FR2965669A1 - Reflecteur d'antenne large bande pour une antenne filaire plane a polarisation circulaire et procede de realisation du deflecteur d'antenne - Google Patents

Reflecteur d'antenne large bande pour une antenne filaire plane a polarisation circulaire et procede de realisation du deflecteur d'antenne Download PDF

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Abstract

L'invention s'applique au domaine des antennes filaires planes à polarisation circulaire pour des systèmes de télécommunication à très large bande. Elle concerne un réflecteur d'antenne (3) pour une telle antenne (2), un dispositif d'antenne comportant le réflecteur d'antenne (3) et l'antenne (2), et un procédé de réalisation du réflecteur d'antenne (3). Le réflecteur d'antenne (3) selon l'invention est basé sur une structure hybride comportant, d'une part, une première zone de réflexion (341A) présentant des propriétés électromagnétiques d'un conducteur électrique dans une première sous-bande de fréquences et, d'autre part, une deuxième zone de réflexion (342A) présentant des propriétés électromagnétiques voisines d'un conducteur magnétique dans une deuxième sous-bande de fréquences. Chaque zone de réflexion (341 A, 342A) est prévue pour venir en vis-à-vis d'une zone de l'antenne pouvant émettre un rayonnement électromagnétique dans la sous-bande de fréquences correspondante afin de réfléchir le champ électrique du rayonnement arrière en phase avec le champ électrique du rayonnement avant.

Description

REFLECTEUR D'ANTENNE LARGE BANDE POUR UNE ANTENNE FILAIRE PLANE A POLARISATION CIRCULAIRE ET PROCEDE DE REALISATION DU REFLECTEUR D'ANTENNE L'invention s'applique au domaine des antennes filaires planes à polarisation circulaire pour des dispositifs d'émission ou de réception à très large bande. Elle concerne un réflecteur d'antenne pour une telle antenne, un dispositif d'antenne comportant le réflecteur et l'antenne, et un procédé de réalisation du réflecteur d'antenne.
Dans le cadre de certaines applications, les antennes doivent avoir une large bande de fréquences de fonctionnement, par exemple de l'ordre de la décade, c'est-à-dire une bande de fréquences dont la fréquence maximale est au moins égale à dix fois la fréquence minimum. Les antennes filaires planes à polarisation circulaire telles que les antennes spirales font partie de ces antennes à large bande de fréquences. Une antenne spirale est généralement constituée d'un substrat diélectrique sur lequel est gravé un élément rayonnant. L'élément rayonnant comporte au moins deux brins enroulés en spirale et dont les extrémités intérieures sont alimentées en courant. Selon le nombre de brins et la phase du courant dans chaque brin, le rayonnement électromagnétique de l'antenne spirale est différent. La largeur de la bande de fréquences dépend des diamètres interne et externe de la spirale.
D'un point de vue théorique, une antenne filaire plane possède un plan de symétrie et rayonne donc dans tout l'espace, en particulier dans les deux directions orthogonales au plan de l'antenne. Pour des raisons de compatibilité électromagnétique, les antennes ne doivent pas interférer avec les autres systèmes situés à proximité. Par conséquent, elles sont très souvent spécifiées pour rayonner dans un demi-espace. Pour cette raison, l'antenne est associée à un réflecteur qui transforme le rayonnement bidirectionnel en un rayonnement unidirectionnel. D'un point de vue pratique, ce réflecteur joue aussi un rôle de support permettant de rigidifier l'antenne et de l'alimenter en courant.
Selon une première solution, le réflecteur comprend un plan conducteur électrique disposé à une distance de l'antenne égale au quart de la longueur d'onde moyenne du rayonnement qu'elle émet ou qu'elle reçoit. A une telle distance, le champ électrique du rayonnement arrière réfléchi se retrouve en phase avec le champ électrique du rayonnement avant. Le principal inconvénient de cette solution est que la distance ne peut être ajustée de façon optimale que pour une seule longueur d'onde. Le champ électrique du rayonnement émis ou reçu à des longueurs d'onde éloignées de cette longueur d'onde moyenne risque donc d'être perturbé, limitant, de fait, la largeur de bande de l'antenne. Un autre inconvénient de cette solution est que le quart de la longueur d'onde représente rapidement une distance importante pour les fréquences basses, ce qui engendre une épaisseur globale pour l'antenne relativement importante. En outre, le plan conducteur électrique autorise la propagation de courants de surface et des phénomènes de réflexion et de diffraction se produisent au bord de l'antenne, générant ainsi des rayonnements parasites.
Selon une deuxième solution, le réflecteur d'antenne comporte une structure de type Conducteur Magnétique Artificiel (CMA) disposée sous le plan de l'antenne du côté du rayonnement arrière. Une structure CMA classique comporte un substrat diélectrique, des motifs conducteurs électriques disposés périodiquement sur une première surface du substrat diélectrique et un plan conducteur électrique uniforme formant un plan de masse sur une deuxième surface du substrat diélectrique. Chaque motif conducteur peut être relié au plan de masse par des trous d'interconnexion, généralement appelés "vias" dans la littérature anglo-saxonne. Une structure CMA a la propriété de réfléchir le champ électrique du rayonnement arrière en phase avec le champ électrique du rayonnement avant. Elle peut donc être positionnée au plus près de l'antenne et permettre une réduction de l'épaisseur du dispositif d'antenne comportant l'antenne et la structure CMA. Une structure CMA peut aussi avoir la propriété d'interdire la propagation des ondes électromagnétiques dans certaines directions du plan dans lequel sont disposés les motifs conducteurs, ce qui empêche de générer un rayonnement parasite. On parle alors de structure à bande interdite électromagnétique (BIE). Cependant, les propriétés d'une structure de type BIE ou CMA ne se manifestent que dans une certaine bande de fréquences, appelée soit bande BIE, soit bande CMA selon le cas considéré. Cette bande de fréquences, notamment sa fréquence centrale et ses fréquences de coupure basse et haute, dépendent de la forme et des dimensions des motifs conducteurs, ainsi que de l'épaisseur et de la permittivité relative du substrat diélectrique de la structure. En particulier, pour une épaisseur du substrat diélectrique relativement faible, c'est-à-dire très petite devant la longueur d'onde, que l'on considère la bande BIE ou la bande CMA, la largeur de bande est très faible, c'est-à-dire très inférieure à l'octave. Ainsi, les contraintes portant sur l'épaisseur font que les antennes actuelles comportant un réflecteur à structure BIE ou CMA ne permettent pas de fonctionner sur une large bande de fréquences, supérieure à la décade.
Un but de l'invention est notamment de remédier aux inconvénients précités en proposant un réflecteur d'antenne à large bande de fréquences et présentant une épaisseur réduite basé sur une structure hybride. Cette structure hybride comporte à la fois un plan conducteur électrique du type de la première solution et une structure de type CMA basée sur la deuxième solution. A cet effet, l'invention a pour objet un réflecteur d'antenne présentant localement soit des propriétés électromagnétiques d'un conducteur électrique, soit des propriétés électromagnétiques voisines d'un conducteur magnétique, en fonction du rayonnement émis ou reçu localement par l'antenne. Plus précisément, l'invention a pour objet un réflecteur d'antenne sur lequel peut être montée une antenne filaire plane à polarisation circulaire pouvant émettre un rayonnement électromagnétique selon deux directions orthogonales au plan de l'antenne sur une bande de fréquences prédéterminée, le réflecteur d'antenne étant caractérisé en ce qu'il comporte : ^ une première zone de réflexion apte à réfléchir, avec un déphasage voisin de 180 degrés, un champ électrique du rayonnement électromagnétique dit arrière dont la fréquence est comprise dans une première sous-bande de fréquences, la première zone de réflexion étant apte à venir en vis-à-vis d'une zone de l'antenne pouvant émettre un rayonnement électromagnétique dans la première sous-bande de fréquences, à une distance permettant de réfléchir le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière sensiblement en phase avec le champ électrique du rayonnement électromagnétique dit avant, et ^ une deuxième zone de réflexion apte à réfléchir, avec un déphasage compris entre deux valeurs d'angle entourant la valeur de zéro degré, le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière dont la fréquence est comprise dans une deuxième sous-bande de fréquences, la deuxième zone de réflexion étant apte à venir en vis-à-vis d'une zone de l'antenne pouvant émettre un rayonnement électromagnétique dans la deuxième sous-bande de fréquences, à une distance permettant de réfléchir le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière sensiblement en phase avec le champ électrique du rayonnement électromagnétique avant.
Le réflecteur peut comporter plusieurs zones de réflexion chacune apte à réfléchir, avec un déphasage compris entre deux valeurs entourant la valeur de zéro degré, le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière dont la fréquence est comprise dans une sous-bande de fréquences. Chaque zone de réflexion est alors apte à venir en vis-à-vis d'une zone de l'antenne pouvant émettre un rayonnement électromagnétique dans la sous-bande de fréquences considérée, à une distance permettant de réfléchir le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière sensiblement en phase avec le champ électrique du rayonnement électromagnétique avant.
De même, le réflecteur peut comporter plusieurs zones de réflexion chacune apte à réfléchir, avec un déphasage voisin de 180 degrés, le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière dont la fréquence est comprise dans une sous-bande de fréquences. Chaque zone de réflexion est alors apte à venir en vis-à-vis d'une zone de l'antenne pouvant émettre un rayonnement électromagnétique dans la sous-bande de fréquences considérée, à une distance permettant de réfléchir le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière sensiblement en phase avec le champ électrique du rayonnement électromagnétique avant.
Selon une forme particulière de réalisation, la première sous-bande de fréquences correspond aux fréquences les plus élevées de la bande de fréquences prédéterminée. Le réflecteur peut ainsi être placé à une distance de l'antenne sensiblement égale au quart de la longueur d'onde de la fréquence centrale de cette sous-bande de fréquences, soit relativement proche de l'antenne.
Avantageusement, les sous-bandes de fréquences, considérées dans leur ensemble, couvrent sensiblement toute la bande de fréquences prédéterminée. Le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière peut ainsi se retrouver en phase avec le champ électrique du rayonnement électromagnétique avant sur toute la bande de fréquences de l'antenne.
Le réflecteur peut comporter un substrat en matériau diélectrique et un plan de masse formé sur une première surface du substrat, la première zone de réflexion étant formée sur une deuxième surface du substrat par un motif conducteur électrique, la ou les autres zones de réflexion étant chacune formées sur la deuxième surface du substrat par un ensemble de motifs conducteurs électriques disposés de manière non jointive.
Selon une première forme de réalisation, les première et deuxième surfaces du substrat sont sensiblement planes et parallèles entre elles. Selon une deuxième forme de réalisation, la deuxième surface du substrat a une forme conique.
Les motifs conducteurs électriques des ensembles formant des zones de réflexion aptes à réfléchir le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière avec un déphasage compris entre deux valeurs entourant la valeur de zéro degré peuvent être reliés électriquement au plan de masse.
Selon une forme particulière de réalisation, les deux valeurs d'angle entourant la valeur de zéro degré sont sensiblement égales à -120 35 degrés et +120 degrés.
L'invention a également pour objet un dispositif d'antenne comprenant une antenne filaire plane à polarisation circulaire pouvant émettre un rayonnement électromagnétique sur une bande de fréquences prédéterminée et un réflecteur d'antenne selon l'invention.
L'invention a aussi pour objet un procédé de réalisation du réflecteur d'antenne selon l'invention. Le procédé comporte les étapes suivantes : ^ une étape de détermination, dans une zone de champ proche, d'une distribution d'amplitude d'un rayonnement électromagnétique apte à être émis par l'antenne en l'absence du réflecteur d'antenne pour au moins une première et une deuxième sous-bandes de fréquences appartenant à la bande de fréquences prédéterminée, ^ une étape de détermination de la forme et des dimensions d'une première zone de réflexion du réflecteur d'antenne apte à réfléchir, avec un déphasage voisin de 180 degrés, un champ électrique du rayonnement électromagnétique dit arrière dont la fréquence est comprise dans la première sous-bande de fréquences, de manière à ce que cette zone de réflexion puisse venir en vis-à-vis de la zone de l'antenne où le rayonnement électromagnétique apte à être émis par l'antenne dans la première sous-bande de fréquences a la plus forte amplitude, à une distance permettant la réflexion du champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière sensiblement en phase avec le champ électrique du rayonnement électromagnétique dit avant, et ^ une étape de détermination de la forme et des dimensions d'une deuxième zone de réflexion du réflecteur d'antenne apte à réfléchir, avec un déphasage compris entre deux valeurs d'angle entourant la valeur de zéro degré, le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière dont la fréquence est comprise dans la deuxième sous-bande de fréquences, de manière à ce que cette zone de réflexion puisse venir en vis-à-vis de la zone de l'antenne où le rayonnement électromagnétique apte à être émis par l'antenne dans la deuxième sous-bande de fréquences a la plus forte amplitude, à une distance permettant la réflexion du champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière sensiblement en phase avec le champ électrique du rayonnement électromagnétique avant.
Le procédé peut comporter les étapes supplémentaires suivantes : ^ une étape de détermination d'une distance minimale dEm;n pouvant séparer l'antenne de la première zone de réflexion du réflecteur d'antenne sans altérer significativement la distribution d'amplitude du rayonnement électromagnétique émis par l'antenne dans la première sous-bande de fréquences, ^ une étape de détermination d'une distance minimale dBmin pouvant séparer l'antenne de la deuxième zone de réflexion du réflecteur d'antenne sans altérer significativement la distribution d'amplitude du rayonnement électromagnétique émis par l'antenne dans la deuxième sous-bande de fréquences.
L'invention a notamment pour avantage qu'elle permet de maintenir un coefficient de réflexion proche de la valeur un sur une large bande de fréquences, nominalement sur toute la bande de fréquences de fonctionnement de l'antenne.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, faite en regard de dessins annexés sur lesquels : la figure 1 représente un exemple de dispositif d'antenne 25 comportant une antenne spirale et un réflecteur d'antenne selon l'invention ; - la figure 2 représente des étapes possibles pour le procédé de réalisation d'un réflecteur d'antenne selon l'invention ; - les figures 3a et 3b représentent des exemples de distributions d'amplitude du rayonnement électromagnétique émis par une antenne 30 spirale à une fréquence donnée selon que le rayonnement électromagnétique est altéré ou non par la présence du réflecteur d'antenne ; - la figure 4 représente un exemple de diagramme de phase obtenu dans une étape du procédé de réalisation d'un réflecteur d'antenne selon l'invention. 35 Un conducteur électrique parfait, ou PEC pour "Perfect Electric Conductor" selon l'expression anglo-saxonne, est une structure dont une surface présente une conductivité électrique infinie. Le champ électrique tangentiel sur cette surface est donc toujours nul. Un champ électrique incident rencontrant la surface est réfléchi en opposition de phase, quelle que soit sa fréquence. Pour la suite de la description, on assimile les conducteurs électriques à des conducteurs électriques parfaits. Un conducteur magnétique parfait, ou PMC pour "Perfect Magnetic Conductor" selon l'expression anglo-saxonne, est une structure comportant une surface sur laquelle le champ magnétique tangentiel est toujours nul. Un champ magnétique incident rencontrant cette surface s'annule, tandis que le champ électrique incident est réfléchi en phase. Les structures présentant des propriétés de conducteurs magnétiques parfaits ne peuvent pas être réalisées matériellement. Il est néanmoins possible de réaliser des structures présentant des propriétés électromagnétiques voisines dans une certaine bande de fréquences et pour une polarisation donnée. On considère qu'une surface présentant des propriétés électromagnétiques voisines d'un conducteur magnétique parfait dans une bande de fréquences donnée est une surface pour laquelle la phase du coefficient de réflexion aux fréquences considérées est comprise entre deux valeurs autour de 0°. La phase du coefficient de réflexion est par exemple comprise entre -120 et 120 degrés. Une surface présentant des propriétés électromagnétiques voisines d'un conducteur magnétique parfait dans une bande de fréquences donnée est généralement désignée comme étant une surface à haute impédance pour cette bande de fréquences.
La figure 1 représente un exemple de dispositif d'antenne 1 comportant une antenne spirale 2 et un réflecteur d'antenne 3 selon l'invention. L'antenne spirale 2 est apte à émettre sur une bande de fréquences prédéterminée, appelée bande de fréquences de fonctionnement OF. Elle peut émettre un rayonnement électromagnétique selon deux directions orthogonales à son plan. Le rayonnement électromagnétique se propageant dans la direction opposée au réflecteur d'antenne 3 est appelé rayonnement avant, et le rayonnement électromagnétique se propageant dans la direction opposée est appelé rayonnement arrière. L'antenne spirale 2 comporte un substrat diélectrique 21 et deux brins conducteurs électriques 22a et 22b formant l'élément rayonnant de l'antenne spirale 2. Le substrat diélectrique 21 est par exemple une plaque époxydique de type circuit imprimé. Il comporte une surface supérieure 24 et une surface inférieure 25 sensiblement planes et parallèles. Les brins conducteurs 22a et 22b ont une longueur identique et sont mutuellement enroulés autour d'un point central O pour former une spirale 26 sur la surface supérieure 24. Le premier brin 22a s'étend entre une extrémité intérieure A et une extrémité extérieure 6 de la spirale 26. Le deuxième brin 22b s'étend entre une extrémité intérieure C et une extrémité extérieure D de la spirale 26. L'antenne spirale 2 comporte également des moyens d'alimentation de l'élément rayonnant, non représentés. Habituellement, les deux brins 22a et 22b sont alimentés au niveau de leurs extrémités intérieures A et C par des signaux hyperfréquences en opposition de phase. Les brins 22a et 22b peuvent être imprimés ou gravés sur la surface supérieure 24. Ils peuvent également être formés dans un matériau conducteur électrique et fixés sur la surface supérieure 24.
Sur la figure 1 est représentée une antenne filaire plane de type spirale d'Archimède. Dans une telle antenne, chaque brin conducteur a une épaisseur constante et un espacement constant vis-à-vis de l'autre brin. Néanmoins, l'invention s'applique également à tout type d'antenne filaire plane à polarisation circulaire. Elle s'applique notamment aux antennes à spirale équiangulaire, également appelées antennes à spirale logarithmique, dans lesquelles la largeur des brins et l'espacement entre les brins augmentent avec l'éloignement du centre de la spirale. De même, l'antenne spirale de la figure 1 comporte deux brins conducteurs électriques. Cependant, l'invention s'applique également à des antennes comportant un nombre différent de brins.
Le réflecteur d'antenne faisant l'objet de l'invention utilise les propriétés de fonctionnement des antennes filaires planes. L'élément rayonnant d'une telle antenne, lorsqu'il est excité, émet un rayonnement électromagnétique depuis une zone de fonctionnement localisée, liée à l'agencement relatif des brins et au déphasage du courant circulant dans les différents brins. Cette zone de fonctionnement présente la particularité de varier en fonction de la fréquence selon une loi propre à chaque type d'antenne filaire plane. En particulier, pour une antenne à spirale d'Archimède dont les brins sont alimentés en opposition de phase, la zone de fonctionnement depuis laquelle est émis un rayonnement électromagnétique à une fréquence donnée forme un anneau dont le diamètre moyen est sensiblement égal à la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique divisée par le nombre Pi (D=À/Tr). Le réflecteur d'antenne selon l'invention, sur lequel une antenne est destinée à être montée, comporte ainsi au moins deux zones de réflexion dont les propriétés électromagnétiques s'adaptent au rayonnement électromagnétique émis localement par l'antenne. Une première zone de réflexion présente des propriétés électromagnétiques d'un conducteur électrique, notamment dans une première sous-bande de fréquences AF1. Cette sous-bande de fréquences AF1 correspond par exemple à des fréquences élevées de la bande de fréquences de fonctionnement AF dans laquelle émet l'antenne filaire plane. Une deuxième zone de réflexion présente des propriétés électromagnétiques voisines d'un conducteur magnétique parfait dans une deuxième sous-bande de fréquences OF2. Cette deuxième sous-bande de fréquences OF2 correspond par exemple à des fréquences plus faibles que celles de la première sous-bande de fréquences AF1. Le réflecteur d'antenne peut également comporter des zones supplémentaires présentant soit des propriétés électromagnétiques d'un conducteur électrique, soit des propriétés électromagnétiques voisines d'un conducteur magnétique parfait dans d'autres sous-bandes de fréquences. Avantageusement, ces différentes sous-bandes de fréquences sont déterminées de manière à couvrir, avec la première sous-bande de fréquences AF1, l'ensemble de la bande de fréquences de fonctionnement OF. Selon une forme particulière de réalisation, les zones présentant des propriétés électromagnétiques d'un conducteur électrique sont alternées avec des zones présentant des propriétés électromagnétiques voisines d'un conducteur magnétique parfait.
Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1, le réflecteur d'antenne 3 comporte un substrat diélectrique 31, un plan de masse 32 porté par une surface inférieure 33 du substrat diélectrique 31, et trois ensembles 341, 342, 343 de motifs conducteurs électriques 34 portés par une surface supérieure 35 du substrat diélectrique 31. Le substrat diélectrique 31 peut être une plaque époxydique de type circuit imprimé dont les surfaces supérieure 35 et inférieure 33 sont sensiblement planes et parallèles. Les motifs conducteurs 34 peuvent alors être imprimés ou gravés sur la surface supérieure 35 du substrat diélectrique 31. Plus généralement, ils peuvent être réalisés par toute technique classique de réalisation des circuits imprimés. Ils peuvent également être formés dans un matériau conducteur électriquement et fixés sur la surface supérieure 35. La surface inférieure 25 du substrat diélectrique 21 de l'antenne spirale 2 vient en vis-à-vis de la surface supérieure 35 du substrat diélectrique 31 du réflecteur d'antenne 3. Le substrat diélectrique 21 peut venir en appui directement sur les motifs conducteurs 34. Le substrat diélectrique 21 remplit alors une fonction d'isolation électromagnétique entre l'antenne spirale 2 et le réflecteur d'antenne 3. Cette isolation peut néanmoins être assurée par tout autre moyen. Chaque ensemble 341, 342, 343 de motifs conducteurs 34 est configuré de manière à former une zone de réflexion dont les propriétés électromagnétiques peuvent différer de celles des autres zones afin de s'adapter au rayonnement électromagnétique à réfléchir localement. Le premier ensemble 341 de motifs conducteurs 34 ne comporte qu'un seul motif conducteur de la forme d'un disque. Le disque conducteur 36 forme ainsi une première zone de réflexion 341A dont les propriétés électromagnétiques s'apparentent à celles d'un conducteur électrique. En particulier, le disque conducteur 36 présente des propriétés électromagnétiques d'un conducteur électrique au moins dans la première sous-bande de fréquences OF1. Le réflecteur d'antenne 3 peut ainsi être placé à une distance relativement proche de l'antenne spirale 2. La distance considérée entre le réflecteur d'antenne 3 et l'antenne spirale 2 peut être la distance entre la surface supérieure 35 du substrat diélectrique 31 du réflecteur d'antenne 3 et la surface supérieure 24 du substrat diélectrique 21 de l'antenne spirale 2, appelée hauteur h. Théoriquement, la hauteur h peut être sensiblement égale à un multiple entier impair de quarts de longueurs d'onde de la fréquence centrale de la première sous-bande de fréquences OF1 «2.N+1).À/4, où N est un entier naturel), le rayonnement électromagnétique arrière réfléchi se retrouvant en phase avec le rayonnement incident au niveau de la surface supérieure 24 du substrat diélectrique 21 de l'antenne spirale 2. La hauteur h est par exemple sensiblement égale au quart de la longueur d'onde de la fréquence centrale de la première sous-bande de fréquences OF1. Le deuxième ensemble 342 de motifs conducteurs 34 comporte plusieurs motifs conducteurs électriques 34 non jointifs disposés sur la surface supérieure 35 de manière à former globalement une zone de réflexion annulaire 342A entourant le disque conducteur 36 et dont le centre est sensiblement confondu avec le centre du disque conducteur 36. De même, le troisième ensemble 343 de motifs conducteurs 34 comporte plusieurs motifs conducteurs 34 non jointifs formant globalement une zone de réflexion annulaire 343A de diamètre supérieur au diamètre de la zone annulaire 342A formée par le deuxième ensemble 342 de motifs conducteurs 34. Les motifs conducteurs 34 des deuxième et troisième ensembles 342 et 343 peuvent être reliés électriquement au plan de masse 32, par exemple par l'intermédiaire de trous métallisés réalisés dans le substrat diélectrique 31 du réflecteur d'antenne 3. Chaque ensemble 342 et 343 de motifs conducteurs 34 forme ainsi une zone de réflexion présentant des propriétés électromagnétiques voisines d'un conducteur magnétique parfait. La forme géométrique et les dimensions des motifs conducteurs 34 sont déterminées de manière à ce que chaque zone de réflexion annulaire 342A et 343A, destinée à former localement un réflecteur pour la zone de fonctionnement de l'antenne spirale 2 dans une sous-bande de fréquences OF2 ou OF3, présente des propriétés électromagnétiques voisines d'un conducteur magnétique parfait au moins dans cette sous-bande de fréquences OF2 ou OF3. Le réflecteur d'antenne 3 peut également comporter d'autres zones de réflexion dont les propriétés électromagnétiques s'apparentent à celles d'un conducteur électrique. Ces zones de réflexion sont prévues pour venir à une distance de l'antenne 2 de manière à pouvoir réfléchir le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière sensiblement en phase avec le champ électrique du rayonnement électromagnétique avant au niveau de la surface supérieure 24 de l'antenne 2. En théorie, la hauteur, ou distance entre ces zones de réflexion et l'antenne 2 doit être sensiblement égale à un multiple entier pair de quarts de longueurs d'onde de la fréquence centrale de la sous-bande de fréquences respective (2.N.A/4, où N est un entier naturel). En pratique, la hauteur peut différer selon le champ proche émis par l'antenne 2, comme expliqué ci-dessous.
La figure 2 illustre des étapes possibles du procédé de réalisation d'un réflecteur d'antenne selon l'invention pour une antenne filaire plane. Pour la suite de la description, on continue à considérer le cas particulier d'une antenne spirale comme celle représentée sur la figure 1. Le procédé s'applique néanmoins à tout type d'antenne filaire plane à polarisation circulaire. Dans une première étape 101, le rayonnement électromagnétique émis par l'antenne spirale 2 seule, c'est-à-dire sans le réflecteur d'antenne 3, est caractérisé pour au moins deux fréquences appartenant à la bande de fréquences de fonctionnement OF de l'antenne spirale 2. Il est bien entendu possible de caractériser le rayonnement électromagnétique sur deux sous- bandes de fréquences appartenant à la bande de fréquences de fonctionnement OF. Pour la suite de la description, on considère que le rayonnement électromagnétique est caractérisé pour les sous-bandes de fréquence OF1, OF2 et OF3. Plus précisément, on détermine des distributions en amplitude et en phase de champs électromagnétiques émis par l'antenne spirale 2 dans la zone de champ proche dans un plan sensiblement parallèle au plan de l'antenne spirale 2, en l'occurrence la surface supérieure 24. A cet effet, les brins conducteurs 22a et 22b de l'antenne spirale 2 sont alimentés à leurs extrémités intérieures A et C par des courants électriques de mêmes amplitudes et présentant en général une différence de phase de 180 degrés. Comme indiqué ci-dessus, le rayonnement électromagnétique émis par l'antenne spirale 2 présente une amplitude maximale lorsque les courants circulant dans les brins 22a et 22b se trouvent localement en phase. En pratique, le rayonnement électromagnétique émis par l'antenne spirale 2 à une fréquence donnée présente une amplitude maximale dans une zone formant un anneau circulaire dont le diamètre moyen est sensiblement égal à la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique divisée par le nombre Pi. Dans une deuxième étape 102, la distance minimale dEmin pouvant séparer l'antenne spirale 2 d'un conducteur électrique sans altérer la distribution d'amplitude du rayonnement électromagnétique émis par l'antenne spirale 2 dans la sous-bande de fréquences OF1 est déterminée.
La distribution d'amplitude est par exemple considérée dans la zone de champ proche. La distance considérée est par exemple la hauteur h entre la surface supérieure 35 du substrat diélectrique 31 du réflecteur d'antenne 3 et la surface supérieure 24 du substrat diélectrique 21 de l'antenne spirale 2. L'étape 102 peut être réalisée sur une large bande de fréquences, par exemple sur toute la bande de fréquences de fonctionnement OF. En pratique, il s'agit essentiellement de déterminer la distance minimale devant séparer l'antenne spirale 2 de la zone de réflexion 341A présentant des propriétés électromagnétiques d'un conducteur électrique. L'étape 102 est donc réalisée au moins pour la sous-bande de fréquences OF1.
Les figures 3a et 3b représentent deux exemples de distributions d'amplitude du rayonnement électromagnétique émis par une antenne spirale 2 à une fréquence donnée dans un plan appartenant à la zone de champ proche parallèle au plan de l'antenne spirale 2. La première distribution, représentée sur la figure 3a, est relative à une distance entre l'antenne spirale 2 et le réflecteur d'antenne 3 pour laquelle le rayonnement électromagnétique n'est pas altéré ; la deuxième distribution, représentée sur la figure 3b, est relative à une distance pour laquelle le rayonnement électromagnétique est altéré. Sur la figure 3a, on distingue des anneaux circulaires 301 à 305 correspondant à différentes amplitudes de la densité d'énergie électrique. Les anneaux 301 et 305, 302 et 304, et 303 présentent par exemple des amplitudes moyennes respectivement égales à 2.10-' J/m3, 6.10-' J/m3, et 1,5.10"6 J/m3. L'anneau 303 correspond ainsi à la zone de fonctionnement de l'antenne spirale 2 à la fréquence donnée. La forme annulaire de la distribution d'amplitude permet de déduire que le rayonnement électromagnétique n'est pas altéré. Sur la figure 3b, on distingue des zones d'amplitude de forme irrégulière. Une première zone 306 présente une amplitude moyenne sensiblement égale à 2.10-' J/m3. Deux zones 307a et 307b présentent une amplitude moyenne sensiblement égale à 2,5.10-6J/m3, et deux zones 308a et 308b présentent une amplitude moyenne sensiblement égale à 5,5.10-6J/m3. Le fait que les zones présentant une amplitude maximale ne forment pas une zone annulaire continue permet de déduire que le rayonnement électromagnétique est altéré. Bien entendu, le caractère altéré ou non du rayonnement électromagnétique doit être examiné en fonction de la géométrie de l'antenne considérée. Dans le cas d'une antenne spirale, la forme discriminante est un anneau circulaire.
Dans une troisième étape 103 du procédé de réalisation d'un réflecteur d'antenne 3 selon l'invention, la distance minimale dBmin pouvant séparer l'antenne spirale 2 d'un conducteur magnétique parfait sans altérer la distribution d'amplitude du rayonnement électromagnétique émis par l'antenne spirale 2 au moins dans l'une des sous-bande de fréquences AF2 et OF3 est déterminée. La distribution d'amplitude est par exemple considérée dans la zone de champ proche. La distance considérée peut également être la hauteur h. L'étape 103 peut être réalisée sur une large bande de fréquences, par exemple sur toute la bande de fréquences de fonctionnement OF. En pratique, il s'agit essentiellement de déterminer la distance minimale dBmin devant séparer l'antenne spirale 2 des zones de réflexion 342A et 343A dont les propriétés électromagnétiques s'apparentent à celles d'un conducteur magnétique parfait. L'étape 103 est donc réalisée de préférence pour les sous-bandes de fréquences AF2 et OF3. Le cas échéant, elle est réalisée pour chacune des sous-bandes de fréquences considérées en dehors de la sous-bande de fréquences OF1. Dans une quatrième étape 104, la forme et les dimensions de la première zone de réflexion 341A, présentant des propriétés électromagnétiques d'un conducteur électrique dans la sous-bande de fréquences OF1, sont déterminées de manière à ce que cette zone de réflexion 341A vienne au voisinage de la zone de fonctionnement de l'antenne spirale 2 dans cette sous-bande de fréquences OF1. L'étape 104 consiste essentiellement à déterminer le diamètre du disque conducteur 36. Dans une cinquième étape 105, la forme et les dimensions des zones de réflexion 342A et 343A, présentant des propriétés électromagnétiques voisines d'un conducteur magnétique parfait dans les sous-bandes de fréquences respectives AF2 et OF3, sont également déterminées de manière à ce que chaque zone de réflexion 342A et 343A vienne au voisinage de la zone de fonctionnement de l'antenne spirale 2 dans la sous-bande de fréquences respective AF2 ou AF3. L'étape 105 consiste essentiellement à déterminer les diamètres internes et externes des zones de réflexion 342A et 343A ainsi que les longueurs des arcs de cercles délimitant radialement les motifs conducteurs 34. Plus généralement, l'étape 105 consiste à déterminer l'emplacement et la surface des motifs conducteurs 34 de manière à ce que chaque ensemble de motifs conducteurs forme une surface présentant des propriétés électromagnétiques voisines d'un conducteur magnétique parfait dans une sous-bande de fréquences. Dans les étapes 104 et 105, on considère qu'une zone de réflexion vient au voisinage d'une zone de fonctionnement de l'antenne spirale 2 lorsqu'elle permet de réfléchir le rayonnement électromagnétique émis par cette zone de fonctionnement dans la direction de rayonnement souhaitée. II est à noter que les étapes du procédé de réalisation du réflecteur d'antenne 3 peuvent être réalisées dans un ordre différent, tant que la première étape 101 est réalisée avant les étapes 104 et 105.
L'étape 105 peut par exemple être réalisée par une adaptation de structures CMA classiques. Une structure CMA classique comporte un substrat diélectrique, un plan de masse porté par une première surface du substrat diélectrique, et des motifs conducteurs électriques de forme rectangulaire agencés suivant une matrice régulière et portés par une deuxième surface du substrat diélectrique. L'épaisseur du substrat diélectrique de la structure CMA classique est de préférence choisie égale à l'épaisseur du substrat diélectrique 31 du réflecteur d'antenne 3. Une structure CMA présente des propriétés électromagnétiques voisines d'un conducteur magnétique parfait dans une sous-bande de fréquences déterminée. Dans une première sous-étape, on détermine, pour chaque sous-bande de fréquences en dehors de la sous-bande de fréquences AF1, les dimensions (longueur et largeur) des motifs conducteurs d'une structure CMA classique permettant de former une surface présentant des propriétés voisines d'un conducteur magnétique parfait dans la sous-bande de fréquences considérée. Dans le cas d'une antenne spirale, les surfaces des motifs conducteurs formant le réflecteur sont de plus en plus grandes à mesure que l'on s'éloigne du centre du réflecteur d'antenne 3. Dans une deuxième sous-étape, pour chacune des sous-bandes de fréquences considérées, on adapte les motifs conducteurs des structures CMA classiques à la zone de fonctionnement correspondante de l'antenne spirale 2, chaque motif conducteur adapté 34 conservant sensiblement une même surface que celle dans la structure CMA classique. Dans une antenne spirale, les motifs conducteurs 34 prennent donc globalement une forme annulaire, comme représenté sur la figure 1. Dans une troisième sous-étape, on construit un diagramme de phase résultant de l'association de différents diagrammes de phases associés chacun à l'une des structures CMA classiques considérées. La figure 4 représente un exemple d'un tel diagramme de phase. Des phases du coefficient de réflexion des différentes structures CMA classiques sont tracées sur un premier graphique en fonction du rayon de l'antenne spirale 2 ; les fréquences de fonctionnement de l'antenne spirale 2 sont tracées sur un deuxième graphique en fonction du rayon de l'antenne spirale 2. Dans une quatrième sous-étape, on choisit, à partir du diagramme de phase de la figure 4, au moins un ensemble 342 de motifs conducteurs 34 permettant de réfléchir un rayonnement électromagnétique incident avec un déphasage sensiblement égal à zéro degré. De préférence, on choisit plusieurs ensembles de motifs conducteurs 34, par exemple les deux ensembles 341 et 342, de manière à couvrir différentes zones de fonctionnement de l'antenne spirale 2 sans qu'il y ait recouvrement de motifs conducteurs 34 entre différents ensembles.
Le réflecteur d'antenne 3 obtenu par le procédé selon l'invention est destiné à recevoir une antenne spirale 2 à une distance minimum pour laquelle ni la première zone de réflexion 341A, ni les zones de réflexion 342A et 343A n'altèrent le rayonnement électromagnétique. La distance minimum correspond de préférence au maximum entre les distances dEmin et dBrnin déterminées dans les étapes 102 et 103. Dans la mesure où les longueurs d'onde du rayonnement électromagnétique émis dans la première sous-bande de fréquences OF1 sont plus courtes que les longueurs d'onde du rayonnement électromagnétique émis dans la deuxième sous-bande de fréquences OF2, les rayonnements électromagnétiques émis à la fois dans la sous-bande de fréquences OF1 et dans la sous-bande de fréquences AF2 peuvent se retrouver en phase avec les rayonnements électromagnétiques réfléchis correspondants dans la zone de champ proche. Afin de conserver une réflexion en phase sur toute la bande de fréquences de fonctionnement AF de l'antenne spirale 2, il est en outre possible de faire varier la distance séparant l'antenne spirale 2 du réflecteur d'antenne 3, ou d'utiliser des

Claims (13)

  1. REVENDICATIONS1. Réflecteur d'antenne sur lequel peut être montée une antenne filaire plane à polarisation circulaire (2) pouvant émettre un rayonnement électromagnétique selon deux directions orthogonales au plan de l'antenne (2) sur une bande de fréquences prédéterminée, le réflecteur d'antenne (3) étant caractérisé en ce qu'il comporte : ^ une zone de réflexion (341A) apte à réfléchir, avec un déphasage voisin de 180 degrés, un champ électrique du rayonnement électromagnétique dit arrière dont la fréquence est comprise dans une première sous-bande de fréquences, ladite zone de réflexion (341A) étant apte à venir en vis-à-vis d'une zone de l'antenne (2) pouvant émettre un rayonnement électromagnétique dans la première sous-bande de fréquences, à une distance permettant de réfléchir le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière sensiblement en phase avec le champ électrique du rayonnement électromagnétique dit avant, et ^ une zone de réflexion (342A, 343A) apte à réfléchir, avec un déphasage compris entre deux valeurs d'angle entourant la valeur de zéro degré, le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière dont la fréquence est comprise dans une deuxième sous-bande de fréquences, ladite zone de réflexion (342A, 343A) étant apte à venir en vis-à-vis d'une zone de l'antenne (2) pouvant émettre un rayonnement électromagnétique dans la deuxième sous-bande de fréquences, à une distance permettant de réfléchir le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière sensiblement en phase avec le champ électrique du rayonnement électromagnétique avant.
  2. 2. Réflecteur selon la revendication 1 comportant au moins une autre zone de réflexion (342A, 343A) apte à réfléchir, avec un déphasage compris entre deux valeurs entourant la valeur de zéro degré, le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière dont la fréquence est comprise dans une sous-bande de fréquences, chaque zone de réflexion (342A, 343A) étant apte à venir en vis-à-vis d'une zone de l'antenne (2) pouvant émettre un rayonnement électromagnétique dans la sous-bande de fréquences considérée, à une distance permettant de réfléchir le champélectrique du rayonnement électromagnétique arrière sensiblement en phase avec le champ électrique du rayonnement électromagnétique avant.
  3. 3. Réflecteur selon l'une des revendications 1 et 2 comportant au moins une autre zone de réflexion (341A) apte à réfléchir, avec un déphasage voisin de 180 degrés, le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière dont la fréquence est comprise dans une sous-bande de fréquences, chaque zone de réflexion (341A) étant apte à venir en vis-à-vis d'une zone de l'antenne (2) pouvant émettre un rayonnement électromagnétique dans la sous-bande de fréquences considérée, à une distance permettant de réfléchir le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière sensiblement en phase avec le champ électrique du rayonnement électromagnétique avant.
  4. 4. Réflecteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la première sous-bande de fréquences correspond aux fréquences les plus élevées de la bande de fréquences prédéterminée.
  5. 5. Réflecteur selon l'une des revendications précédentes, dans 20 lequel les sous-bandes de fréquences, considérées dans leur ensemble, couvrent sensiblement toute la bande de fréquences prédéterminée.
  6. 6. Réflecteur selon l'une des revendications précédentes, comportant un substrat (31) en matériau diélectrique et un plan de masse 25 (32) formé sur une première surface (33) du substrat (31), la zone de réflexion (341A) apte à réfléchir, avec un déphasage voisin de 180 degrés, le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière dont la fréquence est comprise dans la première sous-bande de fréquences étant formée sur une deuxième surface (35) du substrat (31) par un motif 30 conducteur électrique (34, 36), la ou les autres zones de réflexion (342A, 343A) aptes à réfléchir le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière avec un déphasage compris entre deux valeurs entourant la valeur de zéro degré étant chacune formées sur la deuxième surface (35) du substrat (31) par un ensemble (342, 343) de motifs 35 conducteurs électriques (34) disposés de manière non jointive.21
  7. 7. Réflecteur selon la revendication 6, dans lequel les première et deuxième surfaces (33, 35) du substrat (31) sont sensiblement planes et parallèles entre elles.
  8. 8. Réflecteur selon la revendication 6, dans lequel la deuxième surface (35) du substrat (31) a une forme conique.
  9. 9. Réflecteur d'antenne selon l'une des revendications 6 à 8, 10 dans lequel les motifs conducteurs électriques (34) des ensembles (342, 343) formant des zones de réflexion (342A, 343A) aptes à réfléchir le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière avec un déphasage compris entre deux valeurs entourant la valeur de zéro degré sont reliés électriquement au plan de masse (32). 15
  10. 10. Réflecteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les deux valeurs d'angle entourant la valeur de zéro degré sont sensiblement égales à -120 degrés et +120 degrés. 20
  11. 11. Dispositif d'antenne comprenant une antenne filaire plane à polarisation circulaire (2) pouvant émettre un rayonnement électromagnétique sur une bande de fréquences prédéterminée et un réflecteur d'antenne (3) selon l'une des revendications précédentes. 25
  12. 12. Procédé de réalisation d'un réflecteur d'antenne (3) pour une antenne filaire plane à polarisation circulaire (2) pouvant émettre un rayonnement électromagnétique selon deux directions orthogonales au plan de l'antenne (2) sur une bande de fréquences prédéterminée, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : 30 ^ une étape (101) de détermination, dans une zone de champ proche, d'une distribution d'amplitude d'un rayonnement électromagnétique apte à être émis par l'antenne (2) en l'absence du réflecteur d'antenne (3) pour au moins une première et une deuxième sous-bandes de fréquences appartenant à la bande de fréquences prédéterminée,^ une étape (104) de détermination de la forme et des dimensions d'une première zone de réflexion (341A) du réflecteur d'antenne (3) apte à réfléchir, avec un déphasage voisin de 180 degrés, un champ électrique du rayonnement électromagnétique dit arrière dont la fréquence est comprise dans la première sous-bande de fréquences, de manière à ce que cette zone de réflexion (341A) puisse venir en vis-à-vis de la zone de l'antenne (2) où le rayonnement électromagnétique apte à être émis par l'antenne (2) dans la première sous-bande de fréquences a la plus forte amplitude, à une distance permettant la réflexion du champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière sensiblement en phase avec le champ électrique du rayonnement électromagnétique dit avant, et ^ une étape (105) de détermination de la forme et des dimensions d'une deuxième zone de réflexion (342A) du réflecteur d'antenne (3) apte à réfléchir, avec un déphasage compris entre deux valeurs d'angle entourant la valeur de zéro degré, le champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière dont la fréquence est comprise dans la deuxième sous-bande de fréquences, de manière à ce que cette zone de réflexion (342A) puisse venir en vis-à-vis de la zone de l'antenne (2) où le rayonnement électromagnétique apte à être émis par l'antenne (2) dans la deuxième sous-bande de fréquences a la plus forte amplitude, à une distance permettant la réflexion du champ électrique du rayonnement électromagnétique arrière sensiblement en phase avec le champ électrique du rayonnement électromagnétique avant.
  13. 13. Procédé selon la revendication 12, comportant en outre les étapes suivantes : ^ une étape de détermination d'une distance minimale dEmin pouvant séparer l'antenne (2) de la première zone de réflexion (341A) du réflecteur d'antenne (3) sans altérer significativement la distribution d'amplitude du rayonnement électromagnétique émis par l'antenne (2) dans la première sous-bande de fréquences, ^ une étape de détermination d'une distance minimale dBmin pouvant séparer l'antenne (2) de la deuxième zone de réflexion (342A) du réflecteur d'antenne (3) sans altérer significativement la distribution d'amplitude durayonnement électromagnétique émis par l'antenne (2) dans la deuxième sous-bande de fréquences.
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