radiation.
  • the main disadvantage of this solution is that the distance can be optimally adjusted only for a single wavelength. The electric field of the radiation emitted or received at wavelengths distant from this average wavelength may therefore be disturbed, thereby limiting the bandwidth of the antenna.
  • Another disadvantage of this solution is that a quarter of the wavelength quickly represents a significant distance for the low frequencies, which generates an overall thickness for the relatively large antenna.
  • the electrical conductor plane allows the propagation of surface currents and reflection and diffraction phenomena occur at the edge of the antenna, thereby generating spurious radiation.
  • the antenna reflector comprises an Artificial Magnetic Conductive (AMC) type structure arranged under the plane of the antenna on the side of the rear radiation.
  • a conventional CMA structure includes a dielectric substrate, electrical conductive patterns periodically disposed on a first surface of the dielectric substrate and a uniform electrical conductor plane forming a ground plane on a second surface of the dielectric substrate. Each conductive pattern can be connected to the ground plane by vias, generally called “vias” in the Anglo-Saxon literature.
  • a CMA structure has the property of reflecting the electric field of the rear radiation in phase with the electric field of the forward radiation. It can therefore be positioned as close to the antenna and allow a reduction in the thickness of the antenna device comprising the antenna and the CMA structure.
  • a CMA structure may also have the property of prohibiting the propagation of electromagnetic waves in certain directions of the plane in which the conductive patterns are arranged, which prevents generating parasitic radiation.
  • This is called electromagnetic band gap (EIB) structure.
  • EIB electromagnetic band gap
  • the properties of a type structure BIE or CMA occur only in a certain frequency band, called either BIE band or CMA band depending on the case.
  • This frequency band in particular its central frequency and its low and high cutoff frequencies, depend on the shape and dimensions of the conductive patterns, as well as the thickness and the relative permittivity of the dielectric substrate of the structure.
  • the bandwidth is very small. that is to say, much lower than the octave.
  • the constraints on the thickness make current antennas comprising a BIE or CMA reflector do not allow to operate over a wide frequency band, greater than the decade.
  • An object of the invention is in particular to overcome the aforementioned drawbacks by proposing a broadband antenna reflector having a reduced thickness based on a hybrid structure.
  • This hybrid structure comprises both an electrical conductive plane of the type of the first solution and a CMA type structure based on the second solution.
  • the subject of the invention is an antenna reflector locally having either electromagnetic properties of an electrical conductor or electromagnetic properties close to a magnetic conductor, depending on the radiation emitted or received locally by the antenna.
  • the subject of the invention is an antenna reflector on which can be mounted a circular polarized plane wire antenna capable of emitting electromagnetic radiation in two directions orthogonal to the plane of the antenna on a predetermined frequency band, the reflector antenna being characterized in that it comprises:
  • ⁇ a first reflection area adapted to reflect, with a phase shift close to 180 degrees, an electric field of the electromagnetic radiation back said whose frequency is within a first frequency subband, the first reflector region being adapted to come in with respect to an area of the antenna capable of emitting electromagnetic radiation in the first sub-frequency band at a distance to reflect the electric field of the radiation back electromagnetic substantially in phase with the electric field of electromagnetic radiation said before, and
  • ⁇ a second reflection area adapted to reflect, with a phase shift angle between two values around the value of zero degree, the electric field of the back electromagnetic radiation whose frequency is within a second frequency subband, the second reflection zone being adapted to come opposite an area of the antenna capable of emitting electromagnetic radiation in the second frequency sub-band, at a distance making it possible to reflect the electric field of the rear electromagnetic radiation substantially in phase with the electric field of the electromagnetic radiation before.
  • the reflector may comprise several reflection zones each able to reflect, with a phase difference between two values surrounding the zero degree value, the electric field of the rear electromagnetic radiation whose frequency is within a frequency subband. Each reflection zone is then able to come face to face with an area of the antenna capable of emitting electromagnetic radiation in the sub-frequency band considered, at a distance making it possible to reflect the electric field of the rear electromagnetic radiation. substantially in phase with the electric field of the front electromagnetic radiation.
  • the reflector may comprise several reflection zones each capable of reflecting, with a phase difference of about 180 degrees, the electric field of the rear electromagnetic radiation whose frequency is within a sub-frequency band.
  • Each reflection zone is then able to come opposite a zone of the antenna capable of emitting electromagnetic radiation in the sub-frequency band considered, at a distance making it possible to reflect the electric field of the rear electromagnetic radiation. substantially in phase with the electric field of the front electromagnetic radiation.
  • the first frequency subband corresponds to the highest frequencies of the predetermined frequency band.
  • the reflector can thus be placed at a distance from the antenna substantially equal to one quarter of the wavelength of the central frequency of this sub-frequency band, or relatively close to the antenna.
  • the frequency sub-bands considered as a whole substantially cover the entire predetermined frequency band.
  • the electric field of the rear electromagnetic radiation can thus be in phase with the electric field of the front electromagnetic radiation over the entire frequency band of the antenna.
  • the reflector may comprise a substrate of dielectric material and a ground plane formed on a first surface of the substrate, the first reflection zone being formed on a second surface of the substrate by an electrically conductive pattern, the other reflection zone or zones being each formed on the second surface of the substrate by a set of electrical conductive patterns arranged in a non-contiguous manner.
  • the first and second surfaces of the substrate are substantially flat and parallel to each other.
  • the second surface of the substrate has a conical shape.
  • the electrical conductive patterns of the sets forming reflection zones able to reflect the electric field of the rear electromagnetic radiation with a phase difference between two values surrounding the zero degree value can be electrically connected to the ground plane.
  • the two angle values surrounding the value of zero degrees are substantially equal to -120 degrees and +120 degrees.
  • the invention also relates to an antenna device comprising a circular polarized plane wire antenna capable of emitting electromagnetic radiation over a predetermined frequency band and an antenna reflector according to the invention.
  • the invention also relates to a method of producing the antenna reflector according to the invention.
  • the method comprises the following steps:
  • ⁇ a step of determining the shape and dimensions of a second reflection area of the antenna reflector adapted to reflect, with a phase shift angle between two values around the value of zero degree, the electric field of the electromagnetic radiation whose frequency is in the second frequency sub-band, so that this reflection zone can come opposite the zone of the antenna where the electromagnetic radiation can be emitted by the antenna in the second sub-frequency band has the highest amplitude, at a distance allowing reflection of the electric field of the rear electromagnetic radiation substantially in phase with the electric field of the electromagnetic radiation before.
  • the method may comprise the following additional steps: a step of determining a minimum distance dEmin that can separate the antenna from the first reflection zone of the antenna reflector without significantly altering the amplitude distribution of the electromagnetic radiation emitted by the antenna; antenna in the first frequency sub-band,
  • the invention has the particular advantage that it allows to maintain a reflection coefficient close to the value one over a wide frequency band, nominally over the entire operating frequency band of the antenna.
  • FIG. 1 represents an example of an antenna device comprising a spiral antenna and an antenna reflector according to the invention
  • FIG. 2 represents possible steps for the method of producing an antenna reflector according to the invention
  • FIGS. 3a and 3b show examples of amplitude distributions of the electromagnetic radiation emitted by a spiral antenna at a given frequency depending on whether the electromagnetic radiation is altered or not by the presence of the antenna reflector;
  • FIG. 4 represents an example of a phase diagram obtained in a step of the method of producing an antenna reflector according to the invention.
  • a perfect electrical conductor, or PEC for "Perfect Electric Conductor” according to the English expression is a structure whose surface has an infinite electrical conductivity. The tangential electric field on this surface is always zero. An incident electric field meeting the surface is reflected in phase opposition, regardless of its frequency. For the rest of the description, electrical conductors are considered to be perfect electrical conductors.
  • a perfect magnetic conductor, or PMC for "Perfect Magnetic Conductor” according to the English expression is a structure having a surface on which the tangential magnetic field is always zero. An incident magnetic field meeting this surface vanishes, while the incident electric field is reflected in phase.
  • a surface having electromagnetic properties close to a perfect magnetic conductor in a given frequency band is a surface for which the phase of the reflection coefficient at the frequencies considered is between two values around 0 °.
  • the phase of the reflection coefficient is for example between -1 20 and 1 20 degrees.
  • a surface having electromagnetic properties adjacent to a perfect magnetic conductor in a given frequency band is generally referred to as a high impedance surface for that frequency band.
  • FIG. 1 represents an example of antenna device 1 comprising a spiral antenna 2 and an antenna reflector 3 according to the invention.
  • the spiral antenna 2 is capable of transmitting on a predetermined frequency band, called the operating frequency band AF. It can emit electromagnetic radiation in two directions orthogonal to its plane. Electromagnetic radiation propagating in the opposite direction to antenna reflector 3 is referred to as forward radiation, and electromagnetic radiation propagating in the opposite direction is referred to as back radiation.
  • the spiral antenna 2 comprises a dielectric substrate 21 and two electrical conductor strands 22a and 22b forming the radiating element of the spiral antenna 2.
  • the dielectric substrate 21 is for example an epoxy plate of the printed circuit type. It comprises an upper surface 24 and a lower surface 25 substantially flat and parallel.
  • the conductive strands 22a and 22b have an identical length and are mutually wound around a central point O to form a spiral 26 on the upper surface 24.
  • the first strand 22a extends between an inner end A and an outer end B of the spiral 26.
  • the second strand 22b extends between an inner end C and an outer end D of the spiral 26.
  • the spiral antenna 2 also comprises means for supplying the radiating element, not shown.
  • the two strands 22a and 22b are powered at their inner ends A and C by microwave signals in phase opposition.
  • the strands 22a and 22b can be printed or etched on the upper surface 24. They can also be formed in an electrically conductive material and fixed on the upper surface 24.
  • each conductive strand has a constant thickness and a constant spacing with respect to the other strand.
  • the invention also applies to any type of circular polarized plane wire antenna. It applies in particular to equiangular spiral antennas, also called logarithmic spiral antennas, in which the width of the strands and the spacing between the strands increase with the distance from the center of the spiral.
  • the spiral antenna of Figure 1 comprises two electrically conductive strands. However, the invention also applies to antennas having a different number of strands.
  • the antenna reflector forming the subject of the invention uses the operating properties of planar wire antennas.
  • the radiating element of such an antenna when excited, emits electromagnetic radiation from a localized operating zone, related to the relative arrangement of the strands and to the phase shift of the current flowing in the different strands.
  • This operating zone has the particularity of varying according to the frequency according to a law specific to each type of plane wire antenna.
  • the antenna reflector according to the invention on which an antenna is intended to be mounted, thus comprises at least two reflection zones whose electromagnetic properties adapt to the electromagnetic radiation emitted locally by the antenna.
  • a first reflection zone has electromagnetic properties of an electrical conductor, especially in a first frequency sub-band AF1.
  • This frequency sub-band AF1 corresponds, for example, to high frequencies of the operating frequency band AF in which the flat wire antenna emits.
  • a second reflection zone has electromagnetic properties close to a perfect magnetic conductor in a second frequency sub-band AF2.
  • This second frequency sub-band AF2 corresponds, for example, to lower frequencies than those of the first frequency sub-band AF1.
  • the antenna reflector thus comprises reflection zones of two different types, namely at least one reflection zone having electromagnetic properties of an electrical conductor, and at least one reflection zone having electromagnetic properties close to a conductor. perfect magnetic.
  • the antenna reflector may also comprise additional zones having either electromagnetic properties of an electrical conductor (reflection zones of the first type) or electromagnetic properties close to a perfect magnetic conductor (reflection zones of the second type) in other frequency sub-bands.
  • these different frequency sub-bands are determined so as to cover, with the first frequency sub-band AF1, the entire operating frequency band AF.
  • the zones having electromagnetic properties of an electrical conductor are alternated with areas having electromagnetic properties adjacent to a perfect magnetic conductor.
  • the antenna reflector 3 comprises a dielectric substrate 31, a ground plane 32 carried by a lower surface 33 of the dielectric substrate 31, and three sets 341, 342, 343 of patterns electrical conductors 34 carried by an upper surface 35 of the dielectric substrate 31.
  • the dielectric substrate 31 may be a printed circuit type epoxy plate whose upper 35 and lower 33 surfaces are substantially flat and parallel.
  • the conductive patterns 34 can then be printed or etched on the upper surface 35 of the dielectric substrate 31. More generally, they can be made by any conventional technique of producing printed circuits. They can also be formed in an electrically conductive material and fixed on the upper surface 35.
  • the lower surface 25 of the dielectric substrate 21 of the spiral antenna 2 comes into contact with the upper surface 35 of the dielectric substrate 31 of the reflector antenna 3.
  • the dielectric substrate 21 can bear directly on the conductive patterns 34.
  • the dielectric substrate 21 then performs an electromagnetic isolation function between the spiral antenna 2 and the antenna reflector 3. This isolation can nevertheless be assured by any other means.
  • Each set 341, 342, 343 of conductive patterns 34 is configured to form a reflection zone whose electromagnetic properties may differ from those of other areas to adapt to the electromagnetic radiation to reflect locally.
  • the first set 341 of conductive patterns 34 has only one conductive pattern in the form of a disc.
  • the conductive disc 36 thus forms a first reflection zone 341 A whose electromagnetic properties are similar to those of an electrical conductor. This zone 341 A therefore belongs to the first type of reflection zone.
  • the conductive disk 36 has electromagnetic properties of an electrical conductor at least in the first frequency sub-band AF1.
  • the antenna reflector 3 can thus be placed at a distance relatively close to the spiral antenna 2.
  • the distance considered between the antenna reflector 3 and the spiral antenna 2 may be the distance between the upper surface 35 of the dielectric substrate 31 of the antenna reflector 3 and the upper surface 24 of the dielectric substrate 21 of the spiral antenna 2, called the height h.
  • the height h may be substantially equal to an odd integer multiple of quarter wavelengths of the center frequency of the first frequency sub-band AF1 ((2. ⁇ + 1) . ⁇ / 4, where N is a natural integer), the reflected rear electromagnetic radiation being in phase with the incident radiation at the upper surface 24 of the dielectric substrate 21 of the spiral antenna 2.
  • the height h is for example substantially equal to a quarter of the length of the wave of the center frequency of the first frequency sub-band AF1.
  • the second set 342 of conductive patterns 34 comprises a plurality of non-contiguous electrical conductor patterns 34 disposed on the upper surface 35 so as to generally form an annular reflection zone 342A surrounding the conductive disk 36 and whose center is substantially coincident with the center of the disk
  • the third set 343 of conductive patterns 34 comprises a plurality of non-contiguous conducting patterns 34 generally forming an annular reflection zone 343A of diameter greater than the diameter of the annular zone 342A formed by the second set 342 of conducting patterns 34.
  • the conductive patterns 34 of the second and third assemblies 342 and 343 may be electrically connected to the ground plane 32, for example via metallized holes made in the dielectric substrate 31 of the antenna reflector 3.
  • Each set 342 and 343 of conductive patterns 34 thus form a reflection zone pr showing electromagnetic properties close to a perfect magnetic conductor.
  • the geometric shape and the dimensions of the conductive patterns 34 are determined in such a way that each annular reflection zone 342A and 343A, intended locally to form a reflector for the operating zone of the spiral antenna 2 in a frequency sub-band AF2 or AF3, has electromagnetic properties close to a perfect magnetic conductor at least in this frequency sub-band AF2 or AF3.
  • the reflection zones 342A and 343A thus belong to the second type of reflection zone.
  • the antenna reflector 3 may also include other reflection zones whose electromagnetic properties are similar to those of a electrical conductor (reflection zones of the first type). These reflection zones are provided to come at a distance from the antenna 2 so as to be able to reflect the electric field of the rear electromagnetic radiation substantially in phase with the electric field of the front electromagnetic radiation at the level of the upper surface 24 of the antenna 2.
  • the height, or distance, between these reflection zones and the antenna 2 should be substantially equal to an even integer multiple of quarter-wavelengths of the center frequency of the respective frequency sub-band (2 .NA / 4, where N is a natural number). In practice, the height may differ according to the near field emitted by the antenna 2, as explained below.
  • FIG. 2 illustrates possible steps of the method of producing an antenna reflector according to the invention for a plane wire antenna.
  • a spiral antenna like that shown in FIG. The method nevertheless applies to any type of plane wire antenna with circular polarization.
  • a first step 01 the electromagnetic radiation emitted by the spiral antenna 2 alone, that is to say without the antenna reflector 3, is characterized for at least two frequencies belonging to the operating frequency band AF of the spiral antenna 2. It is of course possible to characterize the electromagnetic radiation on two frequency subbands belonging to the operating frequency band AF. For the rest of the description, it is considered that the electromagnetic radiation is characterized for the frequency subbands AF1, AF2 and AF3.
  • amplitude and phase distributions of electromagnetic fields emitted by the spiral antenna 2 are determined in the near-field zone in a plane substantially parallel to the plane of the spiral antenna 2, in this case the upper surface 24.
  • the conductive strands 22a and 22b of the spiral antenna 2 are fed at their inner ends A and C by electric currents of the same amplitudes and generally having a phase difference of 180 degrees.
  • the electromagnetic radiation emitted by the spiral antenna 2 has a maximum amplitude when the currents flowing in the strands 22a and 22b are locally in phase.
  • the electromagnetic radiation emitted by the spiral antenna 2 at a given frequency has a maximum amplitude in a zone forming a circular ring whose average diameter is substantially equal to the wavelength of the electromagnetic radiation divided by the number Pi.
  • a second step 1 02 the minimum distance dEmin that can separate the spiral antenna 2 of an electrical conductor without altering the amplitude distribution of the electromagnetic radiation emitted by the spiral antenna 2 in the sub-frequency band AF1 is determined.
  • the amplitude distribution is for example considered in the near-field area.
  • the distance considered is for example the height h between the upper surface 35 of the dielectric substrate 31 of the antenna reflector 3 and the upper surface 24 of the dielectric substrate 21 of the spiral antenna 2.
  • the step 1 02 may be carried out on a wide frequency band, for example over the entire operating frequency band AF. In practice, it is essentially to determine the minimum distance to separate the spiral antenna 2 from the reflection zone 341 A having electromagnetic properties of an electrical conductor. Step 1 02 is therefore performed at least for the frequency sub-band AF1.
  • FIGS. 3a and 3b show two examples of amplitude distributions of the electromagnetic radiation emitted by a spiral antenna 2 at a given frequency in a plane belonging to the near-field zone parallel to the plane of the spiral antenna 2. The first distribution, represented in FIG.
  • FIG. 3a relates to a distance between the spiral antenna 2 and the antenna reflector 3 for which the electromagnetic radiation is not altered; the second distribution, shown in Figure 3b, relates to a distance for which the electromagnetic radiation is altered.
  • FIG. 3a there are circular rings 301 to 305 corresponding to different amplitudes of the electrical energy density.
  • the rings 301 and 305, 302 and 304, and 303 have, for example average amplitudes respectively equal to 2.1 0 "7 J / m 3, 6.1 0" 7 J / m 3, and 1, 5.10 "6 J / m 3.
  • the ring 303 thus corresponds to the operating zone of the spiral antenna 2 at the given frequency
  • the annular shape of the amplitude distribution makes it possible to deduce that the electromagnetic radiation is not altered.
  • a first zone 306 has an average amplitude substantially equal to 2.10 7 J / m 3.
  • Two zones 307a and 307b have an average amplitude substantially equal to 2.5.1 0 -6 J / m 3 , and two zones 308a and 308b present an average amplitude substantially equal to 5.5.1 0 "6 J / m 3.
  • Electromagnetic radiation must be examined according to the geometry of the antenna considered.In the case of a spiral antenna, the discriminant form is a circular ring.
  • the minimum distance demin can separate the spiral antenna 2 from a perfect magnetic conductor without altering the amplitude distribution of the electromagnetic radiation transmitted by the spiral antenna 2 at least in one of the frequency sub-bands AF2 and AF3 is determined.
  • the amplitude distribution is for example considered in the near-field area.
  • the distance considered can also be the height h.
  • Step 110 can be performed over a wide frequency band, for example over the entire operating frequency band AF. In practice, it is essentially to determine the minimum distance demin to separate the spiral antenna 2 from the reflection zones 342A and 343A whose electromagnetic properties are similar to those of a perfect magnetic conductor.
  • Step 103 is therefore preferably performed for the frequency sub-bands AF2 and AF3. Where appropriate, it is performed for each of the frequency sub-bands considered outside the frequency sub-band AF1.
  • Step 104 the shape and the dimensions of the first reflection zone 341 A, having electromagnetic properties of an electrical conductor in the frequency sub-band AF1 (reflection zone of the first type), are determined from so that this reflection zone 341 A comes in the vicinity of the operating zone of the spiral antenna 2 in this frequency sub-band AF1.
  • Step 1 04 essentially consists of determining the diameter of the conductive disk 36.
  • Step 105 the shape and dimensions of the reflection zones 342A and 343A, having electromagnetic properties close to a perfect magnetic conductor in the respective frequency sub-bands AF2 and AF3 (reflection zones of the second type) , are also determined so that each reflection zone 342A and 343A comes in the vicinity of the operating zone of the spiral antenna 2 in the respective frequency sub-band AF2 or AF3.
  • Step 105 essentially consists in determining the internal and external diameters of the reflection zones 342A and 343A as well as the lengths of the arcs of circles radially delimiting the conductive patterns 34.
  • the step 110 consists in determining the location and the surface of the conductive patterns 34 so that each set of conductive patterns forms a surface having electromagnetic properties adjacent to a perfect magnetic conductor in a sub-frequency band.
  • a reflection zone comes in the vicinity of an operating zone of the spiral antenna 2 when it makes it possible to reflect the electromagnetic radiation emitted by this operating zone in the direction desired radiation.
  • the steps of the method of producing the antenna reflector 3 can be performed in a different order, as long as the first step 110 is performed before the steps 104 and 105.
  • Step 105 may for example be performed by adaptation of conventional CMA structures.
  • a conventional CMA structure comprises a dielectric substrate, a ground plane carried by a first surface of the dielectric substrate, and rectangular electrical conductor patterns arranged in a regular matrix and carried by a second surface of the dielectric substrate.
  • the thickness of the dielectric substrate of the conventional CMA structure is preferably chosen to be equal to the thickness of the dielectric substrate 31 of the antenna reflector 3.
  • a CMA structure has electromagnetic properties close to a perfect magnetic conductor in a sub-band determined frequency.
  • a first substep it is determined for each sub-frequency band outside the frequency sub-band AF1, the dimensions (length and width) of the conductive patterns of a conventional CMA structure making it possible to form a surface having properties close to a perfect magnetic conductor in the sub-frequency band considered.
  • the surfaces of the conductive patterns forming the reflector are larger and larger as one moves away from the center of the antenna reflector 3.
  • the conductive patterns of the conventional CMA structures are adapted to the corresponding operating zone of the spiral antenna 2, each adapted conductive pattern 34 retaining substantially the same surface as that in the conventional CMA structure.
  • a phase diagram is constructed resulting from the association of different phase diagrams each associated with one of the conventional CMA structures considered.
  • FIG. 4 represents an example of such a phase diagram. Phases of the reflection coefficient of the various conventional CMA structures are plotted on a first graph as a function of the radius of the spiral antenna 2; the operating frequencies of the spiral antenna 2 are plotted on a second graph as a function of the radius of the spiral antenna 2.
  • a fourth substep from the phase diagram of FIG. an assembly 342 of conductive patterns 34 for reflecting incident electromagnetic radiation with a phase shift substantially equal to zero degrees.
  • the antenna reflector 3 obtained by the method according to the invention is intended to receive a spiral antenna 2 at a minimum distance for which neither the first reflection zone 341 A nor the reflection zones 342A and 343A alter the radiation. electromagnetic.
  • the minimum distance preferably corresponds to the maximum between the distances Emin and demin determined in the steps 102 and 103.
  • the electromagnetic radiation emitted both in the sub-frequency band frequency band AF1 and in the frequency sub-band AF2 may be in phase with the corresponding reflected electromagnetic radiation in the near-field area.

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Abstract

L'invention s'applique au domaine des antennes filaires planes à polarisation circulaire pour des systèmes de télécommunication à très large bande. Elle concerne un réflecteur d'antenne (3) pour une telle antenne (2), un dispositif d'antenne comportant le réflecteur d'antenne (3) et l'antenne (2), et un procédé de réalisation du réflecteur d'antenne (3). Le réflecteur d'antenne (3) selon l'invention est basé sur une structure hybride comportant, d'une part, une première zone de réflexion (341 A) présentant des propriétés électromagnétiques d'un conducteur électrique dans une première sous-bande de fréquences et, d'autre part, une deuxième zone de réflexion (342A) présentant des propriétés électromagnétiques voisines d'un conducteur magnétique dans une deuxième sous-bande de fréquences. Chaque zone de réflexion (341 A, 342A) est prévue pour venir en vis-à-vis d'une zone de l'antenne pouvant émettre un rayonnement électromagnétique dans la sous-bande de fréquences correspondante afin de réfléchir le champ électrique du rayonnement arrière en phase avec le champ électrique du rayonnement avant.

Description

REFLECTEUR D'ANTENNE LARGE BANDE POUR UNE ANTENNE FILAIRE PLANE A POLARISATION CIRCULAIRE ET PROCEDE DE REALISATION DU REFLECTEUR D'ANTENNE
L'invention s'applique au domaine des antennes filaires planes à polarisation circulaire pour des dispositifs d'émission ou de réception à très large bande. Elle concerne un réflecteur d'antenne pour une telle antenne, un dispositif d'antenne comportant le réflecteur et l'antenne, et un procédé de réalisation du réflecteur d'antenne.
Dans le cadre de certaines applications, les antennes doivent avoir une large bande de fréquences de fonctionnement, par exemple de l'ordre de la décade, c'est-à-dire une bande de fréquences dont la fréquence maximale est au moins égale à dix fois la fréquence minimum. Les antennes filaires planes à polarisation circulaire telles que les antennes spirales font partie de ces antennes à large bande de fréquences. Une antenne spirale est généralement constituée d'un substrat diélectrique sur lequel est gravé un élément rayonnant. L'élément rayonnant comporte au moins deux brins enroulés en spirale et dont les extrémités intérieures sont alimentées en courant. Selon le nombre de brins et la phase du courant dans chaque brin, le rayonnement électromagnétique de l'antenne spirale est différent. La largeur de la bande de fréquences dépend des diamètres interne et externe de la spirale.
D'un point de vue théorique, une antenne filaire plane possède un plan de symétrie et rayonne donc dans tout l'espace, en particulier dans les deux directions orthogonales au plan de l'antenne. Pour des raisons de compatibilité électromagnétique, les antennes ne doivent pas interférer avec les autres systèmes situés à proximité. Par conséquent, elles sont très souvent spécifiées pour rayonner dans un demi-espace. Pour cette raison, l'antenne est associée à un réflecteur qui transforme le rayonnement bidirectionnel en un rayonnement unidirectionnel. D'un point de vue pratique, ce réflecteur joue aussi un rôle de support permettant de rigidifier l'antenne et de l'alimenter en courant. Selon une première solution, le réflecteur comprend un plan conducteur électrique disposé à une distance de l'antenne égale au quart de la longueur d'onde moyenne du rayonnement qu'elle émet ou qu'elle reçoit. A une telle distance, le champ électrique du rayonnement arrière réfléchi se retrouve en phase avec le champ électrique du rayonnement avant. Le principal inconvénient de cette solution est que la distance ne peut être ajustée de façon optimale que pour une seule longueur d'onde. Le champ électrique du rayonnement émis ou reçu à des longueurs d'onde éloignées de cette longueur d'onde moyenne risque donc d'être perturbé, limitant, de fait, la largeur de bande de l'antenne. Un autre inconvénient de cette solution est que le quart de la longueur d'onde représente rapidement une distance importante pour les fréquences basses, ce qui engendre une épaisseur globale pour l'antenne relativement importante. En outre, le plan conducteur électrique autorise la propagation de courants de surface et des phénomènes de réflexion et de diffraction se produisent au bord de l'antenne, générant ainsi des rayonnements parasites.
Selon une deuxième solution, le réflecteur d'antenne comporte une structure de type Conducteur Magnétique Artificiel (CMA) disposée sous le plan de l'antenne du côté du rayonnement arrière. Une structure CMA classique comporte un substrat diélectrique, des motifs conducteurs électriques disposés périodiquement sur une première surface du substrat diélectrique et un plan conducteur électrique uniforme formant un plan de masse sur une deuxième surface du substrat diélectrique. Chaque motif conducteur peut être relié au plan de masse par des trous d'interconnexion, généralement appelés "vias" dans la littérature anglo-saxonne. Une structure CMA a la propriété de réfléchir le champ électrique du rayonnement arrière en phase avec le champ électrique du rayonnement avant. Elle peut donc être positionnée au plus près de l'antenne et permettre une réduction de l'épaisseur du dispositif d'antenne comportant l'antenne et la structure CMA. Une structure CMA peut aussi avoir la propriété d'interdire la propagation des ondes électromagnétiques dans certaines directions du plan dans lequel sont disposés les motifs conducteurs, ce qui empêche de générer un rayonnement parasite. On parle alors de structure à bande interdite électromagnétique (BIE). Cependant, les propriétés d'une structure de type BIE ou CMA ne se manifestent que dans une certaine bande de fréquences, appelée soit bande BIE, soit bande CMA selon le cas considéré. Cette bande de fréquences, notamment sa fréquence centrale et ses fréquences de coupure basse et haute, dépendent de la forme et des dimensions des motifs conducteurs, ainsi que de l'épaisseur et de la permittivité relative du substrat diélectrique de la structure. En particulier, pour une épaisseur du substrat diélectrique relativement faible, c'est-à-dire très petite devant la longueur d'onde, que l'on considère la bande BIE ou la bande CMA, la largeur de bande est très faible, c'est-à-dire très inférieure à l'octave. Ainsi, les contraintes portant sur l'épaisseur font que les antennes actuelles comportant un réflecteur à structure BIE ou CMA ne permettent pas de fonctionner sur une large bande de fréquences, supérieure à la décade.
Un but de l'invention est notamment de remédier aux inconvénients précités en proposant un réflecteur d'antenne à large bande de fréquences et présentant une épaisseur réduite basé sur une structure hybride. Cette structure hybride comporte à la fois un plan conducteur électrique du type de la première solution et une structure de type CMA basée sur la deuxième solution. A cet effet, l'invention a pour objet un réflecteur d'antenne présentant localement soit des propriétés électromagnétiques d'un conducteur électrique, soit des propriétés électromagnétiques voisines d'un conducteur magnétique, en fonction du rayonnement émis ou reçu localement par l'antenne. Plus précisément, l'invention a pour objet un réflecteur d'antenne sur lequel peut être montée une antenne filaire plane à polarisation circulaire pouvant émettre un rayonnement électromagnétique selon deux directions orthogonales au plan de l'antenne sur une bande de fréquences prédéterminée, le réflecteur d'antenne étant caractérisé en ce qu'il comporte :
■ une première zone de réflexion apte à réfléchir, avec un déphasage voisin de 180 degrés, un champ électrique du rayonnement électromagnétique dit arrière dont la fréquence est comprise dans une première sous-bande de fréquences, la première zone de réflexion étant apte à venir en vis-à-vis d'une zone de l'antenne pouvant émettre un rayonnement électromagnétique dans la première sous-bande de fréquences, à une distance permettant de réfléchir le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière sensiblement en phase avec le champ électrique du rayonnement électromagnétique dit avant, et
■ une deuxième zone de réflexion apte à réfléchir, avec un déphasage compris entre deux valeurs d'angle entourant la valeur de zéro degré, le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière dont la fréquence est comprise dans une deuxième sous-bande de fréquences, la deuxième zone de réflexion étant apte à venir en vis-à-vis d'une zone de l'antenne pouvant émettre un rayonnement électromagnétique dans la deuxième sous-bande de fréquences, à une distance permettant de réfléchir le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière sensiblement en phase avec le champ électrique du rayonnement électromagnétique avant.
Le réflecteur peut comporter plusieurs zones de réflexion chacune apte à réfléchir, avec un déphasage compris entre deux valeurs entourant la valeur de zéro degré, le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière dont la fréquence est comprise dans une sous- bande de fréquences. Chaque zone de réflexion est alors apte à venir en vis- à-vis d'une zone de l'antenne pouvant émettre un rayonnement électromagnétique dans la sous-bande de fréquences considérée, à une distance permettant de réfléchir le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière sensiblement en phase avec le champ électrique du rayonnement électromagnétique avant. De même, le réflecteur peut comporter plusieurs zones de réflexion chacune apte à réfléchir, avec un déphasage voisin de 180 degrés, le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière dont la fréquence est comprise dans une sous-bande de fréquences. Chaque zone de réflexion est alors apte à venir en vis-à-vis d'une zone de l'antenne pouvant émettre un rayonnement électromagnétique dans la sous-bande de fréquences considérée, à une distance permettant de réfléchir le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière sensiblement en phase avec le champ électrique du rayonnement électromagnétique avant. Selon une forme particulière de réalisation, la première sous- bande de fréquences correspond aux fréquences les plus élevées de la bande de fréquences prédéterminée. Le réflecteur peut ainsi être placé à une distance de l'antenne sensiblement égale au quart de la longueur d'onde de la fréquence centrale de cette sous-bande de fréquences, soit relativement proche de l'antenne.
Avantageusement, les sous-bandes de fréquences, considérées dans leur ensemble, couvrent sensiblement toute la bande de fréquences prédéterminée. Le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière peut ainsi se retrouver en phase avec le champ électrique du rayonnement électromagnétique avant sur toute la bande de fréquences de l'antenne. Le réflecteur peut comporter un substrat en matériau diélectrique et un plan de masse formé sur une première surface du substrat, la première zone de réflexion étant formée sur une deuxième surface du substrat par un motif conducteur électrique, la ou les autres zones de réflexion étant chacune formées sur la deuxième surface du substrat par un ensemble de motifs conducteurs électriques disposés de manière non jointive.
Selon une première forme de réalisation, les première et deuxième surfaces du substrat sont sensiblement planes et parallèles entre elles. Selon une deuxième forme de réalisation, la deuxième surface du substrat a une forme conique.
Les motifs conducteurs électriques des ensembles formant des zones de réflexion aptes à réfléchir le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière avec un déphasage compris entre deux valeurs entourant la valeur de zéro degré peuvent être reliés électriquement au plan de masse.
Selon une forme particulière de réalisation, les deux valeurs d'angle entourant la valeur de zéro degré sont sensiblement égales à -120 degrés et +120 degrés. L'invention a également pour objet un dispositif d'antenne comprenant une antenne filaire plane à polarisation circulaire pouvant émettre un rayonnement électromagnétique sur une bande de fréquences prédéterminée et un réflecteur d'antenne selon l'invention.
L'invention a aussi pour objet un procédé de réalisation du réflecteur d'antenne selon l'invention. Le procédé comporte les étapes suivantes :
■ une étape de détermination, dans une zone de champ proche, d'une distribution d'amplitude d'un rayonnement électromagnétique apte à être émis par l'antenne en l'absence du réflecteur d'antenne pour au moins une première et une deuxième sous-bandes de fréquences appartenant à la bande de fréquences prédéterminée,
■ une étape de détermination de la forme et des dimensions d'une première zone de réflexion du réflecteur d'antenne apte à réfléchir, avec un déphasage voisin de 180 degrés, un champ électrique du rayonnement électromagnétique dit arrière dont la fréquence est comprise dans la première sous-bande de fréquences, de manière à ce que cette zone de réflexion puisse venir en vis-à-vis de la zone de l'antenne où le rayonnement électromagnétique apte à être émis par l'antenne dans la première sous- bande de fréquences a la plus forte amplitude, à une distance permettant la réflexion du champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière sensiblement en phase avec le champ électrique du rayonnement électromagnétique dit avant, et
■ une étape de détermination de la forme et des dimensions d'une deuxième zone de réflexion du réflecteur d'antenne apte à réfléchir, avec un déphasage compris entre deux valeurs d'angle entourant la valeur de zéro degré, le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière dont la fréquence est comprise dans la deuxième sous-bande de fréquences, de manière à ce que cette zone de réflexion puisse venir en vis-à-vis de la zone de l'antenne où le rayonnement électromagnétique apte à être émis par l'antenne dans la deuxième sous-bande de fréquences a la plus forte amplitude, à une distance permettant la réflexion du champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière sensiblement en phase avec le champ électrique du rayonnement électromagnétique avant.
Le procédé peut comporter les étapes supplémentaires suivantes : ■ une étape de détermination d'une distance minimale dEmin pouvant séparer l'antenne de la première zone de réflexion du réflecteur d'antenne sans altérer significativement la distribution d'amplitude du rayonnement électromagnétique émis par l'antenne dans la première sous-bande de fréquences,
■ une étape de détermination d'une distance minimale demin pouvant séparer l'antenne de la deuxième zone de réflexion du réflecteur d'antenne sans altérer significativement la distribution d'amplitude du rayonnement électromagnétique émis par l'antenne dans la deuxième sous-bande de fréquences.
L'invention a notamment pour avantage qu'elle permet de maintenir un coefficient de réflexion proche de la valeur un sur une large bande de fréquences, nominalement sur toute la bande de fréquences de fonctionnement de l'antenne.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, faite en regard de dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 représente un exemple de dispositif d'antenne comportant une antenne spirale et un réflecteur d'antenne selon l'invention ;
- la figure 2 représente des étapes possibles pour le procédé de réalisation d'un réflecteur d'antenne selon l'invention ;
- les figures 3a et 3b représentent des exemples de distributions d'amplitude du rayonnement électromagnétique émis par une antenne spirale à une fréquence donnée selon que le rayonnement électromagnétique est altéré ou non par la présence du réflecteur d'antenne ;
- la figure 4 représente un exemple de diagramme de phase obtenu dans une étape du procédé de réalisation d'un réflecteur d'antenne selon l'invention. Un conducteur électrique parfait, ou PEC pour "Perfect Electric Conductor" selon l'expression anglo-saxonne, est une structure dont une surface présente une conductivité électrique infinie. Le champ électrique tangentiel sur cette surface est donc toujours nul. Un champ électrique incident rencontrant la surface est réfléchi en opposition de phase, quelle que soit sa fréquence. Pour la suite de la description, on assimile les conducteurs électriques à des conducteurs électriques parfaits. Un conducteur magnétique parfait, ou PMC pour "Perfect Magnetic Conductor" selon l'expression anglo-saxonne, est une structure comportant une surface sur laquelle le champ magnétique tangentiel est toujours nul. Un champ magnétique incident rencontrant cette surface s'annule, tandis que le champ électrique incident est réfléchi en phase. Les structures présentant des propriétés de conducteurs magnétiques parfaits ne peuvent pas être réalisées matériellement. Il est néanmoins possible de réaliser des structures présentant des propriétés électromagnétiques voisines dans une certaine bande de fréquences et pour une polarisation donnée. On considère qu'une surface présentant des propriétés électromagnétiques voisines d'un conducteur magnétique parfait dans une bande de fréquences donnée est une surface pour laquelle la phase du coefficient de réflexion aux fréquences considérées est comprise entre deux valeurs autour de 0 °. La phase du coefficient de réflexion est par exemple comprise entre -1 20 et 1 20 degrés. Une surface présentant des propriétés électromagnétiques voisines d'un conducteur magnétique parfait dans une bande de fréquences donnée est généralement désignée comme étant une surface à haute impédance pour cette bande de fréquences.
La figure 1 représente un exemple de dispositif d'antenne 1 comportant une antenne spirale 2 et un réflecteur d'antenne 3 selon l'invention. L'antenne spirale 2 est apte à émettre sur une bande de fréquences prédéterminée, appelée bande de fréquences de fonctionnement AF. Elle peut émettre un rayonnement électromagnétique selon deux directions orthogonales à son plan. Le rayonnement électromagnétique se propageant dans la direction opposée au réflecteur d'antenne 3 est appelé rayonnement avant, et le rayonnement électromagnétique se propageant dans la direction opposée est appelé rayonnement arrière. L'antenne spirale 2 comporte un substrat diélectrique 21 et deux brins conducteurs électriques 22a et 22b formant l'élément rayonnant de l'antenne spirale 2. Le substrat diélectrique 21 est par exemple une plaque époxydique de type circuit imprimé. Il comporte une surface supérieure 24 et une surface inférieure 25 sensiblement planes et parallèles. Les brins conducteurs 22a et 22b ont une longueur identique et sont mutuellement enroulés autour d'un point central O pour former une spirale 26 sur la surface supérieure 24. Le premier brin 22a s'étend entre une extrémité intérieure A et une extrémité extérieure B de la spirale 26. Le deuxième brin 22b s'étend entre une extrémité intérieure C et une extrémité extérieure D de la spirale 26. L'antenne spirale 2 comporte également des moyens d'alimentation de l'élément rayonnant, non représentés. Habituellement, les deux brins 22a et 22b sont alimentés au niveau de leurs extrémités intérieures A et C par des signaux hyperfréquences en opposition de phase. Les brins 22a et 22b peuvent être imprimés ou gravés sur la surface supérieure 24. Ils peuvent également être formés dans un matériau conducteur électrique et fixés sur la surface supérieure 24.
Sur la figure 1 est représentée une antenne filaire plane de type spirale d'Archimède. Dans une telle antenne, chaque brin conducteur a une épaisseur constante et un espacement constant vis-à-vis de l'autre brin. Néanmoins, l'invention s'applique également à tout type d'antenne filaire plane à polarisation circulaire. Elle s'applique notamment aux antennes à spirale équiangulaire, également appelées antennes à spirale logarithmique, dans lesquelles la largeur des brins et l'espacement entre les brins augmentent avec l'éloignement du centre de la spirale. De même, l'antenne spirale de la figure 1 comporte deux brins conducteurs électriques. Cependant, l'invention s'applique également à des antennes comportant un nombre différent de brins.
Le réflecteur d'antenne faisant l'objet de l'invention utilise les propriétés de fonctionnement des antennes filaires planes. L'élément rayonnant d'une telle antenne, lorsqu'il est excité, émet un rayonnement électromagnétique depuis une zone de fonctionnement localisée, liée à l'agencement relatif des brins et au déphasage du courant circulant dans les différents brins. Cette zone de fonctionnement présente la particularité de varier en fonction de la fréquence selon une loi propre à chaque type d'antenne filaire plane. En particulier, pour une antenne à spirale d'Archimède dont les brins sont alimentés en opposition de phase, la zone de fonctionnement depuis laquelle est émis un rayonnement électromagnétique à une fréquence donnée forme un anneau dont le diamètre moyen est sensiblement égal à la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique divisée par le nombre Pi (D=A/TT). Le réflecteur d'antenne selon l'invention, sur lequel une antenne est destinée à être montée, comporte ainsi au moins deux zones de réflexion dont les propriétés électromagnétiques s'adaptent au rayonnement électromagnétique émis localement par l'antenne. Une première zone de réflexion présente des propriétés électromagnétiques d'un conducteur électrique, notamment dans une première sous-bande de fréquences AF1 . Cette sous-bande de fréquences AF1 correspond par exemple à des fréquences élevées de la bande de fréquences de fonctionnement AF dans laquelle émet l'antenne filaire plane. Une deuxième zone de réflexion présente des propriétés électromagnétiques voisines d'un conducteur magnétique parfait dans une deuxième sous-bande de fréquences AF2. Cette deuxième sous-bande de fréquences AF2 correspond par exemple à des fréquences plus faibles que celles de la première sous-bande de fréquences AF1 . Le réflecteur d'antenne comporte ainsi des zones de réflexion de deux types différents, à savoir au moins une zone de réflexion présentant des propriétés électromagnétiques d'un conducteur électrique, et au moins une zone de réflexion présentant des propriétés électromagnétiques voisines d'un conducteur magnétique parfait. Le réflecteur d'antenne peut également comporter des zones supplémentaires présentant soit des propriétés électromagnétiques d'un conducteur électrique (zones de réflexion du premier type), soit des propriétés électromagnétiques voisines d'un conducteur magnétique parfait (zones de réflexion du deuxième type) dans d'autres sous-bandes de fréquences. Avantageusement, ces différentes sous-bandes de fréquences sont déterminées de manière à couvrir, avec la première sous-bande de fréquences AF1 , l'ensemble de la bande de fréquences de fonctionnement AF. Selon une forme particulière de réalisation, les zones présentant des propriétés électromagnétiques d'un conducteur électrique sont alternées avec des zones présentant des propriétés électromagnétiques voisines d'un conducteur magnétique parfait.
Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1 , le réflecteur d'antenne 3 comporte un substrat diélectrique 31 , un plan de masse 32 porté par une surface inférieure 33 du substrat diélectrique 31 , et trois ensembles 341 , 342, 343 de motifs conducteurs électriques 34 portés par une surface supérieure 35 du substrat diélectrique 31 . Le substrat diélectrique 31 peut être une plaque époxydique de type circuit imprimé dont les surfaces supérieure 35 et inférieure 33 sont sensiblement planes et parallèles. Les motifs conducteurs 34 peuvent alors être imprimés ou gravés sur la surface supérieure 35 du substrat diélectrique 31 . Plus généralement, ils peuvent être réalisés par toute technique classique de réalisation des circuits imprimés. Ils peuvent également être formés dans un matériau conducteur électriquement et fixés sur la surface supérieure 35. La surface inférieure 25 du substrat diélectrique 21 de l'antenne spirale 2 vient en vis-à- vis de la surface supérieure 35 du substrat diélectrique 31 du réflecteur d'antenne 3. Le substrat diélectrique 21 peut venir en appui directement sur les motifs conducteurs 34. Le substrat diélectrique 21 remplit alors une fonction d'isolation électromagnétique entre l'antenne spirale 2 et le réflecteur d'antenne 3. Cette isolation peut néanmoins être assurée par tout autre moyen. Chaque ensemble 341 , 342, 343 de motifs conducteurs 34 est configuré de manière à former une zone de réflexion dont les propriétés électromagnétiques peuvent différer de celles des autres zones afin de s'adapter au rayonnement électromagnétique à réfléchir localement. Le premier ensemble 341 de motifs conducteurs 34 ne comporte qu'un seul motif conducteur de la forme d'un disque. Le disque conducteur 36 forme ainsi une première zone de réflexion 341 A dont les propriétés électromagnétiques s'apparentent à celles d'un conducteur électrique. Cette zone 341 A appartient donc au premier type de zone de réflexion. En particulier, le disque conducteur 36 présente des propriétés électromagnétiques d'un conducteur électrique au moins dans la première sous-bande de fréquences AF1 . Le réflecteur d'antenne 3 peut ainsi être placé à une distance relativement proche de l'antenne spirale 2. La distance considérée entre le réflecteur d'antenne 3 et l'antenne spirale 2 peut être la distance entre la surface supérieure 35 du substrat diélectrique 31 du réflecteur d'antenne 3 et la surface supérieure 24 du substrat diélectrique 21 de l'antenne spirale 2, appelée hauteur h. Théoriquement, la hauteur h peut être sensiblement égale à un multiple entier impair de quarts de longueurs d'onde de la fréquence centrale de la première sous-bande de fréquences AF1 ((2.Ν+1 ).λ/4, où N est un entier naturel), le rayonnement électromagnétique arrière réfléchi se retrouvant en phase avec le rayonnement incident au niveau de la surface supérieure 24 du substrat diélectrique 21 de l'antenne spirale 2. La hauteur h est par exemple sensiblement égale au quart de la longueur d'onde de la fréquence centrale de la première sous-bande de fréquences AF1 . Le deuxième ensemble 342 de motifs conducteurs 34 comporte plusieurs motifs conducteurs électriques 34 non jointifs disposés sur la surface supérieure 35 de manière à former globalement une zone de réflexion annulaire 342A entourant le disque conducteur 36 et dont le centre est sensiblement confondu avec le centre du disque conducteur 36. De même, le troisième ensemble 343 de motifs conducteurs 34 comporte plusieurs motifs conducteurs 34 non jointifs formant globalement une zone de réflexion annulaire 343A de diamètre supérieur au diamètre de la zone annulaire 342A formée par le deuxième ensemble 342 de motifs conducteurs 34. Les motifs conducteurs 34 des deuxième et troisième ensembles 342 et 343 peuvent être reliés électriquement au plan de masse 32, par exemple par l'intermédiaire de trous métallisés réalisés dans le substrat diélectrique 31 du réflecteur d'antenne 3. Chaque ensemble 342 et 343 de motifs conducteurs 34 forme ainsi une zone de réflexion présentant des propriétés électromagnétiques voisines d'un conducteur magnétique parfait. La forme géométrique et les dimensions des motifs conducteurs 34 sont déterminées de manière à ce que chaque zone de réflexion annulaire 342A et 343A, destinée à former localement un réflecteur pour la zone de fonctionnement de l'antenne spirale 2 dans une sous-bande de fréquences AF2 ou AF3, présente des propriétés électromagnétiques voisines d'un conducteur magnétique parfait au moins dans cette sous-bande de fréquences AF2 ou AF3. Les zones de réflexion 342A et 343A appartiennent ainsi au deuxième type de zone de réflexion. Le réflecteur d'antenne 3 peut également comporter d'autres zones de réflexion dont les propriétés électromagnétiques s'apparentent à celles d'un conducteur électrique (zones de réflexion du premier type). Ces zones de réflexion sont prévues pour venir à une distance de l'antenne 2 de manière à pouvoir réfléchir le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière sensiblement en phase avec le champ électrique du rayonnement électromagnétique avant au niveau de la surface supérieure 24 de l'antenne 2. En théorie, la hauteur, ou distance entre ces zones de réflexion et l'antenne 2 doit être sensiblement égale à un multiple entier pair de quarts de longueurs d'onde de la fréquence centrale de la sous-bande de fréquences respective (2.N.A/4, où N est un entier naturel). En pratique, la hauteur peut différer selon le champ proche émis par l'antenne 2, comme expliqué ci- dessous.
La figure 2 illustre des étapes possibles du procédé de réalisation d'un réflecteur d'antenne selon l'invention pour une antenne filaire plane. Pour la suite de la description, on continue à considérer le cas particulier d'une antenne spirale comme celle représentée sur la figure 1 . Le procédé s'applique néanmoins à tout type d'antenne filaire plane à polarisation circulaire. Dans une première étape 1 01 , le rayonnement électromagnétique émis par l'antenne spirale 2 seule, c'est-à-dire sans le réflecteur d'antenne 3, est caractérisé pour au moins deux fréquences appartenant à la bande de fréquences de fonctionnement AF de l'antenne spirale 2. Il est bien entendu possible de caractériser le rayonnement électromagnétique sur deux sous- bandes de fréquences appartenant à la bande de fréquences de fonctionnement AF. Pour la suite de la description, on considère que le rayonnement électromagnétique est caractérisé pour les sous-bandes de fréquence AF1 , AF2 et AF3. Plus précisément, on détermine des distributions en amplitude et en phase de champs électromagnétiques émis par l'antenne spirale 2 dans la zone de champ proche dans un plan sensiblement parallèle au plan de l'antenne spirale 2, en l'occurrence la surface supérieure 24. A cet effet, les brins conducteurs 22a et 22b de l'antenne spirale 2 sont alimentés à leurs extrémités intérieures A et C par des courants électriques de mêmes amplitudes et présentant en général une différence de phase de 1 80 degrés. Comme indiqué ci-dessus, le rayonnement électromagnétique émis par l'antenne spirale 2 présente une amplitude maximale lorsque les courants circulant dans les brins 22a et 22b se trouvent localement en phase. En pratique, le rayonnement électromagnétique émis par l'antenne spirale 2 à une fréquence donnée présente une amplitude maximale dans une zone formant un anneau circulaire dont le diamètre moyen est sensiblement égal à la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique divisée par le nombre Pi. Dans une deuxième étape 1 02, la distance minimale dEmin pouvant séparer l'antenne spirale 2 d'un conducteur électrique sans altérer la distribution d'amplitude du rayonnement électromagnétique émis par l'antenne spirale 2 dans la sous-bande de fréquences AF1 est déterminée. La distribution d'amplitude est par exemple considérée dans la zone de champ proche. La distance considérée est par exemple la hauteur h entre la surface supérieure 35 du substrat diélectrique 31 du réflecteur d'antenne 3 et la surface supérieure 24 du substrat diélectrique 21 de l'antenne spirale 2. L'étape 1 02 peut être réalisée sur une large bande de fréquences, par exemple sur toute la bande de fréquences de fonctionnement AF. En pratique, il s'agit essentiellement de déterminer la distance minimale devant séparer l'antenne spirale 2 de la zone de réflexion 341 A présentant des propriétés électromagnétiques d'un conducteur électrique. L'étape 1 02 est donc réalisée au moins pour la sous-bande de fréquences AF1 . Les figures 3a et 3b représentent deux exemples de distributions d'amplitude du rayonnement électromagnétique émis par une antenne spirale 2 à une fréquence donnée dans un plan appartenant à la zone de champ proche parallèle au plan de l'antenne spirale 2. La première distribution, représentée sur la figure 3a, est relative à une distance entre l'antenne spirale 2 et le réflecteur d'antenne 3 pour laquelle le rayonnement électromagnétique n'est pas altéré ; la deuxième distribution, représentée sur la figure 3b, est relative à une distance pour laquelle le rayonnement électromagnétique est altéré. Sur la figure 3a, on distingue des anneaux circulaires 301 à 305 correspondant à différentes amplitudes de la densité d'énergie électrique. Les anneaux 301 et 305, 302 et 304, et 303 présentent par exemple des amplitudes moyennes respectivement égales à 2.1 0"7 J/m3, 6.1 0"7 J/m3, et 1 ,5.10"6 J/m3. L'anneau 303 correspond ainsi à la zone de fonctionnement de l'antenne spirale 2 à la fréquence donnée. La forme annulaire de la distribution d'amplitude permet de déduire que le rayonnement électromagnétique n'est pas altéré. Sur la figure 3b, on distingue des zones d'amplitude de forme irrégulière. Une première zone 306 présente une amplitude moyenne sensiblement égale à 2.1 0"7 J/m3. Deux zones 307a et 307b présentent une amplitude moyenne sensiblement égale à 2,5.1 0"6 J/m3, et deux zones 308a et 308b présentent une amplitude moyenne sensiblement égale à 5,5.1 0"6 J/m3. Le fait que les zones présentant une amplitude maximale ne forment pas une zone annulaire continue permet de déduire que le rayonnement électromagnétique est altéré. Bien entendu, le caractère altéré ou non du rayonnement électromagnétique doit être examiné en fonction de la géométrie de l'antenne considérée. Dans le cas d'une antenne spirale, la forme discriminante est un anneau circulaire.
Dans une troisième étape 1 03 du procédé de réalisation d'un réflecteur d'antenne 3 selon l'invention, la distance minimale demin pouvant séparer l'antenne spirale 2 d'un conducteur magnétique parfait sans altérer la distribution d'amplitude du rayonnement électromagnétique émis par l'antenne spirale 2 au moins dans l'une des sous-bande de fréquences AF2 et AF3 est déterminée. La distribution d'amplitude est par exemple considérée dans la zone de champ proche. La distance considérée peut également être la hauteur h. L'étape 1 03 peut être réalisée sur une large bande de fréquences, par exemple sur toute la bande de fréquences de fonctionnement AF. En pratique, il s'agit essentiellement de déterminer la distance minimale demin devant séparer l'antenne spirale 2 des zones de réflexion 342A et 343A dont les propriétés électromagnétiques s'apparentent à celles d'un conducteur magnétique parfait. L'étape 103 est donc réalisée de préférence pour les sous-bandes de fréquences AF2 et AF3. Le cas échéant, elle est réalisée pour chacune des sous-bandes de fréquences considérées en dehors de la sous-bande de fréquences AF1 . Dans une quatrième étape 1 04, la forme et les dimensions de la première zone de réflexion 341 A, présentant des propriétés électromagnétiques d'un conducteur électrique dans la sous-bande de fréquences AF1 (zone de réflexion du premier type), sont déterminées de manière à ce que cette zone de réflexion 341 A vienne au voisinage de la zone de fonctionnement de l'antenne spirale 2 dans cette sous-bande de fréquences AF1 . L'étape 1 04 consiste essentiellement à déterminer le diamètre du disque conducteur 36. Dans une cinquième étape 1 05, la forme et les dimensions des zones de réflexion 342A et 343A, présentant des propriétés électromagnétiques voisines d'un conducteur magnétique parfait dans les sous-bandes de fréquences respectives AF2 et AF3 (zones de réflexion du deuxième type), sont également déterminées de manière à ce que chaque zone de réflexion 342A et 343A vienne au voisinage de la zone de fonctionnement de l'antenne spirale 2 dans la sous-bande de fréquences respective AF2 ou AF3. L'étape 105 consiste essentiellement à déterminer les diamètres internes et externes des zones de réflexion 342A et 343A ainsi que les longueurs des arcs de cercles délimitant radialement les motifs conducteurs 34. Plus généralement, l'étape 1 05 consiste à déterminer l'emplacement et la surface des motifs conducteurs 34 de manière à ce que chaque ensemble de motifs conducteurs forme une surface présentant des propriétés électromagnétiques voisines d'un conducteur magnétique parfait dans une sous-bande de fréquences. Dans les étapes 1 04 et 1 05, on considère qu'une zone de réflexion vient au voisinage d'une zone de fonctionnement de l'antenne spirale 2 lorsqu'elle permet de réfléchir le rayonnement électromagnétique émis par cette zone de fonctionnement dans la direction de rayonnement souhaitée. Il est à noter que les étapes du procédé de réalisation du réflecteur d'antenne 3 peuvent être réalisées dans un ordre différent, tant que la première étape 1 01 est réalisée avant les étapes 1 04 et 105.
L'étape 105 peut par exemple être réalisée par une adaptation de structures CMA classiques. Une structure CMA classique comporte un substrat diélectrique, un plan de masse porté par une première surface du substrat diélectrique, et des motifs conducteurs électriques de forme rectangulaire agencés suivant une matrice régulière et portés par une deuxième surface du substrat diélectrique. L'épaisseur du substrat diélectrique de la structure CMA classique est de préférence choisie égale à l'épaisseur du substrat diélectrique 31 du réflecteur d'antenne 3. Une structure CMA présente des propriétés électromagnétiques voisines d'un conducteur magnétique parfait dans une sous-bande de fréquences déterminée. Dans une première sous-étape, on détermine, pour chaque sous-bande de fréquences en dehors de la sous-bande de fréquences AF1 , les dimensions (longueur et largeur) des motifs conducteurs d'une structure CMA classique permettant de former une surface présentant des propriétés voisines d'un conducteur magnétique parfait dans la sous-bande de fréquences considérée. Dans le cas d'une antenne spirale, les surfaces des motifs conducteurs formant le réflecteur sont de plus en plus grandes à mesure que l'on s'éloigne du centre du réflecteur d'antenne 3. Dans une deuxième sous-étape, pour chacune des sous-bandes de fréquences considérées, on adapte les motifs conducteurs des structures CMA classiques à la zone de fonctionnement correspondante de l'antenne spirale 2, chaque motif conducteur adapté 34 conservant sensiblement une même surface que celle dans la structure CMA classique. Dans une antenne spirale, les motifs conducteurs 34 prennent donc globalement une forme annulaire, comme représenté sur la figure 1 . Dans une troisième sous-étape, on construit un diagramme de phase résultant de l'association de différents diagrammes de phases associés chacun à l'une des structures CMA classiques considérées. La figure 4 représente un exemple d'un tel diagramme de phase. Des phases du coefficient de réflexion des différentes structures CMA classiques sont tracées sur un premier graphique en fonction du rayon de l'antenne spirale 2 ; les fréquences de fonctionnement de l'antenne spirale 2 sont tracées sur un deuxième graphique en fonction du rayon de l'antenne spirale 2. Dans une quatrième sous-étape, on choisit, à partir du diagramme de phase de la figure 4, au moins un ensemble 342 de motifs conducteurs 34 permettant de réfléchir un rayonnement électromagnétique incident avec un déphasage sensiblement égal à zéro degré. De préférence, on choisit plusieurs ensembles de motifs conducteurs 34, par exemple les deux ensembles 341 et 342, de manière à couvrir différentes zones de fonctionnement de l'antenne spirale 2 sans qu'il y ait recouvrement de motifs conducteurs 34 entre différents ensembles. Le réflecteur d'antenne 3 obtenu par le procédé selon l'invention est destiné à recevoir une antenne spirale 2 à une distance minimum pour laquelle ni la première zone de réflexion 341 A, ni les zones de réflexion 342A et 343A n'altèrent le rayonnement électromagnétique. La distance minimum correspond de préférence au maximum entre les distances dEmin et demin déterminées dans les étapes 102 et 103. Dans la mesure où les longueurs d'onde du rayonnement électromagnétique émis dans la première sous- bande de fréquences AF1 sont plus courtes que les longueurs d'onde du rayonnement électromagnétique émis dans la deuxième sous-bande de fréquences AF2, les rayonnements électromagnétiques émis à la fois dans la sous-bande de fréquences AF1 et dans la sous-bande de fréquences AF2 peuvent se retrouver en phase avec les rayonnements électromagnétiques réfléchis correspondants dans la zone de champ proche. Afin de conserver une réflexion en phase sur toute la bande de fréquences de fonctionnement AF de l'antenne spirale 2, il est en outre possible de faire varier la distance séparant l'antenne spirale 2 du réflecteur d'antenne 3, ou d'utiliser des matériaux magnéto-diélectriques présentant différentes permittivités diélectriques.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Réflecteur d'antenne sur lequel peut être montée une antenne filaire plane à polarisation circulaire (2) pouvant émettre un rayonnement électromagnétique selon deux directions orthogonales au plan de l'antenne (2) sur une bande de fréquences prédéterminée, le réflecteur d'antenne (3) étant caractérisé en ce qu'il comporte :
■ au moins une zone de réflexion (341 A) d'un premier type, chacune desdites zones étant apte à réfléchir, avec un déphasage voisin de 180 degrés, un champ électrique du rayonnement électromagnétique dit arrière dont la fréquence est comprise dans une sous-bande de la bande de fréquences, chacune desdites zones de réflexion (341 A) étant apte à venir en vis-à-vis d'une zone de l'antenne (2) pouvant émettre un rayonnement électromagnétique dans la sous-bande de fréquences correspondante, à une distance permettant de réfléchir le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière sensiblement en phase avec le champ électrique du rayonnement électromagnétique dit avant, et
■ au moins une zone de réflexion (342A, 343A) d'un deuxième type, chacune desdites zones étant apte à réfléchir, avec un déphasage compris entre deux valeurs d'angle entourant la valeur de zéro degré, le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière dont la fréquence est comprise dans une sous-bande de la bande de fréquences, chacune desdites zones de réflexion (342A, 343A) étant apte à venir en vis-à-vis d'une zone de l'antenne (2) pouvant émettre un rayonnement électromagnétique dans la sous-bande de fréquences correspondante, à une distance permettant de réfléchir le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière sensiblement en phase avec le champ électrique du rayonnement électromagnétique avant.
2. Réflecteur selon la revendication 1 comportant plusieurs zones de réflexion (342A, 343A) du deuxième type, chacune desdites zones de réflexion (342A, 343A) étant apte à venir en vis-à-vis d'une zone de l'antenne (2) pouvant émettre un rayonnement électromagnétique dans la sous-bande de fréquences considérée, à une distance permettant de réfléchir le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière sensiblement en phase avec le champ électrique du rayonnement électromagnétique avant.
3. Réflecteur selon l'une des revendications 1 et 2 comportant une seule zone de réflexion (341 A) du premier type au centre de la ou des autres zones de réflexion (342A, 343A) du deuxième type.
4. Réflecteur selon la revendication 3, dans lequel la sous-bande de fréquences de la zone de réflexion (341 A) du premier type correspond aux fréquences les plus élevées de la bande de fréquences prédéterminée.
5. Réflecteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les sous-bandes de fréquences des différentes zones de réflexion (341 A, 342A, 343A) sont distinctes les unes des autres et, considérées dans leur ensemble, couvrent sensiblement toute la bande de fréquences prédéterminée.
6. Réflecteur selon l'une des revendications précédentes, comportant un substrat (31 ) en matériau diélectrique et un plan de masse (32) formé sur une première surface (33) du substrat (31 ), la ou les zones de réflexion (341 A) du premier type étant chacune formées sur une deuxième surface (35) du substrat (31 ) par un motif conducteur électrique (34, 36), la ou les autres zones de réflexion (342A, 343A) du deuxième type étant chacune formées sur la deuxième surface (35) du substrat (31 ) par un ensemble (342, 343) de motifs conducteurs électriques (34) disposés de manière non jointive.
7. Réflecteur selon la revendication 6, dans lequel les première et deuxième surfaces (33, 35) du substrat (31 ) sont sensiblement planes et parallèles entre elles.
8. Réflecteur selon la revendication 6, dans lequel la deuxième surface (35) du substrat (31 ) a une forme conique.
9. Réflecteur d'antenne selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel les motifs conducteurs électriques (34) des ensembles (342, 343) formant des zones de réflexion (342A, 343A) du deuxième type sont reliés électriquement au plan de masse (32).
10. Réflecteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les deux valeurs d'angle entourant la valeur de zéro degré sont sensiblement égales à -120 degrés et +120 degrés.
1 1 . Dispositif d'antenne comprenant une antenne filaire plane à polarisation circulaire (2) pouvant émettre un rayonnement électromagnétique sur une bande de fréquences prédéterminée et un réflecteur d'antenne (3) selon l'une des revendications précédentes.
12. Procédé de réalisation d'un réflecteur d'antenne (3) pour une antenne filaire plane à polarisation circulaire (2) pouvant émettre un rayonnement électromagnétique selon deux directions orthogonales au plan de l'antenne (2) sur une bande de fréquences prédéterminée, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
■ une étape (101 ) de détermination, dans une zone de champ proche, d'une distribution d'amplitude d'un rayonnement électromagnétique apte à être émis par l'antenne (2) en l'absence du réflecteur d'antenne (3) pour au moins une première et une deuxième sous-bandes de fréquences appartenant à la bande de fréquences prédéterminée,
■ une étape (104) de détermination de la forme et des dimensions d'une première zone de réflexion (341 A) du réflecteur d'antenne (3) apte à réfléchir, avec un déphasage voisin de 180 degrés, un champ électrique du rayonnement électromagnétique dit arrière dont la fréquence est comprise dans la première sous-bande de fréquences, de manière à ce que cette zone de réflexion (341 A) puisse venir en vis-à-vis de la zone de l'antenne (2) où le rayonnement électromagnétique apte à être émis par l'antenne (2) dans la première sous-bande de fréquences a la plus forte amplitude, à une distance permettant la réflexion du champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière sensiblement en phase avec le champ électrique du rayonnement électromagnétique dit avant, et
■ une étape (105) de détermination de la forme et des dimensions d'une deuxième zone de réflexion (342A) du réflecteur d'antenne (3) apte à réfléchir, avec un déphasage compris entre deux valeurs d'angle entourant la valeur de zéro degré, le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière dont la fréquence est comprise dans la deuxième sous-bande de fréquences, de manière à ce que cette zone de réflexion (342A) puisse venir en vis-à-vis de la zone de l'antenne (2) où le rayonnement électromagnétique apte à être émis par l'antenne (2) dans la deuxième sous-bande de fréquences a la plus forte amplitude, à une distance permettant la réflexion du champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière sensiblement en phase avec le champ électrique du rayonnement électromagnétique avant.
13. Procédé selon la revendication 12, comportant en outre les étapes suivantes :
■ une étape de détermination d'une distance minimale dEmin pouvant séparer l'antenne (2) de la première zone de réflexion (341 A) du réflecteur d'antenne (3) sans altérer significativement la distribution d'amplitude du rayonnement électromagnétique émis par l'antenne (2) dans la première sous-bande de fréquences,
■ une étape de détermination d'une distance minimale demin pouvant séparer l'antenne (2) de la deuxième zone de réflexion (342A) du réflecteur d'antenne (3) sans altérer significativement la distribution d'amplitude du rayonnement électromagnétique émis par l'antenne (2) dans la deuxième sous-bande de fréquences.
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