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FR3151945A1 - Antenne à réseau transmetteur - Google Patents

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Publication number
FR3151945A1
FR3151945A1 FR2308301A FR2308301A FR3151945A1 FR 3151945 A1 FR3151945 A1 FR 3151945A1 FR 2308301 A FR2308301 A FR 2308301A FR 2308301 A FR2308301 A FR 2308301A FR 3151945 A1 FR3151945 A1 FR 3151945A1
Authority
FR
France
Prior art keywords
wall
cavity
wave
resonant cavity
electromagnetic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
FR2308301A
Other languages
English (en)
Inventor
Hamza KAOUACH
Nathalie Raveu
Olivier PIGAGLIO
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
Universite Toulouse III Paul Sabatier
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
Universite Toulouse III Paul Sabatier
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Institut National Polytechnique de Toulouse INPT, Universite Toulouse III Paul Sabatier filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority to FR2308301A priority Critical patent/FR3151945A1/fr
Publication of FR3151945A1 publication Critical patent/FR3151945A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/44—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the electric or magnetic characteristics of reflecting, refracting, or diffracting devices associated with the radiating element
    • H01Q3/46—Active lenses or reflecting arrays

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

L’invention concerne une antenne: une première paroi et une deuxième paroi en regard de la première paroi, les surface de la première et de la deuxième paroi en regard l’une de l’autre étant au moins partiellement réfléchissante et définissant entre elles une cavité, au moins une paroi latérale reliant les première et deuxième parois entre elles et présentant une surface interne à la cavité au moins partiellement réfléchissante, la cavité étant une cavité résonante, l’antenne comportant en outre au moins une source électromagnétique sur une des parois, au moins un réseau transmetteur porté par la deuxième paroi comportant au moins deux cellules élémentaires comportant chacune:un récepteur dans la cavité,un émetteur hors de la cavité,un interconnecteur transmettant l’onde du récepteur à l’émetteur, une des cellules élémentaires étant configurée pour que la phase de l’onde soit modifiée avant émission. Figure pour l’abrégé : Fig.1

Description

Antenne à réseau transmetteur
L'invention concerne une antenne à réseau transmetteur.
De nombreuses applications imposent l’utilisation d’antennes directives et/ou reconfigurables. Par «reconfigurable», on comprend qu'au moins une caractéristique de l'antenne peut être modifiée au cours de sa durée de vie, après sa fabrication. La ou les caractéristiques modifiables sont généralement la réponse fréquentielle (en amplitude et en phase), le diagramme de rayonnement, et la polarisation. La reconfiguration de la réponse fréquentielle couvre différentes fonctionnalités telles que la commutation de fréquences, l'accord en fréquence, la variation de bande passante, le déphasage, le filtrage fréquentiel. La reconfiguration du diagramme de rayonnement couvre notamment le dépointage, l'ouverture du faisceau typiquement défini à mi-puissance, le filtrage spatial, la formation d'un faisceau ou de multifaisceaux.
Concernant la directivité du diagramme de rayonnement, il existe différents types d'antenne directive, notamment :
  • les réflecteurs et lentilles,
  • les antennes à réseau réflecteur («Reflect-array» en langue anglaise) qui renvoient le faisceau vers la source,
  • les antennes à réseau transmetteur («Transmit-array» en langue anglaise) qui transmettent le faisceau.
Les antennes à réseau transmetteur ont notamment pour avantages d'avoir une bonne efficacité énergétique, et d'être relativement simples, peu onéreuses, et peu encombrantes, grâce notamment au fait que les réseaux transmetteurs sont réalisables en technologie planaire, généralement sur circuit imprimé.
Les antennes à réseau transmetteur sont particulièrement avantageuses pour les applications suivantes:
  • radars automobiles d’assistance et d’aide à la conduite en bande K (entre 18 à 27 GHz) et W (entre 75 et 110 GHz),
  • systèmes d’imagerie et de surveillance à très haute résolution dans les bandes millimétriques élevées ou sub-millimétriques,
  • systèmes de communication à courte portée et haut débit, fonctionnant notamment dans les bandes K (entre 18 à 27 GHz) et V (entre 40 à 75 GHz),
  • internet par satellite en bande Ka (entre 26,5 et 40 GHz),
  • radiodiffusion par satellite en bande Ku (entre 12 GHz à 18 GHz),
  • applications associées à la bande X (entre 8 à 12 GHz), notamment application spatiale ou météorologique.
Ces antennes comprennent généralement plusieurs cellules élémentaires, notamment planaires, comportant chacune un récepteur recevant un champ électromagnétique émis par une ou plusieurs sources, notamment source à cornet ou réseau d’antennes compacts, un émetteur transmettant un signal modifié vers l'extérieur de l'antenne et un interconnecteur entre le récepteur et l’émetteur. La modification du signal est notamment une modification de phase et/ou une pondération d’amplitude du signal.
De telles antennes à réseau transmetteur présentent un rendement réduit du fait de la perte de l’énergie non interceptée par le réseau transmetteur (perte par « spill-over »), notamment vers l’arrière de la source, par réflexion, et par les côtés. De plus, elles sont encombrantes du fait de la distance nécessaire importante entre la source et les cellules élémentaires.
Il existe donc un besoin pour améliorer les antennes à réseau transmetteur, notamment pour améliorer le rendement et avoir un encombrement réduit.
L’invention vise à répondre à ce besoin par une antenne comportant :
  • une première paroi et
  • une deuxième paroi s’étendant au moins partiellement en regard de la première paroi, les surfaces de la première et de la deuxième paroi en regard l’une de l’autre étant au moins partiellement réfléchissantes des ondes électromagnétiques et définissant entre elles une cavité,
  • au moins une paroi latérale de la cavité reliant les première et deuxième parois entre elles et présentant une surface interne à la cavité au moins partiellement réfléchissante des ondes électromagnétiques, la cavité étant une cavité résonante de l’onde électromagnétique,
l’antenne comportant en outre
  • au moins une source électromagnétique portée par une de la première paroi, de la deuxième paroi et de la paroi latérale et étant configurée pour émettre une onde électromagnétique dans la cavité résonante,
  • au moins un réseau transmetteur porté au moins par la deuxième paroi, le réseau transmetteur comportant au moins deux cellules élémentaires, chaque cellule élémentaire comportant :
    • un récepteur électromagnétique s’étendant dans la cavité résonante,
    • un émetteur électromagnétique s’étendant hors de la cavité,
    • un interconnecteur configuré pour transmettre une onde électromagnétique captée par le récepteur électromagnétique à l’émetteur,
au moins une des cellules élémentaires étant configurée pour que la phase de l’onde émise par l’émetteur soit modifiée par rapport à celle de l’onde reçue par le récepteur.
Par «cavité résonante», on comprend un espace entre les parois d’émission et de transmission dans lequel une onde électromagnétique ayant une fréquence égale ou proche d’une fréquence de résonance de la cavité résonante entre en résonance dans la cavité, c’est-à-dire qu’une onde électromagnétique stationnaire présentant des ventres, zones de pics d’amplitude de l’onde, et des nœuds, zones de puits d’amplitude de l’onde, se forme dans la cavité. Une cavité résonante présente plusieurs fréquences de résonance correspondant notamment à une fréquence de résonance de l’impédance, une fréquence de résonance de l’admittance, une fréquence de résonance correspondant à une adaptation de la cavité.
Par «au moins partiellement réfléchissante des ondes électromagnétiques», on comprend qu’une partie des ondes électromagnétiques est renvoyée par réflexion dans la cavité par ladite paroi. De préférence, les surfaces internes à la cavité résonante de la première paroi, de la deuxième paroi et/ou de la ou des parois latérales réfléchissent au moins 50%, mieux au moins 70%, encore mieux au moins 80%, encore mieux au moins 90% de l’onde électromagnétique. Les surfaces internes à la cavité résonante de la première paroi, de la deuxième paroi et/ou de la ou des parois latérales peuvent être métalliques, métallisées, ou comporter une couche de surface en un métamatériaux ou en un matériau mélange des métaux et métamatériaux.
Dans la suite, on utilisera le terme « onde » seul pour désigner une onde électromagnétique.
La présence de la cavité résonante permet de réduire l’encombrement de l’antenne en s’affranchissant de la distance focale nécessaire importante entre la source et le réseau transmetteur. Une telle réduction de la distance entre la source et le réseau transmetteur permet également de réduire les pertes latérales, ce qui permet d’augmenter la qualité de l’onde émise, notamment par les cellules élémentaires présentent en bordures du réseau transmetteur. L’utilisation des différentes parois pour former la cavité permet également de réduire les pertes par l’arrière et latéralement, ce qui améliore encore l’efficacité de transmission, notamment en réduisant le «spillover» (partie du rayonnement qui n’atteint pas les cellules élémentaires).
Une telle antenne, par la présence des différentes parois, permet également une meilleure protection de l’antenne à l’environnement en termes de rigidité et performance. Enfin, les différentes parois offrent de nombreuses possibilités de fixation de l’antenne ou d’éléments additionnels à l’antenne, notamment de capteurs ou dispositifs annexes.
L’antenne peut être reconfigurable ou non.
Cavité résonante
De préférence, la première paroi et la deuxième paroi sont sensiblement planes.
De préférence, la première paroi et la deuxième paroi sont parallèles entre elles.
De préférence, la première paroi et la deuxième paroi sont de contours identiques. Par «contours identiques», on comprend que les contours présentent un contour de même forme et de mêmes dimensions.
La première paroi et la deuxième paroi peuvent être circulaires, elliptiques ou polygonales, notamment rectangulaires, carrés ou en forme de polygone régulier.
La cavité peut être de forme cylindrique, la première paroi et la deuxième paroi formant les bases de la forme cylindrique et la paroi latérale formant au moins partiellement la surface latérale de la forme cylindrique.
L’antenne peut comporter au moins deux parois latérales de la cavité résonante opposées au moins partiellement réfléchissantes de l’onde.
La cavité peut être entièrement délimitée par une ou plusieurs parois latérales, l’antenne comportant autant de parois latérales que de bords latéraux de la cavité. En variante, au moins un bord, mieux deux bords, de la cavité résonante sont ouverts, c’est-à-dire dépourvues de parois.
Les surfaces internes à la cavité résonante de la première paroi, de la deuxième paroi et/ou de la ou des parois latérales peuvent comporter une ou plusieurs zones transparentes à l’onde ou de réflexion de l’onde réduite, notamment présentant une transmission de l’onde supérieure ou égale à 50%, mieux supérieure ou égale à 70%, encore mieux supérieure ou égale à 80%. La première paroi, la deuxième paroi et/ou la ou les parois latérales peuvent comporter des ouvertures traversantes, notamment la ou les parois latérales peuvent comporter des ouvertures, notamment des fentes, latérales. De préférence, les ouvertures latérales et/ou les zones transparentes ou de réflexion réduite s’étendent sur moins de 50%, notamment moins de 30%, mieux moins de 20%, de la surface de la paroi correspondante.
La cavité peut être entièrement délimitée par la première paroi, la deuxième paroi et une ou plusieurs parois latérales, l’ensemble de ces parois étant pleines sur toute leur surface, c’est-à-dire dépourvues d’ouverture.
De préférence, l’antenne est configurée de sorte que plus de 50%, mieux plus de 70%, de l’onde reste dans la cavité pour former l’onde stationnaire de résonance.
De préférence, la distance entre la première paroi et la deuxième paroi est comprise entre λ et 100λ, mieux entre λ et 10λ, λ étant la longueur d’onde des ondes émises par la source.
De préférence, la cavité résonante est remplie d’un milieu électromagnétiquement conducteur, notamment diélectrique. Le milieu diélectrique peut être de l’air ou un substrat diélectrique. Par « substrat diélectrique », on entend un substrat réalisé dans un matériau présentant une conductivité électrique à 300 K inférieure à 108 S/cm.
Source
L’antenne peut comporter une pluralité de sources électromagnétiques.
De préférence, l’antenne comporte une pluralité de sources électromagnétiques portées par une même paroi, notamment la première paroi, les sources électromagnétiques étant espacées entre elles pour former un réseau spatial de sources électromagnétiques. Les sources électromagnétiques peuvent être agencées sur la paroi selon une matrice, notamment carrée. Les sources électromagnétiques peuvent être équiréparties sur la paroi selon la matrice.
L’antenne peut comporter au moins deux sources électromagnétiques portées par des parois différentes.
De préférence, la, une partie ou toutes les sources électromagnétiques sont portées par la première paroi.
La source électromagnétique ou la matrice de sources électromagnétiques peut être centrée ou non sur la paroi qui la porte.
Dans le cas d’une pluralité de sources électromagnétiques, les sources peuvent être couplées entre elles.
La ou les sources électromagnétiques peuvent être configurées pour émettre une onde à une fréquence comprise entre 1GHz et 1THz, de préférence comprise entre 5 GHz et 100GHz.
La ou les sources peuvent émettre une onde dans la cavité à une distance de la paroi les portant non nulle. Dans le cas d’une pluralité de sources, deux des sources peuvent émettre une onde dans la cavité à des distances de la paroi les portant différentes.
De préférence, la ou les sources électromagnétiques comportent une antenne de type patch. Additionnellement ou en variante, elles peuvent comporter chacune un plongeur s’étendant dans la cavité résonante transversalement au plan moyen de la paroi le portant et un disque formant une surépaisseur à l’extrémité du plongeur s’étendant dans la cavité résonante. Le plongeur peut s’étendre dans la cavité sur une longueur supérieure ou égale à 5 mm, mieux supérieure ou égale à 10 mm, encore mieux supérieure ou égale à 15 mm.
La ou les sources électromagnétiques peuvent présenter un axe central sensiblement orthogonal au plan moyen de la paroi le portant, notamment de la première paroi et en particulier du réseau transmetteur. Dans le cas de sources portées par la première paroi, la ou une des sources peut être alignée avec le centre du réseau transmetteur. La matrice de sources peut être centrée sur la première paroi.
Réseau transmetteur
Le réseau transmetteur peut comporter plus de deux cellules élémentaires agencées sur la deuxième paroi en matrice selon des rangées et/ou colonnes. De préférence, les rangées et/ou colonnes comportent au moins quatre cellules élémentaires.
De préférence, la matrice des cellules élémentaires est une matrice carrée. Les cellules élémentaires peuvent être équiréparties dans la matrice. En variante, les cellules élémentaires sont non équiréparties et peuvent former un motif sur le réseau transmetteur.
De préférence, le réseau transmetteur présente un nombre pair de lignes et de colonnes, le centre de la deuxième paroi étant dépourvu de cellules élémentaires.
De préférence, le réseau transmetteur est réalisé en technologie planaire, par exemple sur une carte de circuit imprimé. Dans un mode de réalisation préféré, le réseau peut être réalisé en technologie PCB (de l'anglais "Printed Circuit Board").
De préférence, les cellules élémentaires sont des antennes de type patch. Le réseau transmetteur peut comporter au moins une couche conductrice formant une matrice de zones conductrices s’étendant sur la deuxième paroi, du côté extérieur de cette dernière, et un plan de masse espacé de la couche conductrice par une couche diélectrique, les zones conductrices formant les émetteurs des cellules élémentaires. Les zones conductrices peuvent être discontinues de sorte que les émetteurs des différentes cellules élémentaires soient isolés les uns des autres. Les cellules élémentaires peuvent chacune comporter un plongeur s’étendant à partir de la zone conductrice correspondante au travers de la couche diélectrique et dans des ouvertures du plan de masse, les plongeurs s’étendant dans la cavité résonante transversalement à la deuxième paroi. Les plongeurs peuvent comporter un disque formant une surépaisseur à leurs extrémités s’étendant dans la cavité résonante. De tels plongeurs sont configurés pour recevoir l’onde et la transmettre à l’émetteur. Les disques d’extrémité forment les récepteurs et les plongeurs forment les interconnecteurs. Les plongeurs peuvent s’étendre dans la cavité sur une longueur supérieure ou égale à 5 mm, mieux supérieure ou égale à 10 mm, encore mieux supérieure ou égale à 15 mm.
Les zones conductrices peuvent chacune comporter une fente, notamment en U.
En variante ou additionnellement, le réseau transmetteur comporte au moins une couche conductrice additionnelle du côté interne de la deuxième paroi, le plan de masse étant espacé de la couche conductrice additionnelle par une couche diélectrique additionnelle, les récepteurs des cellules élémentaires étant formés dans la couche conductrice additionnelle, le plan de masse comportant des ouvertures de passage de l’interconnecteur s’étendant entre le récepteur et l’émetteur. La couche conductrice additionnelle peut être discontinue de sorte que les récepteurs des différentes cellules élémentaires soient isolés les uns des autres.
Les interconnecteurs peuvent être passifs ou actifs.
La deuxième paroi s’étendant entre le récepteur et l’émetteur peut être simple ou multicouche.
De préférence, le réseau transmetteur comporte N configurations de cellules élémentaires distinctes, N étant supérieur ou égale à 2. De préférence, les N configurations présentent des couples de déphasages et de pondérations d’amplitude différents. Par «couples de déphasages et de pondérations d’amplitude différents», on comprend que à chacune des N configurations est associée un déphasage et une pondération d’amplitude de l’onde reçue par le récepteur et que les N configurations sont différentes entre elles soit par le déphasage, soit par la pondération d’amplitude, soit par les deux, les cellules élémentaires d’une même configuration présentant toutes le même déphasage et la même pondération d’amplitude. Cela permet notamment d’avoir un diagramme de rayonnement transmis prédéterminé selon la source en jouant sur les N configuration et le positionnement des cellules élémentaires des différentes configurations sur la deuxième paroi.
Au moins deux des N configurations peuvent présenter des pondérations d’amplitude différentes. Les plongeurs des cellules élémentaires desdites deux configurations peuvent s’étendre dans la cavité sur des longueurs différentes.
Au moins deux des N configurations peuvent présenter des déphasages différents. Les fentes des cellules élémentaires des deux configurations peuvent être orientées différemment. Au moins deux cellules élémentaires peuvent avoir des fentes formant un angle de 180° entre elles.
Le réseau transmetteur peut comporter plusieurs cellules de chaque configuration.
Le déphasage et/ou la pondération d’amplitude de chaque cellule élémentaire peuvent être contrôlables et l’antenne peut comporter un organe de contrôle du déphasage et/ou de la pondération d’amplitude des cellules élémentaires en groupe et/ou individuellement. Cela permet d’avoir une antenne reconfigurable dans laquelle le diagramme de rayonnement peut être modifié.
De préférence, le réseau transmetteur est symétrique par rapport à au moins un plan transversal, mieux au moins deux plans transversaux.
De préférence, pour chacune des N configurations, les cellules sont symétriques par rapport à au moins un plan transversal, mieux au moins deux plans transversaux.
De préférence, les cellules élémentaires du réseau transmetteur sont positionnées à une distance non nulle de la ou de toutes les sources électromagnétiques, notamment les disques des cellules élémentaires dans la cavité sont espacés de la ou de toutes les sources électromagnétiques. De préférence, la distance entre les cellules élémentaires, notamment les disques des cellules élémentaires dans la cavité, et toutes les sources électromagnétiques est supérieure ou égale à λ/2, mieux supérieure ou égale à λ, λ étant la longueur d’onde des ondes émises par la source. De préférence, aucune cellule élémentaire n’est disposée en regard de la ou d’une des sources électromagnétiques sur la deuxième paroi.
De préférence, les récepteurs du réseau transmetteur sont chacun configurés pour capter l’onde électromagnétique en résonance dans la cavité dans une zone ne correspondant pas à un puits de l’onde stationnaire en résonance dans la cavité. Les récepteurs du réseau transmetteur peuvent être chacun configurés pour capter l’onde électromagnétique en résonance dans la cavité dans une zone correspondant sensiblement à un ventre de l’onde stationnaire en résonance dans la cavité.
Le ou les plongeurs de la ou des sources et de la ou des cellules élémentaires peuvent s’étendre dans la cavité selon des axes longitudinaux distincts et parallèles entre eux.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
est une représentation schématique en coupe d’un exemple d’antenne selon l’invention,
est une représentation schématique en coupe d’une variante d’antenne selon l’invention,
est une représentation schématique en coupe d’une variante d’antenne selon l’invention,
est une représentation schématique en coupe d’une variante d’antenne selon l’invention,
représente une section de l’amplitude d’une onde de résonance dans la cavité,
est une représentation schématique d’un exemple de cellule élémentaire en vue du dessus, et
est une représentation schématique d’un exemple de réseau transmetteur en vue du dessus.
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés.
En particulier, on va décrire ci-après d’une antenne à réseau transmetteur, les procédés de fabrication des réseaux transmetteurs et sources ne seront pas détaillés, la réalisation des structures décrites étant à la portée de l'homme du métier à partir des indications de la présente description, par exemple en utilisant des techniques usuelles de fabrication de circuits imprimés.
La est une vue en coupe schématique d'un exemple d’antenne 10 selon l’invention. Une telle antenne comporte une ou plusieurs sources électromagnétiques 20 porté par une première paroi 25 irradiant dans une cavité résonante 30 et un réseau transmetteur 40 porté par une deuxième paroi 55. Le réseau 40 comprend une pluralité de cellules élémentaires 45, par exemple disposées en matrice selon des lignes et des colonnes régulières. Chaque cellule 45 comporte un récepteur 50 s’étendant d'une surface de la deuxième paroi 55 s’étendant dans la cavité résonante 30, un émetteur 60 s’étendant sur la surface opposée de la deuxième paroi 55 vers l’extérieur et un interconnecteur 65 reliant le récepteur 50 à l’émetteur 60. Chaque cellule 45 est apte à capter une onde dans la cavité 30 avec le récepteur 50 et à réémettre ce rayonnement depuis son émetteur 60 en appliquant, de préférence, un déphasage ΔΦ et/ou une pondération d’amplitude A par l’intermédiaire de l’interconnecteur 65. Avec une telle antenne, la ou les sources 20 émettent une onde dans la cavité résonante 30 à une fréquence de résonance ou proche d’une fréquence de résonance de la cavité 30 de sorte qu’une onde stationnaire de résonance se forme dans la cavité résonante 30. Les récepteurs 50 captent l’onde stationnaire à leurs positions respectives et transmettent le signal capté à l’émetteur 60 correspondant via l’interconnecteur 65 avec une modification de phase ΔΦ et/ou d’amplitude A. Les émetteurs 60 émettent alors une onde ayant un diagramme de rayonnement prédéterminé.
La cavité résonante 30 est délimitée par la première paroi 25, la deuxième paroi 55 et au moins une paroi latérale 75. Ces parois présentent des surfaces internes à la cavité au moins partiellement réfléchissante vers la cavité, c’est-à-dire présentant une surface réfléchissant au moins 50%, mieux au moins 70%, encore mieux au moins 90% de l’onde. De façon préférentielle, la cavité 30 est de forme cylindrique, les première paroi 25 et deuxième paroi 55 peuvent être parallèles entre elles comme illustré et de contours identiques pour former les bases du cylindre. Elles peuvent être de contours circulaires, ovales ou polygonales.
Dans le cas d’un contour circulaire, la cavité 30 peut être délimitée par une unique paroi latérale. Dans le cas d’un contour polygonal, la cavité 30 peut être délimitée latéralement par au moins deux surfaces latérales opposées. Dans ce cas, la cavité peut comporter des bords latéraux dépourvus sans parois, notamment pour faciliter l’accès à la cavité ou comporter des bords latéraux tous délimités par une paroi. Les parois peuvent être pleines et au moins partiellement réfléchissantes sur toutes leurs surfaces ou présenter des zones de moindre réflexion ou de transparence, notamment des ouvertures traversantes, notamment des fentes.
La cavité peut présenter une épaisseur c comprise entre λ et 100λ, mieux entre λ et 10λ, λ étant la longueur d’onde de l’onde de résonance.
La cavité résonante peut être vide de toute matière autre que l’air. En variante, la cavité résonante peut être remplie d’un substrat diélectrique.
La ou les sources 20 sont représentées portées par la première paroi. Mais l’invention n’est pas limitée à ce positionnement. La ou les sources pourraient être portées par la paroi latérale 75 ou la deuxième paroi 55, comme cela est illustré sur la . La formation de l’onde de résonance dans la cavité 30 permet une plus grande versatilité de positionnement pour la ou les sources 20 car il n’est pas nécessaire que l’onde émise le soit en direction du réseau transmetteur 40.
La ou les sources peuvent émettre l’onde à une distance non nulle de la paroi les portant. La ou les sources 20 peuvent comporter un plongeur 22 s’étendant dans la cavité résonante 30 transversalement au plan moyen de la première paroi 25. Le plongeur 22 peut comporter un disque 23 formant une surépaisseur à son extrémité s’étendant dans la cavité résonante 25. Le plongeur 22 peut s’étendre dans la cavité sur une longueur supérieure ou égale à 10 mm et inférieure ou égale à 30 mm, par exemple égale à 17 mm. La ou les sources peuvent être électriquement connectées à un émetteur, notamment par l’intermédiaire d’un cable coaxial.
La ou chaque source est avantageusement configurée pour émettre une onde à une fréquence comprise entre 1 GHz et 1 THz, de préférence comprise entre 10 GHz et 300 GHz.
Dans l’exemple illustré sur la , l’antenne comporte une source 20 positionnée sur la première paroi de façon sensiblement centrale par rapport à la cavité 30. Comme cela est illustré sur la , l’invention n’est pas limitée à un tel positionnement central et elle pourrait être positionnée ailleurs sur la première paroi 25. L’onde émise par la source 20 peut être émise transversalement à la paroi portant la source comme illustrée. En variante, elle peut être émise selon une direction formant un angle avec la paroi différent de 90°.
Dans l’exemple illustré sur la , l’antenne comporte une unique source 20 positionnée sur la première paroi de façon centrale par rapport à la cavité. Comme cela est illustré sur la , l’invention n’est pas limitée à une seule source 20. L’antenne peut comporter une pluralité de sources 20 agencées sur une des parois notamment la première paroi 25 pour émettre une onde dans la cavité 30. Les sources 20 peuvent être agencées selon une matrice régulière. Les sources peuvent être couplées ou non et émettre une onde à des distances de la première paroi identiques ou différentes.
L’onde stationnaire se formant dans la cavité peut être telle que représentée en , représentant l’amplitude du champ électrique dans une section de la cavité pour une cavité résonante sur son mode TM440 à 2833 MHz. On constate que l’onde stationnaire présente des zones 200 de pic d’amplitude appelées ventres et des zones 250 de creux d’amplitude appelées puits.
Le réseau transmetteur 40 peut comporter des cellules élémentaires 45 agencées selon une matrice carrée régulière comme cela est illustré sur la . La structure de ce réseau transmetteur est possible adaptée pour une cavité résonante sur son mode TM440 à 2833 MHz selon l’onde stationnaire de la .
La illustre un exemple de cellule élémentaire possible adapté pour une cavité résonante sur son mode TM440 à 2833 MHz selon l’onde stationnaire de la . L’invention n’est pas limitée à ce type de cellules élémentaires. Tous les types de cellules élémentaires connues pour une utilisation sur réseau transmetteur peuvent être utilisés en variante de l’exemple décrit ci-dessous.
La cellule élémentaire 45 peut comporter une zone conductrice 100 s’étendant sur la deuxième paroi sur une couche diélectrique, notamment du côté extérieur de cette dernière, et un plan de masse (non représenté) espacé de la zone conductrice par la couche diélectrique. La zone conductrice peut comporter une fente 130, notamment en forme de U. L’orientation de la fente 130 peut définir au moins partiellement le déphasage. Le plan de masse peut être une couche conductrice continue unique pour toutes les cellules élémentaires du réseau transmetteur reliées à la masse et comportant des trous au niveau de chaque cellule. Les cellules élémentaires peuvent chacune comporter un plongeur 110 s’étendant à partir de la zone conductrice 100 au travers de la couche diélectrique et dans un trou du plan de masse. Les plongeurs 110 s’étendent dans la cavité résonante de préférence transversalement à la deuxième paroi 55. Les plongeurs 110 peuvent comporter un disque 120 formant une surépaisseur à leurs extrémités s’étendant dans la cavité résonante 30. De tels plongeurs 110 sont configurés pour recevoir l’onde et la transmettre à la couche conductrice 100 formant l’émetteur. Les disques forment les récepteurs et les plongeurs forment les interconnecteurs. Les plongeurs 110 s’étendent dans la cavité sur une longueur supérieure ou égale à 10 mm et inférieure ou égale à 30 mm. Les plongeurs peuvent faire un diamètre inférieur ou égal à 3 mm, par exemple sensiblement égal à 1.2 mm. Le disque 120 peut avoir une épaisseur inférieure ou égale à 3 mm, par exemple sensiblement égale à 1 mm et un diamètre supérieur au diamètre du plongeur et inférieur ou égal à 10 mm, par exemple sensiblement égal à 4 mm. De préférence, le plongeur s’étend du centre de la zone conductrice formant l’émetteur.
Les cellules élémentaires sont toutes sensiblement de même forme à leur orientation près.
Dans le cas de la cellule élémentaire décrite ci-dessus, l’orientation de la fente définit le déphasage de l’onde et la longueur du plongeur définit la pondération d’amplitude de l’onde.
La longueurLde la couche conductrice peut être comprise entre 20 mm et 100 mm, par exemple sensiblement égale à 47 mm. La largeurlde la couche conductrice peut être comprise entre 10 mm et 80 mm, par exemple sensiblement égale à 30 mm. La fente 130 peut comporter un axe principal d’extension s’étendant sur la largeur, la fente étant centrée sur la longueur de la couche conductrice. La fente 130 en U peut présenter une longueurFsupérieure ou égale à 50% de la largeur de la couche conductrice, par exemple sensiblement égale à 18 mm, et une largeurftotale du U comprise entre 2 et 10 mm, par exemple sensiblement égale à 5 mm. La largeurdde la fente est comprise entre 0.5 mm et 3 mm, par exemple sensiblement égale à 1.5 mm. Le U peut être décalé dans la largeur de la couche conductrice de sorte que les extrémités du U sont plus proches du bord de la couche conductrice que la base du U. Les extrémités du U peuvent être à sensiblement 2 mm du bord le plus proche de la couche conductrice.
Les cellules élémentaires 45 sont de préférence découplées entre elles, les émetteurs et les récepteurs n’étant pas liés électriquement les uns des autres. Leurs couches conductrices 100 peuvent être espacées entre elles d’espaces dans la largeur dx et dans la longueur dy de dimension supérieure ou égale à 5 mm, mieux supérieure ou égale à 10 mm, par exemple sensiblement égale à 10 mm dans la longueur des cellules élémentaires 100 et sensiblement égale à 28 mm dans la largeur des cellules élémentaires 100.
Les plongeurs des cellules élémentaires dans la cavité sont agencés de sorte à être espacées du ou des plongeurs de la ou des extrémités du ou des plongeurs des sources d’une distance p, illustré sur la , supérieure ou égale à λ/2, mieux supérieure ou égale à λ.
Dans l’exemple illustré le réseau transmetteur 40 comporte 16 cellules élémentaires. En pratique, le réseau transmetteur 40 peut comprendre un nombre beaucoup plus élevé de cellules élémentaires 45, par exemple de l'ordre de 1000 cellules élémentaires ou plus. Le réseau transmetteur peut être symétrique par rapport à au moins deux plans transversaux X et Y.
De préférence, les cellules élémentaires 45 du réseau transmetteur prennent N configurations différentes, correspondant au N couples de déphasage/pondération d’amplitude différents, N étant supérieur ou égale à 2. Chaque configuration peut être prise par une ou plusieurs cellules élémentaires selon l’onde à transmettre.
Dans le mode de réalisation illustré en , le réseau transmetteur 40 présente trois configurations différentes notées 451, 452et 453ayant les couples de déphasage/pondération d’amplitude représentés par les couples orientation de la fente/longueur du plongeur suivants [0°, 12 mm] pour les cellules 451, [0°, 24 mm] pour les cellules 452et [180°, 18 mm] pour les cellules 453. Cette répartition des cellules élémentaires de chaque configuration a été choisie en fonction de l’onde stationnaire dans la cavité et de l’onde transmise voulue, les cellules identiques correspondant à des points de l’onde stationnaire sensiblement identiques et préférentiellement à des ventres 200 de l’onde stationnaire. Les plongeurs 1101, 1102et 1103sont visibles sur la à leurs positions respectives par rapport à l’amplitude de la section de l’onde stationnaire illustrée. Le fait d’avoir une longueur des plongeurs dans la cavité différente permet d’aller capter l’onde à une profondeur dans la cavité différente, ce qui permet d’avoir une pondération d’amplitude de par la variation d’amplitude de l’onde stationnaire dans l’épaisseur de la cavité.
Les caractéristiques de l’onde transmise par l'antenne, et notamment sa forme et sa direction de pointage, dépendent des valeurs des déphasages ΔΦ et de pondération d’amplitude A introduites par les différentes cellules 45.
La couche conductrice et le plan de masse du réseau transmetteur 40 des figures peuvent être réalisés en technologie planaire, par exemple sur une carte de circuit imprimé, ou sur un substrat en silicium, quartz, etc. comme cela est connu.
Dans le mode de réalisation illustré le déphasage et la pondération d’amplitude sont imposés par la structure des cellules élémentaires, notamment la longueur du plongeur et l’orientation de la fente. L’invention n’est cependant pas limitée à des interconnecteurs passifs. Les cellules élémentaires peuvent être configurées pour que le déphasage et/ou la pondération d’amplitude soient configurables, notamment via un organe de contrôle de ces paramètres pour chaque cellule ou pour des groupes de cellules.
L’exemple d’antenne décrite est particulièrement utile pour une application dans des nano-satellites. Néanmoins, une utilisation dans d’autres domaines tels que ceux mentionnés précédemment est parfaitement envisageable, éventuellement avec quelques adaptations.
L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits. L'homme du métier est à même de considérer leurs combinaisons techniquement opérantes, et de leur substituer des équivalents ou de remplacer les cellules élémentaires décrites par d’autres cellules élémentaires connues notamment dans le cadre de réseau transmetteur, notamment celles décrites dans les articles suivants :
- H. Kaouach,“Design and characterization of circularly-polarized discrete lens antennas in 60-GHz,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 15, pp.1200-1203, 2016.
- H. Kaouach, A. Kabashi,“High-Efficiency Wideband Transmit-array Antenna with Linear Polarization in Q-Band”, Elsevier, AEUE - International Journal of Electronics and Communications, Vol. 70, No. 9, pp. 1275-1281, Sept. 2016- H. Kaouach, A. Kabashi, “Simple Tri-Layer Linearly-polarized Discrete Lens Antenna with High-Efficiency for mmWave Applications”IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 15, pp. 259-262, 2015
- H. Kaouach, “Wideband high-efficiency unit-cell for 1 -bit and 2-bit transmit-arrays operating in X-Band” 11th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP 2017), Pages: 2320 - 2324, Paris, France, 2017.- H. Kaouach, et al, "Wideband Low-Loss Linear and Circular Polarization Transmit-Arrays in V-Band," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 59, no. 7, pp. 2513-2523, July 2011, doi: 10.1109/TAP.2011.2152331,
- Antonio Clemente, et al. “Wideband 400-element electronically reconfigurable transmitarray in X band”. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2013, 61 (10), pp.5017 - 5027. ff10.1109/TAP.2013.2271493ff. ffcea-03637145f
- H. Kaouach and O. Pigaglio, "Wideband 196-Element Transmit-Arrays Operating in mmWave Bands; Design & Demonstration," 2021 IEEE Conference on Antenna Measurements & Applications (CAMA), Antibes Juan-les-Pins, France, 2021, pp. 177-180, doi: 10.1109/CAMA49227.2021.9703574.
- Antonio Clemente, et al.. « Reconfigurable unit-cells for beam-scanning transmitarrays in X band”. European Conf. on Antennas and Propagation, EuCAP 2013, Apr 2013, Göteborg, Sweden.
- Alessandro de Oliveira Cabral Junior, Jeanne Pages-Mounic, Andre Barka, Hamza Kaouach. Linearly Polarized Transmit-array Operating in cmWave Bands, Design, Optimization and Demonstration. 16th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP) 2022, Mar 2022, Madrid, Spain. pp.1-5.

Claims (15)

  1. Antenne (10) comportant :
    • une première paroi (25) et
    • une deuxième paroi (55) s’étendant au moins partiellement en regard de la première paroi (25), les surface de la première et de la deuxième paroi en regard l’une de l’autre étant au moins partiellement réfléchissantes des ondes électromagnétiques et définissant entre elles une cavité (30),
    • au moins une paroi latérale (75) de la cavité (30) reliant les première et deuxième parois (25, 55) entre elles et présentant une surface interne à la cavité (30) au moins partiellement réfléchissante des ondes électromagnétiques, la cavité étant une cavité résonante de l’onde électromagnétique,
    l’antenne comportant en outre
    • au moins une source électromagnétique (20) portée par une de la première paroi (25), de la deuxième paroi (55) et de la paroi latérale (75) et étant configurée pour émettre une onde électromagnétique dans la cavité résonante (30),
    • au moins un réseau transmetteur (40) porté au moins par la deuxième paroi (55), le réseau transmetteur (40) comportant au moins deux cellules élémentaires (45), chaque cellule élémentaire comportant :
      • un récepteur électromagnétique (120) s’étendant dans la cavité résonante (30),
      • un émetteur électromagnétique (60) s’étendant hors de la cavité résonante (30),
      • un interconnecteur (110) configuré pour transmettre une onde électromagnétique captée par le récepteur électromagnétique (120) à l’émetteur électromagnétique (60),
    au moins une des cellules élémentaires (45) étant configurée pour que la phase de l’onde émise par l’émetteur (60) soit modifiée par rapport à celle de l’onde reçue par le récepteur (120).
  2. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle la cavité résonante (30) est de forme cylindrique, la première paroi et la deuxième paroi (25, 55) formant les bases de la forme cylindrique et la paroi latérale (75) formant au moins partiellement la surface latérale de la forme cylindrique.
  3. Antenne selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les première paroi (25), deuxième paroi (55) et/ou la ou les parois latérales (75) comportent une ou plusieurs ouvertures traversantes et/ou zones transparentes à l’onde ou de réflexion de l’onde réduite.
  4. Antenne selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l’antenne est configurée de sorte que plus de 50%, mieux plus de 70%, de l’onde reste dans la cavité résonante (30) pour former l’onde stationnaire de résonance.
  5. Antenne selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la distancecentre la première paroi (25) et la deuxième paroi (55) est comprise entre λ et 100λ, mieux entre λ et 10λ, λ étant la longueur d’onde des ondes émises par la source (20).
  6. Antenne selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant une pluralité de sources électromagnétiques (20) portées par une même paroi (25, 55, 75).
  7. Antenne selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la ou les sources (20) sont configurées pour émettre une onde dans la cavité résonante (30) à une distance de la paroi (25, 55, 75) les portant non nulle, notamment la ou les sources (20) comportant chacune un plongeur (22) s’étendant dans la cavité résonante (30) transversalement au plan moyen de la paroi (25, 55, 75) le portant, notamment s’étendant et un disque (23) formant une surépaisseur à l’extrémité du plongeur (22) s’étendant dans la cavité résonante (30).
  8. Antenne selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le réseau transmetteur (40) comporte plus de deux cellules élémentaires (45) agencées sur la deuxième paroi en matrice selon des rangées et/ou colonnes, notamment en matrice carrée avec les cellules élémentaires (45) équiréparties dans la matrice.
  9. Antenne selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le réseau transmetteur (40) est symétrique par rapport à au moins un plan transversal, mieux au moins deux plans transversaux.
  10. Antenne selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le réseau transmetteur (40) comporte au moins une couche formant une matrice de zones conductrices (100) s’étendant sur la deuxième paroi (55), du côté extérieur de cette dernière, et un plan de masse espacé de la couche conductrice (100) par une couche diélectrique, les zones conductrices (100) formant les émetteurs (60) des cellules élémentaires (45), les cellules élémentaires (45) comportant chacune un plongeur (110) s’étendant à partir de la zone conductrice (100) correspondante au travers de la couche diélectrique et dans des ouvertures du plan de masse, les plongeurs (110) s’étendant dans la cavité résonante (30) transversalement à la deuxième paroi (55) et comportant un disque (120) formant une surépaisseur à leurs extrémités s’étendant dans la cavité résonante (30), les zones conductrices (100) comportant chacune une fente (130), notamment en U.
  11. Antenne selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le réseau transmetteur (40) comporte N configurations de cellules élémentaires (45) distinctes, N étant supérieur ou égale à 2, les N configurations présentant des couples de déphasages et de pondérations d’amplitude différents.
  12. Antenne selon la revendication 11, dans laquelle au moins deux des N configurations présentent des pondérations d’amplitude différentes, notamment les plongeurs (110) des cellules élémentaires (45) desdites deux configurations s’étendant dans la cavité résonante (30) sur des longueurs différentes.
  13. Antenne selon la revendication 11 ou 12, dans laquelle au moins deux des N configurations présentent des déphasages différents, notamment les fentes (130) des cellules élémentaires (45) des deux configurations étant orientées différemment.
  14. Antenne selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les cellules élémentaires (45) du réseau transmetteur (40) sont positionnées à une distance non nulle de la ou de toutes les sources électromagnétiques (20), notamment les disques (120) des cellules élémentaires (45) dans la cavité résonante (30) étant espacées de la ou de toutes les sources électromagnétiques (20), d’une distance p supérieure ou égale à λ/2, mieux supérieure ou égale à λ, λ étant la longueur d’onde des ondes émises par la source.
  15. Antenne selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les récepteurs (120) du réseau transmetteur sont chacun configurés pour capter l’onde électromagnétique en résonance dans la cavité résonante (30) dans une zone ne correspondant pas à un puits de l’onde stationnaire en résonance dans la cavité résonante (30), de préférence captant l’onde dans une zone correspondant sensiblement à un ventre de l’onde stationnaire en résonance dans la cavité.
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