PERFECTIONNEMENT AUX ANTENNES A BANDES INTERDITES PHOTONIQUES ACTIVES

Description

[0001] La présente invention concerne les antennes à bandes interdites photoniques actives.

[0002] Les structures à bandes interdites photoniques sont connues sous l'abréviation BIP, de manière générale sous le terme « Photonic Band Gap Structure ou PBG structure » en langue anglaise, pour des structures périodiques qui interdisent la propagation d'une onde pour certaines bandes de fréquences. Ces structures ont tout d'abord été utilisées dans le domaine optique mais, depuis quelques années, leur application s'est étendue à d'autres gammes de fréquences. Les structures à bandes interdites photoniques sont utilisées notamment dans des dispositifs micro-ondes tels que des filtres, des antennes ou similaire.

[0003] Parmi les structures à bandes interdites photoniques, on trouve des structures métalliques qui utilisent une distribution périodique d'éléments métalliques, d'autres une distribution périodique d'éléments diélectriques mais aussi des structures métallo-diélectriques.

[0004] La présente invention se rapporte à une structure à bandes interdites photoniques utilisant des éléments métalliques, plus particulièrement des tiges parallèles parfaitement conductrices et disposées périodiquement, certaines des tiges étant formées de tronçons connectés par un élément de commutation qui, en fonction de son état, rend la tige continue ou discontinue.

[0005] Des antennes à bandes interdites photoniques à base d'éléments métalliques tels que des tiges métalliques parallèles ont déjà été étudiées. Ainsi, l'article publié dans la revue Chin. Phys.Lett. Vol. 19, n° 6 (2002) 804 intitulé « Metal Photonic Band Gap Resonant Antenna with High Directivity and High Radiation Résistance », de Lin Qien, FU-Jian, HE Sai-Ling, Zhang Jian-Wu étudie une structure résonnante à bandes interdites photoniques métallique (MBPG) formée de tiges métalliques parallèles infiniment longues selon la direction Z.

[0006] Il est aussi décrit dans un article intitulé « A Beam Steering Antenna Controlled with a EBG Material » au nom de P Ratajczak, P. Y. Garel, P. Brachat paru dans IEEE AP-S 2004, une antenne constituée d'une source placée au centre d'une structure à bandes interdites photoniques composée de tiges métalliques formées de tronçons de tiges interconnectés par une diode PIN permettant de passer de l'état continu à l'état discontinu. On parle alors d'antenne à bandes interdites photoniques actives.

[0007] La présente invention concerne un perfectionnement à une antenne à bandes interdites photoniques (BIP) actives qui est réalisée avec des tiges métalliques de longueur finie, dont certaines sont formées de tronçons interconnectés par un élément de commutation qui permet de rendre la tige continue ou discontinue. Ainsi, différents diagrammes de rayonnement peuvent être obtenus en fonction de l'emplacement des tiges discontinues.

[0008] La présente invention concerne une antenne à bandes interdites photoniques (BIP) active comportant, selon un plan de directions x, y, une source rayonnante et une structure à bandes interdites photoniques constituée par des tiges métalliques parallèles, perpendiculaires audit plan, les tiges de diamètre d se répétant n_x fois avec une période a_x dans la direction x et n_y fois avec une période a_y dans la direction y, les tiges étant constituées par des tiges continues et des tiges discontinues formées par au moins 2 tronçons reliés par un élément de commutation rendant la tige continue ou discontinue, caractérisée en ce qu'une des tiges d'au moins une rangée de tiges vue à partir de la source rayonnante est une tige discontinue.

[0009] Selon un mode de réalisation, la tige discontinue comporte un nombre de tronçons t tel que t ≥ 2. De préférence, la longueur L d'un tronçon est égale à λ0/2 où λ0 est la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement de l'antenne. Ainsi, la hauteur totale d'une tige discontinue est donnée par la formule H = (n_e+1) L+n_ee, dans laquelle : n_e correspond au nombre de discontinuités, L correspond à la longueur d'un tronçon et e à la taille de l'élément de commutation.

[0010] Selon une autre caractéristique de l'invention, la tige discontinue correspond à la tige externe d'une rangée de tiges vue par la source.

[0011] Selon un mode de réalisation, la source est un monopôle monté sur un plan de masse sur lequel sont aussi montées les tiges, un DRA (pour Dielectric Resonator Antenna) monté sur un plan de masse, un dipôle ou similaire. Les tiges sont en un matériau métallique tel que du cuivre, de l'argent, de l'aluminium ou similaire. L'élément de commutation est choisi parmi les diodes PIN ou les MEMs pour MicroElectroMechanical systèmes

[0012] D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels :

Fig :1 est une vue très schématique d'une antenne à bandes interdites photoniques selon l'art antérieur avec son diagramme de rayonnement en 3D,

Fig : 2 est une vue identique à celle de figure 1 dans le cas d'une antenne à bandes interdites photoniques selon un mode de réalisation de la présente invention,

Fig : 3 est une vue en perspective d'une tige discontinue utilisée dans la présente invention,

Fig : 4 représente schématiquement les quatre directions possibles pour les tiges discontinues ainsi que les diagrammes de rayonnement correspondants,

Fig : 5 représente schématiquement les différents emplacements possibles pour les tiges discontinues selon une direction donnée ainsi que les diagrammes de rayonnement correspondants et

Fig : 6 représente schématiquement une variante de réalisation de la présente invention.

[0013] Pour expliquer le concept de la présente invention, l'on décrira tout d'abord, avec référence à la figure 1, une antenne à bandes interdites photoniques selon l'art antérieur. Cette antenne est constituée d'une source rayonnante formée par un dipôle 1 dimensionné pour fonctionner à une fréquence f₀=5.25GHz et positionné au centre d'une structure à bandes interdites photoniques métalliques ou BIPM de forme carrée composée de 6x6 tiges 2 métalliques. La période a du BIPM est telle que la caractérisation sous onde plane présente son premier pic de propagation à la fréquence ci-dessus. Son diagramme de rayonnement tel que représenté sur la figure 1,est alors en forme de rosace avec quatre lobes principaux dans les directions (0°, 90°, 180° et 270°). Cette antenne présente des directions privilégiées de rayonnement lorsque la structure BIPM traversée dans cette direction est passante. Au contraire, cette antenne présente des minima de rayonnement lorsque la structure BIPM traversée est bloquante. Cet état bloquant ou passant se déduit d'une simulation annexe appelée caractérisation sous onde plane connue de l'homme de l'art. La caractérisation sous onde consiste à illuminer des tiges métalliques de dimensions infinies suivant l'axe Z sous onde plane.

[0014] Ainsi, une source dimensionnée à f=5.25GHz (dipôle filaire) au centre d'une structure BIPM de 6x6 tiges de période a=17.5mm présente un diagramme en forme de rosace avec des directions privilégiées de rayonnement dans le plan Θ=90° pour (0°, 90°, 180° et 270°). Cela s'explique par le fait qu'une structure BIPM caractérisée sous onde plane présente une bande passante à cette fréquence. Au contraire, dans les directions (45°, 135°, 225° et 315°), le diagramme de rayonnement de l'antenne présente des minima de rayonnement car la caractérisation sous onde plane à cette fréquence pour une période vue de a'=a√2= 24.8mm présente une bande interdite. Ceci explique le diagramme de rayonnement en forme de rosace. Par ailleurs, ce fonctionnement est obtenu lorsqu'une hauteur de tiges métalliques est respectée, à savoir H> 1.5λ₀.

[0015] Sur la figure 2, on a représenté une antenne BIPM active conforme à la présente invention. Dans ce cas, la première tige métallique 3 de deux rangées contiguës de tiges métalliques vues à partir de la source 1 est une tige discontinue selon le sens expliqué ci-après, à savoir une tige formée d'au moins 2 tronçons reliés par un élément de commutation qui peut être passant ou ouvert tel qu'une diode PIN ou un commutateur à base de MEMS (Micro Electro Mechanical System). L'énergie rayonnée par la source 1 au milieu de la structure BIPM active ne se propage pas dans la direction où se trouvent les 2 tiges discontinues, la structure BIPM étant bloquante, et l'on obtient un diagramme de rayonnement tel que représenté sur la figure 2 avec une direction privilégiée de rayonnement opposée à la direction dans laquelle se trouvent les tiges discontinues. Ce fonctionnement dual entre les tiges continues et discontinues est obtenu lorsque la longueur des tronçons L des tiges métalliques formant les tiges discontinues est de l'ordre de la demi-longueur d'onde. Ainsi pour une fréquence de fonctionnement de f₀=5.25GHz, L=28.6mm.

[0016] On expliquera ci-après avec référence à la figure 3, le dimensionnement d'une tige discontinue. Plus particulièrement, la figure 3 représente une tige discontinue et la relation permettant de lier « H », la hauteur totale de la tige discontinue aux paramètres géométriques de la tige discontinue. Ces paramètres sont « L », la longueur des tronçons métalliques, « ne », le nombre des discontinuités et « e », la taille de la discontinuité. On obtient donc l'équation :

[0017] Ainsi pour la topologie d'antenne présentée comme exemple, la hauteur des tiges métalliques est égale à H=8.98cm, avec ne = 2 (2 discontinuités par tige), e=2mm (correspondant à la taille d'une diode) et L=28.6cm (tel que mentionné ci-dessus pour un fonctionnement à 5.25GHz).

[0018] On décrira maintenant avec référence aux figures 4 à 6, différents modes de réalisation de la présente invention. Ainsi sur la figure 4, deux tiges discontinues 3 sont positionnées respectivement selon les 4 directions entourant la source 1.Dans ce cas, l'obtient quatre configurations possibles pour le diagramme de rayonnement, comme représenté sur la figure. Sur la figure 5, les tiges discontinues 3 sont, pour une même direction, positionnées selon trois agencements différents, à savoir respectivement sur la première ligne vue par la source 1, sur la seconde ligne et sur la troisième ligne ou ligne externe. Cette dernière solution facilite la réalisation de l'antenne car la commande due l'élément de commutation tel qu'une diode PIN est rendue plus facile en étant réalisée sur l'extérieur de la structure BIPM. Pour comparaison, l'on a aussi représenté une solution avec 2 rangées complètes de tiges discontinues 3. Comme représenté sur la figure, les diagrammes de rayonnement associés sont comparables permettant d'interdire à l'énergie de se propager dans la direction considérée. Ainsi, la solution de la présente invention permet de contrôler le diagramme de rayonnement avec un coût minime puisqu'une seule tige par rangée est une tige discontinue dont la structure est plus coûteuse du fait de l'utilisation d'éléments de commutation. Sur la figure 6, on a représenté une antenne BIPM avec 3 tiges discontinues 3 entourant la source 1 sur trois cotés, les autres tiges étant des tiges continues 2. Avec cette structure, l'on obtient le diagramme de rayonnement représenté sur la figure 6 avec des directivités de 12 dB.

[0019] Ainsi en n'utilisant qu'un nombre restreint de tiges discontinues, il est possible de contrôler le diagramme de rayonnement d'une antenne à bandes interdites photoniques actives.

Revendications

1. Une antenne à bandes interdites photoniques (BIP) active comportant, selon un plan de directions x, y, une source rayonnante et une structure à bandes interdites photoniques constituée par des tiges métalliques parallèles, perpendiculaires audit plan, les tiges de diamètre d se répétant n_x fois avec une période a_x dans la direction x et n_y fois avec une période a_y dans la direction y, les tiges étant constituées par des tiges continues et des tiges discontinues formées par au moins 2 tronçons reliés par un élément de commutation rendant la tige continue ou discontinue, caractérisée en ce qu'une des tiges d'au moins une rangée de tiges vue à partir de la source rayonnante est une tige discontinue.

2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la tige discontinue comporte un nombre de tronçons t tel que t ≥ 2.

3. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la longueur L d'un tronçon est égale à λ0/2 où λ0 est la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement de l'antenne.

4. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la hauteur totale d'une tige discontinue est donnée par la formule H = (n_e+1) x L + ne x e, dans laquelle : ne correspond au nombre de discontinuités, L correspond à la longueur d'un tronçon et e à la taille de l'élément de commutation.

5. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la tige discontinue correspond à la tige externe d'une rangée de tiges vue par la source.

6. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que la source est un monopôle monté sur un plan de masse sur lequel sont aussi montées les tiges, un DRA (pour Dielectric Resonator Antenna) monté sur un plan de masse ou un dipôle.

Claims

1. An active photonic band gap antenna (PBG) comprising, according to a plane of directions x, y, a radiating source and a photonic band gap structure constituted by parallel metal rods, perpendicular to the said plane, the rods of diameter d repeating themselves n_x times with a period a_x in the direction x and ny times with a period a_y in the direction y, the rods being constituted by continuous rods and discontinuous rods formed by at least 2 sections connected by a switching element making the rod continuous or discontinuous, characterized in that one of the rods of at least one row of rods seen from the radiating source is a discontinuous rod.

2. Antenna according to claim 1, characterized in that the discontinuous rod comprises a number of sections t such that t ≥ 2.

3. Antenna according to any one of the claims 1 or 2, characterized in that the length L of a section is equal to λ0/2 where λ0 is the wavelength at the operating frequency of the antenna.

4. Antenna according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the total height of a discontinuous rod is given by the formula H = (n_e+1) x L + n_e x e, wherein: n_e corresponds to the number of discontinuities, L corresponds to the length of a section and e to the size of the switching element.

5. Antenna according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the discontinuous rod corresponds to the external rod of a row of rods seen from the source.

6. Antenna according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the source is a monopole mounted on a ground plane on which the rods are also mounted, a DRA (Dielectric Resonator Antenna) mounted on a ground plane or a dipole.

Ansprüche

1. Aktive Antenne mit verbotenen Photonenbändern (BIP), welche in einer Ebene aus Richtungen x, y eine Strahlungsquelle und eine Struktur mit verbotenen Photonenbändern umfasst, die durch parallel angeordnete und senkrecht zu der Ebene verlaufende metallische Stäbe gebildet ist, wobei die Stäbe mit einem Durchmesser d n_x Mal mit einer Periode a_x in der x-Richtung und n_y Mal mit einer Periode a_y in der y-Richtung vorhanden sind, wobei die Stäbe aus kontinuierlichen Stäben und diskontinuierlichen Stäben bestehen, die durch mindestens 2 Abschnitte gebildet sind, welche durch ein Schaltelement verbunden sind, das den Stab kontinuierlich oder diskontinuierlich macht, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Stäbe in mindestens einer von der Strahlungsquelle aus gesehenen Reihe von Stäben ein diskontinuierlicher Stab ist.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der diskontinuierliche Stab eine Anzahl von Abschnitten t mit t ≥ 2 umfasst.

3. Antenne nach einem beliebigen der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge L eines Abschnitts gleich λ0/2 ist, wobei λ0 die Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz der Antenne ist.

4. Antenne nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamthöhe eines diskontinuierlichen Stabs sich zu H = (n_e+1) x L + n_e x e ergibt, wobei n_e die Anzahl der Diskontinuitäten ist, L die Länge eines Abschnitts ist und e die Größe des Schaltelements ist.

5. Antenne nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der diskontinuierliche Stab mit dem Außenstab einer von der Quelle aus gesehenen Reihe von Stäben übereinstimmt.

6. Antenne nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Quelle um einen Monopol, der auf einer Masse-Ebene angebracht ist, auf der die Stäbe ebenfalls montiert sind, um eine auf einer Masse-Ebene angebrachte DRA (Dielectric Resonator Antenna) oder um einen Dipol handelt.

Dessins