Brevet FR3093240A1 — publié le 20200828

Description Titre de l'invention : Antenne Large Bande, notamment pour système d'imagerie à microondes. [0001] Domaine d'application [0002] Le domaine d'application de la présente invention est une structure radiante planaire à large bande, travaillant préférentiellement sur la plage de fréquence de 15 GHz à 50 GHz, qui peut être utilisée comme élément de base pour la conception de réseaux d'antennes de transmission/réception pour les systèmes d'imagerie à microondes. Etat de la technique [0003] Professeur à l'Université de l'état du Ohio (USA) aux premières années '50, et suc- cessivement à l'Université de l'Illinois de 1954 à 1957, Victor Rumsey développa un fort intérêt pour la famille des antennes complémentaires, à savoir à impédance constante et égale à la moitié de l'impédance de l'espace libre à toutes les fréquences. [0004] Une antenne auto complémentaire a la caractéristique que la partie métallique est congruente à celle non-métallique, c'est-à-dire que la deuxième peut être superposée à la première par un mouvement rigide dans un plan ou dans l'espace. [0005] De nombreuses géométries auto complémentaires peuvent être dessinées. Rumsey, après avoir étudié ces structures pendant de nombreuses années, établit que l'impédance et les propriétés de radiation sont indépendantes de la fréquence si la forme de Pantenne est spécifiée seulement en termes des angles. Cette loi est aujourd'hui connue comme principe de Ramsey. 100061 Le principe de Ramsey fut appliqué expérimentalement par John Dyson à l'Université de l'Illinois qui construisit, en 1958, la première antenne à spirale avec caractéristiques indépendantes avec la fréquence. 100071 Un type d'antenne complémentaire, connue comme double spirale d'Archimède, fut perfectionnée par Arthur Marston et Henri Coleman, de la US Navy, qui l'équipèrent avec des propriétés directionnelles et qui brevetèrent les solutions correspondantes en 1958 et 1959 respectivement. 100081 Plus récemment de nombreux méthodologies de réalisation des antennes à spirales ont été proposées et brevetées, par exemple les brevets U.S. Pat. Nos. 5,313,216 and 6,137,453. 100091 Le brevet US 8,390,529 montre en particulier une construction à circuit imprimé multicouche où l'antenne à spirale est positionnée sur la première surface de la première couche et un plan de masse est positionné sur la deuxième surface de la première couche (qui correspond aussi à la première surface de la deuxième couche). Ce plan de masse représente l'intégration dans le circuit imprimé d'une solution 2 classique pour rendre le rayonnement de l'antenne à spirale mono directionnel. Un plan de masse est aussi positionné sur la deuxième surface de la deuxième couche. Ce plan est utilisé comme plan de masse pour la connexion d'un système d'alimentation de l'antenne, par exemple une tresse conductrice de blindage d'un câble coaxial. [0010] Cette solution même si elle présente l'avantage de l'intégration dans un circuit imprimé, ne permet pas d'obtenir des caractéristiques de rayonnement à large bande optimisées, notamment en termes d'adaptation de l'impédance et de transmission entre une antenne d'émission et une antenne de réception. Cette limitation est causée par les résonances aux fréquences pour lesquelles l'épaisseur de la première couche correspond à un multiple d'un quatrième de la longueur d'onde dans le matériel qui constitue la couche même. [0011] Le graphique annexé en figure 1 montre la réponse en fréquence (paramètre 521) d'une antenne conforme au brevet US 8,390,529. On peut observer les problèmes causés par les résonances et le défaut d'uniformité de la réponse. [0012] Un deuxième problème de la construction montrée dans le brevet US 8,390,529 est l'impossibilité d'utiliser la deuxième surface de la deuxième couche pour la réalisation des lignes de transmission et pour le montage des circuits à hyperfréquence car il s'agit d'un plan de masse pour permettre la connexion de l'alimentation de l'antenne.Un troisième problème de la construction montrée dans le brevet US 8,390,529 est le couplage entre les antennes adjacentes, comme montré dans la figure 2 du même brevet, causé par le possible passage d'une partie de l'énergie électromagnétique par le matériel diélectrique de la première couche. Par conséquent cette solution n'est pas adaptée pour la construction de réseaux d'antennes. [0013] Description de l'invention [0014] L'invention a pour objectif de perfectionner l'état de la technique en proposant une antenne qui présente des propriétés supérieures à celles des antennes connues. [0015] L'invention consiste dans une structure d'antenne intégrée dans un circuit imprimé comprenant deux couches de diélectrique, ayant la même constante diélectrique mais des épaisseurs différentes (ha pour la premier couche - au moins 1/8 de la longueur d'onde opérationnelle maximale - et hTL pour la deuxième couche), un élément rayonnant balancé à spirale sur la première surface de la première couche diélectrique et une alimentation de l'antenne équilibrée par une ligne bifilaire équilibrée ayant la même impédance que l'antenne équilibrée, caractérisée par le fait que la ligne bifilaire équilibrée interconnecte l'antenne à spirale équilibrée à un couple de lignes de transmission à rnicrobande, positionnées sur la deuxième surface de la deuxième couche, où chaque ligne à microbande est adaptée pour présenter une impédance égale à la moitié de l'impédance de la ligne de transmission bifilaire et par le fait que en correspondance de la ligne équilibrée à microbandes, sur la première surface de la 3 deuxième couche, correspondant à la deuxième surface de la première couche, est positionnée une zone de masse qui détermine, en fonction de l'épaisseur de la deuxième couche de diélectrique et de la distance entre le microbandes, l'impédance de transmission de la ligne équilibrée à microbandes. [0016] D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : [0017] [fig.1] [0018] La figure 1 représente la réponse en fréquence (paramètre 521) d'une antenne conforme au brevet US 8,390,529, [0019] [fig.2] [0020] La figure 2 représente la réponse en fréquence (paramètre S21) d'une antenne conforme à la présente invention, [0021] [fig.3] [0022] La figure 3 représente un exemple d'implantation d'une antenne conforme à la présente invention, associée à des composants hyperfréquence, implantés sur un circuit imprimé commun, [0023] [fig.4] [0024] La figure 4 représente une variante de la figure 3 et plus précisément un exemple d'implantation de deux antennes adjacentes conformes à la présente invention, associées à des composants hyperfréquence respectifs, implantés sur un circuit imprimé commun, [0025] [fig.5] [0026] La figure 5 représente une antenne à spirale équilibrée conforme à la présente invention, sur la première surface de la première couche, [0027] [fig.6] [0028] La figure 6 représente une vue de la masse sur la deuxième surface de la première couche (correspondant à la première surface de la deuxième couche) d'une antenne conforme à la présente invention, [0029] [fig.7] [0030] La figure 7 représente les lignes de transmission à microbande connectant les antennes à des puces à hyperfréquence et les puces entre elles, et [0031] [fig.8] [0032] [fig.9] [0033] [fig.10] [0034] [fig.11] [0035] [fig.12] [0036] [fig.13] [0037] [fig.14] [0038] [fig.15] [0039] [fig.16] [0040] [fig.17] [0041] Les figures 8 à 17 représentent différentes vues en perspective, en plan ou en coupe d'antennes conformes à la présente invention. [0042] On aperçoit sur les figures annexées une antenne 50 conforme à la présente invention, intégrée dans un circuit imprimé 10. [0043] L'antenne 50 comprend deux couches de diélectrique 52, 56. Les deux couches 52, 56, ont la même constante diélectrique mais des épaisseurs différentes. L'épaisseur de la premier couche 52 est référencée ha. Elle est égale au moins à 1/8 de la longueur d'onde opérationnelle maximale. [0044] L'épaisseur de la deuxième couche 56 est référencée hTL. [0045] L'antenne 50 comprend un élément rayonnant balancé à spirale 60 sur la première surface 51 de la première couche diélectrique 52 et une alimentation de l'antenne équilibrée par une ligne bifilaire équilibrée 70 ayant la même impédance que l'antenne équilibrée 50. [0046] L'élément rayonnant illustré sur les figures annexées comprend deux brins sy- métriques 61, 62 qui divergent progressivement du centre de l'antenne, où ils sont reliés à l'alimentation, vers sa périphérie. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation particulier illustré sur les figures annexées, que ce soit quant à la géométrie de chaque brin de l'antenne que quant au nombre de brins. [0047] La ligne bifilaire équilibrée 70 interconnecte l'antenne à spirale équilibrée 50 à un couple de lignes de transmission à microbande 80, positionnées sur la deuxième surface 57 de la deuxième couche 56. Chaque ligne à microbande 80 est adaptée pour présenter une impédance égale à la moitié de l'impédance de la ligne de transmission bifilaire 70. [0048] En correspondance de la ligne équilibrée à microbandes 80, sur la première surface 55 de la deuxième couche 56, correspondant à la deuxième surface 53 de la première couche 52, est positionnée une zone de masse 85 qui détermine, en fonction de l'épaisseur de la deuxième couche 56 de diélectrique hTL et de la distance entre les microbandes gTL, l'impédance de transmission de la ligne équilibrée à microbandes 80. [0049] L'élément rayonnant à spiral 50 est entouré par une paroi 90 composée par des connexions métalliques verticales 92, avec un pas sv entre les connexions 92 inférieur à '4 de la longueur d'onde minimale de travail. [0050] Toute la deuxième surface 57 de la deuxième couche de diélectrique 56 est couverte par une couche 59 de matériel absorbant de la radiofréquence pour rendre le diagramme de radiation de l'antenne mono directionnel sans encourir de phénomènes de résonance. [0051] Cette paroi 90 découple les antennes adjacentes, réduisant ainsi au minimum le transfert d'énergie entre les antennes mêmes. [0052] Les paramètres de conception de l'antenne sont les suivants : - 0,75 k','