Brevet FR2888408A1 — publié le 20070112

Lentille diélectrique La présente invention concerne une lentille diélectrique destinée à être utilisée en tant qu'élément focalisant de manière à rassembler des ondes à un point 5 focal ou à convertir des ondes sphériques en ondes planes et vice-versa. L'invention vise plus particulièrement une lentille diélectrique pouvant notamment être utilisée dans la bande millimétrique, en particulier pour la réalisation d'antennes très directives comme les radars anti-collision, pouvant notamment être utilisés sur des hélicoptères, des véhicules automobiles et similaires. Aux fréquences optiques, les lentilles sont basées sur la géométrie ou le principe des rayons. Le succès de cette méthode est dû aux grandes dimensions des lentilles par rapport aux longueurs d'onde. Cette approche reste valable pour le dessin des lentilles dans la région des fréquences micro-ondes, si on conserve un certain écart entre la longueur d'onde et le diamètre de la lentille, les ondes électromagnétiques étant localement planes et se propageant en ligne droite comme les rayons optiques. Certaines lentilles utilisées pour les micro-ondes sont donc adaptées directement de l'optique, cependant les antennes micro-ondes n'utilisent en général qu'un seul élément avec une conception spécifique car les lentilles venant de l'optique sont le plus souvent trop lourdes, encombrantes et difficiles à fabriquer. Il est possible d'appliquer alors aux fréquences micro-ondes des lentilles aux surfaces non sphériques et des diélectriques artificiels impossibles à transposer aux fréquences optiques. Il est donc connu d'utiliser à l'heure actuelle, en tant qu'élément ayant la propriété de concentrer l'onde plane incidente au point focal (élément focalisant) et, en mode de transmission, de convertir une onde sphérique en une onde plane, des réflecteurs et des lentilles. Toutefois, les premiers présentent un inconvénient majeur du fait de leur encombrement ainsi que de leur aspect peu esthétique et les secondes nécessitent souvent un usinage complexe et précis, donc onéreux. Dans le domaine de la réception de micro-ondes, divers types de lentilles sont utilisables tels que les lentilles classique (paraboliques, hyperboliques), les lentilles dites zonées (à sillons ou à arêtes tel que des lentilles de Fresnel), des lentilles planaires utilisant plusieurs diélectriques ou encore des lentilles métalliques. Les lentilles hyperboliques présentent un rendement très satisfaisant mais également un inconvénient majeur en ce qu'elles sont lourdes, volumineuses et très difficiles à usiner. Les lentilles dites zonées telles que celles dites de Fresnel sont connues depuis de nombreuses années mais ne permettent pas toujours d'atteindre de bons résultats, c'est-à-dire des résultats commercialement intéressants. Il est nécessaire pour construire une lentille de Fresnel de connaître la distance focale ainsi que le rayon des différents sillons creusés et leur profondeur. Ainsi le rayon est donné par la formule: 2*n*F*2 n*2, 2 P +CP tandis que la profondeur est donnée par la formule d= -* P s, -1 dans lesquelles r est le rayon des différents sillons n, F est la distance focale en mètre, et 2 étant la longueur d'onde en mètre, P étant le facteur de Fresnel, P = 2 pour une Fresnel demi-onde, P= 4 pour une Fresnel quart d'ondes,...) et n = numéro du rayon, Cr étant la permittivité du matériau diélectrique utilisé. Par conséquent, l'usinage de ces lentilles, consistant à réaliser des sillons creusés dans le diélectrique est particulièrement complexe, les dimensions de ces sillons présentant des contraintes non négligeables lors de la réalisation sur les bords extérieurs de la lentille où les sillons sont de plus en plus courts et r,, fins. Ainsi, pour une lentille quart d'onde de 67,3 mm de diamètre à 94 GHz, par exemple, les sillons sont de 1,17 mm de large sur 0,645 mm de profondeur. De telles dimensions génèrent de grandes difficultés lors de la phase de réalisation, ce qui généralement entraîne une production particulièrement coûteuse. Les lentilles planaires basées sur le même principe que les lentilles de Fresnel mais comportant plusieurs diélectriques différents, présentent un avantage certain de par leur forme en disque qui permet notamment une utilisation pour des antennes d'encombrement limité. Une lentille planaire est relativement simple à fabriquer. Toutefois pour une utilisation dans la bande millimétrique, les diélectriques, qui doivent avoir des caractéristiques bien précises, ayant un bon comportement concernant la propagation d'ondes restent rares, et donc d'un coût élevé. La présente invention a donc pour but de proposer une nouvelle lentille diélectrique qui permet de pallier les inconvénients évoqués ci-dessus, c'est-à-dire qu'elle est relativement simple à fabriquer et qu'elle offre des performances supérieures ou égales à toutes les lentilles disponibles. A cet effet, l'invention a pour objet une lentille diélectrique constituée de deux matériaux diélectriques de permittivités différentes, caractérisé en ce qu'elle est constitué de deux parties, la première partie étant constituée du premier matériau diélectrique présentant une face plane et une face pourvue de sillons, le rayon des sillons étant définis selon la formule des rayons de Fresnel et la profondeur des sillons consécutifs étant définis notamment en fonction des permittivités des deux matériaux diélectriques, la seconde partie étant constituée du second matériau diélectrique de permittivité différente de celle du premier et présentant une face plane et une face pourvue de sillons, complémentaires de ceux ménagés sur la première partie de sorte que ladite face de la seconde partie pourvue des sillons est dite complémentaire de la face présentant les sillons de la première partie, la lentille présentant depuis son centre vers sa périphérie des zones de permittivité différentes définies par la combinaison des sillons de la première partie et des sillons de la seconde partie. Ainsi de manière avantageuse, la lentille réalisée selon la présente invention se présente à la manière d'une lentille planaire pourvue de plusieurs zones de permittivité différentes tout en ne présentant que deux matériaux de permittivités différentes à la base. Les sillons complémentaires s'emboîtent en quelque sorte les uns dans les autres pour former la lentille, les faces planes des deux parties étant dans des plans parallèles. De manière avantageuse, la lentille se présente de préférence sous la forme d'un disque, la première partie du disque ou premier disque étant réalisé dans le premier matériau diélectrique et la seconde partie du disque ou second disque étant réalisée dans le second matériau diélectrique de permittivité différente de celle du premier matériau diélectrique. Toutefois, on pourra usiner le contour de la lentille selon différents profils souhaités. La lentille obtenue selon l'invention est donc bien plus avantageuse d'un point de vue économique qu'une lentille planaire tout en permettant d'obtenir des 20 propriétés identiques à celle-ci voire mêmes supérieures. En outre, son rendement est proche d'une lentille hyperbolique mais présente l'avantage d'être plane ce qui élimine les problèmes d'encombrements et de poids liés aux lentilles hyperboliques. De plus, une lentille selon l'invention ne présente plus les problèmes d'usinage ou de fabrication qui étaient liés aux lentilles hyperboliques, aux réflecteurs et même aux lentilles de Fresnel. Chaque rayon est défini selon la formule des rayons de Fresnel: 2*n*F*Â, (n*2\2 + P P dans laquelle: r = rayon des différents segments n (n étant entier et correspondant au numéro du segment) F est la distance focale en mètres a, étant la longueur d'ondes en mètre et P=2i étant le facteur de Fresnel où i est un entier si i=1 la lentille est dite demi-onde, si i=2 la lentille est dite quart d'onde, etc. Et on obtient de préférence la profondeur t des sillons consécutifs creusés dans l'un des matériaux diélectriques selon la formule suivante: t= -* 1 P dans laquelle El et E2 représentent les permittivités des deux matériaux diélectriques, El étant différent de 82, P=2' est le facteur de Fresnel et X étant la longueur d'onde. Et ce jusqu'au Pième rayon selon la formule des rayons de Fresnel qui marque le retour à la position initiale. Cette formule permettant de déterminer la profondeur t des rayons prend donc avantageusement en compte la valeur absolue de la différence entre les 20 permittivités différentes el et 2 des deux matériaux utilisés. Selon un premier mode de réalisation d'une lentille selon l'invention, la première partie de la lentille dans une face de laquelle sont ménagés les sillons, par exemple creusés, est constituée du matériau diélectrique de permittivité E2 qui est inférieure à la permittivité 8i de l'autre matériau diélectrique. Ainsi cette première partie, par exemple ce premier disque, de permittivité E2 présentera donc des sillons creusés tandis que la seconde partie de permittivité ci présentera en quelque sorte des sillons en relief complémentaires des sillons creusés dans le matériau diélectrique de permittivité E2. Il est également possible de réaliser l'inverse, c'est-à-dire de ménager les sillons présentant un rayon selon la formule des rayons de Fresnel et une profondeur selon la formule ci-dessus dans le matériau de permittivité la plus élevée, par exemple El si El > E2, puis de réaliser la partie pourvue des sillons en relief complémentaires dans la partie constituée du matériau diélectrique présentant la plus faible permittivité fit. La présente invention permet donc de créer au sein d'une lentille des zones de permittivité différentes à la manière d'une lentille planaire en se basant exclusivement sur deux matériaux de départ, sur la mise en regard des deux parties de la lentille en matériaux de permittivités différentes, ce qui conduit à définir autant de zones de permittivités différentes que de rayons définis du fait de la variation d'épaisseur de chacun des deux matériaux diélectriques. Ainsi, on a donc une lentille présentant au moins les mêmes avantages que les lentilles planaires mais qui très avantageusement présente un coût restreint par rapport au coût de fabrication d'une lentille planaire, le nombre de matériaux diélectriques restant limité à deux. De préférence, l'épaisseur de matériau diélectrique de part et d'autre de la lentille peut être variable de 0 à l'infini. Les matériaux diélectriques utilisables pour réaliser la lentille selon l'invention sont choisis d'une part selon leurs performances dans le domaine d'activité visé (facteur de pertes), par exemple le domaine millimétrique, le domaine des radiofréquences, le domaine des ondes optiques, etc., et d'autre part pour leur capacité à être usinés ou coulés pour les diélectriques de type résine ou thermodurcissable. Ainsi, les matériaux diélectriques servant à la réalisation de la lentille selon la présente invention peuvent être choisis parmi les matériaux diélectriques tels que du PVC, un phénol formaldéhyde tel celui connu sous la dénomination commerciale Textolite de la société General Electric Co, (USA), un acétate de cellulose tel celui connu sous la dénomination commerciale DUROID, Duroid Covering Co (UK), une résine polyester telle celle fabriquée sous la dénomination commerciale Ashland. De même, les polycarbonates, les polyéthanes ou encore les résines de type époxy ou silicone peuvent également être utilisés, ainsi que tous autres matériaux thermoplastiques ou thermodurcissables appropriés en tant que matériau diélectrique dans les domaines d'utilisation de la lentille visés. La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une lentille selon l'invention dans lequel on usine une première partie de lentille constituée du premier matériau diélectrique présentant une face plane et une face dans laquelle sont ménagés des sillons, le rayon des sillons étant définis selon la formule des rayons de Fresnel et la profondeur des sillons consécutifs étant définis notamment en fonction des permittivités différentes des matériaux diélectriques, le matériau diélectrique destiné à constituer la seconde partie de lentille étant moulé sur la face de la première partie pourvu des sillons pour former la lentille. Un tel procédé de fabrication selon l'invention est donc simple à mettre en oeuvre et par conséquent, économiquement intéressant. De plus, le moulage du second matériau sur le premier permet de définir des sillons complémentaires sur la seconde partie formée de la manière la plus parfaite possible, sans opération d'usinage complexe. Toutefois, tout autre procédé de fabrication approprié permettant de conduire à une lentille selon la présente invention entre dans le champ de protection de ladite demande. En particulier, un procédé de fabrication dans lequel on usine les deux parties de la lentille, la première partie présentera donc des sillons creusés tandis que la seconde partie présentera en quelque sorte des sillons en relief complémentaires des sillons creusés dans ladite première partie. Une lentille diélectrique selon l'invention peut avantageusement être utilisée dans la région des fréquences micro-ondes, par le choix judicieux des matériaux diélectriques la constituant. Toutefois, elle peut également être utilisée en tant qu'élément focalisant d'ondes radio, d'ondes optiques, acoustiques etc., se propageant dans tout milieu, air, eau, etc. L'invention a également pour objet un radar anti-collision pour véhicule, par exemple hélicoptère, véhicule automobile, du type comprenant en tant qu'élément focalisant une lentille diélectrique selon la présente invention, notamment pour la bande des ondes millimétriques. L'invention a pour but de proposer également une antenne à lentille pour émettre/recevoir des signaux radiofréquences comprenant une source, telle qu'éventuellement sous forme de cornet effilé, de type patch , etc. et comportant en tant qu'élément focalisant dans l'ouverture de ladite source, une lentille diélectrique selon l'invention, le centre de phase de la source primaire étant placé à la distance focale de la lentille. De même, l'invention a également pour objet, une antenne à lentille pour émettre/recevoir des signaux de la bande des micro-ondes ou des signaux de la bande des ondes millimétriques. Une antenne comportant une lentille selon l'invention peut également être utilisée pour remplacer les antennes paraboliques de réception satellite. En effet, une antenne selon l'invention présente un caractère plus esthétique du fait de son faible encombrement et de sa structure modulable contrairement aux paraboles. On décrira maintenant l'invention plus en détail en référence au dessin dans lequel: la figure 1: représente en coupe transversale une lentille de Fresnel, une lentille planaire et une lentille selon la présente invention; la figure 2: représente une vue en coupe transversale d'un premier exemple de lentille selon la présente invention par rapport à un plan focal; et la figure 3: représente une vue en coupe transversale d'un second exemple de lentille selon la présente invention. A la figure 1 est représentée une lentille de Fresnel 1 quart d'onde constituée d'un matériau de permittivité E1, une lentille planaire 2 constituées de quatre matériaux diélectriques différents présentant quatre permittivités différentes El, E2, E3, E4 et une lentille 3, quart d'onde, selon la présente invention. Comme on peut le voir sur les figures 1 et 2, la lentille 3 selon l'invention présente un diamètre de 60,91 mm et est constituée de deux disques D1 et D2 en deux matériaux différents, l'un étant du PVC et l'autre étant connu sous la dénomination commerciale DUROID, présentant respectivement une permittivité et de 2,83 et E2 de 2,2, le matériau DUROID présentant de bonnes qualités dans le domaine millimétrique. On devra coller plusieurs couches de substrat pour constituer le disque D2, il est donc important que l'autre matériau soit plus facile à travailler, ce qui est le cas du PVC usinable directement. Le procédé de fabrication est donné à titre d'exemple. Le disque D2 constituant la première partie de la lentille 3 est constitué du matériau de permittivité E2 et présente une face plane ainsi qu'une face usinée pourvue de sillons d'un rayon rn répondant à la formule des rayons de Fresnel, ri étant alors de 9,89 mm, r2 de 14,03 mm et ainsi de suite. La profondeur t de chaque sillon est obtenue par la formule: 2 1 t= * P El 'VI2 et est de 4 mm. Le disque Dl constituant la seconde partie de la lentille 3 est constitué du matériau (PVC) de permittivité si > E2 et présente lui aussi une face plane et une face pourvue de sillons, ceux-ci étant agencés pour s'emboîter sur la face usinée du disque D2. Les rayons des sillons répondant eux aussi à la formule des rayons de Fresnel et de profondeur t égale à la profondeur des sillons du disque D2. Toutefois, ils se présentent en relief contrairement à ceux du disque D2 en creux . La lentille 3 présente alors au moins quatre zones de permittivité différente E', E2, E3, E4, comme la lentille planaire de la figure lb mais avec seulement deux matériaux de départ. 2 2888408 Comme on peut le voir à la figure 2 ou à la figure 1, la lentille 3 ainsi réalisée est positionnée par rapport à un plan focal, en position d'utilisation, la partie de plus faible permittivité D2 étant à droite de la figure 2. Les hauteurs h1 et h2 vont de 0 à l'infini. A la figure 3, on a représenté une lentille 4, demi onde, selon l'invention dans laquelle les matériaux diélectriques El et E2 et E2 inférieure à El sont choisis 20 différents de ceux de la lentille 3 représentée à la figure 2. Chaque rayon est défini selon la formule: 2*n*F*(n*22 + I = P P J2*n*F*2 12 +(n*2)2 dans laquelle: rn = rayon des différents segments n (n étant entier et correspondant au numéro du segment) F est la distance focale en mètres étant la longueur d'ondes en mètre et P=2' étant le facteur de Fresnel où i est 1, la lentille est dite demi-onde. Et on obtient la profondeur t des sillons consécutifs creusés dans le matériau diélectrique selon la formule suivante: t= - * 1 P l' reT 21 z Dans laquelle El > E2, P=2 est le facteur de Fresnel et étant la longueur d'onde. On définit ainsi deux zones Ea et Eb, se répétant. Enfin, les exemples donnés n'ont été fournis que pour mieux fixer les idées et ne sauraient constituer une quelconque limitation de la portée de l'invention. t=2* 1 P sz REVENDICATIONS 1. Lentille diélectrique constituée de deux matériaux diélectriques de permittivités (si, 2) différentes, caractérisé en ce qu'elle est constitué de deux parties, la première partie étant constituée du premier matériau diélectrique (E2) présentant une face plane et une face pourvue de sillons, le rayon des sillons étant définis selon la formule des rayons de Fresnel et la profondeur des sillons consécutifs étant définis notamment en fonction des permittivités des deux matériaux diélectriques(s1, s2), la seconde partie étant constituée du second matériau diélectrique de permittivité (El) différente de celle du premier (s2) et présentant une face plane et une face pourvue de sillons, complémentaires de ceux ménagés sur la première partie de sorte que ladite face de la seconde partie pourvue des sillons est dite complémentaire de la face présentant les sillons de la première partie, la lentille présentant depuis son centre vers sa périphérie des zones de permittivité différentes définies par la combinaison des sillons de la première partie et des sillons de la seconde partie. 2. Lentille selon la revendication 1, 20 caractérisé en ce que la profondeur des sillons est déterminée selon la formule suivante: dans laquelle 81 et 82 représentent les permittivités des deux matériaux diélectriques, 81 étant différent de 82, P=2' est le facteur de Fresnel et 2. étant la 25 longueur d'onde. 3. Lentille selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le rayon des sillons est défini selon la formule des rayons de Fresnel suivante: 2*n*F*2 /n*2 Z n + P P dans laquelle: r = rayon des différents segments n (n étant entier et correspondant au numéro du segment), F est la distance focale en mètres, X étant la longueur d'ondes en mètre et P=2' étant le facteur de Fresnel où i est un entier. 4. Lentille selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle se présente sous la forme d'un disque, la première 10 partie du disque ou premier disque étant réalisé dans le matériau diélectrique de permittivité e, et la seconde partie du disque ou second disque étant réalisée dans le second matériau diélectrique de permittivité e2. 5. Lentille selon l'une des revendications 1 à 4, 15 caractérisée en ce que le contour de la lentille est usinable selon différents profils souhaités. 6. Lentille selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la première partie de la lentille dans une face de laquelle sont ménagés les sillons est constituée du matériau diélectrique de permittivité (E2) qui est inférieure à la permittivité (El) de l'autre matériau diélectrique, la seconde partie étant constituée du second matériau diélectrique de permittivité (E1) et présentant une face plane et une face pourvue de sillons, complémentaires de ceux ménagés sur la première partie de sorte que ladite face de la seconde partie pourvue des sillons est dite complémentaire de la face présentant les sillons de la première partie, la lentille présentant depuis son centre vers sa périphérie des zones de permittivité différentes définies par la combinaison des sillons de la première partie et des sillons de la seconde partie. 7. Lentille selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les matériaux diélectriques sont choisis de préférence parmi les matériaux diélectriques tels que du PVC, un phénol formaldéhyde tel celui connu sous la dénomination commerciale Textolite de la société General Electric Co, (USA), un acétate de cellulose tel que tel celui connu sous la dénomination commerciale DUROID - Duroid Covering Co,(UK), une résine polyester telle celle fabriquée sous la dénomination commerciale Ashland, les polycarbonates, les polyéthanes ou encore les résines de type epoxy ou silicone ainsi que tous autres matériaux thermoplastiques ou thermodurcissables appropriés en tant que matériau diélectrique. 8. Lentille selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'épaisseur (hl, h2) de matériau diélectrique de part et d'autre de la lentille est variable de 0 à l'infini. 9. Procédé de fabrication d'une lentille selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on usine une première partie constituée du premier matériau diélectrique présentant une face plane et une face dans laquelle sont ménagés des sillons, le rayon des sillons étant définis selon la formule des rayons de Fresnel et la profondeur des sillons consécutifs étant définis notamment en fonction des permittivités (si, E2) des matériaux diélectriques, le matériau diélectrique destiné à constituer la seconde partie de la lentille étant moulé sur la face de la première partie pourvue des sillons pour former la lentille. 10. Radar anti-collision pour véhicule, tel qu'un hélicoptère, un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte en tant qu'élément focalisant une lentille selon l'une des revendications 1 à 8, notamment pour la bande des ondes 30 millimétriques. 11. Antenne à lentille pour émettre/recevoir des signaux radiofréquences comprenant une source primaire, telle que sous forme de cornet effilé, ou de patch, caractérisée en ce qu'elle comporte en tant qu'élément focalisant dans l'ouverture de la dite source une lentille diélectrique selon l'une des revendications 1 à 8, le centre de phase de la source primaire étant placé à la distance focale de la lentille.