Brevet FR2344142A1 — publié le 19771007

La présente invention concerne d'une façon générale, des structures d'antennes pour radio fréquence et elle vise plus spésialemet, une structure d'antenne sous forme de microbandes dans laquelle le matériau diélectriqe massif utilisé jusqu'à ce jour pour séparér les éléirtents d'antenne d'un plan de masse ou plan de référence sous-jacent est remplacé, tout au moins en partie, par un matériau dielectrirue déployé renfermant une proportion importante de vides comme par exemple une structure diélectrique en nid d'abeille ou en mousse. On connaît, dans ce domaine, de nombreux types de structures d'antennes sous forme de microbandes. Il convient de noter que la présente invention trouve des applications dans tous les types de structures d'antennes sous forme de microbandes. Comme le savent les spécialistes, les dispositifs rayonnants à microbandes proprement dits sont des surfaces conductrices de formes et de dimensions bien définies recouvrant un plan de masse ou plan de référence, plus grand dont ces dispositifs rayonnants sont séparés au moyen d'un matériau diélectrique entremêlé, par une distance qui représente une fraction relativement faible d'une longueur d'onde électrique.Plus exactement, on réalise les d-spositifs rayonnants à microbandes soit un à un, soit disposés en rangées, en utilisant des procédés de photogravure identiques à ceux que l'on met en oeuvre pour confectionner, de façon classique, des plaquettes de circuits imprimés présentant des surfaces conductrices de l'électricité de forme donne. Br. fait, le matériau de départ servant à la fabrication des dispositifs rayonnants à microbandes de type courant est tout à fait analogue au matériau destiné à la réalisation des plaquettes de circuits imprimes classiques, en ce sens quil comprend une couche diélectrique caitrecollée entre deux couches conductrices.De façon précise, une face de cette structure feuilletée devient le plan de masse ou plan de référence d'un élément ou d'une rangée d'éléments d'antenne sous forme de microbandes, tandis que l'autre face extrême de cette structure feuilletée est photogravée pour constituer le véritable dispositif rayonnant à microbandes ou une rangée de tels dispositifs rayonnants, généralement solidaires d'une ligne d'alimentation et de transmission à microbandes convenable servant à véhiculer ltenergie de radio fréquence en direction des éléments rayonnants et en provenance de ceux-ci. Bien entendu, les structures rayonnantes d'antennes peuvent servir aussi bien à la réception qu'à l'émission de l'énergie de radio fréquence. Les structures d'antennes sous forme de microbandes font appel à un support massif (de façon précise, en fibres de Tsflon", marque déposée), ce substrat présentant d'un côté, une salace de référence continue, ou plan de masse, contrecollée et, de l'autre côté, une surface contreoelléeplaquée d'un matériau condweteur, photogravée de manière à constituer les éléments d'antenne a microbande et les lignes d'alimentation désirés. En ce qui concerne- ces structures de la technique antérieure, on a constaté que le rendement de l'antenne augmente avec l'épaisseur du support diélec- trique massif.Mais, les supports diélectriques massifs trAs épais sont souvent trop lourds pour de nombreuses applications et, de plus, la tangente de l'angle de perte d'un matériau d'électrique massif provoque inévitablement une dissipation fâcheuse d'une certaine quantité d'énergie dans le support diélectrique. De plus, la largeur de bande des dispositifs rayonnants à 'aicrobandes est proportionnelle à la hauteur de l'élément d'antenne au-dessus du plan de référence, hauteur qui est déterminée par l'eaisseur du matériau diélectrique intercalé.Mais , dans le cas des supports massifs des structures d'antennes à microbandes de la technique antérieure, si l'on augmente fortement l'épaisseur du support diélectrique en vue d'obtenir une plus grande largeur de bande, on s'éloigne fâcheusement des limites de poids imposées aux antennes. Or, on a remarqué que l'on peut remplacer au soins la majeure partie du support diélectrique par un matériau diélectrique déploya renfermant une proportion importante de vides, ce qui conduit à la réalisation d'une structure diélectrique légère , de faible masse specifique et présentant peu de pertes,ce qui offre de namhreux avantages et en particulier un rendement élevé. Suivant une forme de réalisation, le matériau diélectrique déployé peut être une structure en nid d'abeille ou en mousse. De façon plus précise, l'invention a pour objet une structure d'antenne pour radio fréquences comprenant : une surface de référence conductrice de l'électricité ; un matériau diélectrique recouvrant cette surface de référence ; une feuille diélectrique d'épaisseur donnée recouvrant ce matériau diélectrique ; une surface d'élément d'antenne conductrice de l'électricité cnntrecollee sur cette couche diélectrique et délimitant au moins une ouverture rayonnante entre le pourtour de cette surface d'élément d'antenne et ladite surface de référence;et un moyen d'alimentation en radio fréquences relié électriquement à cette surface d'élément d'antenne de manière à véhiculer l'énergie de radio fréquence vers ladite surface d'élément d'antenne ou en provenance de cette surface, cette structure d'antenne étant caractérisée par le fait que le matériau diélectrique placé entre la surface de référence et ladite feuille diélectrique a une épaisseur donnée et au moins une partie de ce matériau comporte une proportion importante de vides, ce qui donne une structure diélectrique légère, de faible masse spécifique et présentant peu de pertes, ladite épaisseur donnée de matériau diélectrique étant inférieure à un quart de la longueur d'onde correspondant à la radio fréquence escomptée. Etant donné que la partie déployée du matériau diélectrique comprend une proportion importante de vides(qui sont normalement remplis d'air et/ou de gaz possédant des propriétés diélectriques excellentes), la tangente d'angle de perte moyenne de ce diélectrique composite qui sépare les éléments d'antenne du plan de masse sousjacent est bien inférieure à celle qui est atteinte par les supports diélectriques massifs utilisés dans les structures d'antennes à microbandes de la technique antérieure. En utilisant un tel matériau diélectrique déployé, on peut augmenter le rendement global d'antenne jusqu'à ce qu'il atteigne presque 100%, tout en diminuant favorablement le poids global de -l'antenne et en augmentant la distance entre les éléments d'antenne et le plan de masse sous-jacent, ce qui assure une plus grande largeur de bande. En outre, si le matériau diélectrique déployé utilisé présente une structure en nid d'abeille par exemple, on peut obtenir une structure d'antenne dont l'ensemble est plus rigide que dans le cas d'un support diélectrique massif, et, de plus, un tel matériau diléectrique déployé est en général moins motteux qu'un matériau diélectrique massif. Au surplus, l'augmentation des dimensions de résonance des éléments d'antenne, due à une valeur plus faible de la constante diélectrique du matériau de séparation, assure une directivité d'un élément d'antenne seul meilleure que dans le cas des antennes à microbandes connues, étant donné que l'ouverture d'antenne est plus grande. Sur les dessins, la figure 1 est une vue en perspective, avec arrachement partiel d'une première forme de réalisation de l'invention ; et la figure 2 est une vue en perspective, avec arrachement partiel, d'une seconde forme de réalisation. Le plan de masse ou plan de référence 10 représenté sur la figure 1, peut être en n'importe quel matériau conducteur de l'électricité, par exemple en aluminium de faible densité, ou en fibres de verre imprégnées de résine époxy revêtues de cuivre. de telles fibres sont souvent préférées, car cela permet de réaliser la couche diélectrique 12 avec le même matériau, ce qui supprime l'inconvénient des différences de dilatation thermique. Le support central 14 en un matériau diélectrique déployé tel que représenté sur la figure 1, a une structure en nid d'abeille et forme un motif répété d'espaces ouverts délimités par des parois en matériau diélectrique qui vont de la surface de référence 10 à la couche diélectrique 12. Comme on peut le comprendre d'après la figure 1, ce support diélectrique déployé en nid d'abeille a une masse spécifique très faible et, par suite, une tangente de pertes très faible également. L'élément diélectrique 12 est constitué par une couche diélectrique mince, dont la face supérieure est recouverte d'une feuille conductrice mince, comme représenté sur la figure 1. De façon précise, cet élément 12 est constitué par des fibres de verre imprégnées de résine époxy et revêtues de cuivre. On a également utilisé du "Kapton" revêtu de cuivre et l'on pourrait également employer du "Mylar" revêtu de cuivre ou tout diélectrique capable de se fixer sur le matériau diélectrique déployé. Etant donné qu'il doit y avoir des champs électriques dans l'élément diélectrique 12 quelle que soit la face tournée vers l'extérieur, il est important que ce diélectrique soit mince, et présente des pertes faibles. De façon précise, il convient que l'élément diélectrique 12 ait une épaisseur de l'ordre de 0,12 mm. Un ou plusieurs éléments d'antenne conducteurs de l'électricité (16) sont appliqués sur la couche diélectrique 12 comme représenté sur la figure 1 et délimitent au moins une ouverture rayonnante entre le pourtour de l'élément d'antenne 16 et la surface de référence 10. De plus, des moyens d'alimentation en radio fréquences par exemple des lignes de transmission 18 à microbandes, sont reliés électriquement à l'élément d'antenne 16 de manière à véhiculer l'énergie de radio fréquence vers les éléments d'antenne ou en provenance de ceux-ci. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le matériau consti tuant ltelement diélectrique en nid d'abeille déployé (14) peut être par exemple de la fibre de verre ou du "Nylon" imprégné de résine phénolique. On peut se procurer un tel matériau en nid d'abeille par exemple auprès de la Société Hexcel Corporation , Californie, où il est vendu sous la dénomination HFT sous la forme de feuilles d'une épaisseur de 6,35 mm. On a utilisé ce matériau par exemple pour la bande L à la fréquence de 1,275 gigahertz. Dans la forme de réalisation représentée sur la figure 1, les diverses pièces sont fixées les unes aux autres à l'aide d'un produit adhésif 20 disposé entre le matériau diélectrique déployé 14 et le plan de référence 10 et entre ce matériau 14 et la couche diélectrique 12. On adopte un produit adhésif peu coûteux, résistant et présentant un minimum de pertes. Comme matériau intéressant, on peut utiliser des feuilles adhésives vendues par la Société Narmco, ayant une épaisseur allant d'environ 0,1 mm à 0,25 mm. On se contente d'appliquer ces feuilles adhésives sur les deux faces du matériau diélectrique déployé 14 et l'on s'en sert ensuite pour coller ce matériau 14 à la surface de référence sous-jacente 10 et à 1à couche diElectrique supérieure 12, dans des conditions de pression et de température correspondant au produit adhésif choisi et aux divers éléments à fixer. On peut réaliser des antennes de formes diverses comme dans le cas des antennes à microbandes de la technique antérieure comportant un support massif, moyennant des corrections appropriées pour la largeur des lignes de transmission. En outre, les dimensions de résonance des éléments d'antenne sont un peu plus grandes que dans le cas d'antennes à support massif, en raison de la valeur plus faible de la constante diélectrique du matériau diélectrique intercalé entre l'élément d'antenne et le plan de masse sousjacent. I1 en résulte que l'ouverture, pour un seul élément d'antenne, est un peu plus grande, ce qui augmente sa directivité.En outre, on peut augmenter la largeur de bande d'un dispositif rayonnant d'antenne à microbandes donné, en augmentant sa distance au plan de masse sous-jacent. Une telle augmentation de cette distance peut s'obtenir, selon l'invention, sans augmenter fâcheusement le poids, comme on l'a expliqué plus haut. Mais les antennes à microbandes tombent en panne si la distance de l'élément d'antenne au plan de masse est supérieure à environ un huitième de la longueur d'onde électrique correspondant à la fréquence de fonctionnement d'antenne escomptée, bien que des distances atteignant presque un quart de longueur d'onde aient donne relativement satisfaction. De préférence, l'épaisseur totale du diélectrique qui sépare le dispositif rayonnant du plan de masse sous-jacent doit être inférieure à environ un huitième de la longueur d'onde électrique. La figure 2 représente une autre forme de réalisation de l'invention ; les éléments identiques à ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes numéros de référence. La seule différence entre la figure 1 et la figure 2 tient a ce que le matériau diélectrique déployé 14 de la figure 2 constitue une structure en mousse (par exemple de la mousse de polystyrène), au lieu de la structure en nid d'abeille de la figure 1. Par suite, la forme de réalisation représentée sur la figure 2 comprend un matériau diélectrique déployé consistant en une feuille de matériau à l'état de mousse qui comporte des espaces vides ouverts disposés au hasard, au lieu des espaces régulièrement répartis du motif en nid d'abeille de la figure 1.En tout cas, qu'il s'agisse de la structure en nid d'abeille de la figure 1 ou de la structure en mousse déployée de la figure 2, cette pièce diélectrique comporte au moins une partie présentant une proportion importante de vides, ce qui permet de disposer d'une structure diélectrique lègère, de faible masse spécifique et n'ayant que des pertes faibles, pour séparer l'élément d'antenne 16 du plan de masse sous-jacent 10. Dans ces deux formes de réalisation préférées, la couche diélectrique 12 est appliquée contre le matériau diélectrique déployé 14, et les éléments d'antenne 16 recouvrent tout l'ensemble. I1 convient toutefois de noter que l'on pourrait retourner la couche diélectrique 12 de manière que les éléments d'antenne soient directement au contact du matériau diélectrique déployé 14, cette couche 12 recouvrant tout l'ensemble. I1 va de soi que l'on peut apporter des modifications aux formes de réalisation décrites ci-dessus sans sortir du cadre de l'invention. C'est ainsi par exemple que les éléments d'antenne (par exemple le plan de masse, le matériau diélectrique déployé, la couche diélectrique et/ou les éléments rayonnants) peuvent être fixés les uns aux autres autrement que par collage, par exemple à l'aide de boulons. REVENDICATIONS 1. Structure d'antenne pour radio fréquences comprenant une surface de référence conductrice de l'électricité ; un matériau diélectrique recouvrant cette surface de référence ; une feuille diélectrique d'épaisseur donnée recouvrant ce matériau diélectrique ; une surface d'élément d'antenne conductrice de l'électricité contrecollée sur cette couche diélectrique et délimitant au moins une ouverture rayonnante entre le pourtour de ladite surface d'élément d'antenne et ladite surface de référence ; et un moyen d'alimentation en radio fréquences relié électriquement à ladite surface d'élément d'antenne de manière à véhiculer l'énergie de radio fréquence vers et à partir de ladite surface d'élément d'antenne, caractérisée par le fait que le matériau diélectrique placé entre ladite surface de référence et ladite feuille diélectrique a une épaisseur donnée et au moins une partie de ce matériau comporte une proportion importante de vides, ce qui donne une structure diélectrique légère, de faible masse spécifique et présentant peu de pertes, ladite épaisseur donnée de matériau diélectrique étant inférieure à un quart de la longueur d'onde correspondant à la radio fréquence escomptée. 2. Structure d'antenne pour radio fréquences selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ce matériau diélectrique déployé consiste en une structure en nid d'abeille formant un motif répété d'espaces ouverts délimités par des parois en matériau diélectrique allant de cette surface de référence à cette feuille diélectrique. 3. Structure d'antenne pour radio fréquences selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ce matériau diélectrique déployé consiste en une feuille d'un matériau à l'état de mousse comportant des espaces ouverts répartis au hasard. 4. Structure d'antenne pour radio fréquences selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que cette épaisseur donnée du matériau diélectrique déployé n'est pas supérieure à un huitième de la longueur d'onde correspondant à la radio fréquence escomptée. 5. Structure d'antenne pour radio fréquences selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que cette épaisseur donnée de la feuille diélectrique est inférieure à cette épaisseur donnée du matériau diélectrique déployé. 6. Structure d'antenne pour radio fréquences selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait qu'un matériau adhésif est réparti sur les deux faces de ce matériau diélectrique déployé et colle ses deux faces tespectivement a ladite surface de référence et à ladite feuille diélectrique.