Brevet FR2481526A1 — publié le 19811030

ANTENNE A STRUCTURE MINCE La présente invention concerne une antenne à structure mince formée à partir d'une feuiLle d'un substrat diélectrique dont la face arrière est recouverte d'une couche de matériau conducteur et dont la face avant présente au moins une fente de rayonnement mé- nagée dans une autre couche de matériau conducteur recouvrant ledit substrat, tandis que des moyens sont prévus pour simuLer des parois latérales entourant au moins une fente de rayonnement. Les antennes de ce type trouvent d'importantes applications notamment pour les aéronefs. En effet, du fait de Leur minceur, ces antennes peuvent se déformer et épouser n'importe quel profiL d'aéro- nefs de sorte que ceux-ci conservent leurs formes aérodynamiques. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4 110 751 décrit une telle antenne. Cette antenne connue présente L'inconvénient que l'im- pédance au niveau de son connecteur d'excitation ne garde une valeur convenable que sur une variation trop étroite en fréquence. L'invention propose une antenne du genre mentionné dans le préambule qui présente une adaptation correcte sur une Large bande pratiquement 10% de la fréquence nominale et qui fournit des diagram- mes de rayonnement variés en fonction des besoins de L'utilisateur. Une antenne conforme à l'invention est remarquable en ce qu'il est prévu une fente d'excitation qui est ménagée dans Ladite couche de matériau conducteur recouvrant la face avant et qui est placée parallèlement au voisinage de La fente de rayonnement. Cette fente d'excitation présente une fréquence de réso- nance qui, combinée à ceLLe de La fente de rayonnement et ceLLe de La cavité formée par La face avant, La face arrière et les moyens pour simuler des parois latéraLes, élargit Le domaine de fréquence dans Lequel on obtient une adaptation convenable. La description suivante faite en regard des dessins annexés, Le tout donné à titre d'exempLe non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Les dessins représentent: - à la figure 1, une première antenne conforme à l'inven- tion comportant une fente de rayonnement; - à La figure 2, le détail de réalisation d'un trou uti- lisé pour simuler les parois Latérales de l'antenne; - à La figure 3, le détail de réalisation de l'excitation de L'antenne; - à la figure 4, un schéma destiné à montrer Les diverses dimensions de l'antenne déjà représentée à La figure 1; - à La figure 5, un deuxième mode de réalisation d'une antenne conforme à l'invention utilisant des créneaux pour simuler Les parois latérales; - à la figure 6, Le détail d'un créneau; - à la figure 7, un troisième mode de réalisation d'une antenne conforme à l'invention comportant deux fentes de rayonnement excitées en phase; - à la figure 8, un quatrième mode de réaLisation d'une antenne conforme à L'invention comportant deux fentes de rayonnement excitées en opposition de phase; - à la figure 9, un cinquième mode de réalisation d'une antenne conforme à L'invention semblable au troisième mode comportant deux fentes de rayonnement excitées en phase, mais dont le point d'excitation est déplacé; - à La figure 10, un sixième mode de réalisation d'une antenne conforme à l'invention comportant quatre fentes de rayonne- ment excitées en phase; - à la figure 11, un septième mode de réalisation d'une antenne conforme à l'invention comportant quatre fentes de rayonne- ment dont deux sont excitées en opposition de phase; - à La figure 12, un schéma d'un huitième mode de réaLi- sation d'une antenne conforme à l'invention comportant deux fentes de rayonnement de Longueur double excitées en opposition de phase; - à La figure 13, un neuvième mode de réalisation d'une antenne conforme à L'invention comportant deux fentes disposées per- pendicuLairement l'une à L'autre; - à La figure 14, une antenne conforme à L'invention épou- sant un profil quelconque. La figure 1 montre en perspective une antenne conforme à L'invention. Cette antenne est formée à partir d'une feuiLLe d'un substrat diélectrique 1. Une couche de matériau conducteur 2 recouvre la face arrière de ce substrat et une autre couche 3, la face avant. Sur cette autre couche 3, on a pratiqué une fente 4 pour rayonner l'énergie radioélectrique. SeLon le principe de BABINET, on rappelle qu'une telle fente se comporte comme un doublet. Sur cette figure, les moyens pour simuler les parois latérales sont constitués par une série de trous 5. On délimite ainsi les quatre parois latérales d'une cavité paraLléLépipèdique dont la cinquième paroi est constituée par la cou- che 2 et dont La sixième par la couche 3, la fente rayonnante 4 étant paraLlèLe au grand côté du rectangle délimité par les trous 5. La figure 2 montre comment sont réaLisés ces trous. L'in- térieur de ceux-ci est recouvert d'une couche 6 de matériau conducteur, de sorte que les couches 2 et 3 sont reliées électriquement entre- elLes. Ces trous 5 sont suffisamment rapprochés entre-eux pour se com- porter comme une paroi métallique continue à La longueur d'onde du rayonnement pour laquelle l'antenne est conçue. Conformément à L'invention, une antenne à structure mince est remarquable en ce qu'il est prévu une fente d'excitation 10 qui est ménagée dans Ladite couche de matériau conducteur 3 recouvrant la face avant et qui est placée parallèlement au voisinage de La fente de rayonnement 4. L'antenne de La figure 1 est excitée en un point 11 placé au miLieu de la partie 13 de matériau conducteur séparant les fentes 4 et 10. Ce point milieu correspond pratiquement au point de rencontre des diagonales du rectangle délimité par les trous 5. On doit bien remarquer que cette partie 13 constitue un élément d'une Ligne du type connu sous Le nom de "Ligne coplanar". On trouvera tous les renseignements concernant ce genre de Ligne dans La publication suivante: MICROWAVE TRANSMISSION LINE IMPEDANCE DATA par M.A.R. GUNSTON, VAN NOSTRAND Reinhold Cy LONDON. Dans La suite du présent exposé, ce genre de Ligne sera dénommé: "Ligne coplanaire". La figure 3 montre un exemple du raccord du point d'exci- tation 11 à partir d'une prise coaxiale 20 formée d'une broche 21 entourée d'une pièce métallique 22 à l'extérieur de laquelle on a prévu un pas de vis pour qu'une fiche coaxiale usuelle puisse venir se brancher. Une tige 23 prolongeant La broche 21 permet de relier cette dernière au point 11 placé sur la couche 3. La partie 22 est aussi prolongée d'un manchon 24 pour être reliée à la couche 2. Qn a fait figurer à La figure 4, les différentes grandeurs qui interviennent pour la conception d'une antenne conforme à l'in- vention. Ces grandeurs dépendent de la fréquence nominale Fo de fonc- tionnement. Lc: est la longueur de la cavité et "lc" sa largeur. Pour des raisons de simplification, La délimitation de la cavité est mon- trée en trait plein. "ep" est l'épaisseur de la cavité, c'est-à-dire l'épaisseur du substrat 1. Lf et "Lf" sont respectivement La longueur et la largeur de la fente de rayonnement 4. Le et "le" la longueur et La Largeur de La fente d'excita- tion 10. cr est la constante diélectrique du substrat 1. "df" est La distance qui sépare les deux fentes 10 et 4. Le point 11 au milieu de La partie 13 est donc placé au point de croisement des diagonales (non représentées) du rectangle Lc x Lc. A La fréquence Fo correspond une Longueur d'onde Xo: (1) Xo = c/Fo o c est la vitesse de la Lumière. Si on considère un guide d'onde qui est rempLi d'un dié- Lectrique dont la constante diélectrique est ór et dont Les dimensions transversales sont "lc" et "ep", La Longueur d'onde guidée Ig seLon Le mode fondamental est aLors: (2) Xg = r o XT ( - -o/2-c2 Pour qu'iL y ait résonance de La cavité, iL faut: (3) Lc = k1 (Xg/2) D'autre part, L'antenne élémentaire correspond à une fente résonnante de Longueur k2 (Xo/2) ce qui impLique: (4) Lc k2 (Xo/2) k1 et k2 étant des nombres entiers positifs. A L'aide de L'équation (2), on obtient pour Le mode fonda- mentaL, c'est-à-dire k1 = k2 = 1. ) Lc = Xo/2 Ver - 1- La fréquence de résonance est Liée aux paramètres de La cavité par L'équation: (6) Fo = c + (LC/Lc)2 La partie 13 constitue, d'autre part, comme on L'a déjà dit, une ligne copLanaire. Avec ce genre de ligne, il y a Lieu de consi- dérer pour Les catcuLs d'impédance et pour Les caLcuLs de vitesse de propagation une constante diélectrique fictive cf dont La vaLeur est: (7) cf = (er + 1)/2 Ainsi, la fréquence de résonance FI de La portion de Ligne coplanaire est égale à: (8) F1 = (c/Le) r + 1 Enfin, la fréquence de résonance F2 de La fente rayonnante 4 est: (9) F2 = c/(2Lf). On voit donc bien que L'antenne de L'invention présente trois fréquences de résonance. - La première est ceLLe de la cavité paralLélépipèdique; la valeur de cette première fréquence est donnée par La formule (6). - La deuxième est celle de la ligne coplanaire; elle est donnée par La formule (8). - la troisième est ceLLe de La fente de rayonnement 4 et eLLe vérifie la formule (9). Les autres paramètres n'intervenant pas dans les formules ci-dessus vont définir, entre-autres, les coefficients de couplage de ces différents résonateurs. En jouant sur tous les paramètres, il est possible d'obtenir une bande de fréquence relativement importante pour Laquelle l'adaptation est satisfaisante. La demanderesse a trouvé que pour une antenne dont Les va- leurs des paramètres sont les suivantes: Lc = 36 mm Lc = 18,5 mm Lf = 35 mm Le = 21 mm le = 0,15 mm df = 2 mm ep = 3 mm sr = 4,5 (verre epoxy) on obtenait un taux d'ondes stationnaires inférieur ou égal à 2 pour une fréquence allant de 4,1 GHz à 4,5 GHz. A partir de la structure de base de l'antenne conforme à l'invention qui vient d'être décrite, il est possible d'en réaliser de nombreuses variantes qui entrent toutes dans Le domaine de l'invention. Ainsi, les moyens pour simuler Les parois Latérales peuvent être réa- lisés d'une autre manière que celle indiquée pour l'antenne de la fi- gure 1. IL est bien évident que ces moyens peuvent être constitués par des plaques conductrices. Des moyens particuLièrement avantageux sont utilisés pour L'antenne de la figure 5: ceux-ci sont facilement réali- sables, cette antenne étant par ailleurs identique à ceLLe de La fi- gure 1. Pour déLimiter Les parois LatéraLes de L'antenne de La figure 5, on a prévu des créneaux 25 situés entre des parties pleines 26 qui font partie de La couche métaLLique 3 plaquée sur La face avant de l'antenne. Les dimensions hors tout de La plaque sont alors: (Lc + ds) x (Lc + ds) o "ds" est la profondeur du créneau. Ces créneaux et Les parties pleines créent des lignes à microruban mieux connues en littérature technique sous le terme de Ligne "microstrip". En prenant une valeur "ds" convenable, on ramène au niveau du fond des créneaux une impédance pratiquement nulle. Cette impédance sera d'autant plus proche de zéro que la largeur w de la partie pleine (voir la figure 6) sera importante par rapport à l'é- paisseur "ep" du substrat diélectrique. On se rapportera à ce sujet à L'ouvrage déjà cité de GUNSTON et plus particuLièrement aux paragra- phes 3.6 et 6.3. Quant à la détermination de La vaLeur "ds", elle sera telle: ds = X /4 Xp étant la Longueur d'onde guidée par les Lignes à microruban. La figure 7 montre une autre antenne conforme à L'invention. Cette antenne présente, d'une part, deux fentes rayonnantes 4a et 4b placées dans le prolongement l'une de L'autre et, d'autre part, une fente d'excitation 10a rectiligne disposée parallèlement aux fentes 4a et 4b; le point d'excitation 11 est placé au milieu de la partie de la couche en matériau conducteur, partie 13 qui sépare Les fentes 4a et 4b de la fente 10a. La cavité qui est délimitée sur cette fi- gure par des traits pleins a comme dimensions "Lc", 2Lc et comme pro- fondeur: "ep". C'est-à-dire que l'on a affaire à une cavité deux fois plus longue que celle de l'antenne de la figure 1. Les fentes 4a et 4b ont la même Longueur que la fente 4. La fente 10a a une longueur "Lea" dont L'ordre de grandeur est 2 x Lf. Selon ce mode de réalisation, les fentes 4a et 4b sont excitées en phase, ce qui est représenté schématiquement par des fLè- ches Fa et Fb orientées vers le haut de La figure. Dans ce cas, le maximum de rayonnement se trouve dans une direction perpendiculaire à la face avant de l'antenne. L'antenne représentée à La figure 8 présente un diagramme de rayonnement différent de celui de L'antenne de La figure 7. Bien que l'antenne de la figure 8 présente des fentes 4c, 4d et 10c, de dispo- sition et de dimensions identiques à celles de La figure 7, Les fentes de rayonnement sont excitées en opposition de phase, ceci est indiqué par la fLèche Fc relative à La fente 4c et pointée vers le haut de La figure et par la flèche Fd relative à La fente 4d et pointée vers Le bas. Cette excitation, en opposition de phase, est due à la disposition particulière du point d'excitation 11 qui est placé au milieu de La partie 13 entre la fente 4c et la fente 10c. Cet emplacement favorise une répartition asymétrique du champ électrique à l'intérieur de La cavité. La cavité est alors excitée dans le mode H1 2 et le dia- 1,0,2 gramme de rayonnement de l'antenne de la figure 8 présente un minimum de rayonnement dans la direction o l'antenne de la figure 7 présente un maximum. Un autre mode de réalisation d'une antenne conforme à l'in- vention est montré à La figure 9. Cette antenne présente deux fentes de rayonnement 4f et 4g. A chacune de ces fentes est associée une fente d'excitatiQn lo0f et lo0g respectivement. Le point d'excitation 11 est placé sur une ligne coplanaire formée d'une partie conductrice 13h disposée perpendiculairement à L'alignement des fentes 4f et 4g bor- dées des deux fentes d'excitation 10f et lo0g. Les fentes rayonnantes 4f et 4g sont ainsi excitées en phase, ce qui est indiqué par les flè- ches Ff et Fg dirigées toutes les deux vers le haut de la figure. Le diagramme de rayonnement est alors identique à celui de l'antenne de la figure 7. La figure 10 montre un mode de réalisation préféré d'une antenne conforme à l'invention. Cette antenne comporte quatre fentes de rayonnement 4i, 4j, 4k et 4L; les fentes 4i et 4j alignées l'une dans le prolongement de l'autre sont entourées par des parois laté- rales ou par des moyens équivalents (trous ou créneaux) disposés seLon un rectangle. Les fentes 4k et 4L alignées aussi l'une dans le pro- longement de l'autre sont entourées de la même manière. Les fentes 4k et 4L sont placées en dessous des fentes 4i et 4j. A ces quatre fentes sont associées quatre fentes d'excitation 10i, 10j, 1Ok et 10L qui sont disposées respectivement au-dessous des fentes de rayonnement. Les fentes 10i et 1Ok sont reliées par une fente lOm perpendiculaire à ces dernières, de même, Les fentes 10j et 10L sont reliées par une fente 1On. Le point d'excitation 11 se trouve décalé par rapport au milieu C d'une partie conductrice 13m située entre les fentes 10m et 10no La distance de décalage est choisie égale à 1/4 X1' X1 étant la Lon- gueur d'onde guidée dans la Ligne copLanaire de façon à introduire une avance de phase de 180 entre Les tensions d'excitation des fentes i et 10j, d'une part, et ceLLes des fentes 10k et 10L, d'autre part. Compte tenu de La géométrie des lignes coplanaires, iL en résuLte une excitation en phase des quatre fentes de rayonnement 4i, 4j, 4k et 4L, ce qui est indiqué par Les flèches Fi, FJ, Fk et FL pLacées respecti- vement dans Les fentes 4i, 4j, 4k et 4L et dirigées toutes vers Le haut de la figure. On a alors un diagramme de rayonnement présentant un ma- ximum dans la direction perpendiculaire à La face avant de la figure. Pour obtenir une adaptation convenable, on a prévu un transformateur quart d'onde 60. Ce transformateur est constitué par un élargissement des fentes 10m et O10n sur une Longueur qui est égale au quart de La longueur d'onde propagée sur La Ligne copLanaire et qui est mesurée à partir du point d'excitation 11. Cet élargissement est tel que ce tronçon de ligne coplanaire présente alors une impédance caractéris- tique égale à La moyenne géométrique de L'impédance à adapter et l'im- pédance souhaitée au point 11. Si l'utilisation de Ligne quart d'onde pour adapter est bien connue dans La technique, on remarquera que sa mise en oeuvre est particulièrement avantageuse pour l'antenne de la figure 10 puisqu'eLLe n'implique pas de matériels supplémentaires. L'antenne représentée à la figure 11 est construite de la même façon que celle de la figure 10, sauf que Le point d'alimenta- tion 11 est disposé au centre de symétrie C de l'antenneo On obtient ainsi une aLimentation en antiphase entre les fentes 4i et 4j, d'une part, et les fentes 4k et 4L, d'autre part. Les fLèches Fk' et Fl' ont alors une direction différente des flèches Fk et Fl de La figure 10. IL en résuLte un diagramme de rayonnement qui s'annuLe dans Le plan de symétrie perpendiculaire au champ électrique dont La direction est donnée par les fLèches Fi, Fj, Fh', FL'. De part et d'autre de ce plan, la vaLeur du champ rayonné change de signe. L'antenne de la figure 12 présente deux fentes 4p et 4q disposées parallèLement L'une au-dessous de lVautre. Ces fentes ont une longueur double des précédentes de sorte que la première moitié de l'antenne rayonne en opposition de phase par rapport à la seconde moi- tié; ceci est indiqué pour La fente 4p par les flèches Fp et Fp' diri- gées en sens inverse, et pour la fente 4q par les flèches Fq et Fq' dirigées aussi en sens inverse. De plus, les flèches Fp et Fq sont dirigées en sens inverse. A la fente 4p est associée parallèlement une fente d'excitation formée de deux parties lOp et lOp' et à la fente 4q, une fente d'excitation formée par des parties 10q et 10q'. Les fentes lOp et lOq' sont reliées par une fente lOr en forme de marche d'escalier. Cette fente rejoint à angle droit les fentes lOp et lOq'. De la même manière, les fentes lOp' et 10q sont reliées par une fente lOs qui suit un parcours parallèle à celui de la fente lOr. La partie conductrice 13r située entre les deux fentes lOr et lOs présente une partie parallèle aux fentes d'excitation lOp et 10q et c'est au milieu de cette partie que l'on place le point d'excitation 11 qui est ici aussi confondu avec le centre C de symétrie de l'antenne. Ici aussi, on a prévu un transformateur quart d'onde 60. Le diagramme de rayon- nement s'annule dans le plan de symétrie qui passe au point C et qui est parallèle aux directions données par les flèches Fp, Fp', Fq, Fq'. Le champ rayonné change de signe de part et d'autre de ce plan. En ce qui concerne la polarisation, l'antenne de la figure 12 est donc com- plémentaire de celle de la figure 8. Une antenne intéressante con- forme à l'invention est montrée à la figure 13. On utilise ici un subs- trat diélectrique dont la constante diélectrique est choisie, en tenant compte cependant des dimensions de l'antenne, de telle sorte que l'on ait Lc = lc = Xo/2. On peut avoir alors des fentes de rayonnement dans deux di- rections orthogonales, soit les fentes 4y et 4z. Pour exciter ces fentes, on a disposé parallèlement aux fentes de rayonnement deux fentes d'excitation lOy et lOz respectivement. Ces fentes se rejoignent. En disposant le point d'excitation 11 au voisinage de cette jonction et en choisissant pour ces fentes des longueurs dissymétriques telles que l'alimentation des fentes 4y et 4z soit en quadrature de phase, on ob- tient un champ rayonné à polarisation circulaire. La figure 14 montre, à titre indicatif, la manière avec la- quelle une antenne de l'invention, par exemple l'antenne de la figure 1, peut épouser un profil courbe 150 d'un aéronef notamment. l1 REVENDICATIONS: 1. Antenne à structure mince formée à partir d'une feuille d'un substrat diélectrique dont La face arrière est recouverte d'une couche de matériau conducteur et dont la face avant présente au moins une fente de rayonnement ménagée dans une autre couche de matériau conducteur recouvrant ledit substrat, tandis que des moyens sont pré- vus pour simuler des parois latérales entourant au moins une fente de rayonnement, caractérisée en ce qu'iL est prévu au moins une fente d'excitation qui est ménagée dans ladite couche de matériau conducteur recouvrant la face avant et qui est placée parallèlement au voisinage de la fente de rayonnement. 2. Antenne à structure mince selon la revendication 1, carac- térisée en ce que les moyens prévus pour simuler des parois Latérales sont constitués par des plaques conductrices rejoignant les couches de matériau conducteur recouvrant les faces avant et arrière. 3. Antenne à structure mince selon la revendication 1, carac- térisée en ce que les moyens prévus pour simuler des parois latérales sont constitués par des trous recouverts d'une couche de matériau conducteur mettant en contact la couche recouvrant la face avant avec la couche recouvrant la face arrière. 4. Antenne à structure mince selon La revendication 1, carac- térisée en ce que les moyens prévus pour simuLer des parois latéraLes sont constitués par des créneaux situés entre des parties pleines, La profondeur du créneau étant telle qu'une impédance pratiquement nulle est ramenée au fond de celui-ci. 5. Antenne à structure mince selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le point-d'excitation est placé dans la partie de la couche de matériau recouvrant la face avant de La partie située entre la fente de rayonnement et La fente d'excitation. 6. Antenne à structure mince seLon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le point d'excitation est placé sur une ligne coplanaire pour le relier à La fente d'excitation. 7. Antenne à structure mince selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que pour connecter l'antenne à une fiche coaxiale d'utilisation située derrière l'antenne au niveau du point d'excita- tion, on a prévu une broche qui relie le point d'excitation à l'âme de la fiche et un manchon reliant électriquement la couche de matériau recouvrant La face arrière à La gaine extérieure de La fiche. 8. Antenne à structure mince selon L'une des revendications 1 à 7, destinée à rayonner une onde poLarisée circuLairement en ce qu'eLLe comporte deux fentes de rayonnement disposées perpendiculai- rement et en ce que Les longueurs des fentes d'excitation sont choisies pour aLimenter en quadrature de phase Les deux fentes de rayonnement.