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WO2008135677A1 - Antenne à résonateur équipé d'un revêtement filtrant et système incorporant cette antenne - Google Patents

Antenne à résonateur équipé d'un revêtement filtrant et système incorporant cette antenne Download PDF

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Publication number
WO2008135677A1
WO2008135677A1 PCT/FR2008/050426 FR2008050426W WO2008135677A1 WO 2008135677 A1 WO2008135677 A1 WO 2008135677A1 FR 2008050426 W FR2008050426 W FR 2008050426W WO 2008135677 A1 WO2008135677 A1 WO 2008135677A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
frequency
wall
electromagnetic waves
reflector
antenna
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2008/050426
Other languages
English (en)
Inventor
Marc Thevenot
Bernard Jecko
Thierry Monediere
Régis CHANTALAT
Cyrille Menudier
Patrick Dumon
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National dEtudes Spatiales CNES
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Limoges
Original Assignee
Centre National dEtudes Spatiales CNES
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Limoges
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National dEtudes Spatiales CNES, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Limoges filed Critical Centre National dEtudes Spatiales CNES
Priority to EP08787987A priority Critical patent/EP2130266B1/fr
Priority to US12/593,520 priority patent/US8149180B2/en
Priority to CA2682273A priority patent/CA2682273C/fr
Priority to ES08787987T priority patent/ES2390393T3/es
Priority to CN200880015662.9A priority patent/CN101682123B/zh
Priority to JP2010500326A priority patent/JP5469054B2/ja
Publication of WO2008135677A1 publication Critical patent/WO2008135677A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/2005—Electromagnetic photonic bandgaps [EPB], or photonic bandgaps [PBG]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/006—Selective devices having photonic band gap materials or materials of which the material properties are frequency dependent, e.g. perforated substrates, high-impedance surfaces
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/006—Selective devices having photonic band gap materials or materials of which the material properties are frequency dependent, e.g. perforated substrates, high-impedance surfaces
    • H01Q15/0073—Selective devices having photonic band gap materials or materials of which the material properties are frequency dependent, e.g. perforated substrates, high-impedance surfaces said selective devices having corrugations
    • 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
    • H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
    • H01Q19/12—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces wherein the surfaces are concave
    • H01Q19/17—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces wherein the surfaces are concave the primary radiating source comprising two or more radiating elements

Definitions

  • Resonator antenna equipped with a filter coating and system incorporating this antenna.
  • the present invention relates to a resonator antenna equipped with a filter coating and a system incorporating this antenna.
  • Known antennas are designed to transmit or receive electromagnetic waves at a working frequency fj.
  • These antennas may comprise a first resonator formed of: a reflector reflecting all of the electromagnetic waves at the frequency f ⁇ propagating perpendicularly to this reflector,
  • a partially reflecting wall traversed by the electromagnetic waves at the frequency f T , this wall reflecting strictly less than 100% and more than 80% of the electromagnetic waves at the frequency f 1 propagating perpendicularly to this wall, a cavity bounded on one side by an upper face of the reflector and on the other side by a lower face of the partially reflecting wall, and
  • At least one excitation probe of the cavity adapted to receive or inject into this cavity, at the reflector, electromagnetic fields at the frequency fj.
  • the reflection coefficient of a wall or a reflector depends on the angle of incidence, the frequency of the electromagnetic wave and the polarization of this electromagnetic wave.
  • the reflectivity values of the walls or reflectors are given for the following situation: the frequency of the electromagnetic wave is equal to the working frequency f, the angle of incidence is zero, that is to say the electromagnetic wave propagates perpendicular to the wall or reflector, and
  • the polarization taken into account is that of the electric field radiated or received by the excitation probe.
  • antennas are described in the particular case of antennas BIP material (Banding Prohibited Photonics) failing in the patent application filed under the number FR 99 14521. These antennas have a small footprint and a strong directivity. The radiation pattern of these antennas thus has an important main lobe and secondary lobes.
  • the invention aims to reduce the size and size of the side lobes. It therefore relates to an antenna in which the first resonator comprises a filter coating covering the majority of the upper face of the reflector located inside the cavity, this coating being able to eliminate any electromagnetic waves of frequency fj propagating in a direction parallel to the upper face of the reflector without eliminating any electromagnetic waves at the frequency fj propagating in a direction perpendicular to the upper face of the reflector.
  • Embodiments of this antenna may include one or more of the following features:
  • the filtering coating forms a BIP (Photonic Prohibited Band) material comprising at least a first and a second material differing in their permittivity and / or their permeability and / or their conductivity arranged alternately at regular intervals only along one or several directions parallel to the upper face of the reflector, the regular interval being a function of the wavelength ⁇ 1 of the electromagnetic waves of frequency f ⁇ in the first material so as to eliminate the electromagnetic waves of frequency f ⁇ propagating parallel to the upper face of the reflector; the first material forming the filtering coating is identical to the material filling the cavity;
  • BIP Photonic Prohibited Band
  • the second material forming the coating is identical to the material forming the upper face of the reflector;
  • the second material forms studs whose greatest width extends in a direction perpendicular to the upper face of the reflector, these studs being distributed at regular intervals on the upper face of the reflector in two non-collinear directions and parallel to this upper face; , most wide width being strictly less than ⁇ i / 2, where ⁇ i is the wavelength of the electromagnetic waves of frequency fj in the first material;
  • ⁇ 2 is the wavelength of the electromagnetic waves of frequency fj in the material filling the cavity
  • the partly reflecting wall is a grating consisting of a plurality of parallel metallic bars, the smallest distance between two adjacent parallel bars being strictly less than ⁇ 3/2, where ⁇ 3 is the wavelength of the electromagnetic waves of frequency f in air;
  • the partially reflecting wall is a BIP material having at least two materials differing in their permittivity and / or their permeability and / or their conductivity arranged alternately at least along a direction perpendicular to the upper face of the reflector, one of these two materials being the same as that filling the cavity;
  • the antenna comprises a second resonator formed of a radiating wall traversed by the electromagnetic waves at the frequency f 1 having an outer radiating face, this radiating wall reflecting strictly less than 100% and more than 80% of the electromagnetic waves at the frequency fj propagating perpendicularly to this radiant wall, the reflectivity of the radiating wall being strictly less than that of the partially reflecting wall,
  • a leaky resonant cavity delimited on one side by a lower face of the radiating wall and on the other side by an upper face of the partially reflecting wall of the first resonator, the radiant wall and the partially reflecting wall being separated from one another by a height h 2 constant less than or equal to ⁇ 4/2 + ⁇ 4/20, where ⁇ 4 is the wavelength of the electromagnetic wave frequency fj in the material filling the cavity resonator to leakage;
  • the antenna comprises several excitation probes in the first resonator each causing the formation of an excitation task on the upper face of the partially reflecting wall, each excitation task; creating in turn a radiating task on the radiating face of the radiant wall, each excitation task and radiating task being defined as being the area of the upper face of the partially reflecting wall, respectively of the radiating wall, located around a point of this face where the intensity of the electromagnetic field emitted by this probe is maximum and including all the points of this face where the intensity of the electromagnetic field emitted by this probe is greater than or equal to half of this maximum intensity, and wherein the distance separating two contiguous excitation probes is chosen small enough so that the radiating spots created by these probes overlap partially;
  • each excitation probe has a surface for injecting and / or receiving electromagnetic waves at the frequency f T whose greatest width is greater than or equal to ⁇ 2 , the distribution of the power of the electromagnetic waves on the surface injection and / or reception having a point where the power is maximum, this point being away from the periphery of this surface, and the power decreases continuously along a straight line from this point to the periphery and this regardless of the direction of the line considered in the plane of this surface, ⁇ 2 , being the wavelength of the electromagnetic waves of frequency f ⁇ in the material filling the cavity of the first resonator;
  • h 2 (2n ⁇ + Cp 1 + ⁇ 2 ) - 4 ⁇
  • n is the positive or negative integer which makes it possible to obtain the smallest positive height h 2 ,
  • Cp 1 is the phase shift introduced between an incident electromagnetic wave at the frequency fj and the reflected wave after reflection on the upper face of the partially reflecting wall of the first resonator
  • ⁇ 4 is the wavelength of the electromagnetic wave of frequency fj in the material filling the resonant leak cavity
  • the cavity of the first resonator forms a waveguide having a cutoff frequency f c of the propagation mode TMi and TEi or an asymptotic value I o C above which no TEM propagation mode can not be established, and wherein the frequency f is less than or equal to the frequency f c and greater than or equal to the asymptotic value C.
  • the embodiments of the antenna further have the following advantages: using a BIP material to form the filter coating increases the directivity of the antenna,
  • excitation probes whose largest width is greater than or equal to the wavelength of the electromagnetic waves at the frequency fj makes it possible to increase the directivity and the gain of the antenna or of each beam of the antenna .
  • excitation probes are used in an antenna comprising the first and the second resonator, this makes it possible to obtain the abovementioned advantages while maintaining the reflectivity of the upper face of the partially reflecting, unchanged wall.
  • the invention also relates to a system for transmitting or receiving electromagnetic waves comprising:
  • a focusing device able to focus the electromagnetic waves emitted or received by the system on a focal point
  • the use of the claimed antenna increases the efficiency of this system by illuminating the largest possible area of the focusing device while reducing overflow losses beyond the contour of this device. of focus.
  • FIG. 1 is a schematic illustration of a plane waveguide
  • FIG. 2 is a dispersion diagram of the guided propagation modes of the waveguide of FIG. 1,
  • FIG. 3 is a diagrammatic and perspective illustration of a first embodiment of an antenna equipped with a filtering coating made from a BIP material
  • FIG. 4 is a scatter diagram of the guided propagation modes of the antenna of FIG. 3;
  • FIG. 5 is a diagrammatic and perspective illustration of a second embodiment of an antenna equipped with a filtering coating
  • FIGS. 6, 7 and 8 are diagrammatic illustrations, respectively, of a third, a fourth and a fifth embodiment of an antenna equipped with a filtering coating
  • FIG. 9 is a graph illustrating the evolution of the directivity of the antennas of FIGS. 5 and 6 as a function of the working frequency;
  • FIGS. 10 and 11 are radiation diagrams of an antenna without a filter coating,
  • FIGS. 12 and 13 are radiation diagrams of the antenna of FIG. 5;
  • FIGS. 14 and 15 are radiation diagrams of the antenna of FIG. 6,
  • FIG. 16 is a schematic and perspective illustration of an interlaced multibeam antenna
  • FIG. 17 is a schematic illustration of a scattering diagram of the guided propagation modes of the antenna of FIG. 16;
  • FIG. 18 is a schematic illustration of a beam emission system interlaced with the terrestrial surface;
  • FIG. 19 is a schematic illustration, in perspective and in section of a cylindrical antenna equipped with a filter coating.
  • FIG. 1 represents a plane wave guide 2 and FIG. 2 represents the dispersion diagram of this guide 2.
  • FIGS. 1 and 2 are known and are introduced here only to recall the definition of certain technical terms.
  • the guide 2 is formed of a reflective plane 4 extending parallel to a horizontal XY plane, defined by two orthogonal directions X and Y.
  • the plane 4 reflects 100% of the electromagnetic waves at the frequency fj which propagate perpendicular to its surface .
  • the plane 4 is made of metal.
  • Z is the direction perpendicular to the X and Y directions.
  • a horizontal wall 6 partially reflecting.
  • partially reflecting means a wall that reflects strictly less than 100% and more than 80% of electromagnetic waves of frequency fj propagating perpendicular to one of the horizontal faces of this wall 6.
  • the wall 6 is separated from the reflector 4 by a space 8 of constant height h. This space is, for example, filled with air.
  • the height h is measured in the Z direction.
  • a wavy arrow 10 represents a guided electromagnetic wave propagating in the space 8.
  • the propagation direction of the waves is parallel to the direction Y.
  • the dotted arrows 11 represent the electromagnetic waves that leak the space 8 through the wall 6 which is only partially reflective.
  • transverse dimensions that is to say perpendicular to the direction of propagation, are assumed to be infinite in the case of a plane waveguide.
  • Figure 2 shows the dispersion diagram of the waveguide 2.
  • the constant ⁇ represents the propagation constant of a mode propagating parallel to the reflector 4.
  • the ordinate axis represents the frequency of the electromagnetic wave propagating in space 8.
  • a plane waveguide In a plane waveguide, only certain propagation modes can be established according to the frequency of the wave to be propagated. These propagation modes are conventionally known in the terminology of TEM mode, (Magnetic Electric Transverse) of mode TE n (Electric Transverse of order n) and TM n (Magnetic Transverse of order n), where n is an integer greater than or equal to zero.
  • TEM mode Magnetic Electric Transverse
  • TE n Electrom Transverse of order n
  • TM n Magnetic Transverse of order n
  • a straight line 12 passing through the origin represents the value of the constant ⁇ for each frequency of the guided wave in the case where the propagation mode is the TEM mode.
  • a curve 14 represents the value of the constant ⁇ for each possible frequency of the guided wave in the case where the propagation mode is the TEi or TMi mode.
  • the curve 14 intersects the axis of frequencies for a frequency f c known under the term "cutoff frequency".
  • the cutoff frequency for TEi or TMi modes is defined by the following relation:
  • n is the positive or negative integer such that f c is its smallest non-zero positive value.
  • Cp 1 is the phase shift introduced between an incident electromagnetic wave at the frequency f T and the wave reflected after reflection on the reflector 4,
  • - ⁇ 2 is the phase shift introduced between an incident electromagnetic wave at the frequency fj and the reflected wave after reflection on the wall 6
  • - c is the velocity or velocity of the phase of the wave in the space 8.
  • the guided wave can propagate within the space 8 only according to the TEM mode.
  • the wave guided in the space 8 can spread according to the TEM mode, TEi or TMi.
  • evanescent modes are characterized by the fact that the amplitude of the guided wave decreases very rapidly in the direction of propagation so that this wave can not propagate over a distance greater than 2 ⁇ where ⁇ is the wavelength of the electromagnetic wave of frequency f ⁇ in the material filling the space 8.
  • the evanescent modes of the guide 2 correspond to modes of operation for which a maximum of electromagnetic energy is dissipated in the form of radiation in space after having passed through the wall 6.
  • FIG. 3 represents an antenna 20 designed to emit or receive electromagnetic waves at the working frequency f ⁇ .
  • This antenna 20 comprises a resonator formed:
  • a plane-shaped reflector 22 extending parallel to a horizontal plane XY defined by orthogonal X and Y directions
  • a partially reflective wall 24 disposed above the reflector plane 22 in a direction Z perpendicular to the X and Y directions and extending parallel to the XY plane.
  • the reflective plane 22 is chosen to reflect 100% of the electromagnetic waves of frequency fj which propagate perpendicularly to this plane.
  • the reflective plane 22 is made of metal and can be connected to a reference potential such as ground.
  • Wall 24 is here designed to reflect strictly less than 100% and more than 80% of electromagnetic waves of frequency f T propagating in a direction perpendicular to this wall.
  • the wall 24 is a BIP material.
  • the BIP materials have a broad non-conducting band B. When an electromagnetic wave whose frequency is included in the non-conducting band B strikes this BIP material, it is almost completely reflected.
  • the material forming wall 24 is selected so that the working frequency f ⁇ is within the stopband of this material
  • the BIP material forming the wall 24 presents at least one periodic alternation of two materials in the direction Z.
  • the wall 24 is formed by the superposition in the Z direction of three plane layers 26, 28 and 30.
  • the layers 26 and 30 differ from each other. the layer 28 by their permittivity.
  • the layers 26 and 30 are made of alumina while the layer 26 is a layer of air.
  • the dimensions of these layers in the X and Y directions are chosen several times greater than the wavelength ⁇ a , where ⁇ a is the wavelength of the electromagnetic waves of frequency f ⁇ in the air.
  • the lateral dimensions of the layers 26, 28 and 30 are chosen greater than four times ⁇ a .
  • the wall 24 thus has a lower face 32 facing the reflector plane 22 and an upper face 34 opposite the lower face 32.
  • the lower face 32 is spaced from the reflector 22 by a constant height In 1 .
  • the space thus formed between the lower face 32 and the upper face of the reflector 22 forms a cavity 36.
  • FIG. 3 only a portion of the wall 24 has been shown so as to leave a large part of the interior of the cavity 36.
  • An excitation probe 38 is disposed inside the cavity 36 on the reflector 22 or in the plane of the reflector 22. In the XY plane, the probe 38 is disposed substantially in the middle of the cavity 36. This probe is suitable receiving or injecting into the cavity 36, at the reflector 22, electromagnetic fields at the frequency fj.
  • the antenna 20 comprises a filter coating 40 covering the entire upper face of the reflector 22 which is located inside the cavity 36.
  • the coating 40 thus surrounds the probe 38 without covering it.
  • This coating 40 is made of a material adapted to prevent the propagation of electromagnetic waves of frequency fj in a direction parallel to the XY plane while allowing the propagation of these same waves in the Z direction.
  • the coating 40 is made of a BIP material having a periodicity in two non-collinear directions of the XY plane.
  • the periodicity of a BIP material in one direction is, for example, defined in the patent application filed under the number FR 99 14521.
  • the coating 40 has a periodicity in the X direction and a periodicity in the Y direction.
  • the coating 40 is formed of vertical studs 42 arranged at regular intervals JD in the X and Y directions. These studs 42 are made of the same material as that used for the reflector 22, that is to say say here in metal. Another material forming the coating 40 fills all the intervals between the pads 42. This other material is here air, that is to say a material identical to that filling the cavity 36.
  • the length of the interval JD is chosen according to the wavelength ⁇ a so as to filter the electromagnetic waves of frequency fj propagating in the directions X and Y.
  • the length of the interval JD is less than ⁇ a / 2 and preferably between ⁇ a / 4 and ⁇ a / 2.
  • the height h p of the pads 42 in the direction Z must be strictly less than the height hi.
  • the height h p is chosen strictly less than ⁇ a / 2 and preferably equal to ⁇ a / 4 plus or minus 15%.
  • the pads 42 have a cross section, that is to say a section parallel to the XY plane, square.
  • the largest width of this cross section is chosen less than ⁇ a / 8.
  • the height hi is chosen using the relation (1) so that the cutoff frequency f c is equal to or slightly greater than the frequency f ⁇ .
  • the ratio of the frequency f ⁇ on the frequency f c is between 0.85 and 1.
  • FIG. 4 represents the dispersion diagram of the antenna 20.
  • the curves 50 and 52 represent the frequency of the guided wave, respectively, according to the TEM mode and the TEi or TMi modes as a function of the propagation constant ⁇ . Because of the presence of the coating 40, the curve 50 tends to an asymptotic value C represented by a horizontal line 54 in dashed lines as the constant ⁇ increases. This asymptotic value C is independent of the height In 1 .
  • the height In 1 of the cavity 36 is chosen so that the frequency fj is between the frequency f c and the value C. Under these conditions, it is understood that no guided mode can be established at the same time. interior of the cavity 36 when it is excited by a magnetic field of frequency fj. Thus, only evanescent modes appear and the energy of the electromagnetic field introduced by the probe 38 into the cavity 36 dissipates almost exclusively in the form of radiation after passing through the wall 24. This results in an increase in the directivity of the antenna 20 with respect to an identical antenna but devoid of a filtering coating such as the coating 40.
  • FIG. 5 represents an antenna 60 identical to the antenna 20 except that the wall 24 is replaced by a partially reflecting wall 62.
  • the wall 62 is here produced not with the aid of a BIP material but at the same time. using a grid 62 formed of metal rods extending parallel to each other in a plane parallel to the XY plane. More specifically, here, the grid 62 comprises on the one hand bars 66 arranged at regular intervals rn and all extending parallel to the direction X and secondly bars 68 arranged parallel to each other in the direction Y to regular intervals rn.
  • the length of the interval rn is chosen to be strictly less than ⁇ a / 2 so that this grid 62 partially reflects the electromagnetic waves of frequency f ⁇ propagating in the direction Z.
  • rn is less than ⁇ a / 4.
  • the height In 1 of the cavity 36 is chosen so that the cutoff frequency f c is slightly greater than the frequency f ⁇ . Under these conditions, the operation of the antenna 60 is similar to that of the antenna 20.
  • FIG. 6 represents an antenna 70 identical to the antenna 60 except that the cavity 36 is isolated from the outside of the antenna by side walls 72. In FIG. 6, only a portion of the wall 72 completely surrounding the cavity 36 has been shown so as to leave visible the interior of the cavity 36.
  • the wall 72 extends in the Z direction from the reflector 22 to the lower face of the grid 62.
  • the wall 72 is, for example, made here, in a metallic material reflecting all the electromagnetic waves of frequency f T .
  • Figure 7 shows an antenna 80 identical to the antenna 70 except that the grid 62 is replaced by a grid 82.
  • the grid 82 is identical to the grid 62 except that the bars 68 have been omitted.
  • Such a grid 82 constitutes a partially reflecting wall only for electromagnetic waves of frequency fj having a given polarization.
  • the grid 82 constitutes a transparent wall which does not reflect or very little electromagnetic waves of frequency fj of different polarization.
  • the grid 82 makes it possible to exert a polarization filtering on the transmitted or received waves.
  • FIG. 8 represents an antenna 90 identical to the antenna 70 except that the walls 72 are replaced by walls 92. More specifically, the walls 92 are identical to the walls 72 except that they contain corrugations 94 to improve the performance of the antenna. These corrugations 94 are designed in the same way as those found in certain types of waveguides. For example, the design of these corrugations is described in the following document:
  • FIG. 9 represents two curves 100 and 102 corresponding to the evolution of the directivity, respectively, of the antennas 60 and 70 as a function of the frequency fj.
  • FIG. 9 also represents a curve 104 indicating the evolution of the directivity of an antenna identical to the antenna 60 but devoid of the filtering coating 40.
  • the abscissa represents the ratio of the frequency fj on the cutoff frequency f c .
  • the y-axis represents the maximum directivity expressed in decibels (dB).
  • the curves 100, 102 and 104 were obtained using an identical probe, that is to say here, a slot formed in the plane of the reflector 22 and through which is introduced the electromagnetic field of frequency f T in the cavity 36.
  • FIG. 10 and 11 show the radiation patterns, respectively, in the E and H planes of an antenna identical to the antenna 60 but devoid of the filter coating 40.
  • Figures 12 and 13 show the radiation patterns, respectively, in the planes E and H of the antenna 60 in the particular case where the ratio of the frequency f ⁇ on the frequency f c is equal to 0.997.
  • FIGS. 14 and 15 show the radiation patterns, respectively, in the planes E and H of the antenna 70 in the particular case where the ratio of the frequency f ⁇ to the frequency f c is equal to 1 .007.
  • the abscissa axis is graduated in degrees while the ordinate axis is graduated in decibels (dB).
  • the antenna has been formed of a single resonator. However, it may be particularly interesting to superpose two resonators so as to create a multibeam antenna in which the radiating tasks partially overlap.
  • Such an antenna 120 is shown in FIG.
  • the antenna 120 is formed of a first resonator 122 on which is superimposed a second resonator 123.
  • the resonator 122 is, for example, identical to any one of the resonators of the antennas 20, 60, 70, 80 or 90 to 120. except that it has several excitation probes.
  • the resonator 122 is therefore identical to that of the antenna 20 in which the probe 38 is replaced by five excitation probes 124 to 128.
  • the probes 124 to 128 are here chosen in such a way that and form a surface for injecting or receiving electromagnetic fields inside the cavity 36. The largest width of each of the injection or reception surfaces is greater than or equal to ⁇ a .
  • the distribution of the power of the electromagnetic field on the injection or reception surface has a point where the power is maximum, this point being away from the periphery of this injection surface.
  • the power of the electromagnetic field of this injection surface is distributed such that the power decreases continuously along any straight line from the point where the power is maximum to the periphery of this surface.
  • a probe having such an injection surface makes it possible to increase the directivity of the antenna and its gain.
  • the probes 124 to 128 are, for example, flared waveguides, the end of which opens into an orifice formed in the plane of the reflector 22.
  • flared waveguides are, for example, those described in FIG. in the patent application filed on September 25, 2006 under the filing number 06 08381 on behalf of the CNRS
  • each of the probes 124 to 128 operates at a respective frequency f ⁇ different from those of the others so that these probes can work simultaneously without interfering with each other.
  • Each of these frequencies f ⁇ is chosen sufficiently close to the frequency fj so that the coating 40 designed to filter the electromagnetic waves of frequency fj is also effective for filtering the waves of frequency f ⁇ .
  • the ratio of the frequency f- ⁇ to the frequency f ⁇ is between 0.95 and 1.05.
  • the filter coating 40 has not been shown.
  • the resonator 123 is disposed above the resonator 122 in the Z direction.
  • This resonator 123 is formed by an upper radiating wall 132 and by the wall 24.
  • the wall 24 thus forms both the upper wall of the resonator 122 and the wall lower resonator 123.
  • the wall 132 reflects strictly less than 100% and more than 80% of the electromagnetic waves at the frequency fj propagating perpendicularly to this wall.
  • the reflectivity of the wall 132 is strictly smaller than that of the wall 124.
  • the wall 132 extends parallel to the XY plane.
  • the wall 132 is separated from the upper face of the wall 24 by a constant height h 2 .
  • a cavity 136 is formed between the wall 24 and the wall 132.
  • the cavity 136 is, for example, filled with air.
  • the material forming the wall 132 may be a BIP material as described with reference to FIG. 3, or a grid as described with reference to FIGS. 5 and 7.
  • the height h 2 is chosen so that the cavity 136 is a resonant cavity leak.
  • the height h 2 is less than ⁇ a / 2 + ⁇ a / 20.
  • - n is the positive or negative integer which makes it possible to obtain the smallest positive height h 2
  • - Cp 1 is the phase shift introduced between an incident electromagnetic wave at the frequency fj and the reflected wave after reflection on the upper face of the partially reflecting wall of the first resonator
  • ⁇ a is the wavelength of the electromagnetic wave of frequency fj in the material filling the resonant leak cavity.
  • the cutoff frequency f c2 of the propagation modes TEi and TMi of the resonator 123 is equal to the frequency fj. Under these conditions, the gain of the resonator 123 is maximum.
  • the height hi of the resonator 122 is chosen so that the cutoff frequency, denoted here f c i, of the propagation modes TE 1 or TM 1 is strictly greater than the frequency f ⁇ .
  • the cavity 136 is devoid of coating filtering the electromagnetic waves propagating in any direction parallel to the XY plane. Indeed, as will be understood from reading the explanations that follow, such a filter coating is not necessary in the resonator 123.
  • FIG. 17 represents the dispersion diagram of the resonators 122 and 123.
  • the curves 150 and 152 correspond, respectively, to the curves 50 and 52 of FIG. 4 for the resonator 122.
  • the curves 154 and 156 represent the evolution of the frequency of the guided wave, respectively according to the TEM and TEi or TMi modes, as a function of the propagation constant ⁇ .
  • the curves 154 and 156 have substantially the same shape as the curves 12 and 14 and those of a plane waveguide.
  • the cutoff frequencies of TEi or TMi modes of the resonators 122 and 123 are respectively denoted by f c i and f c2.
  • the asymptotic value towards which the curve 150 tends when the constant ⁇ increases is here denoted Ci. It is recalled that this curve 150 tends to a value Ci less than the frequency f T due to the presence of the filter coating 40 inside the cavity 36. Conversely, the curve 154 does not tend towards an asymptotic value. when the constant ⁇ increases since the cavity 136 is devoid of filter coating.
  • the frequencies f ⁇ are close to the frequency fj which is itself here substantially equal to the frequency fc2 .
  • the electromagnetic fields of frequencies f 1 can excite only an evanescent mode of propagation in the first resonator 122 since these frequencies f- ⁇ are each greater than the value Ci and strictly below the frequency f c i.
  • This radiation results in the appearance, vertically, of each of the probes 124 to 128 of a exciting task.
  • the excitation tasks corresponding to the probes 124 to 128 are shown in FIG. 16 and respectively bear the references 160 to 164.
  • An excitation task is defined as being formed by all the points of the upper surface 34 of the wall. 24 located around a point on this face where the intensity of the emitted electromagnetic field is maximum and including all the points of this face where the intensity of the electromagnetic field emitted by this probe is greater than or equal to half of this maximum intensity .
  • the guided modes TEi or TMi can not appear in the cavity 136.
  • the electromagnetic energy introduced into the cavity 136 is radiated by the upper face of the wall 132. This results in the appearance on this upper face of radiating tasks vertically to each of the excitation tasks.
  • radiating tasks 166 to 170 respectively corresponding to excitation tasks 160 to 164 are shown. These radiating tasks are defined as the excitation tasks, that is to say they group together all the points of the upper surface of the wall 132 at which the intensity of the emitted electromagnetic field is greater than or equal to at half the maximum intensity emitted.
  • the position of the probes 124 to 128 relative to each other is chosen so that each radiating task partially overlaps at least one other radiating task produced. by another probe.
  • the distance between two probes is therefore strictly less than the sum of the radii of their respective radiating task.
  • the distance between the probes measured in a plane parallel to the XY plane is chosen so that the excitation tasks 160 to 164 do not overlap, but, on the other hand, the radiating tasks 166 to 170 partially overlap.
  • the antenna 120 is particularly intended to be installed, for example, in a telecommunication radio satellite.
  • FIG. 18 represents a system 180 for transmitting electromagnetic waves embedded in a geostationary satellite.
  • This system 180 includes a beam focusing device on the surface of the earth 182.
  • the focusing device is a parabola 184.
  • the system 180 also comprises the antenna 120 placed in the focus of this dish 184.
  • FIG. 19 represents a cylindrical antenna 200 similar to the antenna
  • the antenna 200 here has a symmetry of revolution about an axis 201 of revolution extending in the direction Z.
  • the antenna 200 comprises:
  • a reflector 202 capable of reflecting all the electromagnetic waves propagating perpendicularly to its surface
  • a filtering coating 204 disposed on the face of the reflector 202, a partially reflecting wall 206 surrounding the reflector
  • the reflector 202 is, for example, a cylindrical bar of circular metal section extending along the axis 201.
  • the coating 54 is here formed by a succession of dielectric cylinders 212 surrounding the reflector 202 and arranged at regular intervals Q along the direction Z.
  • the length of the gap Q in the direction Z is less than ⁇ a / 2 and preferably equal to ⁇ a / 4.
  • Such a coating 204 forms a BIP material capable of eliminating electromagnetic waves propagating in the Z direction without eliminating the electromagnetic waves propagating in a radial direction.
  • the cavity 208 is here, for example, filled with air.
  • the wall 206 is, for example, a dielectric BIP material having at least one periodicity in a radial direction.
  • the inner face of the wall 206 is spaced from the reflector 202 by a constant distance Ri.
  • the distance Ri is chosen in a manner similar to that described with respect to the height hi.
  • the radius of the rings 212 is chosen in a manner similar to that described with respect to the height h p of the pads 42.
  • an excitation probe 214 capable of injecting or receiving electromagnetic fields at the frequency fj is placed inside the cavity 208 and near the reflector 202.
  • the antenna 200 operates in a manner similar to that previously described except that its main radiation lobe is annular.
  • the cross section of the pads 42 need not be square. It can be rectangular or cylindrical, circular sections or not.
  • the BIP material forming the filter coating has been described in the particular case where it is formed of at least two different materials, one of which is the same as that used for the reflector and the other is the same as filling the cavity. However, it is not necessary that these materials are respectively identical to that of the reflector and the cavity.
  • the material identical to that filling the cavity can be replaced by a foam whose permittivity is close to that of the material filling the cavity.
  • the BIP material forming the coating 40 has been described in the particular case where the periodicity along the X and Y directions is identical. Alternatively, the periodicity along the X and Y directions is not identical. In addition, it is not necessary that the directions in which are distributed at regular intervals pads 42 are necessarily orthogonal. For example, the different studs could be arranged on the vertices of a triangle or a hexagon.
  • the BIP materials used to form partially reflective walls may have elements differing in their permittivity arranged at regular intervals in more than two non-collinear directions. Under these conditions, these BIP materials are said to have several dimensions.
  • the BIP materials used here are formed of at least two different materials. These two materials may differ from each other by their permeability and / or their permittivity and / or their conductivity.
  • the embodiments of Figures 3, 6 and 8 may be combined.
  • the antenna 20 may be provided with a sidewall similar to the sidewall 72 or similar to the sidewall 92.
  • the simultaneous operation of these different probes can also be obtained when each of the probes injects or receives only electromagnetic fields having a polarization different from that of the other probes of the same antenna.
  • the excitation probes can be any type of probe capable of injecting an electromagnetic field into a cavity.
  • these probes may be flared cones, a patch antenna, a slot antenna or the like or a coupling iris between a waveguide and the cavity 36 or 122.
  • the reflector is not necessarily made of metal. It can also be made of any other material or material arrangement having a reflectivity of almost 100% of electromagnetic waves of frequency f T when they propagate perpendicularly to the face of this reflector.
  • the filter coating of the resonator 122 is omitted, so that none of the resonators of the antenna 120 has a filter coating such as the coating 40.
  • the operation of the antenna 120 however remains improved because the field magnetic is injected into the second resonator 123 by excitation tasks, which does not change the reflectivity of the upper face of the wall 24.

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Abstract

Cette antenne conçue pour émettre ou recevoir des ondes électromagnétiques à une fréquence de travail fτ comporte un résonateur équipé d'un revêtement filtrant (40) recouvrant la majorité de la face supérieure d'un réflecteur (22) située à l'intérieur d'une cavité (36), ce revêtement (40) étant apte à éliminer toutes ondes électromagnétiques de fréquence fτ se propageant dans une direction parallèle à la face supérieure du réflecteur (22) sans pour autant éliminer toutes ondes électromagnétiques à la fréquence fτ se propageant dans une direction perpendiculaire à la face supérieure du réflecteur.

Description

Antenne à résonateur équipé d'un revêtement filtrant et système incorporant cette antenne.
La présente invention concerne une antenne à résonateur équipé d'un revêtement filtrant et un système incorporant cette antenne. Des antennes connues sont conçues pour émettre ou recevoir des ondes électromagnétiques à une fréquence de travail fj. Ces antennes peuvent comporter un premier résonateur formé : d'un réflecteur réfléchissant la totalité des ondes électromagnétiques à la fréquence fτ se propageant perpendiculairement à ce réflecteur,
- d'une paroi partiellement réfléchissante traversée par les ondes électromagnétiques à la fréquence fτ, cette paroi réfléchissant strictement moins de 100% et plus de 80% des ondes électromagnétiques à la fréquence fj se propageant perpendiculairement à cette paroi, - d'une cavité délimitée d'un côté par une face supérieure du réflecteur et de l'autre côté par une face inférieure de la paroi partiellement réfléchissante, et
- d'au moins une sonde d'excitation de la cavité propre à recevoir ou à injecter dans cette cavité, au niveau du réflecteur, des champs électromagnétiques à la fréquence fj.
On rappelle ici que le coefficient de réflexion d'une paroi ou d'un réflecteur dépend de l'angle d'incidence, de la fréquence de l'onde électromagnétique et de la polarisation de cette onde électromagnétique. Ici, les valeurs de réflectivité des parois ou réflecteurs sont données pour la situation suivante : - la fréquence de l'onde électromagnétique est égale à la fréquence de travail fj, l'angle d'incidence est nul, c'est-à-dire que l'onde électromagnétique se propage perpendiculairement à la paroi ou au réflecteur, et
- la polarisation prise en compte est celle du champ électrique rayonné ou reçu par la sonde d'excitation.
Par exemple, de telles antennes sont décrites dans le cas particulier d'antennes à matériau BIP (Bande Interdite Photonique) à défaut dans la demande de brevet déposée sous le numéro FR 99 14521. Ces antennes présentent un encombrement réduit et une forte directivité. Le diagramme de rayonnement de ces antennes présente donc un lobe principal important et des lobes secondaires.
L'invention vise à diminuer l'importance et la taille des lobes secondaires. Elle a donc pour objet une antenne dans laquelle le premier résonateur comporte un revêtement filtrant recouvrant la majorité de la face supérieure du réflecteur située à l'intérieur de la cavité, ce revêtement étant apte à éliminer toutes ondes électromagnétiques de fréquence fj se propageant dans une direction parallèle à la face supérieure du réflecteur sans pour autant éliminer toutes ondes électromagnétiques à la fréquence fj se propageant dans une direction perpendiculaire à la face supérieure du réflecteur.
Dans l'antenne ci-dessus, le revêtement empêche l'établissement d'un mode guidé dans une direction parallèle au réflecteur. Ceci se traduit par une amélioration sensible des performances de l'antenne. Les modes de réalisation de cette antenne peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le revêtement filtrant forme un matériau BIP (Bande Interdite Photonique) comportant au moins un premier et un second matériaux se différenciant par leur permittivité et/ou leur perméabilité et/ou leur conductivité disposés en alternance à intervalles réguliers seulement le long d'une ou plusieurs directions parallèles à la face supérieure du réflecteur, l'intervalle régulier étant fonction de la longueur d'onde λ 1 des ondes électromagnétiques de fréquence fτ dans le premier matériau de manière à éliminer les ondes électromagnétiques de fréquence fτ se propageant parallèlement à la face supérieure du réflecteur ; - le premier matériau formant le revêtement filtrant est identique au matériau remplissant la cavité ;
- le second matériau formant le revêtement est identique au matériau formant la face supérieure du réflecteur ;
- le second matériau forme des plots dont la plus grande largeur s'étend dans une direction perpendiculaire à la face supérieure du réflecteur, ces plots étant répartis à intervalles réguliers sur la face supérieure du réflecteur dans deux directions non colinéaires et parallèles à cette face supérieure, la plus grande largeur étant strictement inférieure à λ i/2, où λ i est la longueur d'onde des ondes électromagnétiques de fréquence fj dans le premier matériau ;
- la face supérieure du réflecteur et la face inférieure de la paroi partiellement réfléchissante sont séparées l'une de l'autre par une hauteur hi constante et strictement inférieure à λ2/2 ou égale à λ2/2, où λ2 est la longueur d'onde des ondes électromagnétiques de fréquence fj dans le matériau remplissant la cavité ;
- la paroi partiellement réfléchissante est un grillage formé de plusieurs barreaux métalliques parallèles, la plus petite distance entre deux barreaux parallèles contigus étant strictement inférieure à λ3/2, où λ3 est la longueur d'onde des ondes électromagnétiques de fréquence fj dans l'air ;
- la paroi partiellement réfléchissante est un matériau BIP présentant au moins deux matériaux se différenciant par leur permittivité et/ou leur perméabilité et/ou leur conductivité disposés en alternance au moins le long d'une direction perpendiculaire à la face supérieure du réflecteur, l'un de ces deux matériaux étant le même que celui remplissant la cavité ;
- l'antenne comporte une second résonateur formé : d'une paroi rayonnante traversée par les ondes électromagnétiques à la fréquence fj présentant une face rayonnante extérieure, cette paroi rayonnante réfléchissant strictement moins de 100% et plus de 80% des ondes électromagnétiques à la fréquence fj se propageant perpendiculairement à cette paroi rayonnante, la réflectivité de la paroi rayonnante étant strictement inférieure à celle de la paroi partiellement réfléchissante,
- d'une cavité résonante à fuite délimitée d'un côté par une face inférieure de la paroi rayonnante et de l'autre côté par une face supérieure de la paroi partiellement réfléchissante du premier résonateur, la paroi rayonnante et la paroi partiellement réfléchissante étant séparées l'une de l'autre par une hauteur h2 constante inférieure ou égale à λ4/2+λ4/20, où λ4 est la longueur d'onde des ondes électromagnétiques de fréquences fj dans le matériau remplissant la cavité résonnante à fuite ;
- l'antenne comporte plusieurs sondes d'excitation dans le premier résonateur entraînant chacune la formation d'une tâche d'excitation sur la face supérieure de la paroi partiellement réfléchissante, chaque tâche d'excitation créant à son tour une tâche rayonnante sur la face rayonnante de la paroi rayonnante, chaque tâche d'excitation et tâche rayonnante étant définies comme étant la zone de la face supérieure de la paroi partiellement réfléchissante, respectivement de la paroi rayonnante, située autour d'un point de cette face où l'intensité du champ électromagnétique émis par cette sonde est maximale et incluant tous les points de cette face où l'intensité du champ électromagnétique émis par cette sonde est supérieure ou égale à la moitié de cette intensité maximale, et dans laquelle la distance séparant deux sondes d'excitation contiguës est choisie suffisamment petite pour que les tâches rayonnantes crées par ces sondes se chevauchent partiellement ;
- chaque sonde d'excitation présente une surface d'injection et/ou de réception d'ondes électromagnétiques à la fréquence fτ dont la plus grande largeur est supérieure ou égale à λ2, la répartition de la puissance des ondes électromagnétiques sur la surface d'injection et/ou de réception ayant un point où la puissance est maximale, ce point étant éloigné de la périphérie de cette surface, et la puissance décroît continûment le long d'une droite allant de ce point jusqu'à la périphérie et ceci quelle que soit la direction de la droite considérée dans le plan de cette surface, λ2, étant la longueur d'onde des ondes électromagnétiques de fréquence fτ dans le matériau remplissant la cavité du premier résonateur ;
- la hauteur h2 est donnée par la relation suivante : h2 = (2nπ + Cp1 + φ2 )— 4π où :
- n est le nombre entier positif ou négatif qui permet d'obtenir la plus petite hauteur h2 positive,
- Cp1 est le déphasage introduit entre une onde électromagnétique incidente à la fréquence fj et l'onde réfléchie après réflexion sur la face supérieure de la paroi partiellement réfléchissante du premier résonateur,
- φ2 est le déphasage introduit entre une onde électromagnétique incidente à la fréquence fj et l'onde réfléchie après réflexion sur la face inférieure de la paroi rayonnante, - λ4 est la longueur d'onde de l'onde électromagnétique de fréquence fj dans le matériau remplissant la cavité résonante à fuite ;
- la face supérieure du réflecteur et la face inférieure de la paroi partiellement réfléchissante sont séparées l'une de l'autre par une hauteur In1
5 constante strictement inférieure à λ2 /2, où λ2 est la longueur d'onde des ondes électromagnétiques de fréquence fj dans le matériau remplissant la cavité du premier résonateur ;
- la cavité du premier résonateur forme un guide d'onde ayant une fréquence de coupure fc du mode de propagation TEi ou TMi et une valeur î o asymptotique C au dessus de laquelle aucun mode de propagation TEM ne peut s'établir, et dans laquelle la fréquence fj est inférieure ou égale à la fréquence fc et supérieure ou égale à la valeur asymptotique C.
Les modes de réalisation de l'antenne présentent en outre les avantages suivants : 15 - utiliser un matériau BIP pour former le revêtement filtrant permet d'accroître la directivité de l'antenne,
- choisir l'un des matériaux du matériau BIP formant le revêtement filtrant comme étant identique à celui remplissant la cavité évite les réflexions à l'interface entre la cavité et le revêtement filtrant,
20 - choisir l'un des matériaux du revêtement filtrant identique à celui formant la face supérieure du réflecteur permet d'éliminer efficacement les ondes de surface de fréquence fτ se propageant à la surface du réflecteur,
- choisir la hauteur In1 inférieure ou égale à λ2 /2 se traduit par le fait que la fréquence fj est inférieure à la fréquence de coupure des modes
25 fondamentaux TEi et TMi de propagation, ce qui empêche l'apparition de ces modes de propagation guidés et se traduit en fin de compte par une augmentation de la directivité de l'antenne sans causer de dépointage de l'antenne,
- l'utilisation d'un grillage pour former la paroi partiellement réfléchissante limite l'encombrement de l'antenne et simplifie sa conception,
30 - utiliser un matériau BIP pour former la paroi partiellement réfléchissante accroît la directivité de l'antenne,
- utiliser le premier résonateur en tant que source d'excitation d'un second résonateur permet d'exciter ce second résonateur sans modifier la réflectivité des parois de la cavité résonante à fuite par la présence d'ouvertures ou de parties métalliques servant à introduire un champ magnétique dans cette cavité,
- chevaucher les tâches rayonnantes permet de réaliser une antenne multifaisceaux dans lesquels les différents faisceaux sont entrelacés,
- utiliser des sondes d'excitation dont la plus grande largeur est supérieure ou égale à la longueur d'onde des ondes électromagnétiques à la fréquence fj permet d'accroître la directivité et le gain de l'antenne ou de chaque faisceau de l'antenne. De plus, lorsque ces sondes d'excitation sont utilisées dans une antenne comportant le premier et le second résonateur, cela permet d'obtenir les avantages précités tout en conservant la réflectivité de la face supérieure de la paroi partiellement réfléchissante inchangée,
- choisir la hauteur hi2 comme définie dans la formule ci-dessus permet d'accroître la directivité de l'antenne, - choisir la hauteur In1 strictement inférieure à λ2 /2 permet d'éviter le chevauchement des tâches d'excitation, et
- choisir la fréquence de travail fj inférieure ou égale à la fréquence de coupure fc et supérieure ou égale à la valeur C permet d'augmenter très sensiblement la directivité de l'antenne. L'invention a également pour objet un système d'émission ou de réception d'ondes électromagnétiques comportant :
- un dispositif de focalisation apte à focaliser les ondes électromagnétiques émises ou reçues par le système sur un point focal, et
- l'antenne ci-dessus placée sur ce point focal. Dans le système ci-dessus, l'utilisation de l'antenne revendiquée permet d'accroître le rendement de ce système en éclairant la plus grande surface possible du dispositif de focalisation tout en diminuant les pertes par débordement au-delà du contour de ce dispositif de focalisation.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels :
- la figure 1 est une illustration schématique d'un guide d'onde plan, - la figure 2 est un diagramme de dispersion des modes de propagation guidée du guide d'onde de la figure 1 ,
- la figure 3 est une illustration schématique et en perspective d'un premier mode de réalisation d'une antenne équipée d'un revêtement filtrant réalisé à partir d'un matériau BIP,
- la figure 4 est un diagramme de dispersion des modes de propagation guidés de l'antenne de la figure 3,
- la figure 5 est une illustration schématique et en perspective d'un deuxième mode de réalisation d'une antenne équipée d'un revêtement filtrant, - les figures 6, 7 et 8 sont des illustrations schématiques, respectivement, d'un troisième, d'un quatrième et d'un cinquième modes de réalisation d'une antenne équipée d'un revêtement filtrant,
- la figure 9 est un graphe illustrant l'évolution de la directivité des antennes des figures 5 et 6 en fonction de la fréquence de travail fj, - les figures 10 et 11 sont des diagrammes de rayonnement d'une antenne dépourvue de revêtement filtrant,
- les figures 12 et 13 sont des diagrammes de rayonnement de l'antenne de la figure 5,
- les figures 14 et 15 sont des diagrammes de rayonnement de l'antenne de la figure 6,
- la figure 16 est une illustration schématique et en perspective d'une antenne multifaisceaux entrelacés,
- la figure 17 est une illustration schématique d'un diagramme de dispersion des modes de propagation guidés de l'antenne de la figure 16, - la figure 18 est une illustration schématique d'un système d'émission de faisceaux entrelacés vers la surface terrestre, et
- la figure 19 est une illustration schématique, en perspective et en coupe d'une antenne cylindrique équipée d'un revêtement filtrant.
Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments.
Dans la suite de cette description, les caractéristiques et fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détail. En particulier, pour plus de renseignements sur les matériaux BIP, l'homme du métier peut se référer au texte de la demande de brevet publiée sous le numéro EP 1 145 379.
La figure 1 représente un guide 2 d'onde plan et la figure 2 représente le diagramme de dispersion de ce guide 2. Les figures 1 et 2 sont connues et ne sont introduites ici que pour rappeler la définition de certains termes techniques.
Le guide 2 est formé d'un plan réflecteur 4 s'étendant parallèlement à un plan XY horizontal, défini par deux directions orthogonales X et Y. Le plan 4 réfléchit 100 % des ondes électromagnétiques à la fréquence fj qui se propagent perpendiculairement à sa surface. Par exemple, le plan 4 est réalisé en métal. On note Z la direction perpendiculaire aux directions X et Y.
Au-dessus du plan 4 est disposée une paroi horizontale 6 partiellement réfléchissante. Ici, par partiellement réfléchissante, on désigne une paroi qui réfléchit strictement moins de 100 % et plus de 80 % des ondes électromagnétiques de fréquence fj se propageant perpendiculairement à l'une des faces horizontale de cette paroi 6. La paroi 6 est séparée du réflecteur 4 par un espace 8 de hauteur constante h. Cet espace est, par exemple, rempli d'air. La hauteur h est mesurée selon la direction Z.
Une flèche ondulée 10 représente une onde électromagnétique guidée se propageant dans l'espace 8. Ici, la direction de propagation des ondes est parallèle à la direction Y.
Les flèches 11 en pointillés représentent les ondes électromagnétiques qui fuient l'espace 8 par l'intermédiaire de la paroi 6 qui n'est que partiellement réfléchissante.
Les dimensions transversales, c'est-à-dire perpendiculaires à la direction de propagation, sont supposées infinies dans le cas d'un guide d'onde plan.
La figure 2 représente le diagramme de dispersion du guide 2 d'onde. La constante β représente la constante de propagation d'un mode se propageant parallèlement au réflecteur 4.
L'axe des ordonnées représente la fréquence de l'onde électromagnétique se propageant dans l'espace 8.
Dans un guide d'onde plan, seuls certains modes de propagation peuvent s'établir en fonction de la fréquence de l'onde à propager. Ces modes de propagation sont classiquement connus sous la terminologie de mode TEM, (Transverse Electrique Magnétique) de mode TEn (Transverse Electrique d'ordre n) et TMn (Transverse Magnétique d'ordre n), où n est un entier supérieur ou égal à zéro. Pour plus d'informations sur les modes de propagation susceptibles de s'établir dans un guide d'onde plan, il est possible de se référer à différents livres de cours traitant du sujet.
Sur la figure 2, une droite 12 passant par l'origine représente la valeur de la constante β pour chaque fréquence de l'onde guidée dans le cas où le mode de propagation est le mode TEM.
Une courbe 14 représente la valeur de la constante β pour chaque fréquence possible de l'onde guidée dans le cas où le mode de propagation est le mode TEi ou TMi .
La courbe 14 coupe l'axe des fréquences pour une fréquence fc connue sous le terme de « fréquence de coupure ».
La fréquence de coupure pour les modes TEi ou TMi est définie par la relation suivante :
_ 2nπ + ψj + φ2
(1 )
4πh où :
- n est le nombre entier positif ou négatif tel que fc prend sa plus petite valeur positive non nulle.
- Cp1 est le déphasage introduit entre une onde électromagnétique incidente à la fréquence fτ et l'onde réfléchie après réflexion sur le réflecteur 4,
- φ2 est le déphasage introduit entre une onde électromagnétique incidente à la fréquence fj et l'onde réfléchie après réflexion sur la paroi 6, - c est la célérité ou la vitesse de phase de l'onde dans l'espace 8.
En vertu du diagramme de dispersion, si la fréquence fj est strictement inférieure à la fréquence fc, alors l'onde guidée peut se propager à l'intérieur de l'espace 8 uniquement selon le mode TEM.
Si la fréquence fj est supérieure ou égale à la fréquence fc, alors l'onde guidée dans l'espace 8 peut se propager selon le mode TEM, TEi ou TMi.
Ces modes qui permettent la propagation d'une onde électromagnétique à la fréquence fj selon une direction de propagation sont appelés ici modes guidés. A l'inverse, les modes d'excitation de l'espace 8 qui ne permettent pas la propagation d'ondes électromagnétiques sont appelés modes évanescents. Un mode évanescent se caractérise par le fait que l'amplitude de l'onde guidée décroît très rapidement dans la direction de propagation de sorte que cette onde ne peut pas se propager sur une distance supérieure à 2λ où λ est la longueur d'onde de l'onde électromagnétique de fréquence fτ dans le matériau remplissant l'espace 8.
Les modes évanescents du guide 2 correspondent à des modes de fonctionnement pour lesquels un maximum d'énergie électromagnétique est dissipée sous forme de rayonnement dans l'espace après avoir traversé la paroi 6.
La figure 3 représente une antenne 20 conçue pour émettre ou recevoir des ondes électromagnétiques à la fréquence de travail fτ. Cette antenne 20 comporte un résonateur formé :
- d'un réflecteur 22 en forme de plan qui s'étend parallèlement à un plan horizontal XY défini par des directions X et Y orthogonales,
- d'une paroi 24 partiellement réfléchissante disposée au-dessus du plan réflecteur 22 dans une direction Z perpendiculaire aux directions X et Y et s'étendant parallèlement au plan XY.
Le plan réflecteur 22 est choisi pour réfléchir 100 % des ondes électromagnétiques de fréquence fj qui se propagent perpendiculairement à ce plan. Par exemple, le plan réflecteur 22 est réalisé en métal et peut être raccordé à un potentiel de référence tel que la masse.
La paroi 24 est ici conçue pour réfléchir strictement moins de 100 % et plus de 80 % des ondes électromagnétiques de fréquence fτ se propageant dans une direction perpendiculaire à cette paroi. A cet effet, dans cet exemple, la paroi 24 est un matériau BIP. Les matériaux BIP présentent une large bande non passante B. Lorsqu'une onde électromagnétique dont la fréquence est comprise dans la bande non passante B heurte ce matériau BIP, celle-ci est presque réfléchie en totalité. Ici, le matériau formant la paroi 24 est donc choisi pour que la fréquence de travail fτ soit comprise dans la bande non passante de ce matériau
BIP.
De plus, pour pouvoir réfléchir partiellement les ondes électromagnétiques qui se propagent dans la direction Z, le matériau BIP formant la paroi 24 présente au moins une alternance périodique de deux matériaux dans la direction Z. A cet effet, ici, la paroi 24 est formée par la superposition dans la direction Z de trois couches planes 26, 28 et 30. Ici, les couches 26 et 30 diffèrent de la couche 28 par leur permittivité. Par exemple, les couches 26 et 30 sont réalisées en alumine tandis que la couche 26 est une couche d'air. Les dimensions de ces couches dans les directions X et Y sont choisies plusieurs fois supérieures à la longueur d'onde λa , où λa est la longueur d'onde des ondes électromagnétiques de fréquence fτ dans l'air. Par exemple, les dimensions latérales des couches 26, 28 et 30 sont choisies supérieures à quatre fois λa . La paroi 24 présente donc une face inférieure 32 en vis-à-vis du plan réflecteur 22 et une face supérieure 34 opposée à la face inférieure 32.
La face inférieure 32 est espacée du réflecteur 22 par une hauteur constante In1. L'espace ainsi ménagé entre la face inférieure 32 et la face supérieure du réflecteur 22 forme une cavité 36. Sur la figure 3, seule une partie de la paroi 24 a été représentée de manière à laisser apparente une grande partie de l'intérieur de la cavité 36.
Une sonde d'excitation 38 est disposée à l'intérieur de la cavité 36 sur le réflecteur 22 ou dans le plan du réflecteur 22. Dans le plan XY, la sonde 38 est disposée sensiblement au milieu de la cavité 36. Cette sonde est apte à recevoir ou à injecter dans la cavité 36, au niveau du réflecteur 22, des champs électromagnétiques à la fréquence fj.
Enfin, l'antenne 20 comporte un revêtement filtrant 40 recouvrant la totalité de la face supérieure du réflecteur 22 qui est située à l'intérieur de la cavité 36. Le revêtement 40 entoure donc la sonde 38 sans la recouvrir. Ce revêtement 40 est réalisé dans un matériau propre à empêcher la propagation des ondes électromagnétiques de fréquence fj dans une direction parallèle au plan XY tout en permettant la propagation de ces mêmes ondes dans la direction Z. A cet effet, par exemple, le revêtement 40 est réalisé dans un matériau BIP présentant une périodicité dans deux directions non colinéaires du plan XY. La périodicité d'un matériau BIP selon une direction est, par exemple, définie dans la demande de brevet déposée sous le numéro FR 99 14521.
Ici, le revêtement 40 présente une périodicité dans la direction X et une périodicité dans la direction Y. Dans ce mode de réalisation, le revêtement 40 est formé de plots verticaux 42 disposés à intervalles réguliers JD dans les directions X et Y. Ces plots 42 sont réalisés dans le même matériau que celui utilisé pour le réflecteur 22, c'est-à-dire ici en métal. Un autre matériau formant le revêtement 40 remplit la totalité des intervalles entre les plots 42. Cet autre matériau est ici de l'air, c'est-à- dire un matériau identique à celui remplissant la cavité 36.
La longueur de l'intervalle JD est choisie en fonction de la longueur d'onde λa de manière à filtrer les ondes électromagnétiques de fréquence fj se propageant dans les directions X et Y. A cet effet, typiquement, la longueur de l'intervalle JD est inférieure à λa/2 et de préférence compris entre λa/4 et λa/2.
La hauteur hp des plots 42 dans la direction Z doit être strictement inférieure à la hauteur hi . Par exemple, ici, la hauteur hp est choisie strictement inférieure à λa/2 et de préférence égale à λa/4 plus ou moins 15 %.
Ici, les plots 42 ont une section transversale, c'est-à-dire une section parallèle au plan XY, carrée. La plus grande largeur de cette section transversale est choisie inférieure à λa/8.
Enfin, la hauteur hi est choisie à l'aide de la relation (1 ) pour que la fréquence de coupure fc soit égale ou légèrement supérieure à la fréquence fτ. Typiquement, on s'arrange ici pour que le rapport de la fréquence fτ sur la fréquence fc soit compris entre 0,85 et 1.
La figure 4 représente le diagramme de dispersion de l'antenne 20.
Comme sur la figure 2, les courbes 50 et 52 représentent la fréquence de l'onde guidée, respectivement, selon le mode TEM et les modes TEi ou TMi en fonction de la constante β de propagation. A cause de la présence du revêtement 40, la courbe 50 tend vers une valeur asymptotique C représentée par une ligne horizontale 54 en pointillés au fur et à mesure que la constante β augmente. Cette valeur asymptotique C est indépendante de la hauteur In1.
Ici, la hauteur In1 de la cavité 36 est choisie de manière à ce que la fréquence fj soit comprise entre la fréquence fc et la valeur C. Dans ces conditions, on comprend qu'aucun mode guidé ne peut s'établir à l'intérieur de la cavité 36 lorsque celle-ci est excitée par un champ magnétique de fréquence fj. Ainsi, seuls des modes évanescents apparaissent et l'énergie du champ électromagnétique introduit par la sonde 38 dans la cavité 36 se dissipe quasiment exclusivement sous forme de rayonnement après avoir traversé la paroi 24. Ceci se traduit par une augmentation de la directivité de l'antenne 20 par rapport à une antenne identique mais dépourvue de revêtement filtrant tel que le revêtement 40.
La figure 5 représente une antenne 60 identique à l'antenne 20 à l'exception que la paroi 24 est remplacée par une paroi partiellement réfléchissante 62. La paroi 62 est ici réalisée non pas à l'aide d'un matériau BIP mais à l'aide d'un grillage 62 formé de barreaux métalliques s'étendant parallèlement les uns aux autres dans un plan parallèle au plan XY. Plus précisément, ici, le grillage 62 comprend d'une part des barreaux 66 disposés à intervalles réguliers rn et s'étendant tous parallèlement à la direction X et d'autre part des barreaux 68 disposés parallèlement les uns aux autres dans la direction Y à intervalles réguliers rn. La longueur de l'intervalle rn est choisie strictement inférieure à λa/2 de manière à ce que ce grillage 62 réfléchisse partiellement les ondes électromagnétiques de fréquence fτ se propageant dans la direction Z. De préférence, rn est inférieur à λa/4. Comme pour l'antenne 20, la hauteur In1 de la cavité 36 est choisie de manière à ce que la fréquence de coupure fc soit légèrement supérieure à la fréquence fτ. Dans ces conditions, le fonctionnement de l'antenne 60 est similaire à celui de l'antenne 20.
La figure 6 représente une antenne 70 identique à l'antenne 60 à l'exception du fait que la cavité 36 est isolée de l'extérieur de l'antenne par des parois latérales 72. Sur la figure 6, seule une partie de la paroi 72 entourant entièrement la cavité 36 a été représentée de manière à laisser visible l'intérieur de la cavité 36.
La paroi 72 s'étend selon la direction Z à partir du réflecteur 22 jusqu'à la face inférieure du grillage 62. La paroi 72 est, par exemple, réalisée ici, dans un matériau métallique réfléchissant la totalité des ondes électromagnétiques de fréquence fτ. La figure 7 représente une antenne 80 identique à l'antenne 70 à l'exception du fait que le grillage 62 est remplacé par un grillage 82. Le grillage 82 est identique au grillage 62 à l'exception que les barreaux 68 ont été omis. Un tel grillage 82 constitue une paroi partiellement réfléchissante uniquement pour des ondes électromagnétiques de fréquence fj ayant une polarisation donnée. Pour des ondes électromagnétiques ayant une polarisation différente de celle-ci, le grillage 82 constitue une paroi transparente qui ne réfléchit pas ou très peu les ondes électromagnétiques de fréquence fj de polarisation différente. Ainsi, le grillage 82 permet d'exercer un filtrage de polarisation sur les ondes émises ou reçues.
La figure 8 représente une antenne 90 identique à l'antenne 70 à l'exception que les parois 72 sont remplacées par des parois 92. Plus précisément, les parois 92 sont identiques aux parois 72 à l'exception qu'elles comportent des corrugations 94 permettant d'améliorer les performances de l'antenne. Ces corrugations 94 sont conçues de la même manière que celles que l'on peut trouver dans certains types de guide d'onde. Par exemple, la conception de ces corrugations est décrite dans le document suivant :
Antenna theory, Analysis and design - Constantine A. Balanis - John Wiley. La figure 9 représente deux courbes 100 et 102 correspondant à l'évolution de la directivité, respectivement, des antennes 60 et 70 en fonction de la fréquence fj. La figure 9 représente également une courbe 104 indiquant l'évolution de la directivité d'une antenne identique à l'antenne 60 mais dépourvue du revêtement filtrant 40. Sur le graphe de la figure 9, l'axe des abscisses représente le rapport de la fréquence fj sur la fréquence de coupure fc. L'axe des ordonnées représente la directivité maximale exprimée en décibels (dB). Les courbes 100, 102 et 104 ont été obtenues à l'aide d'une sonde identique, c'est-à-dire ici, une fente ménagée dans le plan du réflecteur 22 et par laquelle est introduit le champ électromagnétique de fréquence fτ dans la cavité 36.
Comme on peut le constater sur le graphe, la directivité des antennes 60 et 70 est systématiquement améliorée lorsque la fréquence fj est inférieure à la fréquence fc. Les figures 10 et 11 représentent les diagrammes de rayonnement, respectivement, dans les plans E et H d'une antenne identique à l'antenne 60 mais dépourvue du revêtement filtrant 40.
Les figures 12 et 13 représentent les diagrammes de rayonnement, respectivement, dans les plans E et H de l'antenne 60 dans le cas particulier où le rapport de la fréquence fτ sur la fréquence fc est égal à 0,997.
Enfin, les figures 14 et 15 représentent les diagrammes de rayonnement, respectivement, dans les plans E et H de l'antenne 70 dans le cas particulier où le rapport de la fréquence fτ sur la fréquence fc est égal à 1 ,007. Dans ces différents graphes des figures 10 à 15, l'axe des abscisses est gradué en degrés tandis que l'axe des ordonnées est gradué en décibels (dB).
Comme le montre la comparaison des graphes des figures 12 et 13 par rapport aux graphes des figures 10 et 11 , la présence du revêtement filtrant permet d'atténuer considérablement les lobes secondaires de l'antenne. De plus, comme le montre la comparaison des graphes des figures 14 et
15 à ceux des figures 10 et 11 , cette atténuation des lobes secondaires se produit même si la fréquence fj est supérieure à la fréquence fc.
Dans les modes de réalisation précédents, l'antenne a été formée d'un seul résonateur. Toutefois, il peut être particulièrement intéressant de superposer deux résonateurs de manière à créer une antenne multifaisceaux dans laquelle les tâches rayonnantes se chevauchent partiellement. Une telle antenne 120 est représentée sur la figure 16.
L'antenne 120 est formée d'un premier résonateur 122 sur lequel est superposé un second résonateur 123. Le résonateur 122 est, par exemple, identique à l'un quelconque des résonateurs des antennes 20, 60, 70, 80 ou 90 à l'exception du fait qu'il comporte plusieurs sondes d'excitation. Ici, on supposera que le résonateur 122 est donc identique à celui de l'antenne 20 dans laquelle la sonde 38 est remplacée par cinq sondes d'excitation 124 à 128. Les sondes 124 à 128 sont ici choisies de manière à ce que celles-ci forment une surface d'injection ou de réception de champs électromagnétiques à l'intérieur de la cavité 36. La plus grande largeur de chacune des surfaces d'injection ou de réception est supérieure ou égale à λa . Plus précisément, la répartition de la puissance du champ électromagnétique sur la surface d'injection ou de réception présente un point où la puissance est maximale, ce point étant éloigné de la périphérie de cette surface d'injection. La puissance du champ électromagnétique de cette surface d'injection est répartie de telle façon que la puissance décroît continûment le long d'une droite quelconque allant du point où la puissance est maximale jusqu'à la périphérie de cette surface. Une sonde présentant une telle surface d'injection permet d'accroître la directivité de l'antenne et son gain. A cet effet, les sondes 124 à 128 sont, par exemple, des guides d'onde évasés dont l'extrémité débouche dans un orifice ménagé dans le plan du réflecteur 22. De tels guides d'onde évasés sont, par exemple, ceux décrits dans la demande de brevet déposée le 25 septembre 2006 sous le numéro de dépôt 06 08381 au nom du C.N.R.S.
Ici, chacune des sondes 124 à 128 travaille à une fréquence fπ respective différente de celles des autres de manière à ce que ces sondes puissent travailler simultanément sans interférer les unes avec les autres. Chacune de ces fréquences fπ est choisie suffisamment proche de la fréquence fj de manière à ce que le revêtement 40 conçu pour filtrer les ondes électromagnétiques de fréquence fj soit également efficace pour filtrer les ondes de fréquence fπ. A cet effet, le rapport de la fréquence f-π sur la fréquence fτ est compris entre 0,95 et 1 ,05.
Pour simplifier la figure 16, le revêtement filtrant 40 n'a pas été représenté.
Le résonateur 123 est disposé au-dessus du résonateur 122 dans la direction Z. Ce résonateur 123 est formé par une paroi rayonnante supérieure 132 et par la paroi 24. La paroi 24 forme donc à la fois la paroi supérieure du résonateur 122 et la paroi inférieure du résonateur 123.
La paroi 132 réfléchit strictement moins de 100 % et plus de 80 % des ondes électromagnétiques à la fréquence fj se propageant perpendiculairement à cette paroi. De préférence, la réflectivité de la paroi 132 est strictement inférieure à celle de la paroi 124. La paroi 132 s'étend parallèlement au plan XY. La paroi 132 est séparée de la face supérieure de la paroi 24 par une hauteur constante h2. Ainsi, une cavité 136 est ménagée entre la paroi 24 et la paroi 132. Dans ce mode de réalisation, la cavité 136 est, par exemple, remplie d'air. Le matériau formant la paroi 132 peut être un matériau BIP comme décrit en regard de la figure 3, ou un grillage comme décrit en regard des figures 5 et 7.
La hauteur h2 est choisie de manière à ce que la cavité 136 soit une cavité résonante à fuite. A cet effet, la hauteur h2 est inférieure à λa/2 + λa/20. De préférence, la hauteur h2 est déterminée à l'aide de la relation suivante : λ h2 = (2nπ + φi + φ2)-^ (2)
4π où :
- n est le nombre entier positif ou négatif qui permet d'obtenir la plus petite hauteur h2 positive, - Cp1 est le déphasage introduit entre une onde électromagnétique incidente à la fréquence fj et l'onde réfléchie après réflexion sur la face supérieure de la paroi partiellement réfléchissante du premier résonateur,
- φ2 est le déphasage introduit entre une onde électromagnétique incidente à la fréquence fj et l'onde réfléchie après réflexion sur la face inférieure de la paroi rayonnante,
- λa est la longueur d'onde de l'onde électromagnétique de fréquence fj dans le matériau remplissant la cavité résonante à fuite.
Lorsque la hauteur h2 est définie par la relation (2), la fréquence de coupure fc2 des modes de propagation TEi et TMi du résonateur 123 est égale à la fréquence fj. Dans ces conditions, le gain du résonateur 123 est maximal.
On rappelle qu'au contraire, la hauteur hi du résonateur 122 est choisie de manière à ce que la fréquence de coupure, notée ici fci, des modes de propagation TE1 ou TM1 est strictement supérieure à la fréquence fτ.
Enfin, contrairement au résonateur 122, la cavité 136 est dépourvue de revêtement filtrant les ondes électromagnétiques se propageant dans une direction quelconque parallèle au plan XY. En effet, comme on le comprendra à la lecture des explications qui suivent, un tel revêtement filtrant n'est pas nécessaire dans le résonateur 123.
La figure 17 représente le diagramme de dispersion des résonateurs 122 et 123. Sur cette figure 17, les courbes 150 et 152 correspondent, respectivement, aux courbes 50 et 52 de la figure 4 pour le résonateur 122. Les courbes 154 et 156 représentent l'évolution de la fréquence de l'onde guidée, respectivement selon les modes TEM et TEi ou TMi, en fonction de la constante de propagation β . Les courbes 154 et 156 ont sensiblement la même allure que les courbes 12 et 14 et celles d'un guide d'onde plan.
Sur cette figure, les fréquences de coupure des modes TEi ou TMi des résonateurs 122 et 123 sont respectivement notées fci et fc2. La valeur asymptotique vers laquelle tend la courbe 150 lorsque la constante β augmente est ici notée Ci . On rappelle que cette courbe 150 tend vers une valeur Ci inférieure à la fréquence fτ à cause de la présence du revêtement filtrant 40 à l'intérieur de la cavité 36. A l'inverse, la courbe 154 ne tend pas vers une valeur asymptotique lorsque la constante β augmente puisque la cavité 136 est dépourvue de revêtement filtrant.
Les fréquences fπ sont proches de la fréquence fj qui est elle-même ici sensiblement égale à la fréquence fc2. Dans ces conditions, on comprend à partir du diagramme de la figure 17 que les champs électromagnétiques de fréquences fji ne peuvent exciter qu'un mode évanescent de propagation dans le premier résonateur 122 puisque ces fréquences f-π sont chacune supérieures à la valeur Ci et strictement inférieures à la fréquence fci. Ainsi, presque la totalité de l'énergie des champs électromagnétiques introduits dans la cavité 36 est rayonnée par la face supérieure de la paroi 24. Ce rayonnement se traduit par l'apparition, à la verticale de chacune des sondes 124 à 128 d'une tâche d'excitation. Les tâches d'excitation correspondant aux sondes 124 à 128 sont représentées sur la figure 16 et portent respectivement les références 160 à 164. Une tâche d'excitation est définie comme étant formée par l'ensemble des points de la surface supérieure 34 de la paroi 24 située autour d'un point de cette face où l'intensité du champ électromagnétique émis est maximal et incluant tous les points de cette face où l'intensité du champ électromagnétique émis par cette sonde est supérieure ou égale à la moitié de cette intensité maximale.
Ces tâches 160 à 164 injectent donc des champs magnétiques aux fréquences fTi dans la cavité 136 et remplissent donc chacune la fonction d'une sonde d'excitation. Toutefois, l'agencement décrit en regard de la figure 16 permet d'injecter les champs électromagnétiques à différentes fréquences dans la cavité 136 sans pour autant modifier la réflectivité de la face supérieure de la paroi 24. En effet, aucune ouverture n'est ménagée dans la face supérieure de la paroi 24 et aucun élément rayonnant saillant n'est introduit dans la cavité 136. Dans ces conditions, puisque aucun élément ou aspérité susceptible de diffracter les champs électromagnétiques injectés dans la cavité 136 n'existe, le mode TEM du résonateur 123 ne peut pas être excité. De plus, les fréquences f-π étant quasiment égales à la fréquence fC2, les modes guidés TEi ou TMi ne peuvent pas non plus apparaître dans la cavité 136. Dans ces conditions, l'énergie électromagnétique introduite dans la cavité 136 est rayonnée par la face supérieure de la paroi 132. Cela se traduit par l'apparition sur cette face supérieure de tâches rayonnantes à la verticale de chacune des tâches d'excitation. Sur la figure 16, des tâches rayonnantes 166 à 170 correspondants respectivement aux tâches d'excitation 160 à 164 sont représentées. Ces tâches rayonnantes sont définies comme les tâches d'excitation, c'est-à-dire qu'elles regroupent l'ensemble des points de la surface supérieure de la paroi 132 au niveau desquelles l'intensité du champ électromagnétique émis est supérieure ou égale à la moitié de l'intensité maximale émise.
Ici, de manière à créer une antenne multifaisceaux dont les faisceaux sont entrelacés, la position des sondes 124 à 128 les unes vis-à-vis des autres est choisie de manière à ce que chaque tâche rayonnante chevauche partiellement au moins une autre tâche rayonnante produite par une autre sonde. La distance entre deux sondes est donc strictement inférieure à la somme des rayons de leur tâche rayonnante respective. De préférence, la distance entre les sondes mesurée dans un plan parallèle au plan XY est choisie de manière à ce que les tâches d'excitation 160 à 164 ne se chevauchent pas mais que, par contre, les tâches rayonnantes 166 à 170 se chevauchent partiellement. L'antenne 120 est tout particulièrement destinée à être installée, par exemple, dans un satellite de radio télécommunication.
La figure 18 représente un système 180 d'émission d'ondes électromagnétiques embarqué dans un satellite géostationnaire. Ce système 180 comporte un dispositif de focalisation de faisceaux sur la surface de la terre 182. Par exemple, le dispositif de focalisation est une parabole 184. Le système 180 comporte également l'antenne 120 placée au foyer de cette parabole 184.
Dans ces conditions, le fait d'entrelacer les tâches rayonnantes sur la face supérieure de la paroi 132 se traduit par l'apparition de zones de couverture 186 à 190 entrelacées sur la surface terrestre. Les zones de couverture se chevauchent donc partiellement, ce qui évite l'apparition de zones mortes entre deux zones de couverture dans lesquelles l'établissement d'une radio télécommunication par l'intermédiaire du satellite géostationnaire serait impossible, par exemple. La figure 19 représente une antenne cylindrique 200 similaire à l'antenne
20 à l'exception du fait que les différents plans constituant l'antenne 20 ont été recourbés jusqu'à se refermer sur eux-mêmes pour former des faces cylindriques de sections circulaires au lieu des faces planes.
L'antenne 200 présente ici une symétrie de révolution autour d'un axe 201 de révolution s'étendant dans la direction Z.
L'antenne 200 comporte :
- un réflecteur 202 apte à réfléchir la totalité des ondes électromagnétiques qui se propagent perpendiculairement à sa surface,
- un revêtement filtrant 204 disposé sur la face du réflecteur 202, - une paroi 206 partiellement réfléchissante entourant le réflecteur
202 et le revêtement 204, et
- une cavité 208 délimitée d'un côté par la face intérieure de la paroi 206 et de l'autre côté par la face extérieure du réflecteur 202.
Ici, le réflecteur 202 est, par exemple, un barreau cylindrique de section circulaire en métal s'étendant le long de l'axe 201.
Le revêtement 54 est ici formé par une succession de cylindres diélectriques 212 entourant le réflecteur 202 et disposés à intervalles Q réguliers le long de la direction Z. La longueur de l'intervalle Q dans la direction Z est inférieure à λa/2 et de préférence égale à λa/4. Un tel revêtement 204 forme un matériau BIP propre à éliminer les ondes électromagnétiques se propageant dans la direction Z sans pour autant éliminer les ondes électromagnétiques se propageant dans une direction radiale.
La cavité 208 est ici, par exemple, remplie d'air.
La paroi 206 est, par exemple, un matériau BIP diélectrique présentant au moins une périodicité dans une direction radiale.
La face intérieure de la paroi 206 est espacée du réflecteur 202 par une distance Ri constante. La distance Ri est choisie de façon similaire à ce qui a été décrit en regard de la hauteur hi. Le rayon des anneaux 212 est choisi de façon similaire à ce qui a été décrit en regard de la hauteur hp des plots 42.
Enfin, une sonde d'excitation 214 propre à injecter ou recevoir des champs électromagnétiques à la fréquence fj est placée à l'intérieur de la cavité 208 et à proximité du réflecteur 202.
L'antenne 200 fonctionne de façon similaire à ce qui a déjà été décrit précédemment à l'exception du fait que son lobe de rayonnement principal est annulaire.
De nombreux autres modes de réalisation sont possibles. Par exemple, la section transversale des plots 42 n'a pas besoin d'être carrée. Elle peut être rectangulaire ou cylindrique, de sections circulaires ou non.
Le matériau BIP formant le revêtement filtrant a été décrit dans le cas particulier où celui-ci est formé d'au moins deux matériaux différents, dont l'un d'eux est le même que celui utilisé pour le réflecteur et l'autre est le même que celui remplissant la cavité. Toutefois, il n'est pas nécessaire que ces matériaux soient respectivement identiques à celui du réflecteur et de la cavité. Par exemple, le matériau identique à celui remplissant la cavité peut être remplacé par une mousse dont la permittivité est proche de celle du matériau remplissant la cavité.
Le matériau BIP formant le revêtement 40 a été décrit dans le cas particulier où la périodicité selon les directions X et Y est identique. En variante, la périodicité selon les directions X et Y n'est pas identique. De plus, il n'est pas nécessaire que les directions dans lesquelles sont répartis à intervalles réguliers les plots 42 soient nécessairement orthogonales. Par exemple, les différents plots pourraient être disposés sur les sommets d'un triangle ou d'un hexagone. Les matériaux BIP utilisés pour former des parois partiellement réfléchissantes peuvent avoir des éléments se différenciant par leur permittivité disposés à intervalles réguliers dans plus de deux directions non colinéaires. Dans ces conditions, ces matériaux BIP sont dits à plusieurs dimensions.
Les matériaux BIP utilisés ici sont formés d'au moins deux matériaux différents. Ces deux matériaux peuvent différer l'un de l'autre par leur perméabilité et/ou leur permittivité et/ou leur conductivité. Les modes de réalisation des figures 3, 6 et 8 peuvent être combinés. Par exemple, l'antenne 20 peut être pourvue d'une paroi latérale similaire à la paroi latérale 72 ou similaire à la paroi latérale 92.
Dans le cas d'une antenne comportant plusieurs sondes d'excitation, le fonctionnement simultané de ces différentes sondes peut aussi être obtenu lorsque chacune des sondes injecte ou reçoit uniquement des champs électromagnétiques ayant une polarisation différente de celle des autres sondes de la même antenne.
Si des éléments susceptibles de diffracter le champ électromagnétique injecté dans la cavité 136 existent, alors, il est possible de disposer un revêtement filtrant sur la face supérieure de la paroi 24. Ce revêtement filtrant est alors, par exemple, identique au revêtement filtrant 40.
Les sondes d'excitation peuvent être tous types de sondes susceptibles d'injecter un champ électromagnétique à l'intérieur d'une cavité. Par exemple, ces sondes peuvent être des cônes évasés, une antenne Patch, une antenne fente ou autre ou un iris de couplage entre un guide d'onde et la cavité 36 ou 122.
Le réflecteur n'est pas nécessairement réalisé en métal. Il peut être aussi réalisé dans tout autre matériau ou agencement de matériaux présentant une réflectivité de pratiquement 100 % des ondes électromagnétiques de fréquence fτ lorsque celles-ci se propagent perpendiculairement à la face de ce réflecteur.
Enfin, si l'on souhaite produire une antenne qui dépointe, c'est-à-dire dont la directivité maximale n'est pas perpendiculaire à sa face extérieure rayonnante, alors il est possible de choisir la hauteur hi ou le rayon Ri, de manière à ce que la fréquence de coupure soit strictement inférieure à la fréquence fτ. Enfin, en variante, le revêtement filtrant du résonateur 122 est omis, de sorte qu'aucun des résonateurs de l'antenne 120 ne comporte de revêtement filtrant tel que le revêtement 40. Le fonctionnement de l'antenne 120 reste cependant amélioré car le champ magnétique est injecté dans le second résonateur 123 par des tâches d'excitation, ce qui ne modifie pas la réflectivité de la face supérieure de la paroi 24.

Claims

REVENDICATIONS
1. Antenne conçue pour émettre ou recevoir des ondes électromagnétiques à une fréquence de travail fj, cette antenne comportant un premier résonateur (20 ; 60 ; 70 ; 80 ; 90 ; 122) formé :
- d'un réflecteur (22) réfléchissant la totalité des ondes électromagnétiques à la fréquence fj se propageant perpendiculairement à ce réflecteur,
- d'une paroi (24) partiellement réfléchissante traversée par les ondes électromagnétiques à la fréquence fr, cette paroi réfléchissant strictement moins de 100% et plus de 80% des ondes électromagnétiques à la fréquence fτ se propageant perpendiculairement à cette paroi,
- d'une cavité (36) délimitée d'un côté par une face supérieure du réflecteur et de l'autre côté par une face inférieure de la paroi partiellement réfléchissante, et
- d'au moins une sonde d'excitation (38 ; 124-128) de la cavité propre à recevoir ou à injecter dans cette cavité, au niveau du réflecteur, des champs électromagnétiques à la fréquence fj, caractérisée en ce que le premier résonateur comporte un revêtement filtrant (40) recouvrant la majorité de la face supérieure du réflecteur située à l'intérieur de la cavité, ce revêtement étant apte à éliminer toutes ondes électromagnétiques de fréquence fj se propageant dans une direction parallèle à la face supérieure du réflecteur sans pour autant éliminer toutes ondes électromagnétiques à la fréquence fτ se propageant dans une direction perpendiculaire à la face supérieure du réflecteur, et en ce que le revêtement filtrant (40) forme un matériau
BIP (Bande Interdite Photonique) comportant au moins un premier et un second matériaux se différenciant par leur permittivité et/ou leur perméabilité et/ou leur conductivité disposés en alternance à intervalles réguliers seulement le long d'une ou plusieurs directions parallèles à la face supérieure du réflecteur, l'intervalle régulier étant fonction de la longueur d'onde λ i des ondes électromagnétiques de fréquence fj dans le premier matériau de manière à éliminer les ondes électromagnétiques de fréquence fj se propageant parallèlement à la face supérieure du réflecteur.
2. Antenne selon la revendication 1 , dans laquelle le premier matériau formant le revêtement filtrant (40) est identique au matériau remplissant la cavité.
3. Antenne selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le second matériau formant le revêtement (40) est identique au matériau formant la face supérieure du réflecteur.
4. Antenne selon la revendication 3, dans laquelle le second matériau forme des plots (42) dont la plus grande largeur s'étend dans une direction perpendiculaire à la face supérieure du réflecteur (22), ces plots étant répartis à intervalles réguliers sur la face supérieure du réflecteur dans deux directions non colinéaires et parallèles à cette face supérieure, la plus grande largeur étant strictement inférieure à λ i/2, où λ i est la longueur d'onde des ondes électromagnétiques de fréquence fτ dans le premier matériau.
5. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la face supérieure du réflecteur et la face inférieure de la paroi partiellement réfléchissante sont séparées l'une de l'autre par une hauteur hi constante et strictement inférieure à λ2/2 ou égale à λ2/2, où λ2 est la longueur d'onde des ondes électromagnétiques de fréquence fj dans le matériau remplissant la cavité.
6. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la paroi partiellement réfléchissante est un grillage (62) formé de plusieurs barreaux métalliques parallèles (66, 68), la plus petite distance entre deux barreaux parallèles contigus étant strictement inférieure à λ3/2, où λ3 est la longueur d'onde des ondes électromagnétiques de fréquence fj dans l'air.
7. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la paroi partiellement réfléchissante est un matériau BIP présentant au moins deux matériaux (26, 28, 30) se différenciant par leur permittivité et/ou leur perméabilité et/ou leur conductivité disposés en alternance au moins le long d'une direction perpendiculaire à la face supérieure du réflecteur, l'un de ces deux matériaux étant le même que celui remplissant la cavité.
8. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'antenne comporte une second résonateur (123) formé :
- d'une paroi rayonnante (132) traversée par les ondes électromagnétiques à la fréquence fj présentant une face rayonnante extérieure, cette paroi rayonnante réfléchissant strictement moins de 100% et plus de 80% des ondes électromagnétiques à la fréquence fj se propageant perpendiculairement à cette paroi rayonnante,
- d'une cavité résonante (136) à fuite délimitée d'un côté par une face inférieure de la paroi rayonnante et de l'autre côté par une face supérieure de la paroi (24) partiellement réfléchissante du premier résonateur, la paroi rayonnante et la paroi partiellement réfléchissante étant séparées l'une de l'autre par une hauteur h2 constante inférieure ou égale à λ4/2+λ4/20, où λ4 est la longueur d'onde des ondes électromagnétiques de fréquences fj dans le matériau remplissant la cavité résonnante à fuite.
9. Antenne selon la revendication 8, dans laquelle l'antenne comporte plusieurs sondes d'excitation (124-128) dans le premier résonateur (122) entraînant chacune la formation d'une tâche d'excitation (160-164) sur la face supérieure de la paroi partiellement réfléchissante, chaque tâche d'excitation créant à son tour une tâche rayonnante (166-170) sur la face rayonnante de la paroi rayonnante, chaque tâche d'excitation et tâche rayonnante étant définies comme étant la zone de la face supérieure de la paroi (24) partiellement réfléchissante, respectivement de la paroi rayonnante (132), située autour d'un point de cette face où l'intensité du champ électromagnétique émis par cette sonde est maximale et incluant tous les points de cette face où l'intensité du champ électromagnétique émis par cette sonde est supérieure ou égale à la moitié de cette intensité maximale, et dans laquelle la distance séparant deux sondes d'excitation contiguës est choisie suffisamment petite pour que les tâches rayonnantes crées par ces sondes se chevauchent partiellement.
10. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle chaque sonde d'excitation (124-128) présente une surface d'injection et/ou de réception d'ondes électromagnétiques à la fréquence fj dont la plus grande largeur est supérieure ou égale à λ2, la répartition de la puissance des ondes électromagnétiques sur la surface d'injection et/ou de réception ayant un point où la puissance est maximale, ce point étant éloigné de la périphérie de cette surface, et la puissance décroît continûment le long d'une droite allant de ce point jusqu'à la périphérie et ceci quelle que soit la direction de la droite considérée dans le plan de cette surface, λ2, étant la longueur d'onde des ondes électromagnétiques de fréquence fj dans le matériau remplissant la cavité du premier résonateur.
11. Antenne selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, dans laquelle la hauteur h2 est donnée par la relation suivante : λ h2 = (2nπ + φ, + φ2 )—
4π où :
- n est le nombre entier positif ou négatif qui permet d'obtenir la plus petite hauteur hi2 positive,
- Cp1 est le déphasage introduit entre une onde électromagnétique incidente à la fréquence fj et l'onde réfléchie après réflexion sur la face supérieure de la paroi partiellement réfléchissante du premier résonateur,
- φ2 est le déphasage introduit entre une onde électromagnétique incidente à la fréquence fτ et l'onde réfléchie après réflexion sur la face inférieure de la paroi rayonnante, - X4 est la longueur d'onde de l'onde électromagnétique de fréquence fτ dans le matériau remplissant la cavité résonante à fuite.
12. Antenne selon la revendication 11 , dans laquelle la face supérieure du réflecteur (22) et la face inférieure de la paroi partiellement réfléchissante (24) sont séparées l'une de l'autre par une hauteur hi constante strictement inférieure à λ2 /2, où λ2 est la longueur d'onde des ondes électromagnétiques de fréquence fi dans le matériau remplissant la cavité du premier résonateur.
13. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la cavité (36) du premier résonateur forme un guide d'onde ayant une fréquence de coupure fc du mode de propagation TE1 ou TM1 et une valeur asymptotique C au dessus de laquelle aucun mode de propagation TEM ne peut s'établir, et dans laquelle la fréquence fτ est inférieure ou égale à la fréquence fc et supérieure à la valeur asymptotique C.
14. Système d'émission ou de réception d'ondes électromagnétiques comportant : - un dispositif (184) de focalisation apte à focaliser les ondes électromagnétiques émises ou reçues par le système sur un point focal, et une antenne (120) émettrice ou réceptrice d'ondes électromagnétiques placée sur ce point focal, caractérisé en ce que l'antenne est conforme à la revendication 9.
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