Brevet FR2879356A1 — publié le 20060616

La présente invention concerne les antennes à bandes interdites photoniques. Les structures à bandes interdites photoniques sont connues sous l'abréviation BIP, de manière générale sous le terme Photonic Band Gap Structure ou PBG structure en langue anglaise, pour des structures périodiques qui interdisent la propagation d'une onde pour certaines bandes de fréquences. Les structures ont tout d'abord été utilisées dans le domaine optique mais, depuis quelques années, leur application est étendue à d'autres gammes de fréquences. Les structures à bandes interdites io photoniques sont utilisées notamment dans des dispositifs micro-ondes tels que des filtres, des antennes ou similaire. Parmi les structures à bandes interdites photoniques, on trouve des structures métalliques qui utilisent une distribution périodique d'éléments métalliques, d'autres une distribution périodique d'éléments diélectriques mais aussi des structures métallo-diélectriques. La présente invention se rapporte à une structure à bandes interdites photoniques utilisant des éléments métalliques, plus particulièrement des tiges parallèles parfaitement conductrices et disposées périodiquement. Des antennes à bandes interdites photoniques à base d'éléments métalliques tels que des tiges métalliques parallèles ont déjà été étudiées. Ainsi, l'article publié dans la revue Chin. Phys.Lett. Vol. 19, n 6 (2002) 804 intitulé Metal Photonic Band Gap Resonant Antenna with High Directivity and High Radiation Resistance , de Lin Qien, FU-Jian, HE Sai-Ling, Zhang Jian-Wu étudie une structure résonnante à bandes interdites photoniques métallique (MBPG) formée de tiges métalliques parallèles infiniment longues selon la direction Z. Cet article étudie plus particulièrement la directivité et la résistance au rayonnement pour une certaine gamme de fréquences d'une antenne résonnante (MPBG) comportant une antenne source à rayonnement linéaire et une cavité construite dans une structure photonique métallique formée de tiges métalliques parallèles, la cavité étant obtenue en éliminant certaines tiges autour de l'antenne source. Les études sur les antennes à bandes interdites photoniques de ce type ont été réalisées avec des tiges métalliques infinies ou supposées comme telle. La présente invention concerne une antenne à bandes interdites photoniques (BIP) qui est réalisée avec des tiges métalliques de longueur finie, la hauteur des tiges par rapport au substrat recevant la source rayonnante étant contrôlée de manière à contrôler le diagramme de rayonnement de l'antenne dans le plan vertical. io La présente invention concerne une antenne à bandes interdites photoniques (BIP) comportant, selon un plan de directions x, y, une source rayonnante et une structure à bandes interdites photoniques constituée par des tiges métalliques parallèles, perpendiculaires au plan, les tiges de diamètre d se répétant nX fois avec une période aX dans la direction x et n,, fois avec une période ay dans la direction y, caractérisée en ce que la hauteur des tiges vues à partir de la source rayonnante est croissante. Selon un mode de réalisation préférentiel, la hauteur des tiges comprises entre la source et la tige la plus extérieure est choisie pour être supérieure à kh/n, n étant égal au nombre de tiges vues à partir de la source, h étant la hauteur de la tige la plus extérieure et k un entier variant entre 1 et n. De préférence, la hauteur des premières tiges métalliques vue par la source est choisie pour être supérieure à 3 x I où I est la hauteur de la source rayonnante. A cette valeur, l'effet BIPM est obtenu, à savoir l'on obtient en fonction de la période à une fréquence donnée des bandes passantes et interdites. De préférence, les hauteurs des tiges comprises entre la source et la tige la plus extérieure suivent une fonction monotone croissante. De préférence, selon chaque direction x ou y, les nombres de tiges sont identiques. Ils sont choisis tels que n 3. Toutefois, les nombres de tiges vues à partir de la source peuvent être différents, ce qui donne des nombres nx et ny de tiges ayant des valeurs différentes. Selon une caractéristique préférentielle de la présente invention, les périodes aX et ay de reproduction des tiges métalliques selon les directions x et y sont choisies pour être identiques. Toutefois, ces périodes aX et ay peuvent être différentes. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les tiges sont réalisées en un matériau métallique présentant une conductivité supérieure à 10-' tel que le cuivre (5.9.10' S/m), l'argent (4.1.107 S/m), io l'aluminium (3.5.10' S/m) ou similaire. D'autre part, la source est constituée par un dipôle ou un monopole vertical fixé au substrat formant plan de masse. Ladite source est positionnée à la place d'une des tiges métalliques ou entre les tiges métalliques. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description de différents modes de réalisation préférentiels, cette description étant faite avec référence aux dessins ci-annexés, dans lesquels: La figure 1 représente schématiquement, en A une antenne à bandes interdites photoniques dans laquelle les tiges sont de même hauteur h (h=81, avec I hauteur de la source) et en B, un diagramme de rayonnement selon les trois axes x, y, z. La figure 2 représente les diagrammes de rayonnement d'une antenne à bandes interdites photoniques telle que représentée à la figure 1 par comparaison avec les diagrammes de rayonnement d'un dipôle seul respectivement dans un plan 0 = 90 (a) et un plan 4 = 0 (b), la hauteur des tiges métalliques étant de h=4.51, avec I la hauteur de la source. La figure 3 est un diagramme donnant les bandes passantes et les bandes interdites d'une antenne à bandes interdites photoniques en fonction de la fréquence de fonctionnement et de la période. La figure 4 représente schématiquement en A une vue en 3D et en B une vue de dessus d'une antenne à bandes interdites photoniques, conforme à un mode de réalisation de la présente invention, et La figure 5 représente trois configurations d'antennes à bandes interdites photoniques avec des tiges métalliques de hauteur différente selon les vues avec, pour chacune des configurations, un diagramme de rayonnement en élévation et un diagramme de rayonnement en 3D. Les exemples décrits ci-après sont des réalisations schématiques qui ne sont pas limitatives. Ces réalisations ont permis de tester la faisabilité io et les résultats obtenus avec la structure conforme à l'invention. Toutefois, dans une réalisation pratique, on utilisera de préférence un monopole monté sur un plan de masse avec des tiges elles aussi fixées sur ledit plan, plutôt qu'un dipôle. La figure 1 représente une antenne 1 constituée d'un dipôle 10, positionné au milieu d'une structure à bandes interdites photoniques (BIP) , formée de tiges métalliques 11 de hauteur finie (référencée structure BIPM). Les tiges métalliques sont réalisées dans un matériau présentant une conductivité supérieure à 10' tel que le cuivre, l'argent, l'aluminium ou similaire. Comme représenté sur la figure 1, les tiges métalliques 11 sont disposées selon 7 rangées de 7 éléments, les rangées et les éléments étant espacés les uns des autres d'une distance a donnant le pas ou la période de la structure à bandes interdites photoniques. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, la structure BIPM a la forme d'un motif carré avec nx = ny = 7 et une période ax = ay = a identique selon les directions x et y. Toutefois, il est évident pour l'homme de l'art qu'une structure BIPM présentant des nombres nx et ny ainsi que des périodes ax et ay différentes selon les directions x et y peuvent aussi être envisagée dans le cadre de la présente invention. L'antenne telle que représentée à la figure 1A a été dimensionnée pour fonctionner à une fréquence f0 = 5.25 GHz. Dans ce cas, le nombre n de tiges vues par l'élément rayonnant ou source 10 placé au centre de la structure est égal à n = 3, tandis que la période a est égale à 17,5 mm, les tiges métalliques présentant un diamètre de 1 mm et une hauteur h égale à 8x1, I étant la hauteur de la source filaire, à savoir le dipôle. La figure 1B représente selon les trois dimensions, la surface caractéristique du rayonnement de l'antenne tandis que les figures 2A et 2B représentent, selon une coupe surfacique dans le plan O = 90 et le plan c = 0 , un diagramme de rayonnement du dipôle seul et du dipôle au centre d'une structure BIPM telle que celle de la figure 1A, mais avec une hauteur io des tiges métalliques h=4.5*l, avec I hauteur de la source. Les diagrammes de rayonnement permettent de mettre en évidence l'effet obtenu par la structure BIPM sur le diagramme de rayonnement d'une antenne formée d'un dipôle. En effet, la présence d'une structure BIP métallique fait apparaître à la fréquence de travail des is directions privilégiées de rayonnement à 0 , 90 , 180 et 270 et des minima de rayonnement à 45 , 135 , 225 , 315 . La figure 3 représente le diagramme des bandes d'une structure à bandes interdites photoniques métallique constituée de n = 3 tiges métalliques vues à partir de la source en fonction de la période a du BIP métallique. Ce type de diagramme ou abaque permet de déterminer, à la fréquence de travail, la valeur de la période a qui doit être prise pour obtenir le rayonnement souhaité. Ainsi, en utilisant le diagramme de la figure 3, on s'aperçoit qu'à une fréquence de travail de f0 = 5.25 GHz, la période vaut a = 17.5 mm. En conséquence, une source placée au centre d'une structure BIP métallique formée de 7 x 7 tiges selon une période a = 17,5, présente selon les directions 0 , 90 , 180 , 270 , un lobe de rayonnement en conformité avec le caractère passant de la bande. Cela a été démontré par les diagrammes de rayonnement des figures 1B et 2. On décrira maintenant avec référence aux figures 4 et 5, une antenne à bandes interdites photoniques métallique dont la structure permet d'améliorer les diagrammes de rayonnement de la structure représentée à la figure 1B, plus particulièrement le diagramme en élévation (plan 4) = 0 ). Comme représenté respectivement en perspective sur la figure 4A et en vue de dessus sur la figure 4B, la hauteur des tiges métalliques de la figure 1A a été modifiée de sorte que, à partir de la source, les hauteurs des tiges soient croissantes. Comme cela sera expliqué ci-après, l'utilisation des tiges à hauteur variable permet le contrôle du diagramme de rayonnement en élévation tout en conservant le même diagramme en azimut. io Sur la figure 5, on a représenté une antenne à bandes interdites photoniques dans laquelle la source 10 voit trois tiges métalliques de hauteur h finie et identique. Dans ce cas, comme représenté sur la figure 5A, le diagramme de rayonnement en élévation présente plusieurs minima dus aux comportements passants ou bloquants de la structure à bandes interdites photoniques métallique pour la période apparente dans la direction considérée. Ce diagramme est semblable au diagramme de la figure 2B. D'autre part, le diagramme de rayonnement en 3D présente selon l'axe z un lobe de rayonnement. En effet, lorsque les tiges sont de hauteurs constantes h, le diagramme de rayonnement se conserve dans le plan xOy mais évolue dans le plan xOz en fonction de h. Dans le présent cas, le diagramme de la figure lb est donné pour h=8*I (I hauteur de la source) et ne correspond pas exactement à la représentation 2D de la figure 2 (h=4.5*I). Conformément à la présente invention et comme représenté sur la figure 5B, la hauteur des 3 tiges métalliques vues par la source 10 est différente d'une tige à l'autre et croissante de sorte que H3 Une autre structure conforme à la présente invention a été représentée dans la partie C de la figure 5. Dans ce cas, la source 10 a trois tiges métalliques dont la hauteur est croissante de la source vers la tige io extérieure H'1 aveac H'3 La présente invention a été décrite en se référant à une antenne dans laquelle la source est positionnée à la place d'une tige métallique au centre de la structure BIP métallique. Toutefois, il est possible de positionner la source entre les tiges. D'autre part, la source peut être excentrée dans la structure à bandes interdites photoniques métallique. La source utilisée dans les modes de réalisation décrits ci-dessus est un dipôle. Toutefois, dans un mode de réalisation pratique, on utilise un monopole vertical monté sur un substrat formant plan de masse dans lequel sont aussi montées les tiges métalliques de la structure BIPM. Le nombre de tiges dans la direction x peut être identique ou différent du nombre de tiges dans la direction y. De plus, la périodicité ax et ay entre les tiges selon les directions x ou y peut être identique, comme dans les modes de réalisation décrits, ou différente. REVENDICATIONS 1 Antenne à bandes interdites photoniques (BIP) comportant, selon un plan de directions x, y, une source rayonnante 10 et une structure à s bandes interdites photoniques constituée par des tiges métalliques parallèles, perpendiculaires au dit plan, les tiges de diamètre d se répétant nx fois avec une période ax dans la direction x et ny fois avec une période ay dans la direction y, caractérisée en ce que la hauteur (H3,H2,H1; H'3,H'2,H'1) des tiges vues à partir de la source rayonnante est croissante. i0 2 Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les hauteurs (H'3,H'2,H'1) des tiges comprises entre la source et la tige la plus extérieure sont choisies pour être supérieures à k h/n, n étant égal au nombre de tiges vues à partir de la source, h la hauteur de la tige la plus extérieure et k un entier variant entre 1 et n. 3 Antenne selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les hauteurs des tiges comprises entre la source et la tige la plus extérieure suivent une fonction monotone croissante. 4 Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les nombres totaux nx et ny de tiges dans les directions x et y sont identiques. 5 Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le nombre n de tiges vues à partir de la source est choisi tel que n ? 3. 6 Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, 30 caractérisée en ce que les périodes ax et ay dans les directions x et y sont identiques. 7 Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les tiges sont réalisées en un matériau métallique présentant une conductivité supérieure à 10' tel que le cuivre, l'argent, l'aluminium. 8 Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la hauteur (H3,H'3) de la première tige vue à partir de la source est choisie tel que H 3.1 où I est la hauteur de la source lo rayonnante. 9 Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la source (10) est constituée par un dipôle ou un monopole vertical placé au-dessus du substrat. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la source (10) est positionnée à la place d'une tige ou entre les tiges.