Brevet FR2903235A1 — publié le 20080104

La présente invention concerne un perfectionnement aux antennes à rayonnement longitudinal de type fente, plus particulièrement aux antennes de type fente telles que les antennes Vivaldi, les antennes LTSA (Linearly Tapered Slot Antenna en langue anglaise) et les antennes CWSA (Constant Width Slot Antenna en langue anglaise). Les systèmes de communication sans fil connaissent actuellement un essor important, ce qui entraîne une augmentation de la capacité des réseaux pour pouvoir offrir un débit élevé et de nouveaux services multimédia. Du point de vue de l'antenne, cela entraîne une io contrainte non négligeable sur la bande passante de l'antenne qui doit pouvoir assurer un fonctionnement large bande. Les antennes à rayonnement longitudinal de type fente conique, notamment les antennes du type Vivaldi, répondent à cette contrainte en proposant un fonctionnement en polarisation linéaire très large bande. 15 Cette solution d'antenne est simple et peu coûteuse à mettre en oeuvre. Cependant, il est parfois nécessaire, pour réduire la sensibilité du récepteur aux interférences et limiter d'éventuels rayonnements hors de la bande d'émission, de pouvoir réduire le fonctionnement de ce type d'antenne à sa bande d'utilisation. 20 D'autre part, on a proposé dans la demande WO2004/034502 au nom de THOMSON Licensing S.A., un procédé de réalisation d'une structure à bandes interdites photoniques (BIP) sur un dispositif micro-ondes et des antennes du type fente utilisant une telle structure. Ce procédé permet le filtrage de certaines bandes de fréquence. 25 On a notamment proposé d'utiliser une structure de type BIP avec une antenne de type Vivaldi de manière à pouvoir créer une ou plusieurs sous-bandes de fonctionnement. Dans ce cas, la structure BIP est réalisée sur la face du substrat d'antenne opposée à la face recevant la fente par gravure des motifs métalliques périodiques. La structure BIP n'est pas 30 intégrée à l'antenne de type Vivaldi. La présente invention concerne donc une antenne à rayonnement longitudinal de type fente conique dans laquelle la structure BIP est 2903235 2 directement intégrée à la structure d'antenne. Cette structure BIP a pour effet d'interdire la propagation de l'onde le long de la fente résonante, dans certaines bandes de fréquence. Ainsi, la présente invention concerne une antenne à rayonnement s longitudinal de type fente conique comportant un substrat diélectrique recouvert d'une couche conductrice dans laquelle est gravée la fente, caractérisée en ce qu'au moins un des profils de la fente a une forme ondulée. Selon une variante de réalisation, la forme ondulée est réalisée io sur les deux profils de la fente. La forme ondulée ainsi réalisée sur le profil de la fente peut être identique sur les deux profils ou différentes d'un profil à l'autre. La forme est ondulée selon une fonction périodique ou une loi mathématique de type Hamming, Bartlett ou Kaiser qui consiste à changer la 15 variation de la période des motifs BIP. Dans le cas d'une fonction périodique, la période a est égale à 2J2 avec a, la longueur d'onde guidée dans la fente et 1 = X0hlseff où Eeff est la permittivité effective, plus particulièrement la permittivité effective théorique 20 d'une ligne-fente de largeur constante égale à la largeur de la ligne-fente au niveau de la transition ligne-fente / ligne microruban, la ligne microruban étant utilisée pour l'alimentation de la fente. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description de divers modes de réalisation, 25 cette description étant faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels : Figure la et Figure 1 b représentent respectivement des vues de dessus schématiques d'une antenne à rayonnement longitudinal de type Vivaldi selon l'art antérieur figure la ou selon un mode de réalisation de la 30 présente invention figure lb. 2903235 3 Figure 2 représente le coefficient de réflexion d'une antenne de type Vivaldi respectivement selon la figure la, courbe A et selon figure 1b, courbe B. Figure 3 représente schématiquement une antenne semblable à 5 celle de la figure 1 b associée à son diagramme de rayonnement en 3D et selon différentes directions pour un fonctionnement à 4.2 GHz. Figure 4 et Figure 5 sont respectivement des vues schématiques de dessus de deux autres modes de réalisation de la présente invention. Figure 6 représente le coefficient de réflexion en fonction de la io fréquence, respectivement d'une antenne conforme à la figure 5, courbe D et à la figure 4, courbe C. Figure 7 représente schématiquement une vue de dessus dans un autre mode de réalisation d'une antenne conforme à la présente invention. 15 Pour simplifier la description dans les figures, les mêmes éléments portent les mêmes références. La présente invention sera décrite en se référant à une antenne à rayonnement longitudinal connue sous la dénomination antenne de type 20 Vivaldi. Toutefois, il est évident pour l'homme de l'art que la présente invention peut s'appliquer à tout autre type d'antenne à rayonnement longitudinal de type fente conique telle que des antennes LTSA (pour Linearly Tapered Slot Antenna en langue anglaise) ou des antennes CWSA (pour Constant Width Slot Antenna en langue anglaise) ou similaire. 25 Ainsi, comme représenté sur la figure la, une antenne de type Vivaldi classique est constituée par un substrat 1 diélectrique recouvert d'une couche conductrice, plus particulièrement d'une couche métallique 2, dans laquelle a été gravée une fente conique délimitée par les profils 3. Dans le cas d'une antenne de type Vivaldi, le profil 3 s'évase régulièrement 30 du point p formant l'extrémité d'une fente linéaire jusqu'aux points O délimitant l'ouverture de l'antenne, à savoir son diagramme de rayonnement. De manière connue, l'antenne de type Vivaldi est alimentée par couplage 2903235 4 électromagnétique à l'aide d'une ligne microruban 4 réalisée sur la face du substrat opposée à la face dans laquelle est gravée la fente. Cette ligne microruban 4 est connectée à un port 5 permettant de relier l'antenne à des circuits de traitement non représentés. 5 On décrira maintenant, avec référence à la figure 1 b, un premier mode de réalisation d'une antenne de type Vivaldi conforme à la présente invention. Dans ce cas, au moins un profil 30 de la fente a une forme ondulée de manière à réaliser une structure BIP intégrée. Cette forme ondulée permet de moduler périodiquement la largeur de la fente. Dans ce io cas, la période vue par l'onde se propageant le long des profils de l'antenne de type Vivaldi subit une atténuation plus ou moins importante en fonction du nombre de périodes a positionnées sur ledit profil. Sachant que la fréquence centrale de la bande interdite d'une structure BIP est fixée par la période a de la structure périodique, cette is période doit être égale à la moitié de la longueur d'onde a, guidée dans la fente à la fréquence centrale de la bande interdite désirée. Ainsi, la période a = I/2 avec 1 = X0/'/ceff, ceff représentant la permittivité effective théorique d'une ligne-fente de largeur constante égale à la largeur de la ligne-fente au niveau de la transition ligne microruban/ligne-fente. 20 Des antennes de type Vivaldi semblables à celles des figures la et 1 b ont été simulées en réalisant sur un substrat diélectrique de type Chukoh Flo, CGP 500 (Permittivité = 2.6, tanD = 0.0018, h=0.764) recouvert d'une métallisation, une fente de longueur L = 99 mm, d'ouverture X = 30 mm et de rayon R = 350 mm. 25 Pour réaliser une antenne conforme à la présente invention, les deux profils 30 de l'antenne Vivaldi ont été modifiés de manière à présenter une forme ondulée. Cette forme ondulée a été dimensionnée pour obtenir une structure BIP présentant une bande interdite autour de 6.3 GHz. Dans ce cas, la période a de la structure BIP est de a = 17.2 mm. Les résultats de 30 la simulation du coefficient de réflexion d'une antenne de type Vivaldi sans structure BIP, comme représenté à la figure la ou avec une structure BIP telle que représenté à la figure 1 b, sont donnés par les courbes A et B de la 2903235 5 figure 2. Ainsi, avec l'ajout de la structure BIP, à 6.3GHz l'antenne est complètement désadaptée. S11 est proche de 0 dB. A cette fréquence donc, toute l'énergie injectée dans l'antenne est réfléchie et ne rayonne pas, cela traduit bien une fonction de filtrage par rapport à cette fréquence. 5 Comme représenté à la figure 3 qui donne notamment le diagramme de rayonnement d'une antenne de type Vivaldi conforme à la présente invention et semblable à celle représentée schématiquement sur la figure la, on voit qu'en dehors de la bande de fréquence interdite, à savoir dans la bande d'adaptation, notamment à 4.2GHz, le fonctionnement de io l'antenne est conservé. En effet, l'antenne possède un gain autour de 10dBi équivalent à celui que présente l'antenne de la figure la (non représenté ici). La figure 3 présente une vue détaillé de la structure simulée sur un logiciel de simulation électromagnétique 3D (HFSS de chez Ansoft). Les caractéristiques de simulations sont identiques à celle présentées ci-dessus. 15 Sur cette même figure, les diagrammes de rayonnement 2D (plan E et plan H) et 3D y sont présentés. On décrira maintenant avec référence, notamment aux figures 4 et 5, deux variantes de réalisation d'une antenne de type Vivaldi munie d'une structure BIP intégrée, conforme à la présente invention. 20 Sur la figure 4, les profils ondulés 31 ne suivent pas une loi périodique mais présentent un espacement entre motifs non constant suivant, par exemple, une fonction linéaire qui se traduit par un changement de la variation de la période du motif BIP telle que la fonction a; = ao (l+L*delta) où ao est la période considérée pour le motif central et delta un 25 paramètre de contrôle de la variation de la période, ou bien une loi mathématique de type Hamming, Bartlett ou Kaiser. Les lois de type Hamming, Bartlett ou Kaiser sont représentées par les fonctions : 2903235 6 r'(') r.,./(L/2) (BARTLEI .) et r(:) == ,max[c, c2 cos(2;ira/L) C3 cos(47r:/L) cacos(6rz:/L)] où C [ci, c3, ca) sont les coefficients de chaque fenêtre C = [0.5, 0.5, 0,0] HAMMING C = [0.54,0.46.0,01 HAMMING C = [10/32.15/32,6/32,1/32] C = [1 /2.488. 1.24/2.488.0.244/2.488, 0.004/2.4881 (KAISER) L'utilisation de ce type d'ondulations 31 permet d'augmenter la taille de la bande interdite. 5 Sur la figure 5, on a représenté une autre variante de réalisation. Dans ce cas, un des profils présente une ondulation périodique 33 plus faible que l'autre profil qui présente une ondulation périodique 32 différente. Cela permet d'interdire deux bandes de fréquence différentes. Si les deux bandes de fréquence se recouvrent partiellement, il est ainsi possible lo d'interdire une bande de fréquence plus large. La figure 6 représente donc la courbe donnant les coefficients de réflexion d'une antenne selon la figure 1 b (courbe D) ou d'une antenne selon la figure 5 (courbe C) en fonction de la fréquence. Dans ce dernier cas, le profil 32 présente une période a = 17.2 mm et la bande interdite est centrée 15 autour de 6.3 GHz tandis que l'autre profil 33 présente un période a = 12.5 mm et la bande interdite de cette structure est centrée autour de 9 GHz. Lorsque l'on compare le coefficient de réflexion de l'antenne de la figure 5 avec celui de l'antenne de la figure 1 b, il apparaît, pour les deux antennes une nette désadaptation autour de 6 GHz. De plus, l'antenne 20 conforme à la figure 5 présente également une désadaptation autour de 9 GHz. Au profil 32 (respectivement 33) correspond alors la désadaptation aux fréquences autour de 6.3GHz, (respectivement 9GHz) Comme précédemment indiqué, à une désadaptation à une bande de fréquence donnée correspond une atténuation du signal transmis à travers l'antenne 25 pour cette même bande de fréquence. 2903235 7 On décrira maintenant, avec référence à la figure 7, encore un autre mode de réalisation conforme à la présente invention. Dans ce mode de réalisation, non seulement les profils 30 de la fente ont une forme ondulée mais on peut aussi réaliser la partie externe 40 métallisée avec un 5 profil ondulé. Combiné aux modes de réalisation précédents, cette structure possède l'avantage de pouvoir filtrer une ou plusieurs bandes de fréquence, sur une plus grande largeur de bande. Ce mode de réalisation permet également d'intégrer ce type de structure BIP à des antennes à rayonnement longitudinal possédant moins de gain. 20 REVENDICATIONS 1. Antenne à rayonnement longitudinal de type fente conique comportant un substrat diélectrique (1) recouvert d'une couche conductrice (2) dans laquelle est gravée la fente, caractérisée en ce qu'au moins un des profils (30, 31, 32, 33, 40) de la fente a une forme ondulée. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la forme ondulée est réalisée sur les deux profils de la fente. 3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que la forme ondulée réalisée sur les deux profils de la fente est identique. 4. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que la forme 15 ondulée réalisée sur les deux profils de la fente est différente. 5. Antenne selon l'une des revendication 1 à 4, caractérisée en ce que la forme est ondulée selon une fonction périodique ou une loi mathématique du type Hamming, Bartlett ou Kaiser. 6. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que, dans le cas d'une fonction périodique, la période a = X/2 avec = XohIEeff où Eef est la permittivité effective. 25 7. Antenne selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que, au moins une partie du profil externe (40) de l'antenne est ondulée. 8. Antenne selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'antenne est une antenne de type Vivaldi, LTSA ( Linearly Tapered Slot 30 Antenna ), CWSA ( Constant Width Slot Antenna ).