EP4148902B1 - Systeme electromagnetique avec deviation angulaire du lobe principal de rayonnement d'une antenne - Google Patents

Systeme electromagnetique avec deviation angulaire du lobe principal de rayonnement d'une antenne

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EP4148902B1
EP4148902B1 EP22193180.1A EP22193180A EP4148902B1 EP 4148902 B1 EP4148902 B1 EP 4148902B1 EP 22193180 A EP22193180 A EP 22193180A EP 4148902 B1 EP4148902 B1 EP 4148902B1
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EP
European Patent Office
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antenna
absorbing
cavity
lens
hemilens
Prior art date
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Application number
EP22193180.1A
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German (de)
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EP4148902A1 (fr
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Aritra Roy
Stéphane MALLEGOL Stéphane
Christian Renard
Cédric QUENDO
Noham MARTIN
Vincent Laur
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Thales SA
Univerdite de Bretagne Occidentale
Indian Institute of Science IISC
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Thales SA
Univerdite de Bretagne Occidentale
Indian Institute of Science IISC
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Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Thales SA, Univerdite de Bretagne Occidentale, Indian Institute of Science IISC filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP4148902A1 publication Critical patent/EP4148902A1/fr
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q17/00—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q17/00—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems
    • H01Q17/001—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems for modifying the directional characteristic of an aerial
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    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/06—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • H01Q9/26—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole with folded element or elements, the folded parts being spaced apart a small fraction of operating wavelength
    • H01Q9/27—Spiral antennas

Definitions

  • the present invention relates to the field of antennas. More specifically, it relates to the control of the radiation pattern, and in particular the angular direction of the main radiation lobe of antennas.
  • an antenna In an airborne and/or naval system, electromagnetic communication is the dominant mode due to its accuracy, ease of control, and wide range of capabilities.
  • An antenna is an essential component of a wireless system.
  • an antenna is ideally a broadband antenna with circular polarization or dual linear polarization.
  • an antenna system must be as compact as possible.
  • One possible solution is to place the antenna in a compact cavity.
  • the cavity makes the radiation unidirectional and provides the antenna with electromagnetic shielding from surrounding electronic systems.
  • a compact cavity can impair the antenna's natural radiation pattern, leading to poor matching, incorrect polarization, ripples in the radiated gain, etc.
  • One possible design involves mounting a spiral antenna on a cavity filled with an electromagnetic absorber. Such an antenna has a unidirectional radiation pattern, along the line of sight, i.e., along the antenna's radio axis.
  • the main beam or radiation lobe of the antenna When an antenna placed under a flying aircraft is pointed towards the ground, the main beam or radiation lobe of the antenna must be pointed slightly forward (for example) rather than directly towards the ground, that is, it must be pointed forward at an angle to the perpendicular of the ground.
  • Another objective of this angular deflection is to avoid interference between the aircraft's various antennas, including between a transmitting and a receiving antenna.
  • broadband antennas typically have fairly wide radiation lobes, which can lead to undesirable interactions between nearby antennas.
  • the antenna In a spiral antenna system loaded by an electromagnetic absorber placed within the antenna cavity (the antenna cavity being the area between the bottom of the radiating circuit substrate and the lower reflector plane (or ground plane)), the antenna is physically tilted to meet this requirement.
  • this physical tilt may not be feasible in the aircraft design on which the antenna is to be mounted.
  • Using an antenna array is another possible solution, but it is unsuitable in environments where space is a significant constraint.
  • Another solution involves applying an angular deflection to the beam.
  • Electronic deflection consists of inducing a deviation of the main beam from the antenna's radio axis. In order to operate over a wide frequency band, such electronic deflection must be consistent across a broad frequency range, maintaining good impedance matching, polarization purity, and without degradation of the radiated gain in the desired direction, so that the antenna can be classified as a broadband antenna.
  • US patent application published under number US 6,947,010 discloses an antenna with an eccentric spiral structure.
  • the design principle of this antenna is similar to that of an Archimedean spiral antenna, except that on one side the spaces between the elements are larger than those on the other.
  • This device allows the antenna beam to be oriented, but has the disadvantage of being bulky and unable to ensure uniform deflection over a wide frequency band.
  • none of the prior art systems are capable of applying beam deflection, nor of altering the main lobe of the radiation pattern of a wire broadband antenna over a wide frequency band.
  • an antenna system that can generate angular deflection of the antenna beam over a wide frequency band. It is also needed that the antenna system can generate beam deflection while minimizing its size.
  • the invention relates to an antenna system comprising: a ground plane with a cavity covered with a dielectric, magnetic or magnetodielectric substrate, the cavity comprising an opening and walls; an antenna disposed on the dielectric, magnetic or magnetodielectric substrate; a peripheral absorbing ring disposed between the antenna and the walls; an absorbing half-lens having the shape of an angular sector (or angular segment), comprising a basic element covering a first part of the cavity opening, a second part of the cavity opening not being covered by said basic element.
  • the absorbing half-lens includes an annular element forming an extension of the peripheral absorbing crown on the second part of the aperture.
  • the first part of the cavity opening corresponds to half of the cavity opening
  • the absorbing half-lens comprises at least one circular sector element whose thickness varies according to the distance to the center of the half-lens.
  • the absorbing half-lens comprises a plurality of circular sector elements whose thickness is defined by an increasing function of an angular distance from the edges of the lens.
  • each circular sector element is defined by a thickness function that increases and then decreases as a function of a distance from the center of the half-lens.
  • At least one element among the peripheral absorbing ring and the half-lens is made of a partially absorbing dielectric material.
  • the dielectric material partially comprises carbon.
  • the antenna is a spiral antenna, a sinusoidal antenna, or a periodic antenna.
  • the antenna is defined by an Archimedean spiral.
  • the antenna is a broadband antenna, allowing a constant deflection angle to be obtained over the entire operating frequency band of the antenna.
  • the antenna system comprises: a first device including the ground plane, the antenna and the peripheral absorbing ring; a second device including the absorbing half-lens.
  • FIG. 1a represents a first example of an antenna system in a set of embodiments of the invention.
  • the Sys1a antenna system comprises a ground plane with a cylindrical cavity Cav filled with a dielectric, magnetic, or magnetodielectric substrate.
  • the cavity includes an aperture and walls.
  • the Sys1a antenna system also includes an antenna Ant disposed on the dielectric, magnetic, or magnetodielectric substrate.
  • the antenna is a planar antenna, but the invention is not restricted to these examples, and 3D antennas could be used.
  • the substrate is a so-called low-loss dielectric substrate, for example a substrate whose dielectric loss angle tangent (tan ⁇ ) is less than 10 ⁇ 2 .
  • This substrate can also be either magnetic or magnetodielectric.
  • the cavity can also be filled with electromagnetic absorber and/or a partial resistive film can be placed in it.
  • Ant antennas can be of various types, such as planar antennas.
  • a planar Ant antenna can be a spiral antenna, a sinuous antenna, or a planar periodic antenna. It can, for instance, be composed of different current rings corresponding to different frequencies, with the perimeter of a given ring equal to the wavelength of the corresponding frequency. The outer rings thus correspond to low frequencies, and the inner rings to high frequencies.
  • This type of spiral therefore allows the antenna to operate over a wide frequency band, within which the different rings contribute to the radiation for different frequencies depending on their diameter (for a wavelength ⁇ , it is a ring-shaped area of circumference ⁇ that will contribute to the radiation).
  • the Ant antenna can be a transmitting or receiving antenna.
  • FIG. 2 represents an example of a spiral antenna in a set of embodiments of the invention.
  • FIG 2 represents an example of such a spiral antenna comprising two strands Strand1 and Strand2, said antenna being printed on the dielectric substrate Subs of thickness h1 and diameter d1.
  • the X, Y, and Z axes represent three axes of an orthogonal coordinate system, where Z is the antenna axis.
  • the X and Y axes correspond to the antenna plane and can be defined, for example, by the geometry of the spiral's excitation points.
  • these same three axes, X, Y, and Z will be represented in several figures.
  • the "top” of the system will be considered to correspond to high values on the z-axis, and the "bottom” to low values.
  • an element will be considered “on” or “above” another if its position is higher on the z-axis, and conversely, "below” or “under” another if its position is lower on the z-axis.
  • FIG. 3 represents an example of a so-called reference section of an antenna system in a set of embodiments of the invention.
  • the so-called reference section comprises a metallic cavity Cav, on which the dielectric substrate Subs is placed, and in which the planar antenna Ant is printed.
  • the antenna can operate at different frequencies, and at a given frequency, a specific area of the antenna will participate in the radiation. For example, in a spiral antenna, for a wavelength ⁇ , a ring-shaped area of circumference ⁇ will contribute to the radiation.
  • the Sys1a antenna system also includes a peripheral absorbing ring, not visible on the figure 3 , positioned between the antenna and the walls of the cavity.
  • peripheral absorbing ring helps to trap the end-strand effects, thus limiting the open-circuit effect. Indeed, these effects, by recombining locally with the rest of the radiating circuit towards the center of the antenna, can lead to mismatch and a loss of radiation efficiency depending on the frequency.
  • the Sys1a antenna system also includes an absorbing half-lens Lent1a having the shape of an angular sector and comprising a basic element covering substantially a first part of the cavity opening, a second part of the cavity opening not being covered by said basic element.
  • the first part of the cavity opening corresponds to half of the cavity opening.
  • the electromagnetic waves emitted by the antenna will be affected, in the half of the cavity covered by the half-lens, by a phase shift, while they will not be modified in the half not covered by the half-lens.
  • peripheral absorbing ring and the absorbing half-lens can be joined together, forming a single absorbing element, or be formed from two separate elements.
  • the peripheral absorbing ring and the absorbing half-lens can be made of a partially absorbing dielectric material.
  • an absorbent material containing carbon can be used.
  • This type of material has the advantage of possessing absorbent properties while also being compatible with 3D printing, making the antenna system more flexible to reproduce and modify.
  • the half-lens can be integral with the Cav cavity and the Ant antenna, in which case the Sys1a system is formed from a single device.
  • the half-lens can instead be located in a device independent of that of the antenna.
  • the half-lens can be positioned slightly above the antenna. This allows the half-lens to be integrated into existing antenna systems. For instance, the half-lens can be integrated into a radome that is added above a pre-existing antenna.
  • FIG. 4 represents an example of a metallic cavity in a set of embodiments of the invention.
  • the cavity Cav is cylindrical in shape, with a diameter d1 and a height h2.
  • the metallic cavity has a bottom 410 and metallic walls 420.
  • the cavity could be square.
  • the cavity's ground plane could be planar or not. In the latter case, the cavity's depth might be shallower towards its center.
  • the cavity could be conical.
  • FIG. 5 represents an example of an absorbing peripheral ring in a set of embodiments of the invention.
  • the peripheral absorbing ring Cour is in the form of a hollow cylinder.
  • the hollow cylinder has a height h2 and an outside diameter d1, respectively identical to the height and outside diameter of the metallic cavity Cav shown in figure 4 , and a thickness w1, corresponding to an inner diameter d1 - w1.
  • the peripheral absorbing ring shown in figure 5 can therefore be placed in the metallic cavity shown in figure 4 , and absorb electromagnetic waves between the antenna and the lateral 420 of the metallic cavity.
  • FIG. 6 represents an example of a basic element of an absorbing half-lens in a set of embodiments of the invention.
  • the basic element Bas of the absorbing half-lens is presented here as a half-cylinder of thickness h4 and diameter d2 > d1.
  • the basic element can therefore close half of the metallic cavity.
  • the basic element thus contributes to the deflection of the beam.
  • the basic element can serve as a support for other lens elements such as those shown in figure 8
  • the base element is the only element of the half-lens that closes the metallic cavity.
  • the height of the base element can be defined according to the desired beam deflection. In particular, certain heights can favor beam deflection in certain frequency bands; the height h4 can therefore be defined according to a frequency band to be preferentially deflected.
  • FIG. 7 represents an example of an annular element in a set of embodiments of the invention.
  • the absorbing half-lens is arranged on an annular element forming an extension of the peripheral absorbing ring out of the cavity to the base element.
  • the absorbing half-lens and the annular element may be joined together to form a single element, or be two separate elements placed side by side.
  • the annular element Ann is a hollow cylinder with an outer diameter d1, a thickness w1, and a height h3. It is therefore a hollow half-cylinder with the same outer diameter and thickness as the hollow half-cylinder of the peripheral ring shown in figure 5 , which extends it out of the metal cavity, up to the base element, and thus forms a support for the base element.
  • This annular element therefore absorbs the reflections from the antenna, while fixing the other elements of the lens and maintaining a fixed distance between the antenna and the base element of the half-lens.
  • the half-lens and the annular element When the half-lens and the annular element are joined, this also allows the half-lens to be manufactured without requiring a mechanical interface between its lower face and the upper face of the radiating circuit.
  • the monobloc assembly of the half-lens and the annular element reduces the assembly interfaces along the axis perpendicular to the radiating circuit, while also allowing precise selection of the air gap between the upper face of the radiating circuit and the lower face of the half-lens: for example, there is no need for a foam-glue-glue film between the radiating circuit and the half-lens.
  • FIG 8 represents an example of a set of circular sector elements of an absorbing half-lens in a set of embodiments of the invention.
  • the absorbing half-lens comprises at least one circular sector element whose thickness varies according to the distance to the center of the half-lens.
  • the antenna whether transmitting or receiving, can process frequencies that depend on the distance from the antenna's center, and therefore from the center of the half-lens.
  • a spiral, wavy, or log-periodic antenna for which the active area at a given wavelength has a ring shape whose diameter corresponds to that wavelength, with the lower rings corresponding to low frequencies and the inner rings to high frequencies.
  • the thickness of the lens also plays a role. allows the beam to be deflected more or less depending on the frequencies of the electromagnetic waves.
  • Adjusting the thickness of the half-lens according to the distance from the center allows the beam deflection to be locally adapted to the frequency of the waves emitted at a given distance from the antenna center. This makes it possible to obtain a beam deflection that is coherent over a wide frequency band.
  • the half-lens comprises a plurality of circular sector elements whose thickness is defined by an increasing function of an angular distance from the edges of the lens.
  • Each circular sector element is defined by a thickness profile that depends on the distance from the center of the half-lens, and the thickness is defined by an increasing function of an angular distance from the edges of the lens (the angular distance being, for example, represented by the angle ⁇ from the right edge of the half-lens), that is to say, in the example of the figure 8 , at a given distance from the center, the thickness of element 8a will be greater than the thicknesses of elements 8b, which are themselves greater than the thicknesses of elements 8c, which are themselves greater than the thicknesses of elements 8d, which are themselves greater than the thicknesses of elements 8e.
  • Using a plurality of circular sector elements whose thickness is defined by an increasing function of the angular distance from the lens edges limits the frequency dependence of the angular deviation of the main radiation lobe. This also restricts discontinuities along the spiral strands, thus avoiding impedance mismatches.
  • FIG 9 represents an example of a profile view of a set of circular sector elements of an absorbing half-lens in a set of embodiments of the invention.
  • figure 9 represents more precisely a profile view of the circular sector elements (or sectors) 8a, 8b, 8c, 8d and 8e shown in figure 8
  • the figure 9 represents the thickness of the profile as a function of the distance from the center of the half-lens, the distance being shown increasing from left to right.
  • each circular sector element is defined by a thickness function that increases and then decreases as a function of a distance to the center of the half-lens.
  • the distance ds3 can, for example, correspond substantially to the antenna radius. This allows for an increasing thickness of the half-lens with the The distance from the center of the antenna, and therefore the wavelength of the waves used locally by the antenna, is a factor. This allows for a significant thickness for low frequencies and a smaller thickness for high frequencies. This results in a homogeneous beam deflection over a wide frequency band.
  • FIG. 10 represents an example of an overview of an antenna system comprising a set of circular sector elements of an absorbing half-lens in a set of embodiments of the invention.
  • the basic element of the half-lens is located either in the plurality of circular sector elements, and the peripheral absorbing ring is inside the walls of the metallic cavity.
  • FIG 11a represents an example of radiation patterns of a state-of-the-art antenna at different frequencies, without deflection of the antenna beam.
  • FIG 11b represents an example of radiation patterns of an antenna at different frequencies, with deflection of the antenna beam by an antenna system in a set of embodiments of the invention.
  • the figures 11a to 18 correspond to 3D electromagnetic simulations performed on a model of an antenna system according to the invention. They are given solely as illustrative and non-limiting examples of the results obtained by an antenna system according to the invention; different results that can be obtained in other embodiments of the invention (for example, with another type of antenna, or other dimensions).
  • Each of the 6 diagrams shown on the figures 11a And 11b corresponds to a given frequency, from left to right and top to bottom, 3.5 GHz, 4.5 GHz, 5.5 GHz, 6.5 GHz, 7.5 GHz, and 8.5 GHz.
  • figure 11a represents the diagram without deviation
  • the figure 11b the diagram with deviation.
  • the deviation is represented by the roll angle ⁇ and the site angle ⁇ .
  • FIG 11b shows that the system according to the invention does allow a deviation of the radiation pattern of the antenna, and that this deviation is quite homogeneous over a wide frequency band, in this example from 3.5 GHz to 8.5 GHz.
  • FIG 12 represents two cross-sections of a 3D representation of the main lobe of the radiation pattern of an antenna deflected by an antenna system in a set of embodiments of the invention.
  • the two sections correspond to sections along the planes defined by the X and Y axes, and the X and Z axes respectively.
  • This example shows that the system according to the invention makes it possible to deflect the antenna beam, both according to the roll angle ⁇ and the site angle ⁇ .
  • FIG 13 represents an example of a deflection angle obtained by an antenna system as a function of frequency in a set of embodiments of the invention.
  • FIG 14 represents an example of an angular deflection angle obtained by an antenna system as a function of frequency in a set of embodiments of the invention.
  • the angular deviation angle is between 340° and 25°, and can therefore be limited over the entire frequency band.
  • FIG. 15 represents an example of antenna gain obtained by an antenna system as a function of frequency in a set of embodiments of the invention.
  • the antenna gain is represented on the vertical axis, in dB, as a function of frequency, on the horizontal axis, in GHz.
  • the radiated gain is typically greater than 2 dB, which shows that the half-lens allows us to obtain the angular deviation shown.
  • Figure 13 without significant degradation of the radiated gain level. It is also observed that there is no gain dip depending on the frequency: this shows that the addition of the half-lens does not create any additional destructive interference with the lower ground plane of the antenna cavity.
  • FIG 16 represents an example of axial ratio obtained by an antenna system as a function of frequency in a set of embodiments of the invention.
  • the axial ratio is represented on the vertical axis, in dB, as a function of frequency, on the horizontal axis, in GHz.
  • FIG 17 represents an example of -3dB lobe width obtained by an antenna system as a function of frequency in a set of embodiments of the invention.
  • the lobe width is represented on the vertical axis, in dB, as a function of frequency, on the horizontal axis, in GHz.
  • the half-lens therefore creates an angular deviation of the main radiation lobe but does not alter the angular opening domain at half power in the radiation planes studied, with a rather stable angular opening in frequency.
  • FIG. 18 represents an example of impedance matching obtained by an antenna system as a function of frequency in a set of embodiments of the invention.
  • the matching is represented on the vertical axis, in dB, as a function of frequency, on the horizontal axis, in GHz.

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Description

    Domaine de l'invention
  • La présente invention concerne le domaine des antennes. Plus spécifiquement, elle concerne le contrôle du diagramme de rayonnement, et en particulier de la direction angulaire du lobe principal de rayonnement d'antennes.
    • Etat de l'art précédent
  • Dans un système aéroporté et/ou naval, la communication électromagnétique est le mode de communication dominant en raison de sa précision, de sa facilité de contrôle et de sa large gamme de fonctionnalités. Une antenne est un élément essentiel d'un système sans fil. A des fins de communications, une antenne est idéalement une antenne large bande et polarisée circulairement ou polarisée linéairement double.
  • En raison de la contrainte d'espace sur les porteurs, un système d'antenne doit être aussi compact que possible. A cet effet, l'une des solutions possibles consiste à placer l'antenne dans une cavité compacte. La cavité rend le rayonnement unidirectionnel et assure à l'antenne un blindage électromagnétique vis-à-vis des systèmes électroniques environnants.
  • Cependant, une cavité compacte peut détériorer le mécanisme de rayonnement naturel de l'antenne, entraînant une mauvaise adaptation, une mauvaise polarisation, des ondulations dans le gain rayonné, etc... Une structure envisageable consiste à disposer une antenne spirale sur une cavité remplie d'un absorbant électromagnétique. Une telle antenne a un diagramme de rayonnement unidirectionnel, dans la direction de la ligne de visée, c'est-à-dire le long de l'axe radioélectrique de l'antenne.
  • Lorsqu'une antenne placée sous un aéronef volant est orientée vers le sol, le faisceau ou lobe principal de rayonnement de l'antenne doit être orienté légèrement vers l'avant (par exemple) plutôt que directement vers le sol, c'est-à-dire qu'il doit être orienté vers l'avant avec un angle par rapport à la perpendiculaire du sol.
  • Un autre objectif de cette déviation angulaire est d'éviter les interférences entre les différentes antennes de l'aéronef, y compris entre une antenne en émission et une antenne en réception. En effet, des antennes à large bande de fréquence ont habituellement des lobes de rayonnement assez larges, pouvant entraîner des interactions indésirables entre des antennes proches.
  • Dans le cadre d'un système d'antenne spirale chargé par un absorbant électromagnétique placé dans de la cavité d'antenne (la cavité d'antenne représentant la partie comprise entre la partie inférieure du substrat du circuit rayonnant et le plan réflecteur inférieur (ou plan de masse)), l'antenne est inclinée physiquement pour répondre à cette exigence. Cette inclinaison physique peut cependant ne pas être possible dans la conception de l'aéronef sur lequel l'antenne doit être placée. L'utilisation d'un réseau d'antennes est une autre solution possible mais elle ne convient pas dans un environnement où l'espace est une contrainte forte.
  • Une autre solution consiste à appliquer une déviation angulaire au faisceau. La déviation électronique consiste à induire une déviation du faisceau principal par rapport à l'axe radioélectrique de l'antenne. Afin de pouvoir fonctionner sur une large bande de fréquences, une telle déviation électronique doit être cohérente sur une large gamme de fréquences, en maintenant une bonne adaptation, la pureté de la polarisation et sans dégradation du gain rayonné dans la direction voulue, afin que l'antenne puisse être qualifiée d'antenne à large bande de fréquences.
  • La problématique de la déviation du faisceau d'une antenne a été partiellement adressée par l'art antérieur.
  • La demande de brevet américaine publiée sous le numéro US 6,947,010 divulgue une antenne ayant une structure en spirale excentrique. Le principe de conception de cette antenne est similaire à celui d'une antenne spirale d'Archimède sauf que d'un côté les espaces entre les brins sont plus grands que ceux de l'autre côté. Ce dispositif permet d'orienter le faisceau de l'antenne, mais présente l'inconvénient d'être encombrant et de ne pas pouvoir assurer une déviation uniforme sur une large bande de fréquences.
  • Le papier P. Deo, A. Mehta, D. Mirshekar-Syahkal and H. Nakano, "An HIS-Based Spiral Antenna for Pattern Reconfigurable Applications," in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 8, pp. 196-199, 2009. divulgue une antenne en spirale à un brin avec quatre commutateurs à circuit ouvert placée sur une structure à haute impédance pour obtenir un angle de balayage de 360°. Les quatre commutateurs sont activés et désactivés pour obtenir une orientation du faisceau dans différentes directions. Cependant, ce système ne fonctionne que pour une antenne monobrin, à une fréquence unique. De plus, la déviation angulaire souhaitée n'est pas toujours bien respectée en fonction des combinaisons de commutateurs et angles souhaités. Cette solution présente également l'inconvénient de nécessiter des éléments actifs pour piloter les commutateurs.
  • Les documents H. Nakano, T. Abe and J. Yamauchi, "A Metaspiral Antenna for Azimuthal Beam Steering," 2019 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP), Xi'an, China, 2019, pp. 1-3, et Tomoki Abe, Junji Yamauchi, Hisamatsu Nakano, Steering of the Circularly Polarized Beam from a Spiral Antenna, IEICE Communications Express, Article ID 2019SPL0014, [Advance publication] Released February 20, 2020, Online ISSN 2187-0136 divulguent également des solutions de déviation angulaire d'un faisceau d'antenne. Dans le premier des documents, une antenne en spirale rectangulaire en métamatériau est utilisée alors que dans le second une antenne en spirale à cavité conventionnelle est utilisée pour démontrer les performances de direction. Cependant, ces solutions sont intrinsèquement à bande étroite. Certaines combinaisons d'amplitudes et de phases d'entrée produisent en effet différents angles de déviation à différentes fréquences.
  • D'autres solutions portant sur les antennes spirales ayant des caractéristiques larges bandes ont été proposées comme les demandes JP2012205144 A et US5162806 .
  • Cependant, aucun des systèmes de l'art antérieur n'est capable d'appliquer une déviation du faisceau, ni de modifier le lobe principal du diagramme de rayonnement d'une antenne à large bande filaire sur une large bande de fréquences.
  • Il y a donc besoin d'un système d'antenne apte à générer une déviation angulaire du faisceau de l'antenne sur une large bande de fréquence. Il y a également besoin d'un système d'antenne apte à générer une déviation du faisceau de l'antenne tout en limitant son encombrement.
    • Résumé de l'invention
  • A cet effet, l'invention a pour objet un système d'antenne comprenant : un plan de masse avec une cavité recouverte d'un substrat diélectrique, magnétique ou magnéto-diélectrique, la cavité comprenant une ouverture et des parois ; une antenne disposée sur le substrat diélectrique, magnétique ou magnéto-diélectrique ; une couronne périphérique absorbante disposée entre l'antenne et les parois; une demi-lentille absorbante ayant une forme d'un secteur angulaire (ou segment angulaire), comprenant un élément de base couvrant une première partie de l'ouverture de la cavité, une seconde partie de l'ouverture de la cavité n'étant pas couverte par ledit élément de base.
  • Avantageusement, la demi-lentille absorbante comprend un élément annulaire formant un prolongement de la couronne périphérique absorbante sur la seconde partie de l'ouverture.
  • Avantageusement, dans lequel la première partie de l'ouverture de la cavité correspond à la moitié de l'ouverture de la cavité
  • Avantageusement, la demi-lentille absorbante comprend au moins un élément secteur circulaire dont l'épaisseur varie en fonction de la distance au centre de la demi-lentille.
  • Avantageusement, la demi-lentille absorbante comprend une pluralité d'éléments secteur circulaire dont l'épaisseur est définie par une fonction croissante d'une distance angulaire des bords de la lentille.
  • Avantageusement, chaque élément secteur circulaire est défini par une fonction d'épaisseur croissant puis décroissant en fonction d'une distance au centre de la demi-lentille.
  • Avantageusement, un élément au moins parmi la couronne périphérique absorbante, et de la demi-lentille est faite d'un matériau diélectrique partiellement absorbant.
  • Avantageusement, le matériau diélectrique comprend partiellement du carbone.
  • Avantageusement, l'antenne est une antenne spirale, une antenne sinusoïde ou une antenne périodique.
  • Avantageusement, l'antenne est une définie par une spirale d'Archimède.
  • Avantageusement, l'antenne est une antenne large bande, permettant d'obtenir un angle de déviation constant sur l'ensemble de la bande de fréquence de fonctionnement de l'antenne.
  • Avantageusement, le système d'antenne comprend : un premier dispositif comprenant le plan de masse, l'antenne et la couronne périphérique absorbante ; un deuxième dispositif comprenant la demi-lentille absorbante.
  • D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement :
    • [Fig.1a] un premier exemple de système d'antenne dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention ;
    • [Fig.1b], un deuxième exemple de système d'antenne dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention ;
    • [Fig.2], un exemple d'antenne spirale dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention ;
    • [Fig.3], un exemple de section dite de référence d'un système d'antenne dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention ;
    • [Fig.4], un exemple de cavité métallique dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention ;
    • [Fig.5], un exemple de couronne périphérique absorbante dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention ;
    • [Fig.6], un exemple d'élément de base d'une demi-lentille absorbante dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention ;
    • [Fig.7], un exemple d'élément annulaire dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention.
    • [Fig.8], un exemple d'un ensemble d'éléments secteurs circulaires d'une demi-lentille absorbante dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention ;
    • [Fig.9], un exemple de vue de profil d'un ensemble d'éléments secteurs circulaires d'une demi-lentille absorbante dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention ;
    • [Fig.10], un exemple de vue d'ensemble d'un système d'antenne comprenant un ensemble d'éléments secteurs circulaires d'une demi-lentille absorbante dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention.
    • [Fig.11a], un exemple de diagrammes de rayonnement d'une antenne de l'état de l'art selon différentes fréquences, sans déviation du faisceau de l'antenne ;
    • [Fig.11b], un exemple de diagrammes de rayonnement d'une antenne selon différentes fréquences, avec déviation du faisceau de l'antenne par un système d'antenne dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention ;
    • [Fig.12], deux coupes d'une représentation 3D du lobe principal du diagramme de rayonnement d'une antenne dévié par un système d'antenne dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention ;
    • [Fig.13], un exemple d'un angle de déviation obtenu par un système d'antenne en fonction de la fréquence dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention ;
    • [Fig.14], un exemple d'un angle de déviation angulaire obtenu par un système d'antenne en fonction de la fréquence dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention ;
    • [Fig.15], un exemple de gain de l'antenne obtenu par un système d'antenne en fonction de la fréquence dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention ;
    • [Fig.16], un exemple de rapport axial obtenu par un système d'antenne en fonction de la fréquence dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention ;
    • [Fig.17], un exemple de largeur de lobe à -3dB obtenu par un système d'antenne en fonction de la fréquence dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention ;
    • [Fig.18], un exemple d'adaptation d'impédance obtenue par un système d'antenne en fonction de la fréquence dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention.
  • La figure 1a représente un premier exemple de système d'antenne dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention.
  • Le système d'antenne Sys1a comprend un plan de masse avec une cavité cylindrique Cav emplie d'un substrat diélectrique, magnétique ou magnéto-diélectrique. La cavité comprend une ouverture et des parois. Le système d'antenne Sys1a comprend également une antenne Ant disposée sur le substrat diélectrique, magnétique ou magnéto-diélectrique.
  • L'invention sera décrite par le biais d'exemple où l'antenne est une antenne planaire, mais l'invention n'est pas restreinte à ces exemples, et des antennes 3D pourraient être utilisées.
  • Dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention, le substrat est un substrat diélectrique dit à faible perte, par exemple un substrat dont la tangente d'angle de perte diélectrique (tanδ) est inférieure à 10-2. Ce substrat peut aussi être soit magnétique, soit magnéto-diélectrique.
  • La cavité peut également être emplie d'absorbant électromagnétique et/ou un film résistif partiel peut être placé dans celle-ci.
  • L'antenne Ant peut être de différents types, par exemple une antenne planaire. Par exemple, l'antenne planaire Ant peut être une antenne spirale, une antenne sinueuse ou une antenne périodique plane. Elle peut par exemple être formée de différents anneaux de courant correspondant à différentes fréquences, le périmètre d'un anneau donné étant égal à la longueur d'onde de la fréquence correspondante. Les anneaux extérieurs correspondant donc à des basses fréquences, et les anneaux intérieurs à de hautes fréquences.
  • Ce type de spirale permet donc de faire fonctionner l'antenne sur une large bande de fréquences, au sein de laquelle les différents anneaux contribuent au rayonnement pour différentes fréquences en fonction de leur diamètre (pour une longueur d'onde λ, c'est une zone en forme d'anneau de circonférence λ qui va contribuer au rayonnement).
  • L'antenne Ant peut être une antenne en émission ou en réception.
  • La figure 2 représente un exemple d'antenne spirale dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention.
  • Dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention, l'antenne présente par exemple la forme d'une spirale d'Archimède définie par l'équation r(φ) = eaφ , où r(φ) est le rayon de la spirale à un emplacement φ, et a est une constante.
  • La figure 2 représente un exemple d'une telle antenne spirale comportant deux brins Brin1 et Brin2, ladite antenne étant imprimée sur le substrat diélectrique Subs d'épaisseur h1 et de diamètre d1.
  • Les axes X, Y et Z représentent trois axes d'un repère orthogonal, où Z est l'axe de l'antenne. Les axes X et Y correspondent au plan de l'antenne, et peuvent être définis par exemple par la géométrie des points d'excitation de la spirale. Par convention, ces mêmes trois axes X, Y et Z seront représentés sur plusieurs figures. Pour faciliter l'intelligibilité de la description, on considèrera que le « haut » du système correspondra à des valeurs élevées sur l'axe z, et le « bas » à des valeurs faibles. Ainsi, un élément sera considéré « sur » ou « au-dessus » d'un autre si sa position est plus élevée sur l'axe z, et au contraire « sous » ou « en-dessous » d'un autre si sa position est plus faible sur l'axe z.
  • La figure 3 représente un exemple d'une section dite de référence d'un système d'antenne dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention.
  • La section dite de référence comprend une cavité métallique Cav, sur laquelle est disposé le substrat diélectrique Subs dans lequel l'antenne planaire Ant est imprimée. Comme indiqué ci-dessus, l'antenne peut fonctionner à différentes fréquences, et, à une fréquence donnée, c'est une zone spécifique de l'antenne qui va participer au rayonnement. Par exemple, dans une antenne spirale, pour une longueur d'onde λ, c'est une zone en forme d'anneau de circonférence λ qui va contribuer au rayonnement.
  • Le système d'antenne Sys1a comprend également une couronne périphérique absorbante, non visible sur la figure 3, disposée entre l'antenne et les parois de la cavité.
  • La couronne périphérique absorbante permet de piéger les effets de bouts de brins, c'est-à-dire limiter l'effet de circuit ouvert. En effet, ces effets, en se recombinant localement avec le reste du circuit rayonnant vers le centre de l'antenne, peuvent notamment engendrer une désadaptation et une perte d'efficacité de rayonnement suivant la fréquence.
  • Revenant à la figure 1a, Le système d'antenne Sys1a comprend également une demi-lentille absorbante Lent1a ayant une forme d'un secteur angulaire et comprenant un élément de base couvrant sensiblement une première partie de l'ouverture de la cavité, une seconde partie de l'ouverture de la cavité n'étant pas couverte par ledit élément de base.
  • Dans certains modes de réalisation, la première partie de l'ouverture de la cavité correspond à la moitié de l'ouverture de la cavité.
  • Par exemple, la demi-lentille absorbante peut couvrir :
    • Entre 45% et 55% de la surface de la cavité ;
    • Et, plus préférentiellement, entre 48% et 52% de la surface de la cavité ;
    • Et, plus préférentiellement, entre 49% et 51% de la surface de la cavité ;
    • Et, plus préférentiellement, entre 49,5% et 50,5% de la surface de la cavité ;
    • Et, plus préférentiellement, entre 49,9% et 50,1% de la surface de la cavité ;
    • Et, plus préférentiellement, la moitié de la surface de la cavité.
  • Ainsi, les ondes électromagnétiques émises par l'antenne seront affectées, dans la moitié de cavité couverte par la demi-lentille, d'un décalage de phase, alors qu'elles ne seront pas modifiées dans la moitié non couverte par la demi-lentille.
  • Ceci crée un déséquilibre de phase et d'amplitude entre les deux moitiés de l'ouverture de la cavité, générant ainsi une déviation par rapport à l'axe de l'antenne.
  • Ceci permet donc d'obtenir une déviation du faisceau de l'antenne, tout en conservant un système compact et passif.
  • La couronne périphérique absorbante, et la demi-lentille absorbante peuvent être solidaires, et former un élément absorbant unique, ou être formées de deux éléments distincts.
  • La couronne périphérique absorbante, et la demi-lentille absorbante peuvent être faites d'un matériau diélectrique partiellement absorbant.
  • Par exemple, un matériau absorbant comprenant du carbone peut être utilisé. Ce type de matériau présente l'avantage, de disposer de propriété absorbantes tout en étant compatible avec l'impression 3D, ce qui rend le système d'antenne plus flexible à reproduire et modifier.
  • Plus généralement, la demi-lentille peut être solidaire de la cavité Cav et de l'antenne Ant, auquel cas le système Sys1a est formé d'un dispositif unique.
  • Dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention, la demi-lentille peut au contraire être située dans un dispositif indépendant de celui de l'antenne.
  • Par exemple, la demi-lentille peut être disposée légèrement au-dessus de l'antenne. Ceci permet d'intégrer la demi-lentille à des dispositifs d'antenne déjà existant. Par exemple, la demi-lentille peut être intégrée à un radôme venant s'ajouter au-dessus d'une antenne pré-existante.
  • La figure 4 représente un exemple de cavité métallique dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention.
  • Dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention, la cavité Cav est de forme cylindrique, avec a un diamètre d1 et une hauteur h2. La cavité métallique a un fond 410 et des parois métalliques 420.
  • Cependant, cette forme est donnée à titre d'exemple non limitatif uniquement, et d'autres formes de cavité peuvent être envisagées. Par exemple, la cavité peut être carrée. Le plan de masse de la cavité peut être plan ou non. Dans ce dernier cas, la profondeur de la cavité peut être plus faible vers le centre de celle-ci. Par exemple, la cavité peut être de forme conique.
  • La figure 5 représente un exemple de couronne périphérique absorbante dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention.
  • Dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention, la couronne périphérique absorbante Cour se présente sous la forme d'un cylindre creux.
  • Dans l'exemple de la figure 5, le cylindre creux a une hauteur h2, et un diamètre extérieur d1 respectivement identiques aux hauteur et diamètre extérieur de la cavité métallique Cav représentée en figure 4, et une épaisseur w1, correspondant à un diamètre intérieur d1 - w1.
  • La couronne périphérique absorbante représentée en figure 5 peut donc être placée dans la cavité métallique représentée en figure 4, et absorber les ondes électromagnétiques entre l'antenne et la latérale 420 de la cavité métallique.
  • La figure 6 représente un exemple d'élément de base d'une demi-lentille absorbante dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention.
  • L'élément de base Bas de la demi-lentille absorbante se présente ici comme un demi-cylindre d'épaisseur h4 et de diamètre d2 > d1. L'élément de base peut donc obturer la moitié de la cavité métallique.
  • L'élément de base contribue ainsi à la déviation du faisceau.
  • L'élément de base peut, dans certains modes de réalisation, servir de support à d'autres éléments de la lentille tels que ceux représentés en figure 8
  • Dans d'autres modes de réalisation de l'invention, l'élément de base est le seul élément de la demi-lentille obturant la cavité métallique. Dans ces modes de réalisation, la hauteur de l'élément de base peut être définie en fonction de la déviation désirée du faisceau. En particulier, certaines hauteurs peuvent favoriser la déviation du faisceau dans certaines bandes de fréquences ; la hauteur h4 peut donc être définie en fonction d'une bande de fréquence à dévier de manière préférentielle.
  • Le design de l'élément de base présenté en figure 6 est fourni à titre d'exemple uniquement, et d'autres designs sont possibles. Par exemple, l'élément de base peut être formé d'un demi-cylindre de diamètre d1 rentrant légèrement dans la cavité métallique, ou l'élément annulaire représenté en figure 7, et un demi-cylindre de diamètre d2 comme représenté en figure 6. De manière générale, le design de l'élément de base peut obéir aux considérations suivantes :
    • l'élément de base doit obturer la moitié de la cavité métallique, ou la moitié de la partie creuse de la couronne périphérique annulaire ;
    • l'élément de base peut avoir une hauteur constante, pour la partie venant obturer la cavité métallique, ou la moitié de la partie creuse de la couronne périphérique annulaire.
  • La figure 7 représente un exemple d'élément annulaire dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention.
  • Dans ensemble de modes de réalisation de l'invention, la demi-lentille absorbante est disposée sur un élément annulaire formant un prolongement de la couronne périphérique absorbante hors de la cavité jusqu'à l'élément de base. Selon les modes de réalisation de l'invention, la demi-lentille absorbante et l'élément annulaire peuvent être solidaires et former un élément unique, ou être deux éléments distincts juxtaposés.
  • Dans l'exemple de la figure 7, l'élément annulaire Ann se présente comme un cylindre creux de diamètre extérieur d1, d'épaisseur w1 et de hauteur h3. Il s'agit donc d'un demi-cylindre creux de même diamètre extérieur et épaisseur que le demi-cylindre creux de la couronne périphérique représentée en figure 5, qui vient prolonger celle-ci hors de la cavité métallique, jusqu'à l'élément de base Bas, et donc former un support de l'élément de base Bas.
  • Cet élément annulaire absorbe donc les réflexions de l'antenne, tout fixant les autres éléments de la lentille et maintenant une distance fixe entre l'antenne et l'élément de base de la demi-lentille.
  • Lorsque la demi-lentille et l'élément annulaire sont joints, ceci permet de plus de réaliser la demi-lentille sans nécessiter d'interface mécanique entre sa face inférieure et la face supérieure du circuit rayonnant. Autrement dit, l'association monobloc de la demi-lentille et de l'élément annulaire ces deux éléments (par exemple par impression 3D) permet de réduire les interfaces d'assemblage suivant l'axe perpendiculaire au circuit rayonnant, tout en permettant de choisir précisément la lame d'air entre la face supérieure du circuit rayonnant et celle inférieure de la demi-lentille : il n'y a par exemple pas besoin de film de colle-mousse-film de colle entre le circuit rayonnant et la demi-lentille.
  • La figure 8 représente un exemple d'un ensemble d'éléments secteurs circulaires d'une demi-lentille absorbante dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention.
  • Dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention, la demi-lentille absorbante comprend au moins un élément secteur circulaire dont l'épaisseur varie en fonction de la distance au centre de la demi-lentille.
  • Comme indiqué ci-dessus, l'antenne peut traiter, qu'il s'agisse d'une antenne en émission ou en réception, des fréquences dépendant de la distance au centre de l'antenne, et donc au centre de la demi-lentille. Par exemple une antenne spirale, sinueuse ou log-périodique, pour laquelle la zone active à une longueur d'onde donnée à une forme d'anneau dont le diamètre correspond à la longueur d'onde donnée, les anneaux inférieurs correspondant donc à des basses fréquences, et les anneaux intérieurs à des hautes fréquences. En parallèle, l'épaisseur de la lentille permet de dévier plus ou moins le faisceau selon les fréquences des ondes électromagnétiques.
  • L'adaptation de l'épaisseur de la demi-lentille en fonction de la distance au centre permet donc d'adapter localement la déviation du faisceau à la fréquence des ondes émises à une distance donnée du centre de l'antenne. Ceci permet d'obtenir une déviation du faisceau qui soit cohérente sur une large bande de fréquence.
  • Dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention, la demi-lentille comprend une pluralité d'éléments secteur circulaire dont l'épaisseur est définie par une fonction croissante d'une distance angulaire des bords de la lentille.
  • Dans l'exemple de la figure 8, la demi-lentille comprend 9 éléments secteur circulaire, disposés de manière symétrique, avec, à partir bords de la demi-lentille :
    • deux éléments secteur circulaire 8e ;
    • deux éléments secteur circulaire 8d ;
    • deux éléments secteur circulaire 8c ;
    • deux éléments secteur circulaire 8b ;
    • un élément secteur circulaire 8a.
  • Chaque élément secteur circulaire est défini par un profil d'épaisseur dépendant de la distance au centre de la demi-lentille, et l'épaisseur est définie par une fonction croissante d'une distance angulaire des bords de la lentille (la distance angulaire étant par exemple représentée par l'angle α en partant du bord droit de la demi-lentille), c'est-à-dire que, dans l'exemple de la figure 8, à une distance donnée du centre, l'épaisseur de l'élément 8a sera supérieure aux épaisseurs des éléments 8b, elles-mêmes supérieures aux épaisseurs des éléments 8c, elles-mêmes supérieures aux épaisseurs des éléments 8d, elles-mêmes supérieures aux épaisseurs des éléments 8e.
  • L'utilisation d'une pluralité d'éléments secteur circulaires dont l'épaisseur est définie par une fonction croissante d'une distance angulaire des bords de la lentille permet de limiter la dépendance en fréquence de la déviation angulaire du lobe principal de rayonnement. Cela permet également de restreindre les discontinuités le long des brins de la spirale, et donc d'éviter les désadaptations d'impédance.
  • La figure 9 représente un exemple de vue de profil d'un ensemble d'éléments secteurs circulaires d'une demi-lentille absorbante dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention.
  • La figure 9 représente plus précisément une vue de profil des éléments secteur circulaire (ou secteurs) 8a, 8b, 8c, 8d et 8e représentés en figure 8. Pour chacun des profils, la figure 9 représente l'épaisseur du profil en fonction de la distance du centre de la demi-lentille, la distance étant représentée croissante de gauche à droite.
  • Comme en figure 8, on peut noter que, à une distance donnée du centre, l'épaisseur est respectivement de moins en moins importante pour les secteurs 8a, 8b, 8c, 8d et 8e. En effet, tous les secteurs suivent un modèle de profil similaire, dans lequel :
    • les épaisseurs pour le secteur 8a sont définies par une fonction paramétrée par quatre épaisseurs s1, s2, s3 et s4 ; et
    • les épaisseurs pour les secteurs 8b sont définies par la même fonction, paramétrée avec les épaisseurs 0,8 * s1, 0,8 * s2, 0,8 * s3 et 0,8 * s4 ;
    • les épaisseurs pour les secteurs 8c sont définies par la même fonction, paramétrée avec les épaisseurs 0,6 * s1, 0,6 * s2, 0,6 * s3 et 0,6 * s4 ;
    • les épaisseurs pour les secteurs 8d sont définies par la même fonction, paramétrée avec les épaisseurs 0,4 * s1, 0,4 * s2, 0,4 * s3 et 0,4 * s4 ;
    • les épaisseurs pour les secteurs 8d sont définies par la même fonction, paramétrée avec les épaisseurs 0,2 * s1, 0,2 * s2, 0,2 * s3 et 0,2 * s4.
  • Dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention, chaque élément secteur circulaire est défini par une fonction d'épaisseur croissant puis décroissant en fonction d'une distance au centre de la demi-lentille.
  • C'est par exemple le cas des éléments secteur circulaire représentés en figure 9, pour lesquels l'épaisseur croît d'abord, du centre de la lentille (à gauche sur la figure 9) jusqu'à une distance ds3, puis décroît entre la distance ds3 et une distance ds4 représentant le rayon des éléments secteur circulaire.
  • La distance ds3 peut par exemple correspondre substantiellement au rayon de l'antenne. Ceci permet d'obtenir une épaisseur de la demi-lentille croissante avec la distance au centre de l'antenne, et donc avec la longueur d'onde des ondes utilisées localement par l'antenne. Ceci permet d'avoir une épaisseur importante pour les basses fréquences, et plus faibles pour les hautes fréquences. Ceci permet d'obtenir une déviation du faisceau homogène sur une large bande de fréquences.
  • La figure 10 représente un exemple de vue d'ensemble d'un système d'antenne comprenant un ensemble d'éléments secteurs circulaires d'une demi-lentille absorbante dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention.
  • La figure 10 représente une vue d'ensemble d'un système d'antenne Sys10 comprenant un certain nombre des éléments discutés ci-dessus. Le système d'antenne Sys10 comprend notamment :
    • une cavité métallique Cav ;
    • une antenne Ant dans la cavité métallique ;
    • une demi-lentille comprenant :
      • ∘ un élément annulaire Ann ;
      • ∘ une pluralité d'éléments secteur circulaire Sect.
  • Certains éléments du système d'antenne Sys10 ne sont pas visibles sur la figure 10. Par exemple, l'élément de base de la demi-lentille est situé soit la pluralité d'éléments secteur circulaire Sect, et la couronne périphérique absorbante à l'intérieur des parois de la cavité métallique.
  • La figure 11a représente un exemple de diagrammes de rayonnement d'une antenne de l'état de l'art selon différentes fréquences, sans déviation du faisceau de l'antenne.
  • La figure 11b représente un exemple de diagrammes de rayonnement d'une antenne selon différentes fréquences, avec déviation du faisceau de l'antenne par un système d'antenne dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention.
  • De manière générale, les figures 11a à 18 correspondent à des simulations électromagnétiques 3D réalisées sur un modèle de système d'antenne selon l'invention. Ils sont donnés à titre d'exemple illustratif et non limitatif uniquement des résultats obtenus par un système d'antenne selon l'invention, des résultats différents pouvant être obtenus dans d'autres modes de réalisation de l'invention (par exemple, avec un autre type d'antenne, ou d'autres dimensions).
  • Chacun des 6 diagrammes représentés sur les figures 11a et 11b correspond à une fréquence donnée, de gauche à droite et de haut en bas, 3,5 GHz, 4,5 GHz, 5,5 GHz, 6,5 GHz, 7,5 GHz, et 8,5 GHz.
  • Pour chacune des fréquences la figure 11a représente le diagramme sans déviation, et la figure 11b le diagramme avec déviation. La déviation est représentée par l'angle de roulis φ et de site θ.
  • La figure 11b montre que le système selon l'invention permet bien une déviation du diagramme de rayonnement de l'antenne, et que cette déviation est assez homogène sur une large bande de fréquences, dans cet exemple de 3,5 GHz à 8,5 GHz.
  • La figure 12 représente deux coupes d'une représentation 3D du lobe principal du diagramme de rayonnement d'une antenne dévié par un système d'antenne dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention.
  • Les deux coupes correspondent à des coupes selon les plans définis par les axes X et Y, et les axes X et Z respectivement.
  • Cet exemple montre que le système selon l'invention permet de dévier le faisceau de l'antenne, à la fois selon l'angle roulis φ et de site θ.
  • La figure 13 représente un exemple d'un angle de déviation obtenu par un système d'antenne en fonction de la fréquence dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention.
  • La figure 13, ainsi que les figures 14 à 18, concernent le même exemple que les figures 11a à 12. On observe sur la figure 13 que l'angle de déviation du lobe principal du diagramme de rayonnement de l'antenne est compris entre 11° et 22°. L'invention permet donc d'obtenir un angle de déviation relativement constant sur une large bande de fréquences.
  • La figure 14 représente un exemple d'un angle de déviation angulaire obtenu par un système d'antenne en fonction de la fréquence dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention.
  • L'angle de déviation angulaire est compris entre 340° et 25°, et peut donc être limité sur l'ensemble de la bande de fréquence.
  • La figure 15 représente un exemple de gain de l'antenne obtenu par un système d'antenne en fonction de la fréquence dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention.
  • Le gain de l'antenne est représenté sur l'axe vertical, en dB, en fonction de la fréquence, sur l'axe horizontal, en GHz.
  • On observe que le gain rayonné typiquement supérieur à 2 dB, ce qui montre que la demi-lentille permet d'obtenir la déviation angulaire montrée Figure 13, sans dégradation importante du niveau de gain rayonné. On observe aussi qu'il n'existe pas de creux de gain suivant la fréquence : ceci montre que l'ajout de la demi-lentille ne crée pas de phénomène d'interférence destructive supplémentaire avec le plan de masse inférieur de la cavité d'antenne
  • La figure 16 représente un exemple de rapport axial obtenu par un système d'antenne en fonction de la fréquence dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention.
  • Le rapport axial est représenté sur l'axe vertical, en dB, en fonction de la fréquence, sur l'axe horizontal, en GHz.
  • On observe que le rapport axial est largement inférieur à -3dB, ce qui représente une bonne pureté de la polarisation, sur une large bande de fréquences, en l'occurrence l'ensemble des fréquences testées entre 3,5 et 8,5 GHz.
  • La figure 17 représente un exemple de largeur de lobe à -3dB obtenu par un système d'antenne en fonction de la fréquence dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention.
  • La largeur de lobe est représentée sur l'axe vertical, en dB, en fonction de la fréquence, sur l'axe horizontal, en GHz.
  • On observe que la largeur de lobe à -3 dB, en présence de la demi-lentille, reste cohérente de celle attendue pour ce type d'antenne : la demi-lentille crée donc une déviation angulaire du lobe principal de rayonnement mais n'altère pas le domaine d'ouverture angulaire à mi-puissance dans les plans de rayonnement étudiés, avec une ouverture angulaire plutôt stable en fréquence.
  • La figure 18 représente un exemple d'adaptation d'impédance obtenue par un système d'antenne en fonction de la fréquence dans un ensemble de modes de réalisation de l'invention ;
  • Le matching est représenté sur l'axe vertical, en dB, en fonction de la fréquence, sur l'axe horizontal, en GHz.
  • On observe que l'ajout de la demi-lentille diélectrique absorbante n'induit pas de désadaptation de l'antenne.
  • Les exemples ci-dessus démontrent la capacité de l'invention à générer une déviation du faisceau d'une antenne de manière homogène sur une large bande de fréquence, tout en limitant l'encombrement du système d'antenne et en préservant les performances de l'antenne. Ils ne sont cependant donnés qu'à titre d'exemple et ne limitent en aucun cas la portée de l'invention, définie dans les revendications ci-dessous.

Claims (12)

  1. Système d'antenne (Sys1a, Sys1b, Sys10) comprenant :
    - un plan de masse avec une cavité (Cav) recouverte d'un substrat diélectrique, magnétique ou magnéto-diélectrique (Subs), la cavité comprenant une ouverture et des parois ;
    - une antenne (Ant) disposée sur le substrat diélectrique, magnétique ou magnéto-diélectrique ;
    - une couronne périphérique absorbante (Cour) disposée entre l'antenne et les parois;
    - une demi-lentille absorbante (Lent1a, Lent1b) ayant une forme d'un secteur angulaire, comprenant un élément de base (Bas) couvrant une première partie de l'ouverture de la cavité et une première partie de l'antenne, une seconde partie de l'ouverture de la cavité et une seconde partie de l'antenne n'étant pas couvertes par ledit élément de base.
  2. Système d'antenne selon la revendication 1, dans lequel la demi-lentille absorbante comprend un élément annulaire (Ann) formant un prolongement de la couronne périphérique absorbante sur la seconde partie de l'ouverture.
  3. Système d'antenne selon la revendication 1, dans lequel la première partie de l'ouverture de la cavité correspond à la moitié de l'ouverture de la cavité.
  4. Système selon la revendication 1, dans lequel la demi-lentille absorbante comprend au moins un élément secteur circulaire (Sect) dont l'épaisseur varie en fonction de la distance au centre de la demi-lentille.
  5. Système selon la revendication 4, dans lequel la demi-lentille absorbante comprend une pluralité d'éléments secteur circulaire dont l'épaisseur est définie par une fonction croissante d'une distance angulaire des bords de la lentille.
  6. Système selon l'une des revendications 4 ou 5, dans lequel chaque élément secteur circulaire est défini par une fonction d'épaisseur croissant puis décroissant en fonction d'une distance au centre de la demi-lentille.
  7. Système d'antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un élément au moins parmi la couronne périphérique absorbante, et de la demi-lentille est faite d'un matériau diélectrique partiellement absorbant.
  8. Système d'antenne selon la revendication 7, dans lequel le matériau diélectrique comprend partiellement du carbone.
  9. Système d'antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'antenne est une antenne spirale, une antenne sinusoïde ou une antenne périodique
  10. Système d'antenne selon la revendication 9, dans lequel l'antenne est une définie par une spirale d'Archimède.
  11. Système d'antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'antenne est une antenne large bande, permettant d'obtenir un angle de déviation constant sur l'ensemble de la bande de fréquence de fonctionnement de l'antenne.
  12. Système d'antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant :
    - un premier dispositif comprenant le plan de masse, l'antenne et la couronne périphérique absorbante ;
    - un deuxième dispositif comprenant la demi-lentille absorbante.
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