Brevet FR2803107A1 — publié le 20010629

ANTENNE A COMPOSITE ANISOTROPE DESCRIPTION Domaine technique La présente invention a pour objet une antenne à composite anisotrope. Elle trouve une application en télécommunications, notamment dans la bande de fréquence allant d'environ 50 MHz à environ 4 GHz. L'antenne de l'invention peut servir aussi bien en émission qu'en réception. Etat de la technique antérieure Les antennes dites "de peau" sont en général constituées d'un boîtier métallique au-dessus duquel est disposé un élément apte à rayonner ou à recevoir un champ électromagnétique. La longueur de cet élément est généralement voisine de la demi-longueur d'onde du champ à émettre ou à recevoir. Il peut être constitué d'une fente percée dans une plaque métallique ou d'un motif métallique (brin ou ruban). La figure 1 annexée montre ainsi une antenne avec un élément 10 apte à rayonner ou à recevoir, un plan conducteur 12, des parois conductrices 13 cylindriques ou parallélépipédiques, une couche diélectrique 14 placée sur la face avant de l'ensemble et servant de protection et enfin un conducteur 16 reliant l'élément 10 à des moyens d'émission ou de réception non représentés. Le champ électromagnétique rayonné ou reçu est symboliquement représenté par les flèches R. Ce type d'antenne impose des contraintes sévères sur la distance D à ménager entre l'élément rayonnant et le plan conducteur constituant le fond du boîtier. Cette distance doit être suffisamment grande pour qu'il n'y ait pas d'interférence destructrice entre l'onde incidente et l'onde réfléchie par le boîtier, sans toutefois être excessive ce qui serait nuisible au gain et à la bande passante de l'antenne. Pour tenter de réduire ces contraintes, on a pensé ajouter un diélectrique à fort indice entre l'élément apte à rayonner ou à recevoir et le plan conducteur, ce qui permet de diminuer l'intervalle D. Mais cette diminution s'effectue au détriment de la bande passante de l'antenne. On a pensé également utiliser des substrats magnétiques en ferrite pour accorder l'antenne sur une certaine bande de fréquence. Mais la nature particulière de ce matériau (en général de la céramique), ainsi que sa masse et ses propriétés radioélectriques limitent son emploi, en particulier pour les surfaces importantes. Une autre limitation importante est liée au champ démagnétisant d'un substrat en ferrite. En effet, à un substrat de ferrite parallèlépipédique sont associés des coefficients démagnétisants notablement différents de zéro. Il en résulte un champ démagnétisant dynamique, qui est le produit d'un coefficient démagnétisant par l'aimantation à saturation du ferrite. Ce champ augmente la fréquence de résonance tout en diminuant la perméabilité du substrat de ferrite. Le champ démagnétisant statique (égal au produit du coefficient démagnétisant dans la direction du champ appliqué par l'aimantation à saturation), réduit l'intérêt du substrat de ferrite dans le cas où un champ magnétique extérieur est appliqué pour accorder les propriétés du substrat d'antenne. En effet, le champ à appliquer au substrat est égal à la somme du champ interne et du champ démagnétisant, et augmenter la valeur du champ à appliquer revient à augmenter la puissance du système d'aimants, ou la consommation d'un électroaimant. La présente invention a justement pour but de remédier à tous ces inconvénients. Exposé de l'invention A cette fin, l'invention préconise d'ajouter, entre le plan conducteur et l'élément apte à rayonner ou à recevoir, un composite anisotrope formé d'un empilement de couches alternativement ferromagnétiques et électriquement isolantes. Ces couches sont perpendiculaires au plan conducteur. Si elles reposent directement sur ce plan, elles y reposent par leur tranche. Par ailleurs, ces couches sont orientées ou configurées pour être perpendiculaires (ou sensiblement perpendiculaires) à la composante électrique du champ rayonné ou reçu, composante prise dans le plan de l'antenne. Le composite utilisé dans l'invention est en soi connu et appelé parfois "LIFT" pour "Lamellaire Isolant Ferromagnétique sur la Tranche". Il est décrit dans le document FR-A-2 698 479. Un procédé de mesure de ses caractéristiques électromagnétiques est décrit dans FRA-2 699 683. Un tel composite présente une perméabilité élevée et une permittivité faible dans la gamme des hyperfréquences, pour une onde plane arrivant sous incidence normale, avec une polarisation rectiligne (champ magnétique parallèle aux couches et champ électrique perpendiculaire aux couches). Il est possible d'ajuster la réponse en fréquence de ces matériaux en combinant plusieurs matériaux ferromagnétiques. Le composite en question est anisotrope, c'est-àdire que ses propriétés électromagnétiques sont très différentes selon l'orientation des champs magnétique et électrique par rapport aux couches. Si le champ électrique est perpendiculaire aux couches ferromagnétiques, le matériau laisse pénétrer l'onde électromagnétique. Si, au contraire, le champ électrique est parallèle aux lamelles conductrices, il est totalement réfléchi par le matériau, qui se comporte alors comme un métal. Lorsqu'un tel composite anisotrope est disposé dans une antenne directement sur le plan conducteur, l'impédance de surface qu'il présente correspond à un court-circuit vu à travers la ligne formée par le composite et cela pour la polarisation favorable (champ magnétique parallèle aux lamelles et champ électrique perpendiculaire aux couches). Cette impédance Z est définie par : Z = Z0th(j.2#.N.e/#), où e est l'épaisseur du composite, Zo une impédance caractéristique, N2 =~!~.(!// et ZZ = (y"E1) , où Fi et bzz sont respectivement la permittivité comptée perpendiculairement aux couches et // la perméabilité comptée parallèlement aux couches. Pour les autres polarisations, l'impédance du composite est proche de celle d'un métal, c'est-à-dire voisine de zéro. Les matériaux constituant un composite anisotrope sont légers et faciles à former. De plus, on peut aisément obtenir des réponses en fréquence particulières en jouant sur la perméabilité des matériaux. Par ailleurs, le caractère conducteur du composite pour une direction particulière du champ peut être un avantage. En outre, l'application au composant anisotrope d'un champ magnétique ne présente pas les inconvénients rencontrés avec les ferrites. En effet, on peut obtenir des perméabilités élevées avec des fractions volumiques de matière magnétique faibles. Le champ démagnétisant est alors proportionnel à l'aimantation à saturation divisée par sa fraction volumique. On obtient ainsi des valeurs de champ démagnétisant statique et dynamique nettement plus faibles que dans le cas des ferrites. Sur une antenne à composite anisotrope conforme à l'invention on peut donc utiliser un champ magnétique externe, soit pour modifier l'accord en fréquence, soit pour ajuster le niveau de perméabilité (au moyen d'aimants permanents) à la fréquence désirée. En particulier, un champ magnétique externe peut être utile pour diminuer les pertes magnétiques à la fréquence de travail. De façon précise, la présente invention a donc pour objet une antenne comprenant un élément apte à rayonner ou à recevoir un champ électromagnétique, cet élément étant disposé devant un plan conducteur, cette antenne étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre, entre l'élément apte à rayonner ou à recevoir et le plan conducteur, un composite anisotrope formé d'un empilement de couches alternativement ferromagnétiques et électriquement isolantes, ces couches étant perpendiculaires au plan conducteur et à la composante électrique du champ rayonné ou capté par l'antenne. Le composite peut être placé directement sur le plan conducteur, mais pas nécessairement. S'agissant de l'élément apte à rayonner ou à recevoir, il peut être de toute forme connue : fente droite ou spiralée, brins ou rubans conducteurs droits ou spiralés. Les couches du composite doivent être orientées en conséquence pour être toujours perpendiculaires (ou sensiblement perpendiculaires) à la composante électrique du champ rayonné ou reçu. Cette composante est la composante dans le plan de l'antenne (on ne tient pas compte de la composante du champ électrique orientée perpendiculairement au plan de l'antenne). Brève description des dessins - la figure 1, déjà décrite, montre en coupe une antenne de peau selon l'état de la technique ; - la figure 2 montre une antenne à fente rectiligne ; - la figure 3 donne les caractéristiques électromagnétiques d'un composite LIFT placé sous une antenne à fente rectiligne ; - la figure 4 montre la variation du taux d'ondes stationnaires en fonction de la fréquence pour une antenne selon les figures 2A et 2B avec le composite de la figure 3 ; - la figure 5 montre le gain de l'antenne avec et sans composite anisotrope en fonction de la hauteur de l'antenne ; - la figure 6 montre la bande d'adaptation de l'antenne ; - la figure 7 donne les caractéristiques électromagnétiques pour un composite à base de CoNbZr ; - les figures 8A, 8B montrent en vue de dessus et en coupe une antenne à fente spiralée ; - la figure 9 montre en vue de dessus l'allure du composite dans le cas des figures 8A et 8B ; - la figure 10 montre une antenne à fente avec excitation centrale ; - les figures 11A et 11B montrent, en vue de dessus et en coupe, une antenne à deux brins conducteurs rectilignes ; - la figure 12 montre une antenne à deux rubans conducteurs ; - les figures 13A et 138 montrent, en vue de dessus et en coupe, une antenne à rubans conducteurs spiralés. Description détaillée de modes particuliers de réalisation Comme déjà indiqué, le composite utilisé selon l'invention joue, notamment, le rôle de transformateur d'impédance. Il doit être conçu pour que l'efficacité de l'antenne soit la plus grande possible. Un ordre de grandeur de l'efficacité en rayonnement de l'antenne par rapport à une antenne similaire sans court-circuit peut être donné par la formule : E=-10 log(#Z/(Z+1)#). où Z est l'impédance de surface. Pour un composite dont le taux de charge en matériau ferromagnétique n'est pas trop faible (typiquement supérieur à 2%), et pour des épaisseurs très inférieures au quart de la longueur d'onde, l'impédance de surface est donnée en première approximation par : Z=j2# //c/#. où e est la hauteur du composite et , la longueur d'onde dans le vide. Le composite placé sur un plan conducteur doit présenter une impédance de surface normalisée suffisamment importante (supérieure à 0,5) à la fréquence considérée, pour que l'efficacité E ne soit pas trop faible. L'épaisseur typique du composite sera inférieure à #/20. Le composite peut être éventuellement surmonté d'une couche de diélectrique ou d'air, située entre lui et l'élément rayonnant. L'épaisseur de cette couche ne dépasse pas, en général, #/10. Un cas favorable est celui où le niveau de perte reste faible ( "/ ' Pour réaliser le composite, on peut utiliser un matériau ferromagnétique présentant une fréquence de résonance gyromagnétique supérieure à la moitié de la fréquence de fonctionnement de l'antenne et par exemple inférieure à 1,2 fois cette fréquence. La fraction volumique de matériau ferromagnétique peut être au moins égale à 5%. La perméabilité d'un composite anisotrope dépend des propriétés du matériau ferromagnétique. On peut trouver les lois de dépendance dans l'article intitulé "Démonstration of anisotropic composites with tuneable microwave permeability manufactured from ferromagnetic thin films" par 0. ACHER, P. LE GOURRIEREC, G. PERRIN, P. BACLET et 0. ROBLIN, publié dans "IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques", vol. 44,674, 1996. Les propriétés hyperfréquences d'un certain nombre de matériaux ferromagnétiques sont décrites notamment dans l'article intitulé "Investigation of the gyromagnetic permeability of amorphous CoFeNiMoSiB manufactured by différent techniques" par 0. ACHER, C. BOSCHER, P. LE GUELLEC, P. BACLET, G. PERRIN, publié dans "IEEE Trans par Magn. ", vol. 32,4833 (1996) et dans l'article intitulé "Microwave permeability of ferromagnetic thin films with stripe domain structure" par. 0. ACHER, C. BOSCHER, B. BRULE, G. PERRIN, N. VUKADINOVIC, G. SURAN et H. JOISTEN, publié dans "Journal of Appl. Phys." 81,4057 (1997). La gamme de fréquence d'utilisation de l'antenne de l'invention est la bande allant d'environ 50 MHz à environ 4 GHz. Au-delà de 4 GHz, les niveaux de perméabilité obtenus avec les couches minces les rendent moins attrayants et les épaisseurs nécessaires à la réalisation des antennes deviennent inférieures au centimètre de sorte que diminuer encore cette épaisseur ne présente guère d'intérêt. La figure 2 montre un exemple d'antenne émettant autour de 1,9 GHz. L'élément apte à rayonner ou à recevoir est une fente 20 percée dans une plaque conductrice 21. Le plan conducteur 22 supporte le composite anisotrope 24. La connexion électrique est référencée 26. La composante électrique du champ est notée E. La fente 20 peut avoir une longueur de 79 mm et une largeur de 2 mm. La plaque métallique 21 peut être une plaque carrée de 300x300 mm2. Plusieurs hauteurs D ont été testées, à savoir 40 mm, 20 mm, 10 mm et 5 mm, qui correspondent respectivement à #/4, #/8, #/16, À/32. Le composite 24 est formé de lamelles planes et il est disposé de manière telle que ces lamelles sont toutes parallèles aux bords longitudinaux de la fente 20. Le composite peut être réalisé à partir d'une couche ferromagnétique de composition Co82Zr8Nb10 déposée sur un film de mylar (marque déposée) . Dans un exemple de réalisation, l'épaisseur du ferromagnétique était de 1,3 m et celle du mylar de 10 pm. Les couches reposent par leur tranche sur le plan métallique. Le champ électrique au niveau de la fente est perpendiculaire à celle-ci et se trouve donc perpendiculaire aux lamelles. Les caractéristiques électromagnétiques du composite, pour la polarisation favorable (c'est-à-dire la permittivité perpendiculaire au plan des couches (#'@, #"@) et la perméabilité dans le plan des couches ( '//, "//) sont données sur la figure 3 pour le matériau défini plus haut. L'épaisseur de la plaque composite est de 1,9 mm, ce qui lui confère une impédance dont le module est voisin de 1,5 à 1,9GHz. On rappelle que la permittivité des compositions parallèlement au plan de ces couches est très grande et peut être considérée comme infinie. Les caractéristiques expérimentales de l'antenne ainsi réalisée sont données figures 4 et 5 en fonction de la distance D, laquelle est exprimée en fractions de la longueur d'onde. La figure 4 donne le taux d'onde stationnaire (TOS) et la figure 5 le gain, G exprimé en dB. Dès que la hauteur de la cavité D est inférieure à 10 mm, c'est-à-dire à #/16, le TOS à l'entrée de l'antenne augmente considérablement dans la configuration métallique de l'art antérieur (courbe 25), alors qu'il reste très faible (de l'ordre de 1,5) dans la configuration de l'invention (courbe 26). Pour des épaisseurs plus faibles, l'absence de composite devient rédhibitoire (TOS de 7 pour D=5 mm en configuration métallique classique), alors qu'avec le composite (pour une épaisseur de 1,9 mm), on obtient un TOS de 3, ce qui reste tout à fait acceptable pour de nombreuses applications. S'agissant du gain (figure 5), pour une hauteur D=10 mm, ce gain est le même avec (courbe 83) ou sans composite (courbe 82). Pour des épaisseurs encore plus faibles, on observe une dégradation rapide dans le cas métallique (art antérieur), alors que l'on perd seulement 3 dB dans le cas avec composite. Les figures 4 et 5 montrent que pour une épaisseur D inférieure à 10 mm, toutes les performances de l'antenne de l'invention sont supérieures à celles d'une antenne classique. D'autres mesures ont été effectuées, avec une structure similaire mais avec une longueur de fente égale à 14 cm, adaptée à un fonctionnement autour de 1,1 GHz. Les dimensions latérales étaient identiques. La hauteur D étant choisie entre #/4 à #/64. La figure 6 montre ainsi la bande d'adaptation avec un TOS inférieur à 3. Il est remarquable de constater que cette bande passante est très large même lorsqu'on se rapproche de la configuration plaquée. Dans le cas du métal seul, (art antérieur), le TOS se dégrade et la bande passante associée se réduit. On peut chercher à améliorer le comportement hyperfréquence de l'antenne, en particulier son gain, en plaçant sous la fente un composite qui absorbe totalement l'onde rayonnée vers lui, c'est-à-dire une impédance égale à 1. On a aussi intérêt à augmenter la quantité Z/(Z+1) en augmentant l'épaisseur ou le taux de charge du composite. On pourra ainsi préférer un matériau présentant une certaine perméabilité ' mais une faible perméabilité " à la fréquence de travail plutôt qu'une forte perméabilité ". Cette dernière voie est intéressante dans la mesure où moins on introduit de pertes magnétiques dans l'environnement de l'antenne, moins l'énergie au voisinage du plan métallique risque d'être absorbée, en particulier dans des modes ou pour des incidences qui ne sont généralement pas pris en compte. Elle est par contre réfléchie en phase avec l'onde rayonnée et vient donc augmenter l'efficacité de l'antenne. Ainsi, pour une antenne fonctionnant autour de 200 MHz, on pourra retenir un matériau comme celui dont les caractéristiques électromagnétiques sont données sur la figure 7 . Il s'agit d'un LIFT réalisé à partir de CoNbZr d'épaisseur 0,9 um déposé sur un film de kapton (marque déposée) d'épaisseur 12,7 um ; l'épaisseur moyenne de colle est de 2,5 um ; la densité du matériau est de 1,8. Avec une perméabilité égale à 21-3j à 200 MHz, ce matériau présente des pertes limitées. Avec une épaisseur de 11 mm, on atteint une impédance dont le module est proche de l'unité, ce qui permet soit de plaquer la fente sur le composite, soit de la placer à une distance inférieure à #/16, (soit 93 mm) . Les figures 8A et 8B illustrent encore une antenne à fente mais dans le cas d'une fente spiralée. Sur la figure 8A, qui est une vue de dessus, une fente spiralée 30 est percée dans une plaque conductrice 31. La figure 8B, qui est une coupe selon AA, montre mieux le plan conducteur 32, le composite 34 et la connexion 36. Ce composite est représenté en vue de dessus sur la figure 9 (l'élément rayonnant ayant été enlevé). On aperçoit donc dans la fente spiralée 30 les cercles du composite (figure 8A). La composante électrique du champ rayonné ou reçu est marquée E. Dans le mode de réalisation illustré, les couches ferromagnétiques et isolantes sont cylindriques. La spirale de la fente rayonnante et les couches du composite ne sont donc pas rigoureusement parallèles, mais l'écart par rapport au parallélisme est faible (inférieur à 10 ) et sans incidence sur les performances de l'antenne. Pour obtenir une antenne large bande émettant autour de 500 MHz (ce qui correspond à une longueur d'onde de 600 mm), on pourra adopter une longueur de fente de l'ordre de #/2, soit 300 mm. On peut réaliser le composite à partir de CoFeNiSiB d'épaisseur 1,3 m, avec une épaisseur de colle de 2,5 m. La densité du matériau est alors de 2,3. Des épaisseurs aussi faibles que 1 mm permettant d'obtenir des impédances supérieures à 1,5 donc de bonnes propriétés pour des profondeurs de cavité de l'ordre de #/10 ou moins. La réalisation d'un composite à couches spiralées sensiblement parallèle à la fente peut se faire en enroulant des bandes sur des préformes, ou par tout autre moyen. La zone de rayonnement de la fente spiralée est fonction du rayon de celle-ci, cette valeur étant reliée à la fréquence. L'optimisation de l'épaisseur du matériau composite doit être fonction du rayon de la cavité. Une autre variante, plus facile à réaliser, consiste à fabriquer un tore composite par bobinage et à placer la fente spiralée de manière concentrique. Cette solution respecte moins la géométrie des champs, mais est acceptable si l'ouverture de la spirale est inférieure à 30 . La figure 10 illustre encore une antenne à fente mais dans une variante où la fente est large et excitée en son centre. La fente est référencée 40, le plan conducteur 42, le composite 44 et la connexion d'alimentation 46. Les lamelles du composite sont encore orientées parallèlement aux bords longitudinaux de la fente, c'est-à-dire perpendiculairement à la composante E. Les figures 11A et 11B illustrent, respectivement en vue de dessus et en coupe selon AA, un mode de réalisation dans lequel l'antenne est du type dipôle. L'élément apte à rayonner ou à recevoir est constitué par deux brins conducteurs 50. Le plan conducteur 52 supporte le composite 54 et une couche diélectrique 55 peut supporter les deux brins. La connexion 56 est double. Les lamelles du composite 54 sont orientées perpendiculairement aux brins. Pour un fonctionnement à 2 GHz, la longueur de chaque brin peut être proche de 75 mm pour un fonctionnement en #/2. Pour le composite, on peut utiliser le matériau dont les caractéristiques ont été illustrées sur la figure 3 avec une épaisseur de 1,5 à 3 mm. L'épaisseur de la couche diélectrique 56 ne dépasse pas #/16. Les brins peuvent être remplacés par des rubans conducteurs comme illustré sur la figure 12. Ces rubans portent la référence 60, le plan conducteur la référence 62 et le composite la référence 64. Les couches du composite sont encore des lamelles perpendiculaires à la grande dimension des rubans 60. Sur les figures 13A et 13B enfin, qui sont respectivement des vues de dessus et en coupe selon AA, les brins conducteurs 70 ne sont plus rectilignes mais présentent une forme spiralée. Le composite 74 est alors formé de lamelles radiales sensiblement perpendiculaires aux brins conducteurs. La connexion 76 est double et alimente les brins spiralés. REVENDICATIONS 1. Antenne comprenant un élément (10) apte à rayonner ou à recevoir un champ électromagnétique, cet élément étant disposé devant un plan conducteur (12), cette antenne étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre, entre l'élément apte à rayonner ou à recevoir (20,30, 40,50, 70) et le plan conducteur (22,32, 42, 52,62, 72), un composite anisotrope (24,34, 44,54, 64,74) formé d'un empilement de couches alternativement ferromagnétiques et électriquement isolantes, ces couches étant perpendiculaires au plan conducteur et à la composante électrique (E) du champ rayonné ou reçu. 2. Antenne selon la revendication 1, dans lequel le composite anisotrope (24,34, 44,54, 64,74) repose directement sur le plan conducteur (22,32, 42,52, 62, 72) . 3. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle l'élément apte à rayonner ou à recevoir est une fente rectiligne (20,40) percée dans une plaque conductrice (21), les couches du composite anisotrope (24,34, 44, 54,64, 74) étant alors des lamelles planes parallèles à ladite fente. 4. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle l'élément apte à rayonner ou à recevoir comprend au moins une fente en spirale (30) percée dans une plaque conductrice (31), les couches du composite étant alors enroulées sensiblement parallèlement à ladite fente. 5. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle l'élément apte à rayonner ou à recevoir est formé de deux brins (50) ou rubans (60) rectilignes conducteurs, les couches du composite étant alors des lamelles planes perpendiculaires aux deux brins (50) ou rubans (60) . 6. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle l'élément apte à rayonner ou à recevoir comprend au moins un brin ou un ruban conducteur enroulé en spirale (70), les couches du composite étant alors radiales et sensiblement perpendiculaires au brin ou ruban (70). 7. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle les couches ferromagnétiques ont une fréquence de résonance gyromagnétique inférieure à 1,2 fois la fréquence de travail de l'antenne. 8. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle la fraction volumique de matériau ferromagnétique est au moins égale à 5%.