FR2803694A1 - RESONANT CAVITY ANTENNA HAVING A CONFORMING BEAM ACCORDING TO A PREDETERMINED RADIATION DIAGRAM - Google Patents

RESONANT CAVITY ANTENNA HAVING A CONFORMING BEAM ACCORDING TO A PREDETERMINED RADIATION DIAGRAM Download PDF

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Ronan Sauleau
Philippe Coquet
Toshiaki Matsui
Jean Pierre Daniel
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Universite de Rennes 1
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Abstract

The invention concerns a resonant cavity antenna having a beam conformed according to a predetermined radiation diagram and comprising: a resonant cavity (21; 31) especially having a lower face and an upper face and consisting of a dielectric substrate (22; 32) covered respectively on the bottom and top faces thereof with a network of semi-reflective patterns (24, 23; 34, 33); excitation means (25; 35) of said resonant cavity in said bottom face for a radiating source; optionally, at least one layer consisting of a dielectric buffer substrate (26) located between the bottom face of said resonant cavity and the aforementioned excitation means. According to the invention, said resonant cavity is a flat plane cavity, the top and bottom faces of the dielectric substrate of said resonant cavity being flat and substantially parallel relative to one another.

Description

Antenne<B>à</B> cavité résonante ayant un faisceau conformé selon un diagramme de rayonnement prédéterminé. Antenna <B> to </ B> resonant cavity having a shaped beam according to a predetermined radiation pattern.

Le domaine de l'invention est celui des dispositifs focalisants pour les ondes électromagnétiques, principalement (mais non exclusivement) aux longueurs d'ondes millimétriques et submillimétriques. The field of the invention is that of focusing devices for electromagnetic waves, mainly (but not exclusively) at millimetric and submillimetre wavelengths.

Plus précisément, l'invention concerne une antenne du type comprenant une cavité résonante et des moyens d'excitation de cette dernière, de façon<B>'</B> présenter un faisceau conformé selon un diagramme de rayonnement prédéterminé. Le diagramme de rayonnement 'déterminé peut notamment, mais non exclusivement, ^ gaussien. More specifically, the invention relates to an antenna of the type comprising a resonant cavity and means for exciting the latter, so as to have a beam shaped according to a predetermined radiation pattern. The determined radiation pattern may include, but is not limited to, Gaussian.

L'invention a de nombreuses applications, telles que par exemple les applications communications point<B>à</B> point, qui se développent<B>à</B> l'heure actuelle dans les bandes millimétriques (communications sans fil intra bâtiment, communications<B>à</B> haut débit<B>(60</B> GHz), radars anticollision automobile<B>(77</B> GHz), <B>... ).</B> The invention has many applications, such as point-to-point communications applications, which are developing at the present time in the millimeter bands (in-line wireless communications). building, communications <B> to </ B> broadband <B> (60 </ B> GHz), collision avoidance radars <B> (77 </ B> GHz), <B> ...). </ B>

Plus généralement, elle peut s'appliquer dans tous les cas où des dispositifs de rayonnements plus ou moins directifs et compacts (applications "grand public") sont nécessaires. More generally, it can be applied in all cases where more or less directive and compact radiation devices ("general public" applications) are needed.

Dans ce type d'applications, les principales techniques connues de l'art antérieur sont les suivantes<B>:</B> réflecteurs plans, antennes lentilles, lentilles substrats, réseaux d'antennes et antennes<B>à</B> faisceau gaussien. In this type of application, the main techniques known from the prior art are the following: planar reflectors, lens antennas, substrate lenses, antenna arrays and antennas <B> to </ B> Gaussian beam.

Or, il apparaît qu'aucune de ces techniques n'est satisfaisante. En effet, les réflecteurs plans et les réseaux d'antennes présentent parfois un rendement insuffisant. Par ailleurs, les antennes lentilles et les lentilles substrats ne présentent pas une compacité suffisante. Enfin, les antennes<B>à</B> faisceau gaussien présentent elles aussi des défauts qui sont discutés en détail ci-dessous. However, it appears that none of these techniques is satisfactory. Indeed, planar reflectors and antenna arrays sometimes have insufficient performance. In addition, the lens antennas and the substrate lenses do not have sufficient compactness. Finally, Gaussian beam <B> antennas also have flaws which are discussed in detail below.

Une antenne<B>à</B> faisceau gaussien (ou GBA, pour "Gaussian Bearn Antenna" en anglais) classique est illustrée sur les figures<B>IA</B> (schéma simplifié global l'antenne), 1B (vue de dessus de la grille supérieure) et IC (diagramme de rayonnement gaussien). La cavité résonante<B>1,</B> de type Pérot-Fabry, comprend un substrat dielectrique 2 (permittivité c,) de forme "plano convexe"<B>:</B> la face inférieure est plane tandis que la face supérieure est sphérique (rayon de courbure RO). Ce substrat diélectrique 2 possède une épaisseur<B>D (-</B> #,#2) au centre. Sur chacune de ces faces, est formée une grille bidimensionnelle <B>(2D)</B> semi-réfléchissante et uniforme<B>3,</B> 4 (cf. fig. <B>1</B> B), dont les motifs sont identiques et répètent périodiquement (période spatiale ai et largeur de piste d,-, avec i égal<B>à 1</B> (pour la grille inférieure) ou 2 (pour la grille supérieure . Les grilles inférieure<B>3</B> et superieure 4 peuvent être identiques ou différentes. Le champ rayonné (cf. fig. <B>1 C)</B> a la forme d'un faisceau gaussien non dépointé, plus ou moins directif et ne présentant pas de lobe secondaire. L'excitation de la cavité résonante<B>1</B> se fait côté de la face inférieure de celle-ci, par une source rayonnante<B>5</B> (source de type cornet comme dans l'exemple illustré). A <B> Gaussian beam (or GBA, for classical Gaussian Bearn Antenna) antenna is illustrated in Figures <B> IA </ B> (simplified overall scheme of the antenna), 1B ( top view of the upper grid) and IC (Gaussian radiation pattern). The resonant cavity <B> 1, </ B> of the Perot-Fabry type, comprises a dielectric substrate 2 (permittivity c,) of "plano convex" shape <B>: </ B> the lower face is flat while the upper side is spherical (radius of curvature RO). This dielectric substrate 2 has a thickness <B> D (- </ B> #, # 2) in the center. On each of these faces is formed a semi-reflective and uniform <B> (2D) </ B> grid <B> 3, </ B> 4 (see Fig. <B> 1 </ B> B ), whose patterns are identical and periodically repeat (spatial period ai and track width d, -, with i equal to <B> to 1 </ B> (for the lower grid) or 2 (for the upper grid. <B> 3 </ B> and upper 4 may be the same or different The radiated field (see Fig. <B> 1 C) </ B> has the shape of a Gaussian beam, not more or less, more or less directional and does not have a secondary lobe The excitation of the resonant cavity <B> 1 </ B> is next to the lower face of this one, by a radiating source <B> 5 </ B> (source cornet type as in the illustrated example).

Avec une telle antenne GBA classique, c'est la géométrie sphérique la cavité qui est responsable de l'établissement d'une distribution transverse de champ gaussienne. La face courbe du substrat "plano convexe", sur laquelle est placée la grille uniforme supérieure, forme miroir sphérique et joue le rôle d'une surface équiphase pour le faisceau gaussien généré. Son rayon de courbure R. détermine en particulier la directivité de l'antenne, c'est-à-dire son pouvoir de focalisation. With such a conventional GBA antenna, it is the spherical geometry cavity that is responsible for establishing a transverse Gaussian field distribution. The curved face of the "plano-convex" substrate, on which is placed the upper uniform grid, forms a spherical mirror and plays the role of an equiphase surface for the generated Gaussian beam. Its radius of curvature R. determines in particular the directivity of the antenna, that is to say its focusing power.

Malheureusement, les substrats plano convexes sont coûteux et ne se prêtent pas facilement au proce habituel de fabrication des grilles par photolithographie, surtout pour des "faibles" valeurs de Ro (diffraction des UV due<B>à</B> la courbure (flèche) du substrat plano-convexe)., En outre, la surface sphérique est généralement obtenue par polissage et l'épaisseur du substrat (qui forme lentille) ne peut être garantie qu'à quelques dizaines de microns près. Comme la fréquence de résonance de la cavité dépend fortement de l'épaisseur<B>D</B> de cette lentille, il est indispensable de mesurer précisément au préalable cette épaisseur, puis de choisir en conséquence les paramètres de grilles des deux faces, afin de répondre<B>à</B> un cahier des charges imposant fréquence de résonance et bande passante. Sinon, le décalage en fréquence, qui peut atteindre plusieurs bandes passantes <B>à</B> mi-puissance, pénalise le bilan de puissance (d'où une dégradation de la qualité d'une liaison sans<B>fil</B> par exemple). Unfortunately, plano-convex substrates are expensive and do not lend themselves easily to the usual process of photolithographic gridding, especially for "low" Ro values (UV diffraction due to bending) (arrow In addition, the spherical surface is generally obtained by polishing and the thickness of the substrate (which forms a lens) can only be guaranteed within a few tens of microns. Since the resonant frequency of the cavity depends strongly on the thickness <B> D </ B> of this lens, it is essential to precisely measure this thickness beforehand, and then to choose the gate parameters of the two faces, to answer <B> to </ B> a specification imposing resonant frequency and bandwidth. Otherwise, the frequency offset, which can reach several <B> to </ B> half-power bandwidths, penalizes the power budget (hence a degradation of the quality of a link without <B> wire </ B> for example).

L'invention a notamment pour objectif de pallier ces différents inconvénients de l'état de la technique. Plus précisément, l'un des objectifs de la présente invention est de fournir une antenne du type comprenant une cavité résonante et des moyens d'excitation de cette dernière, cette antenne ne nécessitant pas de substrat plano convexe. The invention particularly aims to overcome these disadvantages of the state of the art. More precisely, one of the objectives of the present invention is to provide an antenna of the type comprising a resonant cavity and means for exciting the latter, this antenna not requiring a plano-convex substrate.

L'invention a également pour objectif de fournir une telle antenne qui soit plus simple<B>à</B> fabriquer et moins coûteuse que l'antenne GBA classique discutée ci-dessus. Ces différents objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints selon l'invention<B>à</B> l'aide d'une antenne<B>à</B> faisceau conformé selon un diagramme de rayonnement prédéterminé, du type comprenant<B>:</B> cavité résonante possédant notamment une face inférieure et une face supérieure, et constituée d'un substrat diélectrique recouvert sur chacune ses faces supérieure et inférieure d'un réseau motifs semi- réfléchissants, supérieur et inférieur respectivement, moyens d'excitation de ladite cavité résonante, du coté de ladite face inférieure, par une source rayonnante, eventuellement, au moins une couche d'un substrat diélectrique tampon, située entre la face inférieure de ladite cavité résonante lesdits moyens d'excitation. Another object of the invention is to provide such an antenna which is simpler to manufacture and less expensive than the conventional GBA antenna discussed above. These various objectives, as well as others which will appear subsequently, are achieved according to the invention <B> with </ B> using an antenna <B> to </ B> shaped beam according to a diagram of predetermined radiation, of the type comprising <B>: </ B> resonant cavity having in particular a lower face and an upper face, and consisting of a dielectric substrate covered on each its upper and lower faces of a semireflecting pattern network, upper and lower respectively, excitation means of said resonant cavity, on the side of said lower face, by a radiating source, optionally, at least one layer of a buffer dielectric substrate, located between the lower face of said resonant cavity, said means excitation.

Selon la présente invention, ladite cavité résonante est une Cavite <B>à</B> faces planes, lesdites faces supérieure et inférieure du substrat diélectrique de ladite cavité résonante étant planes et sensiblement parallèles entre elles. En outre, lesdits reseaux de motifs semi-réfléchissants supérieur et inférieur et/ou lesdits moyens d'excitation et/ou ladite au moins une couche de substrat diélectrique tampon sont choisis avec caractéristiques permettant de simuler l'effet d'au moins une courbure sur au moins une desdites faces planes de ladite cavité, et ainsi permettre l'obtention dudit diagramme de rayonnement prédéterminé. According to the present invention, said resonant cavity is a flat face cavity, said upper and lower faces of the dielectric substrate of said resonant cavity being flat and substantially parallel to each other. In addition, said networks of upper and lower semi-reflective patterns and / or said excitation means and / or said at least one buffer dielectric substrate layer are selected with characteristics making it possible to simulate the effect of at least one curvature on at least one of said planar faces of said cavity, and thus to obtain said predetermined radiation pattern.

Le principe général de l'invention consiste donc<B>à</B> utiliser une lame<B>à</B> faces parallèles (au lieu d'une lentille plano convexe) et<B>à</B> jouer sur certain(s) paramètre(s) spécifique(s) d'au moins un des éléments compris dans l'antenne pour simuler l'effet d'au moins une courbure de la cavité, et donc régler notamment la directivité de l'antenne. Par paramètres spécifiques, on entend notamment, mais non exclusivement, les dimensions, la géométrie, la permittivité, l'homogénéité, l'épaisseur,<B>...</B> Ainsi, on joue par exemple sur les dimensions et/ou la géométrie de chaque motif semi-réfléchissant pris individuellement, ou encore sur l'homogénéité et/ou l'épaisseur de la ou des couche(s) de substrat(s) diélectrique(s) tampon(s), ou encore sur la géométrie des moyens d'excitation. The general principle of the invention is therefore to <B> to </ B> use a <B> blade with </ B> parallel faces (instead of a convex plano lens) and <B> to </ B> play on certain specific parameter (s) of at least one of the elements included in the antenna to simulate the effect of at least one curvature of the cavity, and thus in particular to adjust the directivity of the antenna . By specific parameters, one understands in particular, but not exclusively, the dimensions, the geometry, the permittivity, the homogeneity, the thickness, <B> ... </ B> Thus, one plays for example on the dimensions and / or the geometry of each semi-reflecting pattern taken individually, or on the homogeneity and / or the thickness of the layer (s) of the dielectric substrate (s) buffer (s), or on the geometry of the excitation means.

<B>Il</B> est important de noter que l'antenne peut éventuellement ne pas comporter couche de substrat diélectrique tampon. Dans ce cas, on ne peut bien sûr jouer que les réseaux de motifs serni-réfléchissants (ou miroirs semi-réfléchissants) et/ou les moyens d'excitation. <B> It </ B> is important to note that the antenna may possibly not have buffer dielectric substrate layer. In this case, it is of course possible to play only the networks of serni-reflective patterns (or semi-reflecting mirrors) and / or the excitation means.

Une telle lame<B>à</B> faces parallèles est peu coûteuse et se prête facilement au procédé habituel de fabrication des motifs semi-réfléchissants par photolithographie. comprend également que l'antenne selon la présente invention permet de répondre aisément<B>à</B> un cahier des charges imposant fréquence de résonance et bande passante, puisque ce sont des paramètres d'éléments constitutifs de l'antenne qu'il convient choisir convenablement. Such a <B> to </ B> parallel plate is inexpensive and easily lends itself to the usual process of manufacturing the semi-reflective patterns by photolithography. also understands that the antenna according to the present invention makes it possible to easily answer <B> to </ B> a specification imposing resonant frequency and bandwidth, since these are parameters of constituent elements of the antenna that it should choose properly.

Dans un premier mode de réalisation préférentiel de l'invention, ledit réseau de motifs semi-réfléchissants inférieur est uniforme, et ledit réseau de motifs semi- réfléchissants supérieur est non-uniforme et possède des caractéristiques telles que la face supérieure plane de ladite cavité résonante simule l'effet d'au moins une courbure. In a first preferred embodiment of the invention, said lower semi-reflective pattern array is uniform, and said pattern of upper semi-reflective pattern is non-uniform and has features such as the planar upper face of said resonant cavity. simulates the effect of at least one curvature.

Dans ce premier mode de réalisation préférentiel, on joue donc sur la<B>-</B> uniformité (ou non-périodicité) des motifs du réseau supérieur pour simuler au moins une courbure sur la face plane supérieure de la cavité. Les caractéristiques paramètres) de réseau supérieur, qu'il convient selon la présente invention de choisir convenablement sont notamment la géométrie et/ou les dimensions de chaque motif. Par exemple, si motifs de ce réseau forment une grille, on choisit la (pseudo-)période spatiale et la largeur des pistes métalliques constituant cette grille. Ce choix est exemple tel que la surface équiphase de l'onde réfléchie sur la face interne du réseau supérieur non uniforme soit sphérique, avec un rayon de courbure R.. C'est le chemin optique qui compense la différence de phase existant entre les coefficients de réflexion aux différents points de réflexion. In this first preferred embodiment, therefore, the uniformity (or non-periodicity) of the patterns of the upper network is simulated to simulate at least one curvature on the upper planar face of the cavity. The upper network parameter characteristics, which it is appropriate according to the present invention to choose suitably include the geometry and / or the dimensions of each pattern. For example, if patterns of this network form a grid, we choose the (pseudo-) spatial period and the width of the metal tracks constituting this grid. This choice is an example such that the equiphase surface of the wave reflected on the inner face of the nonuniform upper lattice is spherical, with a radius of curvature R. It is the optical path that compensates for the phase difference existing between the coefficients. reflection at different points of reflection.

De façon avantageuse, lesdits moyens d'excitation appartiennent au groupe comprenant<B>:</B> des antennes planaires et des ouvertures rayonnantes ne possédant pas de collerette conductrice et/ou ne créant pas de discontinuité de phase sur la face inférieure de cavité. Advantageously, said excitation means belong to the group comprising <B>: </ B> planar antennas and radiating openings having no conductive flange and / or not creating phase discontinuity on the cavity underside .

Ces différents moyens d'excitation ne créent pas de discontinuité de phase sur face inférieure de la cavité. These different excitation means do not create phase discontinuity on the underside of the cavity.

Selon une variante avantageuse, lesdits moyens d'excitation et/ou ladite au moins couche de substrat diélectrique tampon créent au moins une discontinuité de phase sur ladite face inférieure de ladite cavité résonante, de façon que la face inférieure plane de ladite cavité résonante simule au moins une face courbe. According to an advantageous variant, said excitation means and / or said at least buffer dielectric substrate layer create at least one phase discontinuity on said lower face of said resonant cavity, so that the flat underside of said resonant cavity simulates the less a curved face.

Dans ce cas particulier du premier mode de réalisation préférentiel, on crée donc en outre au moins une discontinuité de phase, pour simuler au moins une courbure sur face plane de la cavité qui porte le réseau inférieur. En d'autres termes, on simule total au moins deux courbures (au moins une sur chacune des faces planes de la cavité). <B>Il</B> est<B>à</B> noter qu'en combinant plusieurs discontinuités de phase, on peut aussi créer plusieurs courbures sur chaque face de la cavité résonante. In this particular case of the first preferred embodiment, therefore, at least one phase discontinuity is also created to simulate at least one plane-surface curvature of the cavity carrying the lower network. In other words, we simulate total at least two curvatures (at least one on each of the flat faces of the cavity). <B> It is <B> to </ B> note that by combining several phase discontinuities, one can also create several curvatures on each face of the resonant cavity.

Une liste non exhaustive de tels moyens d'excitation créant au moins une discontinuité de phase est donnée ci-dessous, en relation avec un second mode réalisation de l'invention. A non-exhaustive list of such excitation means creating at least one phase discontinuity is given below, in connection with a second embodiment of the invention.

Dans un second mode de réalisation préférentiel de l'invention, lesdits réseaux de motifs semi-réfléchissants supérieur et inférieur sont uniformes, et lesdits moyens d'excitation et/ou ladite au moins une couche d'un substrat diélectrique tampon créent moins une discontinuité de phase sur ladite face inférieure de ladite cavité résonante, façon que la face inférieure plane de ladite cavité résonante simule au moins une face courbe. In a second preferred embodiment of the invention, said networks of upper and lower semi-reflective patterns are uniform, and said excitation means and / or said at least one layer of a buffer dielectric substrate create less a discontinuity of phase on said lower face of said resonant cavity, so that the planar underside of said resonant cavity simulates at least one curved face.

Dans ce second mode de réalisation préférentiel, on ne joue donc pas sur réseaux de motifs semi-réfléchissants mais sur les moyens d'excitation et/ou sur la(les) couche(s) de substrat diélectrique tampon.<B>Il</B> s'agit ici de simuler (par création d'au moins une discontinuité de phase) au moins une courbure sur la face plane inférieure de la cavité (qui porte le réseau de motifs semi-réfléchissants inférieur). In this second preferred embodiment, it is therefore not played on networks of semi-reflective patterns but on the excitation means and / or the layer (s) buffer dielectric substrate. <B> It </ B> here is to simulate (by creating at least one phase discontinuity) at least one curvature on the lower planar face of the cavity (which carries the inferior semi-reflective pattern network).

De façon avantageuse, lesdits moyens d'excitation appartiennent au groupe comprenant<B>:</B> des ouvertures rayonnantes<B>à</B> collerette conductrice des fentes des réseaux de fentes<B>;</B> des antennes planaires associées chacune<B>à</B> au moins une couche d'un substrat diélectrique tampon partiellement métallisé sur sa face supérieure. Advantageously, said excitation means belong to the group comprising <B>: </ B> radiating openings <B> to </ B> conductive flange slots of slot networks <B>; </ B> antennas planar members each associated with at least one layer of a partially metallized buffer dielectric substrate on its upper face.

De façon préférentielle, lesdits réseaux de motifs semi-réfléchissants appartiennent au groupe comprenant<B>:</B> des réseaux de motifs semi-réfléchissants uniformes et des réseaux motifs semi -réfléchissants non uniformes. Preferably, said patterns of semi-reflective patterns belong to the group consisting of: <b>: networks of uniform semi-reflective patterns and non-uniform semi-reflective pattern patterns.

<B>Il</B> est clair que cette liste n'est pas exhaustive. Par ailleurs, qu'ils soient uniformes ou non (c'est-à-dire périodiques ou non), les motifs peuvent être de différents types, et même éventuellement associés<B>à</B> des surfaces pleines. <B> It </ B> is clear that this list is not exhaustive. Moreover, whether they are uniform or not (that is to say periodic or not), the patterns can be of different types, and even possibly associated <B> to </ B> solid surfaces.

Avantageusement, ladite antenne fonctionne aux longueurs d'ondes millimétriques et sub-millimétriques. Advantageously, said antenna operates at millimeter and sub-millimeter wavelengths.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront<B>à</B> la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, donné<B>à</B> titre d'exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels<B>:</B> <B>-</B> la figure<B>IA</B> présente un schéma simplifié d'une antenne<B>à</B> faisceau gaussien selon l'art antérieur<B>;</B> <B>-</B> la figure présente une vue de dessus de la grille supérieure apparaissant la figure lA <B>;</B> <B>-</B> la figure<B>1C</B> présente le diagramme de rayonnement de l'antenne selon l'art antérieur représentée sur la figure<B>IA ;</B> <B>-</B> la figure<B>2A</B> présente un premier mode de réalisation préférentiel d'une antenne selon la présente invention<B>;</B> <B>-</B> la figure 2B présente le diagramme de rayonnement de l'antenne représentée sur la figure<B>2A ;</B> <B>-</B> la figure<B>3</B> présente un second mode de réalisation préférentiel d'une antenne selon la présente invention<B>;</B> et <B>-</B> les figures 4A et 4B illustrent le fonctionnement de l'antenne de la figure <B>3,</B> avec notamment une discontinuité de phase (fig.4A) et une courbure simulée (fig.413). L'invention concerne donc concerne une antenne du type comprenant une cavité résonante et des moyens d'excitation de cette dernière, de façon<B>à</B> présenter un faisceau conformé selon un diagramme de rayonnement prédéterminé. Other features and advantages of the invention will become apparent when reading the following description of a preferred embodiment of the invention, given as an example. indicative and not limiting, and accompanying drawings, in which <B>: </ B> <B> - </ B> the figure <B> IA </ B> presents a simplified diagram of an antenna <B> to </ B> Gaussian beam according to the prior art <B> </ B> <B> - </ B> the figure shows a view from above of the upper grid appearing in FIG. 1A; </ B> <B> - </ B> Figure <B> 1C </ B> shows the antenna radiation pattern according to the prior art shown in Figure <B> IA; </ B> <B> - < FIG. 2A presents a first preferred embodiment of an antenna according to the present invention. FIG. 2B shows the diagram. of the antenna shown in Figure <B> 2A; </ B> <B> - </ B> Figure <B> 3 </ B> shows a second preferred embodiment and an antenna according to the present invention <B>; </ B> and <B> - </ B> FIGS. 4A and 4B illustrate the operation of the antenna of FIG. 3, with in particular a phase discontinuity (fig.4A) and a simulated curvature (fig.413). The invention therefore relates to an antenna of the type comprising a resonant cavity and means for exciting the latter, so as to have a beam shaped according to a predetermined radiation pattern.

Dans la suite de la description, on discute uniquement du cas d'un diagramme de rayonnement mono-faisceau gaussien. <B>Il</B> est clair que la présente invention s'applique plus généralement<B>à</B> tous types diagrammes de rayonnement, sensiblement gaussiens ou non, mono ou multi-faisceau(x), de révolution ou non, dépointés ou non, contrôlables électroniquement, <B>...</B> In the remainder of the description, only the case of a Gaussian single-beam radiation pattern is discussed. <B> It </ B> is clear that the present invention applies more generally <B> to </ B> all types of radiation, substantially Gaussian or not, single or multi-beam (x), revolution or no, remote or not, electronically controllable, <B> ... </ B>

L'antenne selon l'invention fonctionne par exemple en polarisation linéaire ou circulaire. The antenna according to the invention operates for example in linear or circular polarization.

On présente maintenant, relation avec les figures<B>2A</B> et 2B, un premier mode de réalisation préférentiel d'une antenne selon la présente invention. We now present, relationship with Figures <B> 2A </ B> and 2B, a first preferred embodiment of an antenna according to the present invention.

La cavité résonante 21 une lame diélectrique 22<B>à</B> faces parallèles, de permittivité F, d'épaisseur<B>D</B> et diamètre #j. The resonant cavity 21 has a dielectric plate 22 <B> with parallel faces, of permittivity F, of thickness <B> D </ B> and diameter #j.

Le diélectrique constituant la lame 22 peut être de l'air ou tout autre matériau diélectrique. Dans le cas de l'air, convient de prévoir au moins une couche de matériau diélectrique<B>26, 27,</B> de part et d'autre de la cavité, afin de former support pour la cavité constituée d'air. The dielectric constituting the blade 22 may be air or any other dielectric material. In the case of air, at least one layer of dielectric material <B> 26, 27, </ B> must be provided on either side of the cavity, in order to form a support for the cavity consisting of air .

Sur la face inférieure (côté excitation) de cette lame diélectrique 22 est réalisée une grille<B>2D</B> semi -réfléchissante uniforme<B>23.</B> Sur la face supérieure (côté rayonnement) est réalisée grille<B>2D</B> semi-réfléchissante non uniforme 24. L'excitation se fait par une antenne planaire <B>25,</B> via une couche d'un substrat diélectrique tampon<B>26</B> (de l'air par exemple, tout autre matériau diélectrique). On the lower face (excitation side) of this dielectric plate 22 is produced a <B> 2D </ B> uniform semi-reflective grid <B> 23. </ B> On the upper face (radiation side) is made grid < B> 2D </ B> semi-reflective non-uniform 24. The excitation is done by a planar antenna <B> 25, </ B> via a layer of a buffer dielectric substrate <B> 26 </ B> ( air for example, any other dielectric material).

Les paramètres (période spatiale et largeur des pistes métalliques notamment) de la grille non uniforme 24 sont exemple choisis de façon que la surface équiphase de l'onde réfléchie sur la face interne de la grille non-uniforme 24 soit sphérique. Dans ce cas, comme illustré sur la figure le diagramme de rayonnement est de révolution de type gaussien. La surface d'onde équiphase est de rayon K. C'est le chemin optique qui compense la différence de phase existant entre les coefficients de réflexion aux différents points de réflexion. Si l'on suppose que la période spatiale de la grille non uniforme 24 est constante, le problème consiste donc<B>à</B> définir la largeur d(p) pistes métalliques. Soit F., le coefficient de réflexion au centre de la grille non uniforme 24 (en<B>p = 0).</B> La grille non uniforme 24 se comporte comme une surface équiphase sphérique (de rayon de courbure RO) <B>à</B> la fréquence de résonance fr,, <B≥</B> co si l'argument de r ) est défini par la relation suivante<B>:</B>

Figure img00080008

Pour déterminer la largeur de la piste métallique<B>à</B> la distance<B>p</B> du centre, il suffit alors de se reporter<B>à</B> des abaques donnant l'évolution de la phase du coefficient de réflexion d'une onde plane en incidence normale grille située<B>à</B> une interface diélectrique (F-,) <B>/</B> diélectrique(s) tampon(s) <B>26.</B> La démarche revient donc<B>à</B> effectuer une approximation linéaire par morceaux du front d'onde sphérique défini par la relation<B>(1)</B> ci-dessus. The parameters (spatial period and width of the metal tracks in particular) of the non-uniform grid 24 are chosen so that the equiphase surface of the wave reflected on the internal face of the non-uniform grid 24 is spherical. In this case, as illustrated in the figure, the radiation pattern is of Gaussian type revolution. The equiphase wave surface is of radius K. It is the optical path that compensates for the phase difference existing between the reflection coefficients at the different points of reflection. Assuming that the spatial period of the non-uniform grid 24 is constant, then the problem is <B> to </ B> define the width d (p) metal tracks. Let F. be the reflection coefficient in the center of the non-uniform grid 24 (in <B> p = 0). </ B> The non-uniform grid 24 behaves like a spherical equiphase surface (of radius of curvature RO) <B> at </ B> the resonance frequency fr ,, <B≥ </ B> co if the argument of r) is defined by the following relation <B>: </ B>
Figure img00080008

To determine the width of the metal track <B> at </ B> the distance <B> p </ B> of the center, it is then enough to refer <B> to </ B> of the charts giving the evolution of the phase of the reflection coefficient of a plane wave in normal incidence grid located <B> at </ B> a dielectric interface (F-,) <B> / </ B> dielectric (s) buffer (s) <B > 26. </ B> The approach therefore returns to a piecewise linear approximation of the spherical wavefront defined by the relation <B> (1) </ B> above.

Ainsi,<B>à</B> partir d'une cavité résonante<B>à</B> faces planes, on simule l'effet d'une courbure sur la face supérieure (côté rayonnement). On peut régler la directivité de l'antenne en contrôlant la non uniformité de la grille superieure 24. Thus, <B> to </ B> from a resonant cavity <B> to </ B> plane faces, we simulate the effect of a curvature on the upper face (radiation side). The directivity of the antenna can be adjusted by controlling the nonuniformity of the upper gate 24.

En choisissant correctement le type des grilles et les paramètres de celles-ci, cette technique peut bien sûr s'étendre<B>à</B> la formation d'autres types de diagrammes de rayonnement, pas forcément gaussiens. De plus, cette technique permet également de générer des diagrammes de rayonnement mono ou multi-faisceauffl, éventuellement dépointés, contrôlables électroniquement, etc. By correctly choosing the type of grids and the parameters of them, this technique can of course extend <B> to the formation of other types of radiation patterns, not necessarily Gaussian. In addition, this technique also makes it possible to generate single or multi-beamffl radiation diagrams, possibly depointed, electronically controllable, etc.

On présente maintenant, en relation avec les figures<B>3,</B> 4A et 4B, un second mode de réalisation préférentiel d'une antenne selon la présente invention. In relation to FIGS. 3, 4A and 4B, a second preferred embodiment of an antenna according to the present invention will now be presented.

De même que dans le premier mode de réalisation, la cavité résonante<B>31</B> est une lame diélectrique<B>32 à</B> faces parallèles, de permittivité d'épaisseur<B>D</B> et de diamètre #j. Sur chacune des deux faces (inférieure, côté excitation, et supérieure (côté rayonnement de cette lame diélectrique<B>32</B> est réalisée une grille<B>2D</B> semi- réfléchissante uniforme<B>33,</B> 34. As in the first embodiment, the resonant cavity <B> 31 </ B> is a dielectric plate <B> 32 to </ B> parallel faces, of thickness permittivity <B> D </ B> and of diameter #j. On each of the two sides (lower, excitation side, and upper (radiation side of this dielectric blade <B> 32 </ B> is produced a <B> 2D </ B> semi-reflective grid <B> 33, < / B> 34.

L'excitation se fait par un cornet<B>35</B> (par exemple pyramidal)<B>à</B> collerette conductrice créant une discontinuité de phase (cf. fig. 4A) sur la face inférieure de la cavité résonante. Cette discontinuité de phase peut être représentée par un miroir convexe equivalent de rayon de courbure Ro', provoquant une focalisation faisceau<B>à</B> l'intérieur de la cavité résonante. En d'autres termes, la face inférieure (plane) de la cavité résonante simule une face courbe de rayon de courbure IZ,' (cf. fig et permet donc la formation d'un faisceau par exemple de type gaussien. La directivité et l'angle d'ouverture<B>à - 3</B> dB dépendent essentiellement de la géométrie de la grille imprimée sur la face plane inférieure et des dimensions du cornet. The excitation is done by a cone <B> 35 </ B> (for example pyramidal) <B> with </ B> conductive collar creating a discontinuity of phase (cf Fig. 4A) on the lower face of the cavity resonant. This phase discontinuity can be represented by an equivalent convex mirror of radius of curvature Ro ', causing beam focusing <B> to </ B> within the resonant cavity. In other words, the lower face (plane) of the resonant cavity simulates a curved face of radius of curvature IZ '' (see fig and thus allows the formation of a beam for example of the Gaussian type. Opening angle <B> to - 3 </ B> dB depend essentially on the geometry of the grid printed on the lower plane face and the dimensions of the cornet.

D'une façon générale, tous types de moyens d'excitation permettant la création d'une telle discontinuité de phase peuvent être utilisés, tels que notamment guides d'onde<B>à</B> collerette conductrice, des fentes, des réseaux de fentes,<B>...</B> In general, all types of excitation means allowing the creation of such a phase discontinuity can be used, such as in particular waveguides <B> to </ B> conductive flange, slots, networks of slots, <B> ... </ B>

Il bien sûr possible de combiner les deux modes de réalisation décrits ci- dessus. Dans ce cas, on simule au moins une courbure sur chacune des deux faces planes de la cavité résonante, grâce<B>à</B> l'utilisation d'une grille supérieure non uniforme (premier mode de réalisation) et de moyens d'excitation créant une discontinuité de phase sur la face inférieure (second mode de réalisation). It is of course possible to combine the two embodiments described above. In this case, at least one curvature is simulated on each of the two planar faces of the resonant cavity, thanks to the use of a non-uniform upper grid (first embodiment) and means of separation. excitation creating a phase discontinuity on the lower face (second embodiment).

Optionnellement, on peut jouer en outre sur l'épaisseur et/ou l'homogénéité de la couche de substrat diélectrique tampon<B>26,</B> de façon<B>à</B> créer au moins une discontinuité de phase supplémentaire sur la face inférieure de la cavité résonante, et donc simuler au moins une courbure supplémentaire sur cette face inférieure.  Optionally, one can further play on the thickness and / or homogeneity of the buffer dielectric substrate layer <B> 26, <B> to </ B> create at least one phase discontinuity additional on the lower face of the resonant cavity, and thus simulate at least one additional curvature on this lower face.

On présente maintenant un exemple de réalisation d'une telle combinaison. Cet exemple a été testé avec succès dans la gamme de fréquence des<B>60</B> GHz. Le diagramme de rayonnement (non illustré) de cette antenne est en effet directif et d'allure gaussienne avec des lobes secondaires inférieurs<B>à - 30</B> dB. An example embodiment of such a combination is now presented. This example has been successfully tested in the frequency range of <B> 60 </ B> GHz. The radiation pattern (not shown) of this antenna is indeed directional and gaussian-looking with lower lobes <B> to -30 </ B> dB.

La cavité résonante est constituée d'une lame diélectrique (substrat quartz fondu, de permittivité F,<B≥ 3,80,</B> de diamètre #, <B≥</B> 20 mm et d'épaisseur<B>D = mm) à</B> faces parallèles sur lesquelles sont réalisées des grilles (inférieure et supérieure). Cette cavité résonante est excitée par un cornet pyramidal d'ouverture carrée et coté<B>c = 9</B> mm. L'ensemble comprenant la cavité et le cornet constitue l'antenne. Côté excitateur, la grille inférieure est uniforme et côté extérieur, la grille supérieure est non uniforme et simule une face courbe. Les caractéristiques géométriques de la cavité résonante sont dans cet exemple les suivantes ("ai" désigne la période spatiale des grilles et "di" la largeur des pistes métalliques)<B>:</B> <B>-</B> face inférieure (i<B>1)</B> a,<B≥ 1,3</B> mm dl/a, <B≥<I>50 %</I></B> réflectivité <B>à</B> la résonance<B>: 97,7 %</B> <B>-</B> face supérieure (i 2) a2=<B>0,6</B> mm 30% < d2/a2 < <B>51,6 %</B> réflectivité R<B>à</B> la résonance:<B>96,2 % < </B> R<B> < 99,7 %</B> rayon de courbure simulé<B>:</B> 400 mm Il est clair que de nombreux autres modes de réalisation de l'invention peuvent être envisagés. The resonant cavity consists of a dielectric plate (fused quartz substrate, permittivity F, <B≥ 3.80, </ B> of diameter #, <B≥ </ B> 20 mm and thickness <B> D = mm) at </ B> parallel faces on which grids (lower and upper) are made. This resonant cavity is excited by a pyramidal horn of square opening and side <B> c = 9 </ B> mm. The assembly comprising the cavity and the horn constitutes the antenna. Exciter side, the lower grid is uniform and outer side, the upper grid is non-uniform and simulates a curved face. The geometrical characteristics of the resonant cavity are in this example the following ones ("ai" designates the spatial period of the grids and "di" the width of the metal tracks) <B>: </ B> <B> - </ B> lower (i <B> 1) </ B> a, <B≥ 1.3 </ B> mm dl / a, <B≥ <I> 50% </ I> </ B> reflectivity <B> to <B> resonance <B>: 97.7% </ B> <B> - </ B> top face (i 2) a2 = <B> 0.6 </ B> mm 30% <d2 / a2 <<B> 51.6% </ B> reflectivity R <B> at </ B> resonance: <B> 96.2% </ R> <99.7% </ B> > simulated curvature radius <B>: </ B> 400 mm It is clear that many other embodiments of the invention can be envisaged.

On peut notamment remplacer les grilles inductives bidimensionnelles décrites ci-dessus par d'autres types de réseaux de motifs semi-réfléchissants <B>:</B> <B>-</B> grilles, capacitives ou inductives, mono <B>(ID)</B> ou bidimensionnelles <B>(2D)</B> <B>-</B> grilles avec croix de Jérusalem<B>;</B> <B>-</B> anneaux concentriques de longeurs et/ou de rayons éventuellement variables<B>;</B> <B>-</B> réseaux de motifs formant des ouvertures selon une forme prédéterminée (pseudo-circulaire, pseudo-carrée, pseudo-rectangulaires, <B>...</B> In particular, the two-dimensional inductive grids described above can be replaced by other types of gratings of semi-reflective patterns <B>: </ B> <B> - </ B> grids, capacitive or inductive, mono <B> (ID) </ B> or two-dimensional <B> (2D) <B> - </ B> Grids with Jerusalem Cross <B>; </ B> - </ B> - Concentric Rings optionally variable lengths and / or radii <B>; </ B> <B> - </ B> pattern networks forming apertures in a predetermined shape (pseudo-circular, pseudo-square, pseudo-rectangular, <B > ... </ B>

<B>-</B> réseaux de dipôles <B>-</B> etc. <B> - </ B> dipole networks <B> - </ B> etc.

Une grille mono-dimensionnelle <B>(ID)</B> est par exemple constituee d'une pluralité de pistes ou rubans conducteurs parallèles entre eux. Une grille bi -dimensionnelle<B>(2D)</B> est exemple constituée de deux ensembles de pistes ou rubans conducteurs parallèles entre au sein d'un même ensemble, chaque ensemble étant associe<B>à</B> une direction distincte (les directions des deux ensembles pouvant être orthogonales non).For example, a one-dimensional grid <B> (ID) </ B> is constituted by a plurality of tracks or conducting ribbons parallel to one another. A two-dimensional <B> (2D) </ B> grid is an example consisting of two sets of parallel conductive tracks or ribbons between the same set, each set being associated <B> with </ B> one direction distinct (the directions of the two sets can be orthogonal no).

Claims (1)

<B>REVENDICATIONS</B> <B>1.</B> Antenne<B>à</B> faisceau conformé selon un diagramme de rayonnement 'déterminé, type comprenant<B>:</B> une cavité résonante (21<B>; 3 1)</B> possédant notamment une face inférieure et une face supérieure, et constituée d'un substrat diélectrique (22<B>; 32)</B> recouvert sur chacune de ses faces supérieure et inférieure réseau de motifs semi-réfléchissants, supérieur et inférieur respectivement (24,<B>23</B> 34,33), des moyens<B>(25 ; 35)</B> d'excitation de ladite cavité résonante du côté de ladite face inférieure, par une source rayonnante, éventuellement, au moins une couche d'un substrat diélectrique tampon <B>(26),</B> située entre la face inférieure de ladite cavité résonante et lesdits moyens d'excitation, caractérisée en ce que ladite cavité résonante est une cavité<B>à</B> faces planes, lesdites faces supérieure et inférieure du substrat diélectrique de ladite cavité résonante étant planes et sensiblement parallèles entre elles, ce que lesdits réseaux de motifs semi-réfléchissants supérieur et inférieur et/ou lesdits moyens d'excitation et/ou ladite au moins une couche de substrat diélectrique tampon sont choisis avec des caractéristiques permettant de simuler l'effet moins courbure sur au moins une desdites faces planes de ladite cavité, et ainsi permettre l'obtention dudit diagramme de rayonnement prédéterminé. 2. Antenne selon la revendication<B>1,</B> caractérisée en ce que ledit réseau motifs serni-réfléchissants inférieur<B>(23)</B> est uniforme, en ce que ledit réseau de motifs semi-réfléchissants supérieur (24) est non uniforme et possède des caractéristiques telles que la face supérieure plane de ladite cavité resonante simule l'effet d'au moins une courbure. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdits moyens d'excitation appartiennent au groupe comprenant: des antennes planaires <B>(25) ;</B> des ouvertures rayonnantes ne possédant pas de collerette conductrice et/ou ne créant pas de discontinuité de phase sur la face inférieure de la cavité. 4. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdits moyens d'excitation<B>(35)</B> et/ou ladite au moins une couche de substrat diélectrique tampon créent au moins une discontinuité de phase sur ladite face inférieure de ladite cavité résonante, de façon que la face inférieure plane de ladite cavité résonante simule au moins une face courbe. <B>5.</B> Antenne selon la revendication<B>1,</B> caractérisée en ce que lesdits réseaux de motifs semi -réfléchissants supérieur et inférieur (34,<B>33)</B> sont uniformes, et en ce lesdits moyens d'excitation<B>(35)</B> et/ou ladite au moins une couche substrat diélectrique tampon créent au moins une discontinuité de phase sur ladite face inférieure ladite cavité résonante, de façon que la face inférieure plane de ladite cavite résonante simule au moins une face courbe. <B>6.</B> Antenne selon l'une quelconque des revendications 4 et<B>5,</B> caractérisée en ce lesdits moyens d'excitation appartiennent au groupe comprenant<B>:</B> des ouvertures rayonnantes<B>à</B> collerette conductrice<B>(35)</B> des fentes ou des réseaux de fentes<B>;</B> des antennes planaires associées chacune<B>à</B> au moins une couche d'un substrat diélectrique tampon partiellement métallisé sur sa face supérieure. <B>7.</B> Antenne selon l'une quelconque des revendications<B>1 à 6,</B> caractérisée en ce que lesdits réseaux de motifs serni-réfléchissants appartiennent au groupe comprenant des réseaux de motifs serai -réfléchissants uniformes<B>;</B> des réseaux de motifs semi -réfléchissants non uniformes. <B>8.</B> Antenne selon l'une quelconque des revendications<B>1 à 7,</B> caractérisée en ce qu'elle fonctionne aux longueurs d'ondes millimétriques et sub-millimétriques. <B> CLAIMS </ B> <B> 1. </ B> Antenna <B> to </ B> shaped beam according to a determined radiation pattern, type comprising <B>: </ B> a resonant cavity ( 21 <B>; 3 1) </ B> having in particular a bottom face and an upper face, and consisting of a dielectric substrate (22 <B>; 32) </ B> covered on each of its upper and lower faces network of semi-reflective patterns, upper and lower respectively (24, <B> 23 </ B> 34,33), means <B> (25; 35) </ B> for exciting said resonant cavity on the side of said lower face, by a radiating source, optionally, at least one layer of a buffer dielectric substrate <B> (26), </ B> located between the lower face of said resonant cavity and said excitation means, characterized in that said resonant cavity is a planar face cavity, said upper and lower faces of the dielectric substrate of said resonant cavity being planar and substantially parallel to each other, that said upper and lower semi-reflective pattern arrays and / or said excitation means and / or said at least one buffer dielectric substrate layer are selected with characteristics to simulate the effect minus curvature on at least one of said planar faces of said cavity, and thus allow obtaining said predetermined radiation pattern. Antenna according to claim 1, characterized in that said lower serni-reflective patterns <B> (23) </ B> pattern is uniform, in that said pattern of upper semi-reflective patterns (24) is nonuniform and has features such that the flat top face of said resonant cavity simulates the effect of at least one curvature. Antenna according to claim 2, characterized in that said excitation means belong to the group comprising: planar antennas <B> (25); </ B> radiating openings having no conductive flange and / or not creating phase discontinuity on the underside of the cavity. 4. Antenna according to claim 2, characterized in that said excitation means <B> (35) </ B> and / or said at least one buffer dielectric substrate layer create at least one phase discontinuity on said underside said resonant cavity, so that the planar underside of said resonant cavity simulates at least one curved face. <B> 5. </ B> Antenna according to claim 1, characterized in that said networks of upper and lower semi-reflective patterns (34, <B> 33) </ B> are uniform. and in that said <B> excitation means (35) </ B> and / or said at least one buffer dielectric substrate layer create at least one phase discontinuity on said bottom face of said resonant cavity, so that the face planar bottom of said resonant cavity simulates at least one curved face. An antenna according to any one of claims 4 and 5, characterized in that said excitation means belong to the group comprising openings. radiating <B> to </ B> conductive flange <B> (35) </ B> slots or networks of slots <B>; </ B> planar antennas associated each <B> to </ B> to least one layer of a partially metallized buffer dielectric substrate on its upper face. <B> 7. </ B> Antenna according to any of claims <B> 1 to 6, characterized in that said networks of serni-reflective patterns belong to the group comprising networks of serai-reflective patterns uniform <B>; </ B> networks of non-uniform semi-reflective patterns. An antenna according to any one of claims 1 to 7, characterized in that it operates at millimeter and sub-millimeter wavelengths.
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