Brevet FR2916308A1 — publié le 20081121

Dispositif de structure à bande interdite électromagnétique et dispositif d'émission et de réception d'ondes électromagnétiques La présente invention concerne un dispositif de structure à bande interdite électromagnétique et un dispositif d'émission et de réception d'ondes électromagnétiques. Elle s'applique par exemple dans le domaine des systèmes de détection aéroportés ou des télécommunications. Une antenne permettant de recevoir et d'émettre des ondes électromagnétiques dans une large bande de fréquences, abusivement appelée antenne indépendante de la fréquence , peut être réalisée par enroulement de plusieurs fils métalliques en spirale d'archimède ou en spirale logarithmique. Chaque fil, que l'on appellera brin par la suite, est alimenté en courant électrique. Selon le nombre de brins et la phase du courant dans chaque brin, le rayonnement de l'antenne est différent. La largeur de la bande de fréquences du rayonnement dépend des diamètres externe et interne de l'enroulement. Dans le cadre de certaines applications, notamment aéroportées, la largeur de bande spécifiée pour les antennes est de l'ordre de la décade, c'est-à-dire que la fréquence maximum est de l'ordre de dix fois la fréquence minimum. La réalisation d'une antenne avec une telle largeur de bande n'est pas sans difficulté. D'un point de vue théorique, ces antennes ont une structure symétrique et rayonnent donc dans les cieux directions orthogonales au plan de l'antenne. Mais d'un point de vue pratique elles doivent nécessairement comporter un support, au moins pour fixer l'antenne à son porteur et l'alimenter en courant électrique. De plus ces antennes sont très souvent spécifiées pour rayonner dans un demi-espace, et doivent donc être isolées de l'autre demi-espace par leur support. Or celui-ci génère des perturbations du rayonnement de l'antenne. Par exemple le support peut absorber une partie du rayonnement, générant des pertes de puissance. Le support peut également réfléchir une partie du rayonnement, mais décalé en phase. Le 3o support peut enfin induire du courant et générer lui-même un rayonnement parasite. Un support idéal serait un support qui n'absorbe rien des rayonnements reçus, mais qui les réfléchit intégralement en phase et qui ne génère pas de rayonnement parasite par induction. II serait aussi un support d'encombrement minimum, la surface d'implantation sur le porteur étant souvent limitée. Une solution actuelle consiste à maximiser la réflexion du rayonnement, mais en assurant que la réflexion se fait en phase. Pour cela, un support plan conducteur ayant des propriétés de réflexion optimum est disposé à une distance de l'antenne égale au quart de la longueur d'onde du rayonnement qu'elle émet, cette distance pouvant être ajustée mécaniquement en fonction de la longueur d'onde. En effet, pour une distance entre le support et l'antenne égale au quart de la longueur d'onde, il y a réflexion en phase. Ceci maximise la puissance restituée par l'antenne. Mais le quart de la longueur d'onde représente rapidement une épaisseur importante pour les fréquences basses, ce qui limite la largeur de bande de l'antenne. Enfin le matériau conducteur dont est fait le support a des propriétés d'induction importantes et génère donc des rayonnements parasites. Il y a également des phénomènes de réflexion et de diffraction au bord de l'antenne. Une autre solution proche vise à diminuer l'encombrement du dispositif en disposant le support plan conducteur à une distance fixe de l'antenne, cette distance étant toujours nettement inférieure au quart de la longueur d'onde du rayonnement qu'elle émet. A une telle distance le rayonnement est réfléchi en décalage de phase, mais seulement dans certaines directions. L'antenne perd alors en couverture angulaire. Une solution totalement différente consiste à maximiser l'absorption du rayonnement par le support, ceci pour minimiser la réflexion en décalage de phase. Le support est fait d'un matériau absorbant, à base de carbone ou de poudre de fer par exemple. Ceci autorise une distance entre l'antenne et son support nettement inférieure au quart de la longueur d'onde et donc des dispositifs d'encombrement réduit. Les matériaux absorbants ont également l'avantage de ne pas induire de courant et donc de ne pas générer de rayonnements parasites. Mais tout d'abord les pertes de puissance sont importantes. De plus les propriétés absorbantes d'un matériau dépendent de la fréquence du rayonnement à absorber. Enfin c'est une solution pas totalement reproductible car deux échantillons distincts du même matériau absorbant n'ont jamais exactement les mêmes propriétés absorbantes, et le poids et le volume du support augmentent rapidement quand la fréquence du rayonnement à absorber diminue. Enfin certaines solutions visent à minimiser les rayonnements parasites du support par utilisation d'une structure dite à bande interdite électromagnétique (que l'on appellera structure BIE par la suite). Une structure BIE est une structure périodique alternant matériau conducteur et 1 o matériau diélectrique, ou en tout cas alternant des matériaux à indice de permittivité très différents, dans un rapport de un à cent par exemple. Le matériau conducteur peut être métallique et le matériau diélectrique de type époxydique comme un circuit imprimé. Les structures BIE ont la propriété d'interdire la propagation des ondes électromagnétiques dans certaines 15 directions et dans certaines bandes de fréquence et donc de ne pas générer de rayonnement parasite à ces fréquences. Comme décrit par la suite, dans les solutions actuelles cette bande de fréquences dépend de l'épaisseur de la structure BIE, la bande ne s'élargissant qu'avec l'augmentation de l'épaisseur de la structure, et donc de l'antenne. Ainsi les contraintes 20 d'encombrement font que les antennes actuelles à support en structure BIE ne générant pas de rayonnement parasite sont, là encore, des antennes à bande étroite. 25 L'invention a notamment pour but de pallier les inconvénients des antennes à structures BIE actuelles, en limitant les rayonnements parasites du support dans une large bande de fréquences tout en présentant un encombrement minimum. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de structure à bande interdite électromagnétique comportant un support 30 diélectrique sur lequel sont disposés de manière non jointive et selon un motif répétitif des éléments conducteurs identiques. Les éléments conducteurs contigus sont reliés deux à deux par une résistance. Par exemple les éléments conducteurs peuvent être alignés en ligne et en colonnes. Le support diélectrique peul: être une plaque du type circuit imprimé et les éléments conducteurs peuvent être imprimés sur cette plaque. L'invention a également pour objet un dispositif d'émission et de réception d'ondes électromagnétiques comportant un support diélectrique sur lequel sont disposés de manière non jointive et selon un motif répétitif des éléments conducteurs identiques. Les éléments conducteurs contigus sont reliés deux à deux par une résistance. Au moins un fil métallique enroulé en spirale et alimenté en courant électrique est disposé sur les éléments conducteurs dont il est isolé électriquement. Par exemple les éléments conducteurs peuvent être alignés en ligne et en colonnes. Le support diélectrique peur être une plaque du type circuit imprimé et les éléments conducteurs peuvent être imprimés sur cette plaque. Dans un mode de réalisation, les fils métalliques peuvent être alimentés en courant électrique par passage de fils d'alimentation dans un trou percé dans le support diélectrique en regard du centre de la spirale. L'invention a encore pour principaux avantages qu'elle est facilement reproductible et peut être mise en oeuvre par des techniques classiques à base de circuits imprimés. Elle permet des utilsations à larges bandes de fréquence tout en présentant un encombrement et un poids faible, ce qui est particulièrement intéressant dans les applications aéroportées. Sa structure est également aisément adaptable à diverses bandes de fréquence. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui 30 représentent : la figure 1, une illustration d'une structure BIE utilisée dans les antennes selon l'art antérieur, la figure 2, une illustration d'un exemple de réalisation d'un dispositif de structure BIE selon l'invention, les figures 3 et 4 illustrent un exemple de réalisation d'un dispositif d'émission et de réception d'ondes électromagnétiques selon l'invention à partir d'une spirale conductrice à deux brins et d'une structure BIE. La figure 1 illustre une structure BIE utilisée dans les antennes selon l'art antérieur. Comme exposé précédemment, cette structure est utilisée comme support de l'antenne et a la propriété de ne pas émettre de 1 o rayonnement parasite par induction lorsque les brins de l'antenne sont alimentés en courant électrique dans une certaine bande de fréquences. Elle comporte un support plan 1 fait d'un matériau diélectrique, une carte électronique époxydique par exemple. Sur le support 1 sont implantées perpendiculairement des entretoises conductrices 2 toutes identiques, 15 notamment toutes de même hauteur h, et couramment appelées des vias . Ce sont des tiges métalliques par exemple et elles sont toutes reliés à la masse. Les entretoises 2 sont alignées en ligne et en colonnes équidistantes. Chaque entretoise supporte à son sommet un élément conducteurs 3 en forme de carré, celui-ci étant fixé à l'entretoise en son 20 centre. Ce sont des carrés plats en cuivre par exemple. Tous les éléments conducteurs carrés sont identiques, ont leurs cotés alignés et ont une taille telle qu'ils sont tous espacés régulièrement les uns des autres. De la hauteur h des entretoises, comme illustré sur la figure, dépend directement l'épaisseur de la structure BIE. C'est cette épaisseur qui définit la plage de 25 fréquence dans laquelle la structure BIE n'induit pas de courant et donc ne génère pas de rayonnement parasite. Or la bande de fréquences s'élargit lorsque h augmente, donc la largeur maximale de la bande de fréquences dépend de la hauteur maximale de l'antenne elle-même. Ainsi dans le cas des applications aéroportées où l'encombrement est une contrainte critique, 30 cette solution n'est applicable qu'à des antennes à bande plutôt étroite, en tout cas en dessous de la décade. C'est dans l'épaisseur des structures BIE actuelles que réside notamment un inconvénient. Un dispositif de structure BIE selon l'invention se propose en particulier d'apporter une solution à ce problème. 35 La figure 2 illustre un exemple de réalisation d'un dispositif de structure BIE selon l'invention. Elle comporte un support plan 10 fait d'un matériau diélectrique, une plaque époxydique du type circuit imprimé par exemple dont la face inférieure est pleinement métallisée pour faire plan de masse. Des éléments conducteurs identiques 11, en forme de carrés plats par exemple, sont disposés directement à la surface du support 10, par impression sur la carte par exemple. Selon l'invention, les éléments conducteurs identiques 11 sont disposés de manière non jointive et selon un motif répétitif. Avantageusement dans l'exemple de réalisation de la figure 2, les éléments conducteurs 11 sont disposés en ligne et en colonnes équidistantes à la surface du support, ils sont régulièrement espacés les uns des autres et leurs cotés sont alignés. Enfin, les éléments conducteurs contigus sont reliés deux à deux par une résistance 12. La nouvelle structure ainsi réalisée présente elle aussi la propriété de ne pas induire de courant dans certaines bandes de fréquence et donc de ne pas générer de rayonnements parasites. C'est donc bien une structure BIE. Cette structure BIE présente notamment un double avantage. D'une part, malgré sa hauteur h qui est très faible, elle peut être de l'ordre de quelques millièmes de la longueur d'onde à la fréquence minimum par exemple, limitée en fait à l'épaisseur du support diélectrique 10 puisque les éléments conducteurs 11 sont directement sur le support, ses propriétés de non-induction s'étendent sur des bandes de fréquences plus larges, au-delà de la décade. En cela, l'invention permet d'éviter l'inconvénient des structures BITE existantes en réconciliant faible encombrement et large bande de fréquences. D'autre part, le comportement de la structure BIE selon l'invention est fidèle au modèle dit ligne de transmission , qui est bien connu par ailleurs. Ainsi, connaissant une bande de fréquences dans laquelle on souhaite qu'une structure BIE n'induise pas de courant, le modèle ligne de transmission permet de déduire aisément la taille des éléments conducteurs, leur écartement, la résistance entre les éléments conducteurs ainsi que de la permittivité diélectrique du support qui caractérisent une telle structure. Il ne reste plus alors qu'à réaliser cette structure BIE selon les techniques classiques des circuits imprimés. A titre d'exemple, pour une bande de fréquences s'étalant d'un minimum valant un gigahertz à un maximum valant dix gigahertz, une structure BIE selon l'invention peut comporter des éléments conducteurs carrés de l'ordre de 4 millimètres de côté et espacés de 2 millimètres, avec des résistances entre les éléments conducteurs de l'ordre d'une centaine d'ohms et une permittivité diélectrique du support de l'ordre de 2,2. Les figure 3 et 4 illustrent un exemple de réalisation d'un dispositif d'émission et de réception d'ondes électromagnétiques selon l'invention à partir d'une spirale conductrice à deux brins et d'une structure BIE. La figure 3 est une vue en perspective et la figure 4 est une vue en coupe. Par exemple deux brins conducteurs distincts 20 et 21, alimentés indépendamment l'un de l'autre en courant électrique, sont enroulés dans un même plan en spirale. Mais on peut imaginer également un mode de réalisation à un seul brin ou à plus de deux brins. La spirale est disposée à plat sur la même structure BIE selon l'invention que celle décrite précédemment à la figure 2, réalisée à partir du support diélectrique 10 et des éléments conducteurs 11 reliés par les résistances 12. A cet effet, les brins 20 et 21 enroulés en spirale sont par exemple fixés ou imprimés sur un support diélectrique circulaire 23 mieux illustré par la figure 4, lequel est ensuite plaqué sur la structure BIE et fixé par des moyens classiques. Ainsi les brins 20 et 21 sont isolés électriquement de la structure BIE. Celle-ci a été préalablement dimensionnée grâce au modèle ligne de transmission pour ne pas induire de courant dans la bande de fréquences dans laquelle la spirale rayonne lorsqu'elle est alimentée en courant électrique. Par exemple, la spirale peut avoir un diamètre de l'ordre d'une dizaine de centimètres, soit environ un tiers de longueur d'onde à la fréquence minimum. L'alimentation en courant électrique est avantageusement faite en pratiquant un trou 22 dans la structure BIE en regard du centre de la spirale, ceci pour permettre le passage de fils d'alimentation. Le dispositif d'antenne ainsi réalisé permet l'émission et la réception d'ondes électromagnétiques dans le demi-espace contenant la spirale et ne contenant pas le support en structure BIE. Elle s'adresse à une large bande de fréquences et n'émet pas de rayonnements parasites. Elle présente également un faible encombrement puisque l'épaisseur totale de l'antenne de l'ordre de 3,6 millimètres, soit environ dix millièmes de longueur d'onde à la fréquence minimum. REVENDICATIONS 1. Dispositif de structure à bande interdite électromagnétique caractérisé en ce qu'il comporte un support diélectrique (10) sur lequel sont disposés de manière non jointive et selon un motiif répétitif des éléments conducteurs (11) identiques, les éléments conducteurs contigus étant reliés deux à deux par une résistance (12). 2. Dispositif de structure à bande interdite électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments conducteurs (11) sont alignés en ligne et en colonnes. 3. Dispositif de structure à bande interdite électromagnétique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le support diélectrique (10) est une plaque du type circuit imprimé. 15 4. Dispositif de structure à bande interdite électromagnétique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les éléments conducteurs (11) sont imprimés sur la plaque du type circuit imprimé. 5. Dispositif d'émission et de réception d'ondes électromagnétiques, 20 caractérisé en ce qu'il comporte un support diélectrique (10) sur lequel sont disposés de manière non jointive et selon un motif répétitif des éléments conducteurs (11) identiques, les éléments conducteurs contigus étant reliés deux à deux par une résistance (12), et au moins un fil métallique (20, 21) enroulé en spirale et alimenté en courant électrique 25 étant disposé sur les éléments conducteurs (11) dont il est isolé électriquement. 6. Dispositif d'émission et de réception d'ondes électromagnétiques selon la revendication 5, caractérisé en ce que les éléments conducteurs (11) sont 30 alignés en ligne et en colonnes. 7. Dispositif d'émission et de réception d'ondes électromagnétiques selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le support diélectrique (10) est une plaque du type circuit imprimé.10 8. Dispositif d'émission et de réception d'ondes électromagnétiques selon la revendication 7, caractérisé en ce que les éléments conducteurs (11) sont imprimés sur la plaque du type circuit imprimé. 9. Dispositif d'émission et de réception d'ondes électromagnétiques selon l'une quelconque des revendications 5, 6, 7 ou 8, caractérisé en ce que les fils métalliques (20, 21) sont alimentés en courant électrique par passage de fils d'alimentation dans un trou (22) percé dans le support io diélectrique (10) en regard du centre de la spirale.