Brevet FR3135170A1 — publié le 20231103

Antenne cornet améliorée Cette antenne cornet (11) comporte : un plan de masse (12), délimitant un demi-espace supérieur ; un cornet (13), constituant une extrémité d’un guide d’onde, le cornet traversant le plan de masse de sorte qu’une embouchure (31) du cornet soit disposée à une hauteur prédéfinie au-dessus du plan de masse dans le demi-espace supérieur. Elle se caractérise en ce qu’elle comporte au moins un film résistif (15) disposé autour du cornet (13), parallèlement à une face supérieure du plan de masse (12), le film résistif présentant une résistance électrique permettant de limiter des ondes rampantes. Figure pour l'abrégé : Figure 2 Antenne cornet améliorée L'invention a pour domaine celui des antennes cornets à large bande de fréquence. Lorsque la fréquence de travail est au-delà des 18GHz (soit au-delà de la bande Ku), les dimensions du cornet sont réduites, rendant une telle solution compatible des contraintes d'intégration sur des structures porteuses. En conséquence, les antennes cornets sont maintenant utilisées dans les applications de renseignement d'origine électromagnétique ou de contre-mesure électronique. Une antenne cornet peut ainsi être utilisée seule en tant qu'antenne à grand gain ou en tant qu’antenne élémentaire d’une antenne réseau à grand gain et à faisceau directif pour des systèmes d'émission ou de réception. Une antenne cornet peut également être utilisée en tant qu’antenne élémentaire d’une antenne réseau planaire pour une application en goniométrie d'amplitude. Une antenne cornet peut enfin être utilisée en tant qu’antenne élémentaire d’une antenne réseau multi-plan pour une application en goniométrie de phase/interférométrie. Comme représenté sur la , une antenne cornet comporte un guide d'ondes dont l'extrémité évasée, constituant le cornet de l'antenne, traverse un plan de masse de manière à déboucher au-dessus de ce dernier afin d'émettre et/ou recevoir un rayonnement principal A dans le demi-espace supérieur situé au-dessus du plan de masse. Cependant, lorsqu'un cornet est positionné à proximité d'un plan de masse (plus généralement d'un plan métallique), des ondes rampantes B sont générées au niveau de la face supérieure du plan de masse et se propagent radialement à l'écart du cornet à la surface du plan de masse. Ces ondes rampantes peuvent être amplifiées C par des discontinuités physiques et/ou électromagnétiques, notamment au bord du plan de masse. Les ondes rampantes peuvent alors venir se combiner au rayonnement principal A avec pour conséquence une altération du diagramme de rayonnement de l'antenne cornet évolué en champ lointain. En particulier, le diagramme de rayonnement présente des oscillations prononcées de son lobe principal (comme représenté sur les courbes CE1 et CH1 des graphes de la ). Il s’agit là d’une altération grave du diagramme de rayonnement, pouvant conduire à des erreurs de détection. Il est à souligner que la détérioration du diagramme de rayonnement est d'autant plus prononcée que la fréquence de travail est élevée. Les ondes rampantes sont également amplifiées par la présence d'un radome dont la présence est rendue nécessaire pour couvrir le cornet de l'antenne et éviter les agressions de l'environnement extérieur. Plus précisément, suivant son épaisseur et la partie réelle de la permittivité relative du matériau qui le compose, le radôme accentue les ondes rampantes. Il peut également modifier la période de ces ondes, pour une fréquence donnée et/ou un domaine angulaire donné. Pour atténuer ces ondes rampantes et leurs effets négatifs, il est connu de déplacer l'embouchure du cornet à l'écart du plan de masse. Cependant, cette solution est insuffisante d'autant que l'on cherche à réaliser des antennes cornets de faible épaisseur. On ne peut donc pas augmenter énormément la hauteur dont le cornet fait saillie au-dessus du plan de masse. De plus, en écartant le plan de masse de l'embouchure du cornet, l'antenne perd en efficacité puisque l'énergie rayonnée par le cornet n'est plus contrainte dans le demi-espace en avant du cornet. Une autre solution consiste à réaliser des corrugations sur la face supérieure du plan de masse afin de piéger les ondes rampantes. Ces corrugations présentent une profondeur de λ/4 et un pas entre deux corrugations successives inférieur ou égal à λ/2 (λ étant la longueur d’onde associée à la fréquence centrale de la gamme de la fréquence de travail de l’antenne cornet considérée). Ces corrugations se comportent comme des résonateurs propres à absorber des ondes de surface. Si cette solution présente l'avantage de permettre un piégeage efficace des ondes rampantes à la fréquence centrale, elle présente de nombreux inconvénients : la gamme de fréquence de travail est réduite, puisque l’effet d’absorption est optimisé pour la fréquence centrale et que l'efficacité de ces résonateurs est réduite dès que l'on s'écarte trop de cette fréquence centrale (bande passante relative entre 15% et 20%) ; des contraintes de réalisation fortes, puisque l’épaisseur du plan de masse doit être supérieure à la profondeur des corrugations, que le nombre de corrugations doit être suffisant pour absorber efficacement les ondes de surface, que la précision d’usinage des corrugations doit être élevée pour éviter d'affecter la réponse de l'antenne aux fréquences de travail élevées, que l’amincissement du plan de masse soulève des problèmes de résistance mécanique. Une autre solution de l'état de la technique consiste à intégrer, dans le radome de l'antenne cornet, une surface sélective en fréquence – FSS (« Frequency Selective Surface » en anglais). Une surface FSS est une couche réalisée par la disposition d'éléments métalliques selon un motif périodique. Par exemple, le radome est composé d'un matériau diélectrique. Il porte sur une face inférieure (tournée vers le cornet et le plan de masse) une première surface FSS et une seconde surface FSS sur sa face supérieure. Cependant, une telle solution n'a pas pour objectif premier de piéger les ondes rampantes, mais plutôt de minimiser la surface équivalente radar - SER. De plus, cette solution présente les inconvénients suivants : une perte d'efficacité de rayonnement, puisque les surfaces FSS au droit de l'antenne cornet absorbent une partie de l'énergie rayonnée ; une bande passante limitée, puisque les éléments métalliques constitutifs des surfaces FSS sont dimensionnées pour être efficaces à la fréquence centrale et que l'effet résonnant sur lequel est fondé le fonctionnement d'une surface FSS diminue fortement lorsque l’on s’écarte de la fréquence centrale (bande passante relative autour de 10%) ; une complexité de réalisation d'un tel radome ; la nécessité de protéger ce radome composite par un radome supplémentaire recouvrant la seconde surface FSS exposée aux agressions ; la nécessité d'une distance minimum entre le radome et l'embouchure du cornet pour que les surfaces FSS soient efficaces, ce qui augmente d’autant l'épaisseur de l'antenne cornet réalisée. Enfin, une autre solution de l'art antérieur consiste à réaliser une surface de haute impédance – HIS (« High Impedance Surface ») autour de l'embouchure du cornet de l'antenne sur la face supérieure du plan de masse. Une surface HIS est composée d’éléments métalliques disposés périodiquement et reliés au plan de masse par un via métallisé. Une telle solution présente l'avantage d'être compatible des technologies de réalisation classiques des circuits imprimés. Cependant, elle présente l'inconvénient de conduire une fois encore à une bande de fréquences de travail limitée à cause du dimensionnement des éléments métalliques qui contraint le domaine dans lequel cette surface permet effectivement d'absorber les ondes rampantes (bande interdite électromagnétique inférieure à 20%). Ainsi aucune des solutions connues ne permet de réaliser une antenne cornet compacte (c'est à dire présentant une épaisseur réduite), présentant une gamme de fréquence de travail étendue, tout en limitant les effets des ondes rampantes sur les performances de rayonnement. La présente invention a donc pour but de proposer une solution à tout ou partie de ces problèmes. Pour cela l'invention a pour objet une antenne cornet comportant : un plan de masse, délimitant un demi-espace supérieur ; un cornet, constituant une extrémité d’un guide d’onde, le cornet traversant le plan de masse de sorte qu’une embouchure du cornet soit disposée à une hauteur prédéfinie au-dessus du plan de masse dans le demi-espace supérieur, caractérisée en ce que l’antenne cornet comporte au moins un film résistif disposé autour du corne, parallèlement à une face supérieure du plan de masse, le film résistif présentant une résistance électrique permettant de limiter des ondes rampantes. Suivant des modes particuliers de réalisation, l’antenne cornet comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles: - le film résistif est porté par le plan de masse. - l’antenne comporte en outre au moins une couche de support propre à porter le film résistif, la couche de support étant disposée autour du cornet, parallèlement à la face supérieure du plan de masse. - la couche de support est réalisée dans un matériau capable d’atténuer les ondes rampantes. - la couche de support résulte de l’assemblage d’une pluralité de couches élémentaires. - l’antenne comporte un premier film résistif porté par une surface supérieure de la couche de support et un second film résistif porté par une surface inférieure de la couche de support. - l’antenne cornet comporte un radôme couvrant l’embouchure du cornet. - le film résistif est porté par une face inférieure du radôme, orientée vers le plan de masse. - le radôme présente un contour extérieur et dans laquelle le film résistif s’étend jusqu’au voisinage du contour extérieur du radome. - le plan de masse présente un bord périphérique relevé pour recevoir le radôme, le bord périphérique du plan de masse coïncidant avec le contour extérieur du radôme. - le film résistif comporte un ou plusieurs secteurs angulaires pleins. - le film résistif comporte un ou plusieurs arcs d’anneau concentriques. - le film résistif comporte au moins deux anneaux concentriques présentant des résistances électriques différentes. - le film résistif est réalisé en un matériau compatible d’une fabrication par sérigraphie. - l’antenne est propre à fonctionner sur une gamme étendue de fréquences de travail au-dessus de la bande X. L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui va suivre de différents modes de réalisation de l'invention, donnés uniquement à titre d'exemples illustratifs et non limitatifs, la description étant faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels: - La est une représentation schématique en coupe axiale d'une antenne cornet selon l’état de la technique ; - La est une représentation en perspective éclatée d'un mode de réalisation préféré d’une antenne cornet selon l’invention ; - La est une représentation schématique en coupe longitudinale selon un plan axial de l'antenne cornet de la ; - La représente différentes variantes de réalisation du film résistif de l’antenne de la ; et, - La représente les gains d’une antenne cornet de l'état de la technique et d’une antenne cornet selon l'invention dans le plan E et dans le plan H. Mode de réalisation préféré En se référant aux figures 2 et 3, un mode de réalisation préféré de l’antenne cornet selon l’invention va être présenté. L’antenne cornet 11 comporte, selon un axe Z, dit vertical, un plan de masse 12 et un cornet 13. Le plan de masse 12 présente par exemple une forme extérieure parallélépipédique rectangle, de base carrée et d’épaisseur e réduite. En variante, le plan de masse est de forme cylindrique. Il comporte un évidement central 21 de forme cylindrique, de rayon R0 et de profondeur p. Cet évidement présente un fond 22 et un bord périphérique 23. Le fond 22 est la face supérieure du plan de masse où se développent les ondes rampantes. Le plan de masse 12 est muni d’une ouverture centrale 24 par laquelle passe le cornet 13. Le cornet 13 présente par exemple une section transversale (c’est-à-dire selon un plan orthogonal à l’axe Z) constante, par exemple de forme rectangulaire. En variante, la section du cornet peut avoir d’autres formes, par exemple être évasée et/ou circulaire. Le cornet 13 est disposé de manière à ce que son embouchure 31 soit placée au-dessus du fond 22 de l’évidement 21 du plan de masse 12, à une hauteur h au-dessus de ce dernier. L’antenne cornet 11 comporte un radome 14 venant fermer l’évidement 21 du plan de masse 12 et recouvrir l’embouchure 31 du cornet 13. Le radome 14 a essentiellement la forme d’un disque de rayon R1, inférieur à R0. Sa face inférieure 41, orientée vers le fond 22 du plan de masse 12, est avantageusement munie d’un logement central 42, conformé de manière à recevoir l’embouchure 31 du cornet 13. Selon l’invention, l’antenne cornet 11 intègre au moins un film résistif 15. Il est disposé de manière à entourer le cornet 13 et être reçu dans l’évidement 21 du plan de masse 12. Dans le présent mode de réalisation, le film résistif est disposé dans un plan transversal. Il est inscrit dans un disque de rayon R1. Le film résistif 15 est fin. Il présente une d’épaisseur k, typiquement entre 10 µm et 20 µm. Une telle épaisseur permet une intégration sans augmenter l’épaisseur totale e de l’antenne cornet 11. Le film résistif 15 présente une ouverture centrale 54, dont la section transversale correspond de préférence à celle du cornet 13, de sorte que le film résistif 15 soit positionné au plus près du cornet (suivant un plan transversal), pour maximiser son efficacité quant à une réduction des ondes rampantes. Différentes variantes de réalisation du film résistif seront présentées ci-après en relation avec les figures 4. Dans le mode de réalisation des figures 2 et 3, l’antenne cornet 11 comporte avantageusement une couche de support 16 propre à supporter film résistif 15. Dans le présent mode de réalisation, la couche 16 est disposée dans un plan transversal. Elle est inscrite dans un disque de rayon R1. La couche 16 présente une épaisseur permettant de positionner le film résistif 15 légèrement en retrait de l’embouchure 31 du cornet 13 selon la direction verticale. Elle permet également de combler l’évidement 21 du plan de masse 12. Le matériau de la couche 16 est de préférence un matériau diélectrique ou (magnéto)diélectrique. Il présente une constante diélectrique faible, typiquement inférieure ou égale à 2. C’est un matériau à faibles pertes. Le choix d’un tel matériau participe à l’atténuation des ondes rampantes, notamment en n’accentuant pas la propagation des ondes rampantes au niveau de la face inférieure du radôme. Dans le présent mode de réalisation, le film résistif 15 est collé sur la couche 16. La pellicule de colle est référencée par le chiffre 17 sur la . Elle présente préférentiellement une épaisseur comprise entre 50 µm et 250 µm. La pellicule de colle est en fait plus épaisse que le film résistif. Elle n’a pas été représentée sur la . Le radome 14 et l’ensemble constitué du film résistif 15 et de la couche 16 sont maintenus en position sur le plan de masse 12 par une série de vis, dont l’une d’entre elles, est représentée sur la et porte la référence 18. Des trous éventuellement taraudés sont prévus dans les composants de l’antenne corner 11 pour recevoir ces vis. Autres modes de réalisation D’autres modes de réalisation sont envisageables. Notamment, le radôme, l’évidement central, le film résistif, et la couche de support pourraient avoir une forme de parallélépipède rectangle. Le film résistif peut par exemple être porté directement sur la face supérieure du plan de masse 12. Par exemple, le film est collé sur cette face supérieure. Le film résistif peut par exemple être porté directement sur la face inférieure 41 du radome 14. Par exemple, le film est collé sur cette face inférieure. D’autres manière de fixer le film résistif sur une couche de support, le plan de masse ou le radome sont connus de l’homme du métier et la fixation par collage n’est qu’un exemple particulièrement simple à mettre en œuvre. Plusieurs films résistifs peuvent par exemple être prévus, disposés verticalement les uns au-dessus des autres. Deux films résistifs successifs sont avantageusement séparés par une couche intermédiaire similaire à la couche de support 16, mais dont l’épaisseur est réduite pour que le stratifié ainsi réalisé n’impacte pas négativement l’épaisseur totale de l’antenne cornet. Une couche, telle que la couche de support 16, peut être réalisée par la superposition de plusieurs couches élémentaires. L’antenne cornet peut éventuellement être non plane. Dans ce cas, le ou chaque film résistif (et le cas échéant chaque couche de support) sont conformés pour suivre la courbure du plan de masse. Au lieu d’un collage, d’autres manières de fixer le film résistif (sur le plan de masse, la couche de support et/ou le radome) sont envisageables. Variantes de réalisation du film résistif La illustre différentes variantes de réalisation du film résistif. Dans une première variante de réalisation (a), le film résistif 115 est plein. Il forme une surface continue circulaire de rayon R1 avec une ouverture centrale 154 adaptée au contour extérieur du cornet. Un film résistif est constitué d’un unique matériau présentant une seule valeur résistive, par exemple entre 100 et 10000 Ω/sq. Afin de disposer de degrés de liberté supplémentaires pour adapter les performances radiofréquences de l’antenne cornet, le film résistif peut présenter d’autres configurations. Ainsi, dans une seconde variante (b), le film résistif 215 résulte de l’association de deux matériaux ayant des valeurs résistives différentes. Le premier matériau forme un disque 221 avec un ouverture centrale 254 et plusieurs rainures annulaires concentriques, 222 et 223. Le second matériau vient remplir lesdites rainures. On peut faire varier le rayon d’une rainure, sa profondeur et/ou son épaisseur pour adapter les propriétés de l’antenne. On peut opter pour plus de deux matériaux ayant des valeurs résistives différentes. Au lieu de rainures annulaires, on peut prévoir des rainures polygonales. Dans une troisième variante (c), le film résistif 315 est constitué de l’association de plusieurs anneaux concentriques, 321 à 329, le rayon externe d’un anneau correspondant au rayon interne de l’anneau suivant et le matériau de chaque anneau étant choisi pour créer un gradient résistif radial avec une valeur résistive minimale au centre, et une valeur résistive maximale en périphérie. De la sorte, on limite l’impact d’une forte valeur résistive à proximité de l’embouchure rayonnante du cornet, notamment sur les flancs du diagramme de rayonnement en plan E. De plus, cela permet de garantir une atténuation optimale des ondes rampantes au voisinage du bord de la structure et, ainsi, limiter les effets de bord associés. Dans une quatrième variante de réalisation (d), le film résistif 415 ne forme pas une surface continue, mais une surface partielle. Le film résistif ne recouvre pas totalement le plan transversal autour de l’embouchure du cornet. Sur la , le film résistif 415 est par exemple composé de plusieurs secteurs angulaires pleins, en l’occurrence deux secteurs angulaires pleins 431 et 432 suivant le plan E. Les deux secteurs angulaires pleins sont donc non jointifs. On peut ajuster l’évasement des secteurs angulaires pour régler les propriétés de l’antenne cornet. Plus précisément, une telle configuration a l’avantage de ne pas dégrader l’efficacité de rayonnement de l’antenne cornet (au niveau de l’embouchure rayonnante) tout en garantissant une efficacité de piégeage des ondes rampantes sur une large bande de fréquence. L’effet de ces dernières sur les ondulations de diagramme de rayonnement en plan E est alors minimisé. Dans une cinquième variante de réalisation (e), le film résistif 515 ne forme pas une surface continue, mais une surface partielle. Le film résistif ne recouvre pas totalement le plan transversal autour de l’embouchure du cornet. Sur la , le film résistif 515 est par exemple composé de plusieurs secteurs angulaires ajourés, en l’occurrence deux secteurs angulaires ajourés 531 et 532 suivant le plan E et deux secteurs angulaires ajourés 533 et 534 suivant le plan H, les secteurs angulaires ajourés étant non jointifs. Un secteur angulaire ajouré est par exemple constitué d’un ou plusieurs arc(s) d’anneau concentrique(s). On peut ajuster l’évasement des secteurs angulaires pour régler les propriétés de l’antenne cornet, mais également la géométrie des arcs d’anneau (espacement, épaisseur, matériau utilisé,…) Enfin, dans une sixième variante de réalisation (f), le film résistif 615 résulte de la combinaison des variantes (d) et (e) avec deux secteurs angulaires pleins 631 et 632 suivant le plan E et deux secteurs angulaires ajourés 633 et 634 suivant le plan H. Dans cette variante, l’ajout d’arcs d’anneau résistifs faisant la jonction entre les secteurs angulaires continus permet d’accentuer le piégeage des ondes rampantes et la réduction des effets de bord de la structure, en particulier suivant le plan H. La largeur de l’ajout résistif est préférentiellement choisie pour être inférieure ou égale à λ/4 (avec λ la longueur d’onde choisie, habituellement, à la fréquence centrale d’opération. Cette sixième variante est préférable car elle présente les avantages de la cinquième variante (e) tout en conservant les intérêts de la solution pleine en plan E (quatrième variante (d)). C’est cette variante qui a été choisie pour le mode de réalisation des figures 1 et 2. Il est à noter que les films résistifs peuvent être optimisés par simulation électromagnétique. Un film résistif peut avantageusement être réalisé par mise en œuvre d’un procédé sérigraphique classique. En variante, il peut être réalisé par un procédé équivalent : impression aérosol, impression 3D, … Le film résistif est par exemple réalisé avec une encre polymère enrichie carbone, matériau adapté à une réalisation sérigraphiée. Alternativement, le film résistif est un thermoplastique enrichi carbone, par exemple un thermoplastique ESD (pour « ElectroStatic Discharge » en anglais ou « décharge électrostatique » en français), matériau adapté à une réalisation par impression 3D. Résultats La met en évidence l’impact positif de l’inclusion d’un film résistif fin plein sur le gain d’une antenne cornet par comparaison avec une antenne cornet de l’état de la technique. Sur le graphe (a) sur la gauche de la le gain est évalué dans le plan E et sur le graphe (b) sur la droite de la le gain est évalué dans le plan H. Les gains sont ici donnés pour une fréquence de 25 GHz. De manière générale, avec l’invention, on constate notamment : - une stabilisation de la dépendance en fréquence du gain dans l’axe radioélectrique ; - à une fréquence donnée, une nette réduction des ondulations de gain dans le lobe principal du diagramme de rayonnement ; - une stabilisation de l’ouverture angulaire du lobe principal du diagramme de rayonnement ; et, - la maîtrise de la remontée des lobes secondaires du diagramme de rayonnement. Antenne cornet (11) comportant : - un plan de masse (12), délimitant un demi-espace supérieur ; et, - un cornet (13), constituant une extrémité d’un guide d’onde, le cornet traversant le plan de masse de sorte qu’une embouchure (31) du cornet soit disposée à une hauteur prédéfinie au-dessus du plan de masse dans le demi-espace supérieur, caractérisée en ce que l’antenne cornet comporte au moins un film résistif (15) disposé autour du cornet (13), parallèlement à une face supérieure du plan de masse (12), le film résistif présentant une résistance électrique permettant de limiter des ondes rampantes. Antenne cornet selon la revendication 1, dans laquelle le film résistif est porté par le plan de masse. Antenne cornet (11) selon la revendication 1, comportant en outre au moins une couche de support (16) propre à porter le film résistif (15), la couche de support étant disposée autour du cornet (13), parallèlement à la face supérieure du plan de masse (12). Antenne cornet (11) selon la revendication 3, dans laquelle la couche de support (16) est réalisée dans un matériau capable d’atténuer les ondes rampantes. Antenne cornet selon la revendication 3 ou la revendication 4, dans laquelle la couche de support (16) résulte de l’assemblage d’une pluralité de couches élémentaires. Antenne cornet selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, comportant un premier film résistif porté par une surface supérieure de la couche de support et un second film résistif porté par une surface inférieure de la couche de support. Antenne cornet selon l’une quelconque des revendications 3 à 6, comportant un radôme (14) couvrant l’embouchure du cornet (13). Antenne cornet selon la revendication 7, dans laquelle le film résistif est porté par une face inférieure du radôme, orientée vers le plan de masse. Antenne cornet (11) selon la revendication 7 ou la revendication 8, dans laquelle le radôme (14) présente un contour extérieur et dans laquelle le film résistif (15) s’étend jusqu’au voisinage du contour extérieur du radome. Antenne cornet (11) selon la revendication 9, dans laquelle le plan de masse (12) présente un bord périphérique relevé pour recevoir le radôme (14), le bord périphérique du plan de masse coïncidant avec le contour extérieur du radôme. Antenne cornet selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans laquelle le film résistif (15) comporte un ou plusieurs secteurs angulaires pleins (631, 632). Antenne cornet selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, dans laquelle le film résistif comporte un ou plusieurs arcs d’anneau concentriques (633, 634). Antenne cornet selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, dans laquelle le film résistif (315) comporte au moins deux anneaux concentriques présentant des résistances électriques différentes (321, 322). Antenne cornet (11) selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, dans laquelle le film résistif (15) est réalisé en un matériau compatible d’une fabrication par sérigraphie. Antenne cornet selon l’une quelconque des revendications 1 à 14, propre à fonctionner sur une gamme étendue de fréquences de travail au-dessus de la bande X.