Brevet FR3058002A1 — publié le 20180427

- 1 - Antenne La présente invention concerne une antenne, en particulier une antenne à cavité. Les antennes à dépointage de faisceau classiques sont constituées de réseaux d'antennes alimentées par des déphaseurs variables. Ce sont des ensembles complexes, couteux et volumineux qui ne sont pas adaptés pour l'utilisation sur porteurs mobile, comme un avion ou un hélicoptère. Il existe des antennes hybrides électromécaniques qui sont également 10 lourdes et encombrantes. Ces antennes comprennent une antenne électronique fixe posée sur un support mécanique mobile. Le document EP 2 266 166 décrit une antenne à dépointage purement électronique basée sur un dépointage du faisceau de réception et d'émission du faisceau contrôlé électroniquement. L'antenne à cavité décrit dans EP 2 266 166 15 est délimitée par une surface plane partiellement réfléchissante et une surface plane totalement réfléchissante se faisant face. La surface plane partiellement réfléchissante est constituée d'un réseau de cellules résonantes formant des micro-antennes. La source rayonnante placée au centre de la cavité illumine ces micro-antennes qui ensuite rayonnent à l'extérieur 20 de la cavité. Les rayonnements issus des micro antennes interfèrent pour former des faisceaux d'émission dans les directions où ces interférences sont constructives. En contrôlant la phase et l'amplitude en sortie de ces micro-antennes on peut ainsi contrôler la direction dans laquelle ces faisceaux se forment. Dans le cas de l'antenne décrite dans EP 2 266 166, la phase des micro- 25 antennes est contrôlée en utilisant des diodes varicaps. Il est ainsi possible de contrôler le dépointage de l'antenne et sa fréquence d'émission. Ces antennes doivent remplir un cahier des charges très contraint puisqu'elles doivent pouvoir suivre le mouvement d'un satellite tout en étant elles-mêmes mobiles puisque généralement placées sur un porteur mobile. Par exemple, 30 lorsqu'un satellite passe sous l'horizon, l'antenne doit pouvoir sauter au satellite suivant avec un temps de commutation le plus court possible. 3058002 - 2 - Les inventeurs ont constaté qu'il est possible d'améliorer les propriétés de ces antennes afin d'obtenir des dépointages importants, par exemple supérieur à 60° par rapport à la verticale. Il existe donc un besoin pour une antenne à cavité susceptible d'avoir un 5 dépointage important, par exemple supérieur à 60° par rapport à la verticale. A cet effet, l'invention propose une antenne comprenant - une cavité résonante délimitée par : - une surface partiellement réfléchissante comprenant un réseau de cellules résonantes, chaque cellule résonante formant une micro-antenne, - une surface totalement réfléchissante faisant face à ladite surface partiellement réfléchissante, - une source rayonnante disposée dans ladite cavité résonante et configurée pour rayonner une onde entre la surface partiellement réfléchissante et la surface totalement réfléchissante, ladite onde illuminant des cellules résonantes de la surface partiellement réfléchissante, dans laquelle la surface partiellement réfléchissante comprend un substrat diélectrique ayant un gradient de permittivité diélectrique. Avantageusement, l'utilisation d'un substrat diélectrique ayant un gradient de permittivité diélectrique permet d'atteindre des dépointages très important, pouvant aller jusqu'à 70°, remplissant ainsi les cahiers des charges de la plupart des constructeurs aéronautiques. L'antenne selon l'invention peut également comprendre une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - le substrat diélectrique de surface partiellement réfléchissante a un gradient de permittivité diélectrique dans le plan moyen de l'antenne ; et/ou - la surface partiellement réfléchissante comprend au moins un réseau inductif et un réseau capacitif ; et/ou 3058002 - 3 - - ladite source rayonnante génère une onde à polarisation rectiligne dont la composante de champ électrique est sensiblement parallèle à une direction dudit réseau inductif et la composante de champ magnétique est sensiblement parallèle à une autre direction dudit réseau capacitif 5 orthogonale à ladite première direction dudit réseau inductif ; et/ou - le réseau capacitif est configuré de sorte à avoir un gradient capacitif ; et/ou - le réseau capacitif comprend une grille capacitive dont les pistes ou patchs métalliques ont une largeur variable selon leur position sur la 10 surface partiellement réfléchissante ; - des capacités électroniques variables peuvent aussi être insérées entre les pistes ou patchs métalliques du réseau capacitif; et/ou - le réseau inductif est configuré de sorte à avoir un gradient d'inductance ; et/ou 15 - le réseau inductif comprend une grille inductive dont les pistes métalliques ont une largeur variable selon leur position sur la surface partiellement réfléchissante ; et/ou - pour une distance donnée séparant ladite surface totalement réfléchissante et la face interne de ladite surface partiellement 20 réfléchissante, ladite distance de séparation formant ainsi une dimension de référence de ladite cavité de résonance vérifiant la relation: h=À/4-rr (4)_PRS-F4Lr ) ± N À/2, avec h: désigne ladite dimension de référence; 25 À: désigne la longueur d'onde de ladite onde dans le milieu diélectrique de la cavité; N: désigne le numéro du mode de résonance de ladite cavité résonante; (_PRS: désigne le déphasage introduit à ladite onde générée 30 par réflexion sur ladite surface partiellement réfléchissante; e_r: désigne le déphasage introduit à ladite onde générée par réflexion sur ladite surface totalement réfléchissante. 3058002 - 4 - - ladite source rayonnante est commandée en fréquence, la fréquence de rayonnement étant ajustée dans une plage de fréquence comprise entre plus et moins 15% d'une fréquence centrale correspondant à la longueur d'onde de ladite onde dans le milieu diélectrique de la cavité ; et/ou 5 - ladite source rayonnante appartient au groupe d'éléments rayonnants consistant en les antennes planaires, les dipôles et les réseaux d'antennes élémentaires. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à 10 la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma illustrant une antenne selon un mode de réalisation de l'invention ; 15 - la figure 2 illustre un substrat diélectrique d'une antenne selon l'invention ; - la figure 3 représente un exemple de cellule résonante d'une surface partiellement réfléchissante de l'antenne de la figure 1 ; - la figure 4 est un schéma fonctionnel montrant une surface partiellement réfléchissante selon un mode de réalisation de l'invention permettant un 20 contrôle dynamique de l'antenne ; et - les figures 5a et 5b sont des diagrammes de rayonnement respectivement simulé et mesuré d'une antenne selon l'invention. Sur les figures, les éléments analogues sont désignés par des références 25 identiques. En outre, les différents éléments ne sont pas nécessairement représentés à l'échelle afin de présenter une vue permettant de faciliter la compréhension de l'invention. L'invention se rapporte à une antenne à cavité permettant d'obtenir un angle de dépointage supérieur à 60°. 30 La figure 1 est une représentation schématique d'une antenne 10 selon l'invention. 3058002 - 5 - L'antenne 10 comprend une cavité résonnante 12 et une source rayonnante 14. La cavité résonnante est délimitée par une surface partiellement réfléchissante 16 et une surface totalement réfléchissante 18 faisant face à la 5 surface partiellement réfléchissante 16. La surface totalement réfléchissante 18 est par exemple réalisée en disposant une plaque métallique sur un élément diélectrique. La surface partiellement réfléchissante 16 comprend un réseau de cellules résonnantes, chaque cellule résonnante formant une micro-antenne. 10 La surface partiellement réfléchissante 16 est réalisée en utilisant un substrat diélectrique ayant un gradient de permittivité diélectrique. De préférence, le substrat diélectrique de la surface partiellement réfléchissante a un gradient de permittivité diélectrique dans le plan moyen de l'antenne. 15 Le substrat diélectrique peut être conçu en modifiant la répartition spatiale diélectrique. Par exemple, des trous de forme cylindrique, et de différentes dimensions peut être répartis dans le substrat diélectrique. Il est possible d'agir sur le rayon r et/ou la hauteur t des trous d'air permettent de modifier la permittivité du diélectrique. 20 Dans l'exemple représenté en figure 2, le substrat diélectrique est divisé en six régions différentes. La première région est constituée d'air et la dernière région est constituée d'un matériau diélectrique de permittivité relative de 2,8. Dans les quatre autres régions une variation de la permittivité relative Eeff de 1,13 à 2,44 est obtenue en variant la fraction volumique des trous d'air dans le 25 substrat diélectrique. Différentes dimensions géométriques des différentes régions sont résumées dans le tableau 1. 30 3058002 - 6 - Zone r (mm) t (mm) eeff 1 0 0 1 2 2,1 0,8 1,13 3 2,1 1,6 1,26 4 2,1 4,7 1,75 5 1,26 5 2,44 6 0 5 2,8 Tableau 1 Selon un mode de réalisation de l'invention, la surface partiellement 5 réfléchissante 16 comprend un réseau inductif et un réseau capacitif. Typiquement, la surface partiellement réfléchissante 16 comprend une grille inductive GL comportant un ensemble de zones métalliques séparées par des zones diélectriques. La surface partiellement réfléchissante 16 comprend également une grille 10 capacitive GC comportant un ensemble de zones métalliques séparées par des zones diélectriques. La grille inductive GL et la grille capacitive GC sont superposées de manière à ce que les grilles GL et GC soient disposées parallèlement l'une à l'autre, les zones métalliques de la grille inductive GL et de la grille capacitive GC étant 15 agencées selon des directions sensiblement orthogonales. La surface partiellement réfléchissante 16 peut être réalisée par deux grilles de pistes métalliques, gravées respectivement sur les deux faces d'un substrat diélectrique. Une telle réalisation permet de réduire le coût de fabrication. Les pistes de chaque grille étant perpendiculaires, l'une jouera le rôle de grille capacitive GC 20 et l'autre de grille inductive GL suivant la polarisation du champ électrique E. Une cellule résonante Cr; est ainsi une cellule de type résonateur LC comportant une inductance L et une capacité C en parallèle. Une cellule résonante Cr; présente une taille petite devant la longueur d'onde À de fonctionnement de l'antenne 10. 3058002 - 7 - La figure 3 représente un exemple de cellules résonantes Cri. La cellule Cri comprend une capacité Ci et une inductance Li, disposées de part et d'autre du substrat diélectrique. 5 Comme représenté sur la figure 1, la cavité résonnante 12 est une cavité de type Fabry-Pérot. La surface partiellement réfléchissante 16 et la surface totalement réfléchissante 18, qui délimitent la cavité 12, sont séparées par une distance h formant une dimension de référence de la cavité résonnante 12. Cette dimension de référence h vérifie la relation : 10 h = -4Ân (e_PRS + e_r) + N , où À désigne la longueur d'onde dans le milieu diélectrique de la cavité résonante 12, N désigne le numéro du mode de résonance de la cavité résonnante 12, 15 e_PRS désigne le déphasage introduit à l'onde générée par réflexion sur la surface partiellement réfléchissante 16, et P_r désigne le déphasage introduit à l'onde générée par réflexion sut ladite surface totalement réfléchissante 18. L'utilisation d'une surface partiellement réfléchissante 12 comportant des 20 cellules résonantes à phase ajustable permet de lever la restriction sur l'épaisseur de demi-longueur d'onde (À/2) imposée généralement pour une cavité de type Fabry-Pérot. La dimension de référence h peut ainsi être choisie telle que h«À/2. Il est donc possible de réaliser des antennes ultra-compactes, par exemple d'environ 0,5 mm pour une fréquence de 8 GHz. 25 La source rayonnante 14 peut être commandée en fréquence, la fréquence de rayonnement étant ajustée dans une plage de fréquence comprise entre plus et moins 15% d'une fréquence centrale correspondant à la longueur d'onde de l'onde dans le milieu diélectrique de la cavité résonnante. La source rayonnante 14 est disposée dans la cavité résonante 21, à 30 proximité de la surface totalement réfléchissante 18. La source rayonnante 3 est 3058002 - 8 - par exemple une antenne patch, un dipôle, une antenne planaire, ou un réseau d'antennes élémentaires. La source rayonnante 14 est configurée pour rayonner une onde de fréquence prédéfinie, entre la surface partiellement réfléchissante 16 et la surface 5 totalement réfléchissante 18. L'onde illumine ainsi les cellules résonantes Cr;. De préférence, la source 14 et la surface partiellement réfléchissante 16 sont agencées de manière que toutes les cellules Cr; soient illuminées par réflexions successives sur les parois de la cavité résonnante. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le réseau capacitif est 10 configuré de sorte à avoir un gradient capacitif. Par exemple, le gradient capacitif peut être obtenu par l'utilisation d'une grille capacitive dont les pistes ou patchs métalliques ont une largeur variable selon leur position sur la surface partiellement réfléchissante. Le gradient capacitif peut également être contrôlé de manière active en 15 utilisant des diodes à capacité variable (varactors). La figure 4 représente un mode de réalisation de contrôle actif dans lequel deux contacts électriques voisins de la grille capacitive GC sont connectés électriquement par une diode à capacité variable (varactors). Le déphasage introduit sur l'onde incidente par une cellule résonnante Cr; 20 peut alors être ajusté de manière dynamique en modifiant la tension de polarisation de la diode à capacité variable, par exemple comme décrit dans le document EP 2 266 166. L'angle de dépointage de l'antenne 1 peut ainsi être contrôlé de manière dynamique, et notamment être modifié au cours du temps. 25 Selon un mode de réalisation de l'invention, le réseau inductif est configuré de sorte à avoir un gradient d'inductance. En particulier, le réseau inductif peut comprendre une grille inductive dont les pistes métalliques ont une largueur variable selon leur position sur la surface partiellement réfléchissante. Les figures 5a et 5b illustrent des diagrammes de rayonnement pour une 30 antenne selon un mode de réalisation de l'invention obtenus respectivement par simulation et par mesure. 3058002 - 9 - L'antenne testée comprend un réseau capacitif à gradient de capacité, un réseau inductif à gradient d'inductance et un substrat diélectrique présentant un gradient de permittivité diélectrique. Comme illustrée sur la figure 5a et 5b, le dépointage obtenu est d'environ 5 70 ° à 5,4 GHz. Cette valeur élevée est assez difficile à atteindre avec des réseaux d'antennes classiques et n'a jamais été atteint précédemment dans une antenne à cavité Fabry-Pérot. Comme il peut être clairement observé sur les figures 5a et 5b, les fronts d'onde de sortie sont déviés à l'angle de 70 °. 10 L'invention a été décrite ci-dessus avec l'aide de modes de réalisation présentés sur les figures, sans limitation du concept inventif général. Bien d'autres modifications et variations se suggèrent d'elles même à l'homme du métier, après réflexion sur les différents modes de réalisation illustrés dans cette demande. Ces modes de réalisation sont donnés à titre d'exemple et ne 15 sont pas destinés à limiter la portée de l'invention, qui est déterminée exclusivement par les revendications ci-dessous. Le simple fait que différentes caractéristiques sont énumérées en revendications mutuellement dépendantes n'indique pas qu'une combinaison de ces caractéristiques ne puisse être avantageusement utilisée. Enfin, toute référence 20 numérique utilisée dans les revendications ne doit pas être interprétée comme une limitation de la portée de l'invention. REVENDICATIONS1. Antenne (10) comprenant : - une cavité résonante (12) délimitée par : - une surface partiellement réfléchissante (16) comprenant un réseau de cellules résonantes, chaque cellule résonante formant une micro-antenne, - une surface totalement réfléchissante (18) faisant face à ladite surface partiellement réfléchissante, - une source rayonnante (14) disposée dans ladite cavité résonante et configurée pour rayonner une onde entre la surface partiellement réfléchissante et la surface totalement réfléchissante, ladite onde illuminant des cellules résonantes de la surface partiellement réfléchissante, dans laquelle la surface partiellement réfléchissante (16) comprend un substrat diélectrique ayant un gradient de permittivité diélectrique. 2. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle le substrat diélectrique de surface partiellement réfléchissante a un gradient de permittivité diélectrique dans le plan moyen de l'antenne. 3. Antenne selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle la surface partiellement réfléchissante comprend au moins un réseau inductif et un réseau capacitif. 4. Antenne selon la revendication 3, dans laquelle ladite source rayonnante génère une onde à polarisation rectiligne dont la composante de champ électrique est sensiblement parallèle à une direction dudit réseau inductif et la composante de champ magnétique est sensiblement parallèle à une autre direction dudit réseau capacitif orthogonale à ladite première direction dudit réseau inductif. 5. Antenne selon l'une des revendications 3 ou 4, dans laquelle le réseau capacitif est configuré de sorte à avoir un gradient capacitif. 6. Antenne selon la revendication 5, dans laquelle le réseau capacitif comprend une grille capacitive dont les pistes ou patchs métalliques ont une largeur variable selon 3058002 leur position sur la surface partiellement réfléchissante et/ou comprendre des capacités électroniques variables entre les pistes ou patchs métalliques. 7. Antenne selon l'une des revendications 3 à 6, dans laquelle le réseau inductif est 5 configuré de sorte à avoir un gradient d'inductance. 8. Antenne selon la revendication 7, dans laquelle le réseau inductif comprend une grille inductive dont les pistes métalliques ont une largeur variable selon leur position sur la surface partiellement réfléchissante. 10 9. Antenne selon l'une des revendications précédentes dans laquelle, pour une distance donnée séparant ladite surface totalement réfléchissante et la face interne de ladite surface partiellement réfléchissante, ladite distance de séparation formant ainsi une dimension de référence de ladite cavité de résonance vérifiant la relation : 15 h=À/4-rr (4)_PRS-F4Lr ) ± N À/2 avec h: désigne ladite dimension de référence; À: désigne la longueur d'onde de ladite onde dans le milieu diélectrique de la cavité; N: désigne le numéro du mode de résonance de ladite cavité résonante; 20 (P PRS: désigne le déphasage introduit à ladite onde générée par réflexion sur ladite surface partiellement réfléchissante; (1)_r: désigne le déphasage introduit à ladite onde générée par réflexion sur ladite surface totalement réfléchissante. 25 10. Antenne selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ladite source rayonnante est commandée en fréquence, la fréquence de rayonnement étant ajustée dans une plage de fréquence comprise entre plus et moins 15% d'une fréquence centrale correspondant à la longueur d'onde de ladite onde dans le milieu diélectrique de la cavité. 30 11. Antenne selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ladite source rayonnante appartient au groupe d'éléments rayonnants consistant en les antennes planaires, les dipôles et les réseaux d'antennes élémentaires.