Brevet FR3087302A1 — publié le 20200417

ANTENNE À DIAGRAMME DE RAYONNEMENT DIRECTIF EN CHAMP PROCHE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne de manière générale domaine des antennes à diagramme de rayonnement directif en champ proche. Elle trouve notamment application dans la caractérisation électromagnétique de la surface d'un objet. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les antennes utilisées en télécommunication sont généralement conçues pour posséder des diagrammes de rayonnement en champ lointain présentant des caractéristiques prédéterminées, par exemple un diagramme omnidirectionnel ou bien au contraire un diagramme directif pour réduire les interférences. Dans le domaine de la caractérisation électromagnétique de la surface d'un objet, on recherche au contraire à focaliser un faisceau hyperfréquence dans une zone de champ proche de manière à pouvoir balayer cette surface avec une bonne résolution spatiale. Il a été ainsi proposé dans l'article de M. Bogosanovié et al., intitulé « Microstrip antenna array with a beam focused in the near-field zone for application in noncontact microwave industrial inspection » publié dans IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, vol. 56, n°6, décembre 2007, pp. 2186-2195, d'utiliser une antenne-réseau composée d'antennes patch élémentaires en forme de U pour focaliser un faisceau à des distances focales comprises entre 22 et 202, où est la longueur d'onde du faisceau et D est la taille du réseau. Toutefois, cette antenne présente un certain nombre d'inconvénients. Tout d'abord, elle ne fonctionne pas à des distances focales inférieures à la longueur d'onde et donc ne permet pas d'obtenir une résolution spatiale élevée dans la caractérisation de la surface de l'objet. D'autre part, pour une distance focale donnée, elle n'opère que dans une gamme très étroite de longueur d'onde. Enfin, elle est relativement complexe à 2 fabriquer et à utiliser, dans la mesure où il faut prévoir que chaque antenne élémentaire soit alimentée avec un signal présentant la phase souhaitée. Un objet général de la présente invention est par conséquent de proposer une 5 antenne présentant un diagramme de rayonnement directif en champ proche dans une large gamme de longueur d'onde tout en étant simple et robuste. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention est définie par une antenne pour illumination d'un objet en 10 champ proche au moyen d'une onde électromagnétique de fréquence donnée, comportant une antenne patch présentant une symétrie axiale autour d'un axe de symétrie ( A ) ainsi qu'un réflecteur métallique comprenant une cavité cylindrique fermée à une première extrémité par un fond métallique et ouvert à une seconde extrémité dans la direction d'émission de l'antenne, le réflecteur métallique présentant une symétrie axiale autour 15 dudit axe de symétrie, le diamètre ( Affi ) et la longueur (Li,) de la cavité cylindrique étant choisis de manière à confiner le lobe principal du faisceau émis par l'antenne patch. Avantageusement, l'antenne patch est formée sur un substrat orthogonal à l'axe de symétrie et situé à une distance d du fond de la cavité, et la longueur et le rayon de la cavité vérifient la relation (Ls,pp où L est l'extension géométrique de l'antenne 20 patch sur le substrat et 2 est la longueur d'onde du faisceau. De préférence la distance d est choisie sensiblement égale à . 4 Dans un exemple typique d'implémentation, l'antenne patch est une antenne demi-onde. Le diamètre pla de la cavité cylindrique est de préférence choisi tel que 25 0.752 ent 0.92 où 2 est la longueur d'onde du faisceau, et plus particulièrement chois tel que p,,,- 0.752 . Selon un mode de réalisation avantageux, la cavité cylindrique est surmontée à sa seconde extrémité par une lentille diélectrique hémisphérique, avantageusement réalisée 3 en TeflonTM . La lentille diélectrique présente un épaulement annulaire destiné à être fixé à la paroi du réflecteur métallique. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS 5 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, décrit en référence aux figures jointes parmi lesquelles : Les Fig. 1A et 1B représentent de manière schématique, respectivement une vue de face et une vue en coupe d'une antenne selon un premier mode de réalisation de 10 l'invention ; La Fig. 2 représente de manière schématique une vue extérieure d'une antenne selon un second mode de réalisation de l'invention ; Les Figs. 3A et 3B représentent respectivement les diagrammes de rayonnement d'une antenne patch et d'une antenne selon le premier mode de réalisation de l'invention. 15 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Nous considérerons dans la suite une antenne présentant un diagramme de rayonnement directif en champ proche. Le terme « champ proche » doit tout d'abord être défini précisément. 20 On sait qu'une onde électromagnétique émise par une antenne n'a pas les mêmes propriétés de propagation dans tout l'espace. On distingue généralement quatre zones de propagation autour d'une antenne émettrice en fonction de la distance à cette antenne. La zone située à distance inférieure à -À de l'antenne est dite zone de champ réactif. Dans cette première zone, les ondes sont évanescentes et les phénomènes de propagation sont 25 négligeables devant les phénomènes radiatifs. Une seconde zone, dite zone de Rayleigh est D comprise entre une distance de 2/ et de de l'antenne, où D est la plus grande 1- dimension de l'antenne. Dans cette zone, l'énergie du faisceau est confinée dans un cylindre autour de l'ouverture rayonnante. Une troisième zone, dite de Fresnel s'étend de 4 D' 2D` 22 à . Dans cette troisième zone, l'onde diverge naturellement. A la limite supérieure de la zone de Fresnel, l'ouverture vue de l'antenne est égale à la largeur du lobe principal, soit -22. La quatrième zone, dite de Fraunhofer ou zone de champ lointain, se situe au-delà D 2 de la distance 2D. Dans cette quatrième zone, l'énergie rayonnée est confinée dans un 5 cône et les ondes sont localement quasiment planes. On appellera champ proche la région de l'espace constituée par la zone de Rayleigh et la zone de Fresnel, autrement dit la zone située à une distance entre ± et 2z 22 de l'antenne dans la direction d'émission. L'antenne selon l'invention peut fonctionner à n'importe quelle longueur d'onde. 10 Les Fig. 1A et 1B représentent, de manière schématique, respectivement une vue de face et une vue en coupe d'une antenne selon un premier mode de réalisation de l'invention. L'antenne 100 comprend une antenne patch 110, généralement mais non 15 nécessairement réalisée sur un substrat diélectrique 120. L'antenne patch peut être une antenne papillon (bowtie antenne) voire un couple d'antennes papillon orthogonales entre elles dans le plan du substrat. L'antenne patch présente avantageusement une symétrie axiale autour d'un axe de symétrie A, orthogonal au plan du substrat. L'antenne comprend en outre un réflecteur métallique, 130, comportant une 20 cavité cylindrique de même axe de symétrie A et dans laquelle est située l'antenne patch. Cette cavité est ouverte à l'une de ses extrémités, dans la direction d'émission de l'antenne, et fermée à l'extrémité opposée par une paroi métallique à travers laquelle est aménagé un orifice pour laisser passer un câble coaxial alimentant l'antenne patch. La cavité cylindrique est définie par une courbe génératrice dans un plan perpendiculaire à l'axe de 25 symétrie A. Cette courbe génératrice est avantageusement un cercle (cavité cylindrique de section circulaire) ou bien une autre courbe présentant un centre de symétrie (cavité cylindrique de section carrée par exemple). 5 L'antenne patch est une antenne demi-onde autrement dit celle-ci présente une extension géométrique e de l'ordre de -2 dans le plan du substrat. 2 Le diamètre, Rn, , de la cavité cylindrique est choisi tel que 2 p 22 et an préférentiellement tel que 0.752 p', 0.92, par exemple p', 0.752. 5 La distance g entre l'antenne patch et la paroi métallique formant le fond de la cavité est préférentiellement choisie de l'ordre de -2. 4 La longueur de la cavité cylindrique, L, et son rayon, eut, sont choisis de manière à confiner le lobe principal de rayonnement de l'antenne patch. Ainsi, dans le cas présent, la longueur Ln de la cavité vérifie : 10 (Ln 7 (1) , Ainsi, lorsque b = , =L1, pnt , la contrainte précédente se réduit à : 2 i 32 (2) > 4 15 20 L'antenne composée de l'antenne patch au sein de la cavité cylindrique est destinée à opérer en champ proche autrement dit à une distance d de l'objet telle que : d 2,o;' 2 (3) De préférence, cette distance sera choisie de manière à ce que l'objet se situe dans la zone de Rayleigh de cette antenne, soit : 6 d REVENDICATIONS1. Antenne pour illumination d'un objet en champ proche au moyen d'une onde électromagnétique de fréquence donnée, caractérisée en qu'elle comprend une antenne patch (110) présentant une symétrie axiale autour d'un axe de symétrie ( à ) ainsi qu'un réflecteur métallique (120) comprenant une cavité cylindrique fermée à une première extrémité par un fond métallique et ouvert à une seconde extrémité dans la direction d'émission de l'antenne, le réflecteur métallique présentant une symétrie axiale autour dudit axe de symétrie, le diamètre ( ) et la longueur ( Lift) de la cavité cylindrique étant choisis de manière à confiner le lobe principal du faisceau émis par l'antenne patch. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'antenne patch est formée sur un substrat orthogonal à l'axe de symétrie et situé à une distance d du fond de la cavité, et que la longueur et le rayon de la cavité vérifient la relation (Ii,,, -(5)- p,', où P est l'extension géométrique de l'antenne patch sur le substrat et 7 est la longueur d'onde du faisceau. 3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que la distance d est 2 4 4. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'antenne patch est une antenne demi-onde. 5. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le diamètre A', de la cavité cylindrique est choisi tel que 0.752 pi', 0.92 où 2 est la longueur d'onde du faisceau. sensiblement égale à 9 6. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que le diamètre p', de la cavité cylindrique est choisi tel que p,,=0.752. 5 7. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la cavité cylindrique est surmontée à sa seconde extrémité par une lentille diélectrique hémisphérique. 10 8. Antenne selon la revendication 7, caractérisée en ce que la lentille diélectrique est réalisée en Teflon" . 9. Antenne selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que la lentille 15 diélectrique présente un épaulement annulaire destiné à être fixé à la paroi du réflecteur métallique.