FR2992780A1 - Antenne a cavite resonante - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne une antenne (1) comprenant : . une cavité (2) résonante délimitée par : . une surface partiellement réfléchissante (4) comprenant un réseau de cellules résonantes, chaque cellule résonante formant une micro-antenne , . une surface totalement réfléchissante (5) faisant face à ladite surface partiellement réfléchissante, . une source rayonnante (3) disposée dans ladite cavité résonante et configurée pour rayonner une onde entre la surface partiellement réfléchissante et la surface totalement réfléchissante, ladite onde illuminant des cellules résonantes de la surface partiellement réfléchissante, la surface partiellement réfléchissante étant courbe et des cellules résonantes étant individuellement configurées pour introduire au passage de l'onde incidente rayonnée par la source un déphasage fonction de la courbure de la surface partiellement réfléchissante au niveau de la cellule résonante correspondante.

Description

Antenne La présente invention concerne une antenne, en particulier une antenne à cavité.
Le document EP 2 266 166 décrit une antenne à cavité, la cavité étant délimitée par une surface plane partiellement réfléchissante et une surface plane totalement réfléchissante se faisant face. La surface plane partiellement réfléchissante est constituée d'un réseau de cellules résonantes formant des micro-antennes. La phase des micro-antennes est contrôlée en utilisant des diodes varicaps. Il est ainsi possible de contrôler le dépointage de l'antenne et sa fréquence d'émission. Cependant, du fait des dimensions des surfaces planes partiellement réfléchissante et totalement réfléchissante, cette antenne ne peut pas être intégrée dans tous les systèmes, en particulier dans les carénages de véhicules.
Il existe donc un besoin d'antennes directives conformées pouvant être intégrées dans tous types de systèmes. La présente invention vient améliorer la situation. A cet effet, l'invention propose une antenne comprenant : - une cavité résonante délimitée par : - une surface partiellement réfléchissante comprenant un réseau de cellules résonantes, chaque cellule résonante formant une micro-antenne, - une surface totalement réfléchissante faisant face à la surface partiellement réfléchissante, - une source rayonnante disposée dans la cavité résonante et configurée pour rayonner une onde entre la surface partiellement réfléchissante et la surface totalement réfléchissante, l'onde illuminant des cellules résonantes de la surface partiellement réfléchissante. La surface partiellement réfléchissante est courbe et des cellules résonantes sont individuellement configurées pour introduire au passage de l'onde incidente 30 rayonnée par la source un déphasage fonction de la courbure de la surface partiellement réfléchissante au niveau de la cellule résonante correspondante.
Des modes de réalisation de l'invention permettent ainsi d'obtenir un rayonnement directif tout en améliorant l'intégration de l'antenne dans un système quelconque. Chaque cellule résonante peut être configurée pour introduire sur une onde incidente un déphasage fonction de la courbure de la surface partiellement réfléchissante au niveau de la cellule résonante, de manière que le réseau de cellules résonantes se comporte comme un réseau d'antennes réparties sur une surface différente prédéfinie. La surface partiellement réfléchissante peut comprendre: - une grille inductive comportant un ensemble de zones métalliques séparées par des zones diélectriques, - une grille capacitive comportant un ensemble de zones métalliques séparées par des zones diélectriques. La grille inductive et la grille capacitive sont alors superposées de manière à 15 former le réseau de cellules résonantes, une cellule résonante comportant une inductance et une capacité en parallèle. Les zones métalliques de la grille inductive et de la grille capacitive peuvent être agencées selon des directions parallèles. Le déphasage introduit sur l'onde incidente par une cellule résonante peut 20 être ajusté en modifiant la capacité de la grille capacitive au niveau de la cellule résonante et/ou en modifiant l'induction de la grille inductive au niveau de la cellule résonante. Deux contacts électriques voisins de la grille capacitive peuvent en outre être connectés électriquement par une diode à capacité variable, la tension de 25 polarisation de la diode à capacité variable étant réglée pour ajuster le déphasage introduit sur l'onde incidente par la cellule résonnante correspondante. La grille inductive et la grille capacitive peuvent être réalisées par deux grilles de pistes métalliques, gravées respectivement sur les deux faces d'un substrat diélectrique. 30 Chaque cellule résonante peut en outre être configurée pour introduire sur une onde incidente un déphasage défini pour obtenir par interférence entre les ondes traversant les cellules résonantes un rayonnement global directif selon une direction de dépointage prédéterminée.
L'invention propose également une surface partiellement réfléchissante comprenant un réseau de cellules résonantes, chaque cellule résonante formant une micro-antenne, la surface partiellement réfléchissante étant courbe et des cellules résonantes étant individuellement configurées pour introduire sur une onde incidente un déphasage fonction de la courbure de la surface partiellement réfléchissante au niveau de la cellule résonante correspondante. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : la Figure 1 est un schéma fonctionnel montrant une antenne selon un mode de réalisation de l'invention ; les Figures 2A à 2C représentent des exemples de cellules résonantes d'une surface partiellement réfléchissante de l'antenne de la figure 1 ; - la Figure 3 est un organigramme illustrant les étapes d'un procédé de configuration des cellules résonantes selon un mode de réalisation de l'invention ; - la Figure 4 est un graphe représentant des positions initiales de cellules résonantes dans un plan ; - la Figure 5 est un graphe montrant des déphasages à appliquer à chaque cellule résonante de la figure 4 pour que le réseau de cellules se comporte comme un réseau de cellules plan ; - la Figure 6 est un schéma fonctionnel montrant la surface partiellement réfléchissante après la configuration des cellules résonantes selon un mode de réalisation de l'invention ; - la Figure 7 est un diagramme de rayonnement de l'antenne obtenu par la mise en oeuvre du procédé de configuration ; et - la figure 8 est un schéma fonctionnel montrant la surface partiellement réfléchissante selon un autre mode de réalisation de l'invention permettant un contrôle dynamique de l'antenne.
La figure 1 représente une antenne 1 comprenant une cavité résonante 2, une source rayonnante 3, une surface partiellement réfléchissante 4 et une surface totalement réfléchissante 5. La surface totalement réfléchissante 5 est par exemple réalisée en disposant une plaque métallique sur un élément diélectrique. La surface partiellement réfléchissante 4 est réalisée en utilisant un métamatériau composite à phase variable. La surface partiellement réfléchissante 4 comporte un réseau de cellules résonantes Cr,, chaque cellule résonante Cr, formant une micro-antenne ou antenne élémentaire.
La surface partiellement réfléchissante 4 est courbe. Sur l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1, la surface 4 est cylindrique. En variante, la surface 4 peut présenter une courbure quelconque. La courbure de la surface 4 correspond à la courbure du système, par exemple à la courbure du carénage du véhicule (train, avion, ou autre), dans lequel l'antenne 1 doit être intégrée.
La surface partiellement réfléchissante 4 comprend une grille inductive GL comportant un ensemble de zones métalliques séparées par des zones diélectriques. La surface partiellement réfléchissante 4 comprend également une grille capacitive GC comportant un ensemble de zones métalliques séparées par des zones diélectriques.
La grille inductive GL et la grille capacitive GC sont superposées de manière à ce que les grilles GL et GC soient disposées parallèlement l'une à l'autre, les zones métalliques de la grille inductive GL et de la grille capacitive GC étant agencées selon des directions sensiblement orthogonales. La surface partiellement réfléchissante 4 peut être réalisée par deux grilles de pistes métalliques, gravées respectivement sur les deux faces d'un substrat diélectrique 6. Une telle réalisation permet de réduire le coût de fabrication. Les pistes de chaque grille étant perpendiculaires, l'une jouera le rôle de grille capacitive GC et l'autre de grille inductive GL suivant la polarisation du champ électrique E.
Une cellule résonante Cr, est ainsi une cellule de type résonateur LC comportant une inductance L et une capacité C en parallèle. Une cellule résonante Cr, présente une taille petite devant la longueur d'onde À de fonctionnement de l'antenne 1. Les figures 2A à 2C représentent des exemples de cellules résonantes Cr;. La cellule Cri comprend une capacité Ci et une inductance Li, disposées de part et d'autre du substrat diélectrique 6. La cellule Cr2 comprend une capacité C2 et une inductance L2, disposées de part et d'autre du substrat diélectrique 6. La cellule Cri comprend une capacité C3 et une inductance L3, disposées de part et d'autre du substrat diélectrique 6. La cavité 2 est une cavité de type Fabry-Pérot. La surface partiellement réfléchissante 4 et la surface totalement réfléchissante 5, qui délimitent la cavité 2, sont séparées par une distance h formant une dimension de référence de la cavité 2. Cette dimension de référence h vérifie la relation : h= (04 + 05) + N , où À désigne la longueur d'onde, N désigne le mode de résonance de la cavité 2, 1)4 désigne le déphasage à la réflexion introduit sur une onde incidente par la surface partiellement réfléchissante 4, et (I)5 désigne le déphasage introduit sur une onde par la surface totalement réfléchissante 5. L'utilisation d'une surface partiellement réfléchissante 4 comportant des cellules résonantes à phase ajustable permet de lever la restriction sur l'épaisseur de demi-longueur d'onde (À/2) imposée généralement pour une cavité de type Fabry-Pérot. La dimension de référence h peut ainsi être choisie telle que h«À/2.
II est donc possible de réaliser des antennes ultra-compactes, par exemple d'environ 0,5 mm pour une fréquence de 8 GHz. La source rayonnante 3 est disposée dans la cavité résonante 2, à proximité de la surface totalement réfléchissante 5. La source rayonnante 3 est par exemple une antenne patch ou un dipôle.
La source rayonnante 3 est configurée pour rayonner une onde de fréquence prédéfinie, entre la surface partiellement réfléchissante 4 et la surface totalement réfléchissante 5. L'onde illumine ainsi les cellules résonantes Cr,. De préférence, la source 3 et la surface partiellement réfléchissante 4 sont agencée de manière que toutes les cellules Cr, soient illuminées par réflexions successives sur les parois de la cavité. Les cellules résonantes Cr, sont individuellement configurées pour introduire au passage d'une onde incidente rayonnée par la source 3 un déphasage 04,Cri fonction de la courbure de la surface partiellement réfléchissante 4 au niveau de la cellule résonante Cr,. Le réseau de cellules résonantes Cr, se comporte ainsi comme un réseau d'antennes réparties sur une surface différente prédéfinie, appelée surface cible. La surface différente prédéfinie est par exemple une surface plane. En variante, la surface prédéfinie est une surface quelconque présentant une courbure différente de la surface partiellement réfléchissante 4. En se référant aux figures 3 à 7, on décrit ci-dessous les étapes d'un procédé de configuration des cellules résonantes Cr, selon un mode de réalisation de l'invention. On définit un repère orthogonal (0,X,Y,Z). A l'étape S1, une loi de phase 04(x,y,z) à appliquer aux cellules Cr; est 20 déterminée. La loi de phase D4(x,y,z) est déterminée en tenant notamment compte de la courbure de la surface partiellement réfléchissante 4 et de la courbure de la surface cible. Par exemple, la surface cible est un plan P. La figure 4 représente des cellules Cr, appartenant au plan (X,Y,Zo). Comme la surface partiellement réfléchissante 4 présente une symétrie selon le 25 plan (0,Y,Z), seules les cellules Cr; ayant des abscisses positives ont été représentées. Le plan P formant la surface cible coupe le plan (X,Y,Z0) le long d'une droite D d'équation ax+by+c=0. La loi de phase (1)4(x,y,z0) à appliquer aux cellules Cr, disposées dans le plan (X,Y,Z0) peut alors être définie par l'équation : laxi + byi + cl 360° e4 y' zo) = Vat + b2 Où x et y, désignent respectivement l'abscisse et l'ordonnée de la cellule Cri. La courbe de la figure 5 représente la loi de phase (1)4(x,y,z0) à appliquer aux cellules Cr, disposées dans le plan (X,Y,Zo).
De plus, comme la surface partiellement réfléchissante 4 présente une forme cylindrique d'axe Z, la loi de phase cD4(x,y,z) ne dépend pas de la coordonnée z. La loi de phase (1)4(x,y,z) à appliquer aux cellules Cr; peut donc être définie par l'équation : 14 (xi, Yi, Zi iaxi + byi + cl 360° Va2 + 62 A l'étape S2, les cellules résonantes Cr, sont individuellement configurées pour introduire au passage d'une onde incidente rayonnée par la source 3 un déphasage 04,cn=1)4(xi,Yhz,) correspondant à la loi de phase déterminée à l'étape S1. Le déphasage 04,Cri introduit à l'onde incidente par une cellule résonnante Cr; peut être ajusté de manière passive en modifiant la capacité Ci et/ou l'inductance Li de la cellule Cr;. La capacité Ci d'une cellule Cr; peut être modifiée en augmentant ou diminuant la largeur des zones métalliques et/ou la largeur du diélectrique entre deux zones métalliques voisines. De manière similaire, l'inductance L, d'une cellule Cr, peut être modifiée en augmentant ou diminuant la largeur de la zone métallique et/ou la largeur du diélectrique entre la zone métallique et une zone métallique voisine. La figure 6 représente une vue de dessus d'une surface partiellement réfléchissante 4 correspondant à la loi de phase déterminée à l'étape S1. On notera qu'un déphasage donné peut être obtenu par plusieurs combinaisons différentes de valeurs de capacités et d'inductances. La figure 7 représente le diagramme de rayonnement de l'antenne 1 obtenu par la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus. Le procédé permet ainsi d'obtenir un rayonnement directif à partir d'un ensemble de micro-antennes formant initialement une surface de courbure quelconque.
2992 780 8 Selon un mode de réalisation de l'invention, la loi de phase l4(x,y,z) est en outre déterminée en tenant compte d'un angle de dépointage souhaité. La loi de phase est alors déterminée pour que les cellules résonantes Cr; introduisent sur une onde incidente un déphasage permettant d'obtenir, par interférence entre les 5 ondes traversant les cellules résonantes Cr,, un rayonnement global directif selon la direction de dépointage prédéterminée. Dans ce mode de réalisation, la loi de phase (1)4(x,y,z) déterminée à l'étape S1 tient compte de l'angle de dépointage souhaité. L'angle de dépointage de l'antenne 1 peut être contrôlé de manière passive 10 en modifiant les capacités C et/ou les inductances L des cellules Cri. L'angle de dépointage de l'antenne 1 peut en outre être contrôlé de manière active en utilisant des diodes à capacité variable (varactors). La figure 8 représente un mode de réalisation de contrôle actif dans lequel deux contacts électriques voisins de la grille capacitive GC sont connectés 15 électriquement par une diode à capacité variable (varactors). Le déphasage introduit sur l'onde incidente par une cellule résonnante Cr; peut alors être ajusté de manière dynamique en modifiant la tension de polarisation de la diode à capacité variable, par exemple comme décrit dans le document EP 2 266 166.
20 L'angle de dépointage de l'antenne 1 peut ainsi être contrôlé de manière dynamique, et notamment être modifié au cours du temps. Bien entendu, la présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation décrites ci-avant à titre d'exemples ; elle s'étend à d'autres variantes. 25

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Antenne (1) comprenant : - une cavité (2) résonante délimitée par : - une surface partiellement réfléchissante (4) comprenant un réseau de cellules résonantes (Cri), chaque cellule résonante formant une micro-antenne, - une surface totalement réfléchissante (5) faisant face à ladite surface partiellement réfléchissante, - une source rayonnante (3) disposée dans ladite cavité résonante et configurée pour rayonner une onde entre la surface partiellement réfléchissante et la surface totalement réfléchissante, ladite onde illuminant des cellules résonantes de la surface partiellement réfléchissante, la surface partiellement réfléchissante étant courbe et des cellules résonantes étant individuellement configurées pour introduire au passage de l'onde incidente rayonnée par la source un déphasage fonction de la courbure de la surface partiellement réfléchissante au niveau de la cellule résonante correspondante.
  2. 2. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle chaque cellule résonante (Cri) est configurée pour introduire sur une onde incidente un déphasage fonction de la courbure de la surface partiellement réfléchissante (4) au niveau de ladite cellule résonante, de manière que le réseau de cellules résonantes se comporte comme un réseau d'antennes réparties sur une surface différente prédéfinie.
  3. 3. Antenne selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la surface partiellement réfléchissante (4) comprend: - une grille inductive (GL) comportant un ensemble de zones métalliques séparées par des zones diélectriques, - une grille capacitive (GC) comportant un ensemble de zones métalliques séparées par des zones diélectriques,la grille inductive et la grille capacitive étant superposées de manière à former ledit réseau de cellules résonantes (Cr;), une cellule résonante comportant une inductance et une capacité en parallèle.
  4. 4. Antenne selon la revendication 3, dans laquelle les zones métalliques de la grille inductive (GL) et de la grille capacitive (GC) sont agencées selon des directions parallèles.
  5. 5. Antenne selon la revendication 3 ou 4, dans laquelle le déphasage introduit sur l'onde incidente par une cellule résonnante (Cr,) est ajusté en modifiant la capacité de la grille capacitive (GC) au niveau de ladite cellule résonante.
  6. 6. Antenne selon l'une des revendications 3 à 5, dans laquelle le déphasage introduit sur l'onde incidente par une cellule résonnante (Cri) est ajusté en modifiant l'induction de la grille inductive (GL) au niveau de ladite cellule résonante.
  7. 7. Antenne selon l'une des revendications 3 à 6, dans laquelle deux contacts électriques voisins de la grille capacitive (GC) sont connectés électriquement par une diode à capacité variable, la tension de polarisation de la diode à capacité variable étant réglée pour ajuster le déphasage introduit sur l'onde incidente par la cellule résonnante (Cr;) correspondante.
  8. 8. Antenne selon l'une des revendications 3 à 7, dans laquelle la grille inductive (GL) et la grille capacitive (GC) sont réalisées par deux grilles de pistes métalliques, gravées respectivement sur les deux faces d'un substrat diélectrique.
  9. 9. Antenne selon l'une des revendications 1 à 8, dans laquelle chaque cellule résonante (Cr;) est en outre configurée pour introduire sur une onde incidente un déphasage défini pour obtenir par interférence entre les ondes traversant les cellules résonantes un rayonnement global directif selon une direction de dépointage prédéterminée.
  10. 10. Surface partiellement réfléchissante (4) comprenant un réseau de cellules résonantes (Cri), chaque cellule résonante formant une micro-antenne, la surface partiellement réfléchissante étant courbe et des cellules résonantes étant individuellement configurées pour introduire sur une onde incidente un déphasage fonction de la courbure de la surface partiellement réfléchissante au niveau de la cellule résonante correspondante.
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