Brevet FR2756976A1 — publié le 19980612

La présente invention se rapporte à une antenne à fentes à double polarisation et à très large bande passante. Elle concerne également un procédé pour sa réalisation. Pour obtenir des antennes à très large bande passante, il est connu d'utiliser des structures rayonnantes théoriquement indépendantes de la fréquence telles que des spirales d'Archimède ou des spirales logarithmiques ainsi que des antennes log-périodiques. Ces antennes sont définies uniquement par des angles. En ce qui concerne les antennes log-périodiques, lorsque l'on veut utiliser quatre bras ou plus de manière à réaliser des antennes à double polarisation, on se heurte au problème de placer ces bras sur une surface plane et de les imbriquer. Le brevet américain US n" 4 658 262 a décrit une solution à ce problème. Cette solution consiste à prévoir des bras constitués de conducteurs dits "sinueux", définis par des courbes sinueuses qui sont de type log-périodique ou quasi log-périodique et qui vont et viennent avec un rayon croissant dans un secteur angulaire. Les bras sont imbriqués et définis de façon à ne pas se toucher ou se croiser. Ces bras sont identiques et se déduisent les uns des autres par une rotation de 360"IN (N étant le nombre de bras) autour d'un axe passant par le centre d'expansion des courbes. Cependant, si une antenne ainsi constituée est théoriquement à très large bande passante, un inconvénient important vient limiter pratiquement la bande. En effet, I'impédance de rayonnement d'une telle antenne est toujours notablement plus élevée que les impédances des lignes d'alimentation couramment utilisées (par exemple 50 ou 75 ohms). Ceci rend l'alimentation d'une telle antenne difficile à assurer dans une large bande de fréquence du fait de la désadaptation. Un objet de l'invention est donc une antenne exempte de cet inconvénient et à très large bande passante. Selon l'invention, il est donc prévu une .antenne à fentes à double polarisation et à très large bande passante comportant un substrat diélectrique ayant une surface métallisée et un point central sur cette surface, ledit point étant l'origine d'un système de coordonnées, ladite antenne étant caractérisée en ce qu'elle comprend un arrangement de quatre fentes sinueuses tracées dans la métallisation de ladite surface, ledit arrangement ayant une symétrie de révolution telle qu'une rotation de 90" autour d'un axe passant par le point central ne modifie pas la structure de ladite antenne, en ce que chaque fente, en dehors de la zone centrale d'alimentation de l'antenne, est composée de N tronçons se succédant d'un bord à l'autre d'un secteur angulaire, un bord de la fente étant défini par la relation: r = r. ea avec: où r et e sont les coordonnées d'un point quelconque dudit bord de la fente, un bord du secteur angulaire servant d'axe d'origine, a est le coefficient d'expansion dudit bord de la fente, n est le rang du tronçon considéré compté à partir de la zone centrale, E(2) représente la partie entière de n/2, rj est le rayon de la zone centrale et ap est l'angle du secteur angulaire, et en ce que l'autre bord de la fente se déduit du premier sensiblement par une rotation autour dudit axe. Chaque paire de fentes se déduisant l'une de l'autre par une rotation de 1800 correspond à une polarisation. Selon un autre aspect de l'invention, il est aussi prévu un procédé de réalisation d'une antenne à fentes telle que ci-dessus, caractérisé en ce qu'il consiste à - déterminer et optimiser les paramètres d'une antenne filaire à double polarisation à arrangement de conducteurs sinueux du type logpériodique sur un substrat diélectrique fonctionnant dans ladite bande passante, de manière que l'impédance de rayonnement Zc de cette antenne filaire soit d'environ 350 Q, ; - remplacer sur le substrat diélectrique les parties non métallisées par des parties métallisées et vice-versa pour réaliser ladite antenne à fentes de manière qu'elle présente une impédance de rayonnement de l'ordre d'une centaine d'ohms. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints où: - les figures 1 et 2 sont des figures explicatives de la structure d'un bras de l'antenne; - la figure 3 est un schéma de l'antenne à fentes selon l'invention; - la figure 4 représente, agrandie, la zone centrale d'alimentation de l'antenne; - la figure 5 est le schéma partiel de l'alimentation d'une polarisation; - la figure 6 est un exemple de diagramme de rapport d'ondes stationnaires pour une antenne selon l'invention; - la figure 7 représente une courbe de la variation en fonction de la fréquence du découplage entre les deux accès de l'antenne; et - les figures 8 à 13 sont les diagrammes de rayonnement d'une antenne selon l'invention à diverses fréquences. Comme on l'a déjà expliqué, les contours de l'antenne selon l'invention sont définis par des successions de segments courbes définis uniquement par des angles. Pour simplifier l'explication, on suppose qu'on considère une surface plane, L'antenne ayant des contours tous semblables à ceux de la figure 1. Le contour de base est compris entre un cercle de rayon r définissant une zone centrale d'alimentation 1 et un cercle de rayon re définissant les limites 2 des bras de l'antenne qui, bien entendu, ne s'étendent pas à l'infini. Le contour de base est constitué de tronçons de courbe, tels 3, 4, qui s'étendent d'un bord Ox à l'autre Ox' d'un secteur angulaire d'angle ap. Le centre 0 correspond au pôle d'expansion de la structure. Si l'on considère un point M de coordonnées polaires r, û, chaque courbe obéit à une loi de la forme r = r eaO o où a est le coefficient d'expansion de la structure. Plus précisément, si su est l'angle entre la tangente à la courbe au point M et le rayon vecteur r, le coefficient a s'écrit: a= 1 tgu Les différents tronçons de courbes AB, BE, . sont dérivés de la courbe continue de type log-périodique de la figure 2. On prend comme origines le point 0 et l'axe Ox (OA sur la figure 2); on a alors: r = r. eaO (I) Pour obtenir la structure de la figure 1, à chaque bord Ox, Ox' du secteur angulaire, le tronçon suivant (par exemple BE pour le tronçon AB) est obtenu en prenant le symétrique de la courbe de la figure 2 par rapport au bord considéré. Par exemple BE est le symétrique du prolongement de la courbe AB au-delà de B par rapport à l'axe Ox'. On peut écrire l'équation de ces différents tronçons sous une forme plus mathématique en considérant Ox comme origine pour l'angle O et en affectant un rang !ià chaque tronçon successif. AB a pour rang 1, BE pour rang 2, EC pour rang 3 etc... On peut alors écrire l'équation de la courbe sinueuse en partant de l'équation (1): r = r.eag, (2) 1 avec et 0 n où E(2) représente la partie entière de 2. L'antenne selon l'invention est représentée sur la figure 3. Elle comprend sur un substrat diélectrique dont une face porte une métallisation 25 des fentes 21 à 24 gravées dans la métallisation et définies à partir des relations précédentes. Plus précisément, L'antenne comprend deux structures entrelacées dont chacune correspond à une polarisation et comprend deux fentes symétriques 21, 23 et 22, 24 par rapport au pole d'expansion O et se déduisant l'une de l'autre par une rotation de 1800 autour d'un axe A passant par le centre O et perpendiculaire au plan de l'antenne. Chaque bord d'une fente obéit aux relations (2) et (3) ci-dessus. Les deux bords d'une fente se déduisent l'un de l'autre par une faible rotation autour de l'axe A. La largeur de la fente croit donc exponentiellement lorsque l'on s'éloigne du pôle d'expansion O. Pour des facilités de réalisation, on peut augmenter plus modérément la largeur de la fente à partir du pôle d'expansion sans dégrader sensiblement les performances. L'angle crp pour chaque fente est choisi supérieur à 90" de sorte que les fentes s'interpénètrent mais sans se toucher ni se croiser. L'antenne a une symétrie de révolution telle qu'une rotation de 90" autour de l'axe A passant par le point O ne modifie pas sa structure. La figure 4 montre, agrandie, la zone centrale d'alimentation 1 de l'antenne. Les deux fentes d'une même structure sont réunies entre elles à l'intérieur de la zone 1 de rayon rj par une partie sensiblement rectiligne de manière à constituer une fente centrale en croix. Des points d'alimentation P, Q, R, S sont localisés sur la surface métallisée 25 approximativement aux quatre angles définis par la croix de manière à exciter respectivement les fentes 21 à 24. On applique une différence de potentiel entre les points P et R d'une part et entre Q et S d'autre part pour alimenter en opposition de phase les fentes correspondant à une même polarisation. Si les fentes s'étendaient à l'infini, on aurait théoriquement une structure parfaitement indépendante de la fréquence. Cependant, L'antenne n'est pas infinie mais est limitée entre une zone centrale I de rayon rj et un cercle 2 circonscrit aux fentes de rayon re. L'antenne est donc seulement à très large bande passante. Le rayon de la zone centrale d'alimentation 1 limite la fréquence supérieure de la bande et la dimension hors tout re. de l'antenne définit la fréquence inférieure de fonctionnement. Un avantage majeur de l'antenne ainsi décrite est son impédance moyenne de rayonnement relativement faible qui lui permet d'être adaptée aux impédances d'alimentation couramment utilisées, ce qui permet une alimentation à très large bande très facile, les problèmes d'adaptation ne venant pas dégrader notablement les performances dans la bande passante. Si l'on prend une structure à deux fentes opposées d'impédance de rayonnement Zf rapportée entre les points d'alimentation (par exemple P et R), on peut considérer l'antenne complémentaire dans laquelle les parties métallisées sont remplacées par des parties non-métallisées et vice-versa. Cette antenne complémentaire est du type filaire connu et présente une impédance de rayonnement Zc. Le principe de Babinet permet d'écrire: z2 Z Z = - ~~~ c f 4 4e0 avec ZO = 120 x en supposant le substrat diélectrique suffisamment mince par rapport à la longueur d'onde. Ainsi, si l'on détermine l'antenne flaire de manière à avoir une impédance Zc de l'ordre de 350 Q, L'antenne à fentes complémentaire aura une impédance Zf très voisine de 100 Q. Cette valeur est particulièrement avantageuse car elle correspond à l'impédance d'alimentation en opposition par un symétriseur à partir d'une ligne coaxiale 50 Q classique. D'où une très bonne adaptation. Ainsi, un procédé de détermination des paramètres de l'antenne à fentes selon l'invention consiste à déterminer et optimiser les paramètres de l'antenne filaire pour obtenir une impédance de rayonnement de l'ordre de 350 fl. On réalise ensuite l'antenne à fentes complémentaires en utilisant les mêmes paramètres. La figure 5 représente un exemple d'alimentation d'une structure correspondant à une polarisation, par exemple les fentes 21, 23. A partir de l'arrivée coaxiale (non représentée), on utilise un symétriseur 5 ("balun") pour délivrer des signaux égaux et en opposition de phase à deux câbles coaxiaux 6 et 8 dont les âmes vont alimenter respectivement les points P et R. Les âmes 7 et 9 des câbles coaxiaux sont reliées à la ligne bifilaire imprimée, (métallisations 10, 11) du symétriseur. Dans un mode de réalisation donné seulement à titre d'exemple, on réalise une antenne bidirectionnelle fonctionnant dans la bande 2 à 10 GHz avec les paramètres suivants: ap=1350 p=85o,4 a = 0,08046 rj=4mm re=32mm. La largeur de chaque fente varie de 0,4 mm à 2 mm lorsqu'on se déplace de la zone d'alimentation vers la périphérie. Le circuit imprimé en verre-Téflon métallisé sur une seule face avait une épaisseur de 0,4 mm et correspondait à une permittivité relative de Er = 2,2. Le circuit imprimé était limité à un cercle 26 (Fig. 3) d'environ 100 mm de diamètre. La bande passante utile s'étend entre une fréquence maximum, correspondant à une longueur d'onde minimum Xmin, et une fréquence minimum, correspondant à une longueur d'onde maximum Xmax, définies selon les relations: max e p r. > 1 min 2 0,2 Les paramètres ap et p déterminent pour une très large part l'impédance de rayonnement de l'antenne. En outre, la valeur de lu joue sur la pureté de la polarisation obtenue et doit être choisie assez proche de 90" pour éviter les composantes croisées trop importantes. Le rapport d'ondes stationnaires est représenté sur la figure 6 pour chacune des voies 1 et 2 correspondant aux deux polarisations. Ce rapport reste inférieur à 3 sur toute la bande passante. Malgré le choix d'un angle ap de 1350 et donc une interpénétration notable des fentes, on obtient un découplage très satisfaisant, inférieur à -20 dB, entre les deux polarisations, comme le montre la figure 7. Les performances de l'antenne selon l'invention sont illustrées par les diagrammes de rayonnement représentés sur les figures 8 à 13. Chaque figure représente les diagrammes de directivité en composantes copolaire Ecp et Hcp et croisée Ecc et Hcc pour les plans E et H respectivement à la fréquence F et pour la voie indiquée. La composante croisée pour chacune des polarisations et dans l'axe principal de rayonnement est toujours inférieure à -15 dB et est même inférieure à -20 dB entre 2 et 6 GHz. Avec l'antenne selon l'invention, on peut ainsi atteindre une largeur de bande de plusieurs octaves sans difficulté. Comme on l'a déjà dit, si l'on utilise un substrat diélectrique métallisé sur une seule face, on obtient une antenne à fentes à rayonnement sensiblement bidirectionnel. II est clair que l'on pourrait prévoir des moyens pour la rendre unidirectionnelle, en la munissant par exemple d'une couche absorbante du côté de l'alimentation. Bien entendu, L'exemple de réalisation décrit n'est nullement limitatif de l'invention. On pourrait notamment prévoir un substrat qui ne soit pas plan mais conique ou en forme de pyramide à quatre pans. REVENDICATIONS 1 - Antenne à fentes à double polarisation et à très large bande passante comportant un substrat diélectrique ayant une surface métallisée (25) et un point central (0) sur cette surface, ledit point étant l'origine d'un système de coordonnées (r, 0), ladite antenne étant caractérisée en ce qu'elle comprend un arrangement de quatre fentes (21 à 24) sinueuses tracées dans la métallisation (25) de ladite surface, ledit arrangement ayant une symétrie de révolution telle qu'une rotation de 90" autour d'un axe passant par le point central (0) ne modifie pas la structure de ladite antenne, en ce que chaque fente, en dehors de la zone centrale d'alimentation (1) de l'antenne, est composée de N tronçons (3, 4) se succédant d'un bord (0x) à l'autre (0x') d'un secteur angulaire (0x, Ox'), un bord de la fente étant défini par la relation: r = r. e avec: où r et O sont les coordonnées d'un point quelconque dudit bord de la fente, un bord (0x) du secteur angulaire servant d'axe d'origine, a est le coefficient d'expansion dudit bord de la fente, n est le rang du tronçon considéré compté à partir de la zone centrale, Eu 2j représente la partie entière de n/2, rj est le rayon de la zone centrale (1) et ap est l'angle du secteur angulaire (0x, Ox'), et en ce que l'autre bord de la fente se déduit du premier sensiblement par une rotation autour dudit axe. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite surface est plane. 3. Antenne selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que, dans la zone centrale d'alimentation (1), les fentes (21, 23; 22, 24) se déduisant l'une de l'autre par une rotation de 1800 sont reliées par une partie sensiblement rectiligne de façon à former une fente centrale en croix et en ce que ladite antenne est alimentée en des points (P, Q, R, S) de la métallisation situés approximativement aux quatre angles définis par la croix. 4. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que deux points opposés (P, R ; Q, S) de ladite zone centrale d'alimentation sont excités en opposition de phase pour chaque polarisation. 5. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'angle ap du secteur angulaire délimitant l'une quelconque des fentes est supérieur à 90" de telle sorte que les fentes s'interpénètrent sans se toucher. 6 Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit angle ap est de l'ordre de 1350. 7. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit angle ap et ledit coefficient d'expansion a sont choisis de manière que l'impédance de rayonnement de l'antenne soit de l'ordre de 100 Q. 8. Antenne selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit angle ap est de l'ordre de 1350 et le coefficient d'expansion est de l'ordre de 0,08. 9. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le rayon rj de ladite zone centrale (i) et le rayon re du cercle (2) circonscrit auxdites fentes sont choisis selon les relations: r. t min r a max max e p 2 où Xmin est la longueur d'onde correspondant à la fréquence maximum de la bande passante de l'antenne et Xmax est la longueur d'onde correspondant à la fréquence minimum de la bande passante de l'antenne. 10. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que ledit substrat est constitué par une couche diélectrique d'épaisseur faible par rapport aux longueurs d'onde de fonctionnement de l'antenne. 11. Procédé de réalisation d'une antenne à fentes à double polarisation et à très large bande passante selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il consiste à - déterminer et optimiser les paramètres d'une antenne filaire à double polarisation à arrangement de conducteurs sinueux du type logpériodique sur un substrat diélectrique fonctionnant dans ladite bande passante, de manière que l'impédance de rayonnement Zc de cette antenne filaire soit d'environ 350 Q - remplacer sur le substrat diélectrique les parties non métallisées par des parties métallisées et vice-versa pour réaliser ladite antenne à fentes de manière qu'elle présente une impédance de rayonnement de l'ordre d'une centaine d'ohms.