LENTILLE INHOMOGENE A GRADIENT D'INDICE DE TYPE OEIL DE POISSON DE MAXWELL, SYSTEME D'ANTENNE ET APPLICATIONS CORRESPONDANTS

Description

1. Domaine de l'invention

[0001] Le domaine de l'invention est celui des systèmes de focalisation de type lentille, utilisables en hyperfréquence et notamment en ondes millimétriques.

[0002] Plus précisément, l'invention concerne une lentille inhomogène à gradient d'indice, de type Œil de Poisson de Maxwell.

[0003] L'invention concerne également un système d'antenne associant une telle lentille à une ou plusieurs antennes source.

[0004] L'invention a de nombreuses applications, telles que par exemple les communications satellitaires à haut débit, la télévision numérique par satellite, les applications radar anti-collision dans l'automobile, ...

[0005] Dans le cas de la première application précitée, à savoir les communications satellitaires à haut débit, le système d'antenne selon l'invention peut être utilisé comme source d'un réflecteur (par exemple dans la bande des 50 GHz).

[0006] Pour la seconde application précitée, à savoir la télévision numérique par satellite , il est nécessaire pour les abonnés voulant avoir accès à deux satellites, qu'il y ait deux sources différentes illuminant la parabole. Le système d'antenne selon l'invention, dans une de ses configurations, peut permettre de dépointer le faisceau afin de remplacer ces deux sources par une seule.

[0007] Enfin, dans la troisième application précitée, à savoir l'automobile, dans le cas des futurs radars anti-collision à 77 GHz, des antennes à longue portée (200m) et à courte portée, simple ou multifaisceaux, seront utilisées. Dans le cas de la longue portée, un système d'antenne selon l'invention (c'est-à-dire une « antenne lentille ») peut permettre d'atteindre la directivité nécessaire et l'aspect gradient d'indice peut amener une réduction de taille et de poids intéressantes. Actuellement le faisceau de l'antenne située à l'avant de la voiture est fixe, mais il serait intéressant de dépointer le faisceau légèrement afin de suivre de manière plus précise les tracés de la route. Le système d'antenne selon l'invention, dans une de ses configurations, peut permettre de changer la direction du faisceau sur un angle suffisant.

2. Art antérieur

[0008] Parmi tous les systèmes de focalisation de type lentille utilisables en hyperfréquence, et notamment en ondes millimétrique, une grande catégorie est nommée « Lentilles inhomogènes à gradient d'indice ». Ces lentilles sont des boules inhomogènes dont la constante diélectrique change en fonction de la distance au centre. Ces lentilles sphériques à gradient d'indice permettent une réduction de poids significative.

[0009] Dans la littérature, plusieurs types de lentilles à gradient d'indice permettent la focalisation. Les lois des indices variables sont optimisées pour minimiser les différences de longueurs optiques entre les différents chemins Les plus connues sont les distributions suivantes, où R est le rayon de la lentille :

• distribution de Lüneburg : ε_r (r) = 2 - (r/R)², (Lüneburg 1944 ; Rozenfeld 1976 ; D. Greenwood 1999),
• distribution d'Eaton : ε_r (r) = (r/R)²,
• distribution d'Eaton-Lippman : ε_r (r) = (2R-r/r), (Rozenfeld 1976),
• distribution de l'Œil de poisson de Maxwell : ε_r (r) = 4/(1 + (r/R)²)².

[0010] Dans le cas de la lentille de Lüneburg, chaque point de la surface est un point focal idéal. La distribution d'Eaton-Lippman réagit comme un miroir : les points objets et images sont parfaitement confondus. Il s'agit d'un réflecteur omnidirectionnel.

[0011] Dans le cas de l'Œil de poisson de Maxwell, les points objets et images sont diamétralement opposés sur la surface extérieure de la lentille. Ainsi, par symétrie, une onde plane se forme sur le plan médian. Ceci explique alors l'utilisation d'une demi-boule uniquement pour focaliser le rayonnement. C'est ce dernier aspect de demi-sphère qui est particulièrement intéressant pour la lentille Œil de Poisson de Maxwell, car cette lentille permet donc une réduction de taille intéressante pour les applications visées. C'est à cette catégorie de lentille qu'appartient la lentille de la présente invention.

[0012] Dans le cadre de la présente invention, on s'intéresse à la technique de réalisation de ce type de lentille à gradient d'indice.

[0013] Comme il est aisé de le remarquer, la distribution de la constante diélectrique est continue dans la lentille Œil de Poisson de Maxwell, comme dans la lentille de Lüneburg d'ailleurs. Il est donc impossible de respecter strictement cette loi lors de la réalisation de la lentille.

[0014] Parmi les solutions trouvées pour approcher ces lois non linéaires, les exemples trouvés dans la littérature concernent exclusivement la lentille de Lüneburg.

[0015] Ainsi, dès les années 60, la société Emerson & Cumming a par exemple réalisé une lentille de Lüneburg en imbriquant plusieurs coquilles concentriques homogènes, en forme de sphère, et d'indices différents.

[0016] Par exemple, le document de brevet US-A-5 781 163 (RICARDI) décrit un réseau de lentilles diélectriques hémisphériques (10), de type Luneberg, montées sur un plan de masse (11). Chaque lentille hémisphérique est associée à une source (12) montée articulée au-dessus d'elle (fig.3). Chaque lentille hémisphérique comprend une série de couches hémisphériques concentriques, possédant chacune une constante diélectrique distincte afin que l'ensemble des couches approxime une lentille de Lüneburg idéale (cf fig.4 et col.3 1.5-34). Il est également proposé (col.3 1.66 - col.4 1.4), un dépointage pour une lentille demi-boule de Lüneburg. Ceci est tout à fait classique puisqu'il est bien connu de l'Homme du Métier que chaque point de la surface de ce type de lentille est un point focal idéal (comme indiqué plus haut).

[0017] Il a également été proposé de réaliser les lentilles de Lüneburg en insérant des trous d'air dans une sphère en Téflon (marqué déposée). Le nombre de trous et leurs diamètres sont optimisés pour que la loi artificielle suive au mieux la loi théorique. Cependant, cette dernière technique est également complexe en terme de mécanique car le nombre de trous est prohibitif.

[0018] Aucune de ces deux solutions connues, spécifiques à la lentille de Lüneburg, n'est transposable à la réalisation d'une lentille Œil de Poisson de Maxwell.

[0019] Par ailleurs, malgré que la lentille Œil de Poisson de Maxwell est connue d'un point de vue théorique depuis très longtemps, les inventeurs n'ont trouvé aucune référence bibliographique faisant référence à une quelconque technique connue permettant de fabriquer ce type de lentille.

[0020] Ces inventeurs ont publiés l'article suivant : « Design and characterisation of half-Maxwell fish-eye len antenna in 76-81 GHz gand », ELECTRONICS LETTERS, IEEE STEVENAGE, GB, vol.42, n° 5, 2 mars 2006, pages 261-263, XP006026238 ISSN : 0013-5194). Il décrit une lentille inhomogène à gradient d'indice, de type Œil de Poisson de Maxwell, réalisée sous la forme d'une demi-sphère. Elle comprend trois coquilles concentriques en forme de demi-sphère, de constantes diélectriques discrètes différentes et imbriquées entre elles. Les constantes diélectriques discrètes des N coquilles définissent une distribution discrète approchant la distribution théorique de l'indice à l'intérieur de la lentille.

[0021] Ces inventeurs ont en outre publiés l'article suivant : « Design and Characterization of Half-Maxwell Fish-Eye Lens Antenna in Millimeter Waves », publié dans « IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques », vol.54, n° 6, 19 juin 2006, pages 2292-2300, XP001545096 ISSN : 0018-9480). Il décrit un système d'antenne comprenant au moins une source et une lentille inhomogène à gradient d'indice, de type Œil de Poisson de Maxwell, réalisée sous la forme d'une demi-sphère. La lentille comprend trois coquilles concentriques en forme de demi-sphère, de constantes diélectriques discrètes différentes et imbriquées entre elles. Les constantes diélectriques discrètes des N coquilles définissent une distribution discrète approchant la distribution théorique de l'indice à l'intérieur de la lentille. La lentille possède, en outre, une tache focale située à l'extérieur de la lentille, à une distance déterminée de la lentille.

3. Objectifs de l'invention

[0022] L'invention, dans au moins un mode de réalisation, a notamment pour objectif de pallier ces différents inconvénients de l'état de la technique.

[0023] Plus précisément, l'un des objectifs de la présente invention, dans au moins un mode de réalisation, est de fournir une technique de fabrication d'une lentille Œil de Poisson de Maxwell, qui soit simple en terme de mécanique et peu coûteuse.

[0024] L'invention a également pour objectif de donner théoriquement la manière de choisir le nombre et la nature des matériaux utilisés pour fabriquer une lentille Œil de Poisson de Maxwell, et de généraliser ainsi la technique de réalisation.

[0025] L'invention a également pour objectif de fournir un système d'antenne comprenant une lentille ainsi fabriquée, et qui soit lui-même simple à réaliser et peu coûteux.

[0026] L'invention a également pour objectif de fournir un tel système d'antenne qui, dans un mode de réalisation où la source est constituée par une ou plusieurs antennes imprimées, permette d'obtenir une directivité intéressante tout en limitant les surfaces imprimées, ce qui permet de réduire les pertes induites par la source imprimée.

[0027] Un autre objectif de l'invention est de fournir un tel système d'antenne qui, dans un mode de réalisation particulier, présente une compacité minimale.

[0028] Encore un autre objectif de l'invention est de fournir un tel système d'antenne qui, dans un mode de réalisation particulier, permette un balayage du faisceau focalisé à la sortie de la lentille, rendant ce système d'antenne utilisable dans toutes les applications nécessitant un dépointage du faisceau ou l'obtention d'un diagramme de rayonnement multifaisceaux.

4. Exposé de l'invention

[0029] Ces différents objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints selon l'invention à l'aide d'un système d'antenne selon la revendication 1.

[0030] Ainsi, on tire profit du fait que comme la loi de l'indice dans la lentille selon l'invention est discrète (et non pas continue), la lentille selon l'invention possède une tache focale (et non pas un seul point focal), ce qui permet de dépointer le faisceau ou d'obtenir des diagrammes multifaisceaux. En d'autres termes, le fait qu'il y ait une tache focale permet de bouger la source sous la lentille et d'obtenir ainsi un balayage, sur un secteur angulaire déterminé, du faisceau focalisé.

[0031] Il est important de noter que dans la technique de l'invention, contrairement à la technique connue précitée de réalisation de la lentille de Lüneburg, les coquilles ne possèdent pas toutes la même constante diélectrique et il n'y a pas d'espace empli d'air entre deux coquilles successives.

[0032] Il est également à noter qu'un nombre de coquilles supérieur à 20 rendrait la réalisation complexe et coûteuse.

[0033] Préférentiellement, les N coquilles possèdent des constantes diélectriques discrètes ε₁, ε₂...ε_N et des rayons externes normalisés d₁, d₂ ...d_N, avec d_N=1, tels qu'ils minimisent la fonction suivante :

avec q = ∞ et où :

avec i représentant le numéro de la coquille concernée

ε_r() est la distribution théorique de l'indice à l'intérieur de la lentille, et dv est un élément de volume.

[0034] Dans le présent document, on appelle rayon externe normalisé un rayon externe normalisé par rapport au rayon externe maximal (c'est-à-dire celui de la coquille externe : d_N=1).

[0035] De façon avantageuse, la lentille comprend trois coquilles, dites coquille centrale, coquille intermédiaire et coquille externe, dont les rayons externes normalisés sont respectivement : d₁, d₂ et d₃, et dont les épaisseurs radiales normalisées sont respectivement égales à : d₁, d₂ - d₁ et d₃ - d_2, au centième près.

[0036] Une analyse par les modes sphériques a permis aux inventeurs de montrer qu'un nombre limité de coquilles pour réaliser la lentille, à savoir trois, est suffisant pour assurer un niveau de lobes secondaires satisfaisant. En effet, une lentille selon l'invention constituée de trois coquilles seulement permet d'obtenir par exemple un niveau de lobes secondaires d'environ - 20 dB par rapport au lobe principal ce qui prouve que la focalisation se fait correctement.

[0037] Dans un mode de réalisation particulier de la lentille selon l'invention, les rayons externes normalisés sont respectivement égaux à : d₁ = 0,43, d₂ = 0,70 et d₃ = 1 au centième près, et les constantes diélectriques des coquilles centrale, intermédiaire et externe sont respectivement égales à 3,57, 2,72 et 1,86 au centième près.

[0038] Selon une variante, les N coquilles possèdent des constantes diélectriques discrètes ε₁, ε₂...ε_N et des rayons externes normalisés d₁, d₂ ...d_N, avec d_N=1, tels qu'ils minimisent la fonction suivante :

où ε_r() est la distribution théorique de l'indice à l'intérieur de la lentille, et dv est un élément de volume.

[0039] Dans un premier mode de réalisation particulier de cette variante, les rayons externes normalisés sont respectivement égaux à : d₁ = 0,33, d₂ = 0,65 et d₃ = 1 au centième près, et les constantes diélectriques des coquilles centrale, intermédiaire et externe sont respectivement égales à 4, 2,5 et 1,5 au centième près.

[0040] Dans un second mode de réalisation particulier de cette variante, les rayons externes normalisés sont respectivement égaux à : d₁ = 0,57, d₂ = 0,79 et d₃ = 1 au centième près, et les constantes diélectriques des coquilles centrale, intermédiaire et externe sont respectivement égales à 2,77, 1,81 et 1,19 au centième près.

[0041] Il est clair que d'autres modes de réalisation peuvent être envisagés sans sortir du cadre de la présente invention.

[0042] Avantageusement, ladite au moins une antenne source appartient au groupe comprenant des antennes imprimées, des guides d'ondes, des cornets et des antennes filaires.

[0043] De façon avantageuse, le système comprend des moyens de positionnement, permettant de placer ladite au moins une antenne source à une distance h de la lentille, et dans une position comprise dans une tache focale que possède cette lentille. En effet, ladite lentille possède une tache focale du fait que la distribution d'indice obtenue avec lesdites coquilles concentriques est discrète (et n'est donc qu'une approximation, avec un nombre restreint de coquilles, de la distribution continue théorique. Cette tache focale est située à l'extérieur de la lentille et à une distance h déterminée de la lentille.

[0044] De façon avantageuse, les moyens de positionnement comprennent au moins une cale réalisée dans un matériau diélectrique dont la permittivité diélectrique avoisine celle de l'air et permettant de positionner la lentille par rapport à ladite au moins une antenne source.

[0045] Selon une variante avantageuse, les moyens de positionnement comprennent une coquille supplémentaire, dont la permittivité diélectrique avoisine celle de l'air, possédant une forme épousant la surface externe de la lentille, et au moins une partie de ladite antenne source étant conformée directement à la surface externe de ladite coquille supplémentaire. Ainsi, on réduit l'encombrement du système d'antenne.

[0046] Selon une caractéristique avantageuse, le système comprend une unique antenne source, qui est une antenne imprimée sur air et alimentée par fente. Ainsi, et contrairement à l'alternative consistant à utiliser un réseau imprimé d'antennes, avec une unique antenne source de ce type, les pertes diélectriques sont absentes et la directivité de ce type d'antenne (pastille) est très importante (9 - 10 dBi) du fait de la très basse permittivité du substrat (air). En outre, cette solution permet d'obtenir de très bonnes caractéristiques en rayonnement (ouvertures, lobes, directivité) comparativement à la solution comprenant un réseau de sources.

[0047] L'invention concerne aussi une application du système d'antenne selon l'invention au dépointage du faisceau à la sortie de la lentille.

[0048] L'invention concerne encore une application du système d'antenne selon l'invention à l'obtention d'un diagramme multifaisceaux.

5. Liste des figures

[0049] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, donné à titre d'exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels :

• les figures 1a et 1b présentent une vue en perspective et une vue en coupe respectivement d'un premier mode de réalisation particulier d'un système d'antenne selon l'invention, associant une lentille de type Œil de Poisson de Maxwell selon l'invention et un réseau d'antennes source ;
• la figure 2 présente une vue de dessus d'un mode de réalisation particulier d'une lentille de type Œil de Poisson de Maxwell selon l'invention, pouvant être utilisée dans le système d'antenne des figures 1a et 1b ;
• la figure 3 présente la courbe d'un polynôme de degré 3 approchant la distribution théorique de l'indice à l'intérieur d'une lentille de type Œil de Poisson de Maxwell, ainsi que les paramètres α, β et γ intervenant dans un calcul d'optimisation des paramètres des différentes coquilles formant la lentille de type Œil de Poisson de Maxwell dans un mode de réalisation particulier de l'invention ;
• les figures 4a et 4b illustrent les résultats d'un premier exemple de lentille de type Œil de Poisson de Maxwell selon l'invention, en terme de champ électrique et de densité de puissance respectivement ;
• les figures 5a et 5b illustrent les résultats d'un second exemple de lentille de type Œil de Poisson de Maxwell selon l'invention, en terme de champ électrique et de densité de puissance respectivement ;
• les figures 6a, 6b et 6c présentent une vue de dessus, une vue de dessous et une vue en coupe respectivement d'un mode de réalisation particulier du réseau d'antennes apparaissant sur les figures 1a et 1b ;
• les figures 7a et 7b présentent une vue de dessous et une vue en coupe respectivement d'un premier mode de réalisation d'une pastille sur air (non conformée, polarisation linéaire verticale), pouvant être associée à une lentille de type Œil de Poisson de Maxwell selon l'invention ;
• la figure 8 présente une vue de dessous d'un deuxième mode de réalisation d'une pastille (non conformée, bipolarisation), pouvant être associée à une lentille de type Œil de Poisson de Maxwell selon l'invention ;
• la figure 9 présente une vue de dessous d'un troisième mode de réalisation d'une pastille (non conformée, polarisation circulaire), pouvant être associée à une lentille de type Œil de Poisson de Maxwell selon l'invention ; et
• la figure 10 présente une vue en coupe d'un second mode de réalisation particulier d'un système d'antenne selon l'invention, associant une lentille de type Œil de Poisson de Maxwell selon l'invention et un réseau d'antennes conformé.

6. Description détaillée

[0050] Sur toutes les figures du présent document, les éléments identiques sont désignés par une même référence numérique.

[0051] L'invention concerne donc une lentille inhomogène à gradient d'indice de type Œil de Poisson de Maxwell, ainsi qu'un système d'antenne associant cette lentille à une ou plusieurs antennes source.

[0052] La lentille de type Œil de Poisson de Maxwell selon l'invention comprend N coquilles en forme de demi-sphères, avec 3 ≤ N ≤ 20. N dépend directement de la taille de la lentille. Plus la lentille est grande, plus le nombre N de coquilles doit être élevé pour bien approcher la loi théorique de distribution de l'indice à l'intérieur de la lentille.

[0053] Les coquilles sont concentriques, de constantes diélectriques discrètes différentes et imbriquées entre elles sans espace vide entre deux coquilles successives. Ainsi, on obtient une lentille dont la distribution discrète approche au mieux la distribution théorique de l'indice à l'intérieur de la lentille, à savoir :
ε_r (r) = 4 / (1 + (r/R)²)², avec R le rayon de rayon de la lentille.

[0054] On présente maintenant, en relation avec les figures 1a et 1b (vues en perspective et en coupe respectivement), un premier mode de réalisation particulier du système d'antenne selon l'invention 6. Dans un souci de simplification de la figure 1a, les moyens de positionnement de la lentille par rapport à la source sont représentés uniquement sur la figure 1b.

[0055] Dans ce mode de réalisation particulier, la lentille de type Œil de Poisson de Maxwell 1 comprend trois coquilles, dites coquille centrale 2, coquille intermédiaire 3 et coquille externe 4.

[0056] Comme illustré sur la figure 2 (vue de dessus), les rayons externes normalisés de ces coquilles 2 à 4 sont respectivement : d₁, d₂ et d₃. Leurs épaisseurs radiales normalisées sont respectivement égales à : d₁, d₂ - d₁ et d₃ - d₂ au centième près. Leurs constantes diélectriques (permittivités diélectriques) sont respectivement égales à : ε₁, ε₂ et ε₃.

[0057] Comme illustré sur la figure 3, les inventeurs ont effectué un calcul d'optimisation des paramètres des trois coquilles formant la lentille de type Œil de Poisson de Maxwell dans ce mode de réalisation particulier de l'invention.

[0058] Tout d'abord la loi théorique de l'indice dans la lentille a été approchée par un polynôme de degré 3 pour simplifier les calculs. Ainsi, il a été obtenu :

[0059] La courbe de ce polynôme est référencée 31 sur la figure 3. Elle se superpose parfaitement à la courbe de la loi théorique.

[0060] Ensuite, l'optimisation des différentes coquilles (εi, di) revient à minimiser la première fonction de coût suivante :

avec q = ∞ et où :

avec i représentant le numéro de la coquille concernée

ε_r() est la distribution théorique de l'indice à l'intérieur de la lentille, et dv est un élément de volume.

[0061] Il est à noter que cette première fonction de coût est originale du fait que l'optimisation est faite sur le volume de la demi-sphère et non sur une vue en coupe 2D (marches d'escalier).

[0062] Dans un mode de réalisation particulier de la lentille selon l'invention, après optimisation avec la première fonction de coût et en choisissant N égal à trois à titre d'exemple, les rayons externes normalisés sont respectivement égaux à : d₁ = 0,43, d₂ = 0,70 et d₃ = 1 au centième près, et les constantes diélectriques des coquilles centrale, intermédiaire et externe sont respectivement égales à 3,57, 2,72 et 1,86 au centième près.

[0063] Il est clair que cette première fonction de coût peut être utilisée pour d'autres valeurs de N (3 ≤ N ≤ 20).

[0064] Dans une variante, et en choisissant N égal à trois à titre d'exemple, on minimise la seconde fonction de coût suivante :

où l'élément de volume est :

(au 1^er ordre)

[0065] D'où cela revient donc à minimiser l'expression :

[0066] Les variables α, β et Υ sont représentées sur la figure 3.

[0067] Les inventeurs ont tout d'abord optimisé les rayons d₁, d₂ et d₃ en fixant les constantes diélectriques des trois coquilles à : ε₁ = 4, ε₂ = 2,5 et ε₃ = 1,5. Le résultat de cette optimisation est le suivant : d₁ = 0,33, d₂ = 0,65 et d₃ = 1. On utilise par exemple les matériaux commercialisés par la société Emerson & Cuming, dont les noms sont :

• Eccostock K=4, pour ε_r = 4 ;
• Eccostock K=2.5, pour ε_r = 2,5 ;
• Eccostock K=1,5, pour ε_r = 1,5.

[0068] Puis, afin de rechercher d'autres solutions optimales avec constantes diélectriques et rayons différents, plusieurs cas ont été distingués :

• une ou deux constantes diélectriques sont fixées et on optimise les rayons ;
• les constantes diélectriques sont toutes variables ainsi que les rayons.

[0069] Le tableau suivant résume les résultats obtenus (la dernière ligne de ce tableau correspondant au cas optimal) :

Variables	Permittivités	Rayons normalisés d1 et d2 (avec d3 = 1)	Rayons dénormalisés par rapport à R=12mm	Erreur finale
4, 2.5, 1.5	4, 2.5, 1.5	0.33, 0.65	3.96, 7.8	0.0929
4, ε2, ε3	4, 2.18, 1.24	0.37, 0.72	4.44, 8.64	0.0778
ε1, 2.5, ε3	3.2, 2.5, 1.28	0.43, 0.67	5.16, 8.04	0.0738
ε1, ε2, 1.5	2.95, 2.1, 1.5	0.51, 0.70	6.12, 8.4	0.0801
ε1, ε2, ε3	2.77, 1.81, 1.19	0.57, 0.79	6.84, 9.48	0.0592

[0070] Ces résultats sont très intéressants car ils permettent de voir qu'une bonne approche de la loi théorique peut être obtenue par divers rayons et constantes diélectriques pour les coquilles. En quelque sorte, la technique de réalisation est généralisée. Bien sûr ces résultats ne sont pas exhaustifs car, il est tout à fait possible de trouver d'autres solutions optimisées si une ou plusieurs autres constantes diélectriques sont fixées au départ.

[0071] Un premier exemple de lentille de type Œil de Poisson de Maxwell selon l'invention (après optimisation avec la seconde fonction de coût), conforme à la première ligne du tableau ci-dessus, a été testé en terme de champ électrique et de densité de puissance. Les rayons d₁, d₂ et d₃ sont respectivement de 4, 8 et 12 mm. Les constantes diélectriques sont respectivement de 4, 2,5 et 1,5.

[0072] Les résultats pour ce premier test (lentille 1 illuminée par une onde plane) sont représentés en terme de champ électrique (V/m) sur la figure 4a, et de densité de puissance (VA/m) sur la figure 4b. Sur la figure 4a, on voit que le champ est bien focalisé, sous la forme d'une tache focale (et non pas d'un unique point focal), de l'autre côté de la lentille 1 par rapport à l'onde plane. La figure 4b permet de voir que la focalisation se fait à l'extérieur de la lentille 1, ce qui permet (comme expliqué en détail par la suite) de disposer une source imprimée illuminant la lentille. La distance entre source et lentille peut être optimisée pour obtenir les bonnes caractéristiques radioélectriques voulues (gain, diagramme de rayonnement,..).

[0073] Un second exemple de lentille de type Œil de Poisson de Maxwell selon l'invention (après optimisation avec la seconde fonction de coût), conforme à la dernière ligne du tableau ci-dessus, a été testé en terme de champ électrique et de densité de puissance. Les rayons d₁, d₂ et d₃ sont respectivement de 6,84, 9,48 et 12 mm. Les constantes diélectriques sont respectivement de 2,77, 1,81 et 1,19.

[0074] Les résultats pour ce second test sont représentés en terme de champ électrique (V/m) sur la figure 5a, et de densité de puissance (VA/m) sur la figure 5b. Sur la figure 5a, on voit que le champ est bien focalisé de l'autre côté de la lentille 1 par rapport à l'onde plane. La figure 5b permet de voir que la focalisation se fait correctement et ceci juste sur la lentille 1.

[0075] Dans le premier mode de réalisation particulier du système d'antenne selon l'invention 6 illustré sur les figures 1a et 1b, la lentille 1 est associée à un réseau d'antennes imprimé 5. Ce dernier est par exemple optimisé autour de 48,7 GHz.

[0076] Comme illustré sur la figure 1b, le système d'antenne selon l'invention comprend en outre des moyens de positionnement de la lentille par rapport au réseau d'antennes imprimé. Ces moyens de positionnement comprennent par exemple :

• un support (ou socle) 7, réalisé en matériau mousse (dont la permittivité diélectrique avoisine celle de l'air) et dans lequel est encastrée la lentille 1 ;
• une semelle métallique 8 sur laquelle repose le réseau d'antennes imprimé 5 ;
• des cales 9a, 9b réalisées en matériau mousse et permettant de maintenir une distance h entre la surface externe de la lentille 1 et les pastilles du réseau d'antennes imprimé 5. La distance h est discutée en détail par la suite ; et
• des vis 10a, 10b d'assemblage du support 7, de la semelle métallique 8 et des cales 9a, 9b.

[0077] Comme illustré sur les figures 6a, 6b et 6c (vues de dessus, de dessous et en coupe respectivement), afin d'obtenir les directivités souhaitées, le réseau d'antennes imprimé 5 (c'est-à-dire la source d'excitation de la lentille) est par exemple réalisé sous la forme d'une structure comprenant :

• une ligne d'alimentation 65 imprimée sur la face inférieure d'une première couche de substrat 67 ;
• un plan de masse 69 avec fente 68, intercalé entre la première couche de substrat 67 et une deuxième couche de substrat 66 ;
• quatre pastilles (ou patchs) 61 à 64 imprimées sur la face supérieure de la seconde couche de substrat 66.

[0078] Ce réseau d'antennes est par exemple réalisé sur un substrat céramique PTFE (RT Duroid 6006, ε_r =7.0 et épaisseur =254µm).

[0079] Un exemple de structure complète 6 selon le premier mode de réalisation précité (association du réseau d'antennes 5 ci-dessus avec la lentille « Œil de Poisson de Maxwell » 1 selon la première ligne du tableau ci-dessus) a été simulée avec le logiciel 3D CST Microwave Studio (marque déposée) (basé sur la méthode des différences finies temporelles) et ensuite des mesures ont été effectuées.

[0080] Plusieurs simulations de cet exemple de structure d'antenne 6 ont été effectuées en changeant la distance h entre ces deux éléments afin de montrer l'importance de ce paramètre. Il en ressort que la directivité peut être quasi stable sur la bande de fréquences considérée si h est égale à 2,5 mm En effet, comme la distribution de constante diélectrique n'est pas continue dans la lentille 1, le réseau source 5 peut ne pas se trouver sur la lentille mais en être écarté d'une distance h sensiblement égale à la distance à laquelle la focalisation de la lentille se fait à l'extérieur de la lentille (voir ci-dessus la description des figures 4a, 4b, 5a et 5b). Ceci permet d'optimiser la directivité sur la bande de fréquences considérée. Par exemple, on peut souhaiter que la directivité de la structure soit la plus stable possible entre 47,2 et 50,2 GHz (application communication satellitaire à haut débit).

[0081] Il est important de noter que selon la source utilisée (réseau, pastille unique ...) et selon la constitution de la lentille (nombre de coquilles, rayons et constantes diélectriques), la hauteur h entre la source et la lentille varie car la zone de focalisation ne situe pas obligatoirement au même endroit.

[0082] Les mesures effectuées avec l'exemple précité de structure complète 6 montrent que la présence de la lentille 1 ne dégrade pas l'adaptation obtenue avec le réseau d'antennes 5 seul. Elles montrent également que le gain maximum obtenu est de 16,4 dB autour de 49 GHz. L'efficacité qui s'en déduit (45%) n'est due qu'aux pertes induites par les matériaux utilisés (PTFE, cuivre, ...).

[0083] Maintenant, il est important de regarder l'efficacité de surface de cette antenne. Par nature, les lentilles ont des rendements de surface assez limités du fait de leur dimensions importantes. Pour calculer l'efficacité de surface de la lentille, il faut considérer une ouverture rayonnante de la même dimension que la lentille, à savoir 24 mm, et calculer la directivité associée. Cette dernière est donnée par la formule suivante :

où λ est la longueur d'onde dans le vide et d le diamètre de l'ouverture. Considérons par exemple la fréquence centrale de la bande, soit 48,7 GHz. La directivité obtenue avec une lentille de diamètre 24 mm est 21,7 dBi. Or la directivité calculée de la lentille avec le logiciel de simulation 3D CST Microwave Studio est de 19,9 dBi à la même fréquence. Ces résultats permettent de conclure à un rendement de surface de 66 %. Ce résultat est très satisfaisant pour une lentille dans ces bandes de fréquences élevées. Pour conclure, le rendement global de l'exemple précité de structure complète 6 est donc d'environ 30 % à la fréquence de 48,7 GHz.

[0084] On présente maintenant une variante de réalisation de la source de la lentille, c'est-à-dire une alternative au réseau d'antennes imprimé discuté ci-dessus et illustré sur les figures 6a et 6b.

[0085] Si le rendement de surface obtenu est très intéressant (66 %), le rendement dû aux pertes (45 %) est lui plus faible. Or les pertes introduites le sont essentiellement par le réseau imprimé qui sert de source à la lentille. La solution pour augmenter le rendement global est donc d'utiliser un substrat très faibles pertes comme le quartz par exemple ou bien de limiter les longueurs de ligne de l'arborescence du réseau. Cette dernière remarque a amené les inventeurs à étudier une solution originale pour la source de la lentille. En effet, ils ont décidé de n'utiliser qu'une seule pastille imprimée pour alimenter la lentille. Cependant, dans ce cas, le diagramme de la source est donc très large, ce qui implique des problèmes de débordement de signal (spill-over) et de rayonnement arrière. De plus, la directivité globale est beaucoup plus faible qu'avec un réseau de quatre éléments.

[0086] La solution à ce problème tient dans l'utilisation d'une seule pastille imprimée sur air et alimentée par fente. Dans ce cas, les pertes diélectriques sont absentes et la directivité de ce type de pastille est importante (9 - 10 dBi) du fait de la très basse permittivité du substrat (air).

[0087] Les figures 7a et 7b présentent une vue de dessous et une vue en coupe respectivement d'un premier mode de réalisation d'une pastille imprimée sur air (non conformée, polarisation linéaire verticale), pouvant être associée à une lentille de type Œil de Poisson de Maxwell selon l'invention.

[0088] La pastille imprimée 70 est réalisée sous la forme d'une structure comprenant :

• une ligne d'alimentation 73 imprimée sur la face inférieure d'une première couche de substrat 74 ;
• un plan de masse 75 avec fente 76, intercalé entre la première couche de substrat 74 et une deuxième couche de substrat 77 ;
• une cavité d'air 78 formée dans la deuxième couche de substrat 77 ;
• une troisième couche de substrat mousse 72 de très faible permittivité (1,45), utilisé comme support de la pastille 71, de sorte que la pastille se trouve au-dessus de la cavité d'air 78.

[0089] L'impédance d'entrée de cette pastille imprimée 70 a été simulée avec le logiciel CST Microwave Studio, entre 40 et 55 GHz. Il résulte de cette simulation que la pastille imprimée 70 est bien adaptée sur la bande considérée (47,2 GHz - 50,2 GHz). La directivité obtenue est stable dans la bande de fréquence et égale à 9 dBi. Cette dernière est forte du fait que la pastille est imprimée sur de l'air.

[0090] L'étape suivante a consisté à associer cette pastille imprimée 70 avec un exemple de lentille inhomogène selon l'invention (celle de diamètre 24 mm). Le support de la pastille imprimée possède ici une hauteur h de 1 mm car cette hauteur h entre pastille et lentille permet d'obtenir une directivité intéressante pour l'ensemble et quasi stable sur la bande de fréquences considérée.

[0091] La structure complète a été simulée sur CST. Les diagrammes de rayonnement calculés à 48,7 GHz permettent de montrer l'effet très net de focalisation. En effet, les ouvertures à mi-puissance obtenues sont respectivement de 23,1° et 19,1°. Le niveau des lobes secondaire est satisfaisant, de l'ordre de - 18 dB par rapport au lobe principal. Concernant la directivité, les valeurs obtenues entre 47 et 50 GHz sont comprises entre 17,7 dBi et 18,4 dBi. La directivité est donc stable sur la bande d'intérêt. La lentille excitée par une seule pastille imprimée est un dispositif très intéressant car il permet d'obtenir de très bonnes caractéristiques en rayonnement (ouvertures, lobes, directivité) comparativement à la solution comprenant un réseau de quatre sources. De plus, les pertes dues au substrat de la source sont réduites du fait que les surfaces imprimées sont moindres. Ceci permet d'accroître le rendement global de la structure, ce qui était un des objectifs visés.

[0092] La pastille imprimée qui excite la lentille fixe le type de polarisation. Dans le cas des figures 7a et 7b, la polarisation obtenue est linéaire verticale. D'autres polarisations peuvent être envisagées.

[0093] Il est tout a fait possible d'obtenir une polarisation linéaire horizontale et même, comme illustré sur la figure 8, de créer une bipolarisation avec deux lignes d'alimentation 83a, 83b d'une même pastille 81. Chaque ligne d'alimentation excite la pastille 81 via une fente distincte 86a, 86b, les deux fentes étant orthogonales entre elles pour exciter deux modes orthogonaux.

[0094] Comme illustré sur la figure 9, il est de la même façon tout a fait envisageable d'obtenir une polarisation circulaire. Dans ce cas, la pastille 91 est presque carrée et deux fentes orthogonales 96a et 96b (fentes en croix) sont gravées dans le plan de masse et alimentée par une unique ligne d'alimentation 93, ce qui permet de créer des modes déphasés de 90° à une fréquence et ainsi de créer une polarisation circulaire.

[0095] La figure 10 présente une vue en coupe d'un second mode de réalisation particulier d'un système d'antenne selon l'invention, associant une lentille de type Œil de Poisson de Maxwell selon l'invention 1 et un réseau d'antennes 106.

[0096] Dans ce second mode de réalisation, les moyens de positionnement de la lentille 1 par rapport au réseau d'antennes imprimé 106 comprennent :

• une coquille supplémentaire 101, possédant une forme épousant la surface externe de la lentille 1, réalisée dans un substrat dont la permittivité diélectrique avoisine celle de l'air, et qui est métallisable (de façon à pouvoir recevoir une ou plusieurs pastilles rayonnantes) ;
• un support (ou socle) 102, réalisé en matériau mousse (dont la permittivité diélectrique avoisine celle de l'air) et dans lequel est encastrée la lentille 1 entourée de la coquille supplémentaire 101 ;
• une semelle métallique 103 ;
• des cales 104a, 104b réalisées en matériau mousse et permettant de maintenir une distance déterminée (à ne pas confondre avec la hauteur h, comme expliqué ci-après) entre la lentille 1 et la semelle métallique 8 ; et
• des vis 105a, 105b d'assemblage du support 102, de la semelle métallique 103 et des cales 104a, 104b.

[0097] Le réseau d'antennes imprimé 106 est du type de celui présenté ci-dessus en relation avec les figures 6a et 6b, mais s'en distingue en ce qu'au moins une partie de ce réseau est conformée directement à la surface externe de la coquille supplémentaire 101.

[0098] Dans l'exemple illustré sur la figure 10, les pastilles 107, 108 sont conformées à la surface externe de la coquille supplémentaire 101. Ainsi, c'est l'épaisseur de la coquille supplémentaire 101 qui donne la hauteur h entre la lentille 1 et le réseau d'antennes imprimé. Il est important de noter qu'étant donnée la taille très réduite des pastilles par rapport au rayon de la demi-sphère constituant la lentille 1, la courbure des pastilles métalliques est faible et ne modifie pas notablement les résultats du cas plan.

[0099] Par ailleurs, le reste du réseau d'antennes (à savoir une couche de substrat 110 sur la face inférieur de laquelle est imprimée une ligne d'alimentation 109 et sur la face supérieure de laquelle repose un plan de masse 111 avec fente 112) repose sur la semelle métallique 103. On notera que l'espace empli d'air entre d'une part les pastilles conformées 107, 108 et d'autre part le plan de masse 111 avec fente 112 joue le même rôle que la couche de substrat référencée 66 sur la figure 6c.

[0100] Dans une variante de réalisation (non illustrée), la totalité du réseau d'antennes imprimé est conformé à la surface externe de la coquille supplémentaire 101.

[0101] Dans une autre variante du second mode de réalisation du système d'antenne selon l'invention, la source associée à la lentille est une unique antenne imprimée sur air, conformée au moins en partie à la surface externe de la coquille supplémentaire 101.

[0102] D'une façon générale, et quel que soit le mode de réalisation adopté (premier ou second), le système de l'invention (association d'une lentille avec au moins une antenne source) n'est pas liée à un type d'antenne particulier. En d'autres termes, ce système peut être mis en oeuvre par exemple avec une ou plusieurs antennes imprimées (mono ou multi couche), un ou plusieurs guides d'ondes, un ou plusieurs cornets, une ou plusieurs antennes filaires, ... L'optimisation de la source permet d'optimiser le diagramme de rayonnement de l'« antenne-lentille », et ainsi de jouer sur la directivité, le niveau des lobes secondaires et l'ouverture à -3dB. Notamment, la ou les pastilles ne sont pas obligatoirement excitées par fente(s), mais peuvent être excitées directement par une ou plusieurs lignes d'alimentation.

[0103] Optionnellement, le système d'antenne selon l'invention comprend en outre des moyens de décentrage de la source (par exemple un réseau d'antennes imprimé ou une unique pastille imprimée sur air) par rapport à l'axe de la lentille, permettant à la source d'occuper successivement au moins deux positions différentes comprises dans la tache focale. Ceci permet un balayage, sur un petit secteur angulaire, du faisceau focalisé à la sortie de la lentille. Ce balayage permet l'obtention de diagrammes multifaisceaux ou le dépointage du faisceau.

[0104] On rappelle que la lentille de l'invention, quel que soit son mode de réalisation, possède une tache focale du fait que la distribution d'indice obtenue avec les N coquilles concentriques est discrète. Cette tache focale est située à l'extérieur de la lentille et à une distance h déterminée de la lentille.Les moyens de décentrage sont par exemple réalisés sous forme mécanique (tout moyen permettant un déplacement physique de la source par rapport à la lentille) ou sous forme électronique (déplacement du faisceau de la source par commutation entre des éléments d'un réseau d'antennes, de type antenne intelligente).

[0105] Le déplacement physique de la source par rapport à la lentille est réalisé par un mouvement de rotation ou de translation de la source par rapport à la lentille.

[0106] On rappelle que théoriquement la lentille dite de l'oeil de Poisson de Maxwell ne possède qu'un seul point focal et ne permet pas de dépointer le faisceau ou d'obtenir des diagrammes multifaisceaux. Cependant, comme la loi de l'indice dans la lentille réalisée selon l'invention est discrète, c'est en fait une tache focale qui est obtenue (voir figures 4a et 5a). Le fait qu'il y ait une tache focale permet de bouger la source sous la lentille et d'obtenir ainsi un dépointage du faisceau ou un diagramme multifaisceaux.

[0107] Cette innovation supplémentaire apportée par la lentille de l'invention a été testée par simulation. La source a ainsi été bougée de quelques mm et ceci dans les deux directions.

[0108] Pour cette simulation, la source utilisée est de nouveau le réseau d'antennes imprimé à quatre éléments (voir figures 6a et 6b). L'idée est donc de changer la position de cette source sous la lentille afin de voir si le diagramme de rayonnement de l'ensemble associant la source et la lentille peut par exemple dépointer sur un certain secteur angulaire. Les contraintes sont de conserver un niveau de lobes secondaires assez faible et une directivité suffisante. Plusieurs déplacements de la source par rapport à la lentille ont été considérés (d = 1, 2 ou 3 mm) et ces cas ont été simulés. Le cas où le réseau est décalé de 2mm par rapport à l'axe de la lentille est présenté ci-après. Les résultats de simulation sont très encourageants puisque le faisceau dépointe d'environ 10° à 47.2 GHz. Le niveau des lobes secondaires reste très satisfaisant (- 20 dB) et la directivité est de 18.5 dBi.

[0109] Des simulations complémentaires ont consister à dépointer le faisceau dans les deux axes. Pour cela, on change la position de la source sous la lentille suivant les deux directions x et y. On a ainsi bougé la source de 2 et 3 mm respectivement selon les deux axes. Le diagramme de rayonnement obtenu montre bien que le faisceau est dépointé suivant les deux plans.

[0110] Ces résultats sont très satisfaisants car ils démontrent la faisabilité d'une antenne à dépointage de faisceau voire multifaisceaux basée sur une lentille de type Œil de Poisson de Maxwell et donc un réduction de taille importante par rapport à la lentille de Lüneburg par exemple qui permet également cette fonctionnalité.

[0111] La structure d'antenne selon l'invention peut par exemple être utilisée dans la réception par satellite (bande 12 - 14 GHz). En effet, lorsqu'un client veut réceptionner deux satellites différents, actuellement deux sources commutables éclairant la parabole sont nécessaires. La solution de l'invention permet de n'avoir qu'une source (lentille éclairée par un réseau d'antennes imprimé par exemple) dont le diagramme peut dépointer afin de viser les deux satellites.

[0112] La structure d'antenne selon la présente invention (association d'au moins une antenne source avec une lentille Œil de Poisson de Maxwell) peut également permettre d'obtenir facilement des diagrammes multifaisceaux en changeant la position de la source par rapport à l'axe de la lentille. Cet aspect est particulièrement intéressant car de nombreuses applications peuvent nécessiter l'utilisation d'antennes multifaisceaux : radars anti-collision pour automobiles (77 GHz), communications indoor (60 GHz), réception télévision par satellites, communications spatiales à haut débit...

Revendications

1. Système d'antenne (6), comprenant :

- au moins une antenne source (5 ; 70 ; 106) ;

- une lentille inhomogène à gradient d'indice (1), de type Œil de Poisson de Maxwell, réalisée sous la forme d'une demi-sphère, et comprenant N coquilles concentriques (2, 3, 4) en forme de demi-sphère, de constantes diélectriques discrètes différentes et imbriquées entre elles sans espace vide entre deux coquilles successives, avec 3 ≤ N ≤ 20, les constantes diélectriques discrètes des N coquilles définissant une distribution discrète approchant la distribution théorique de l'indice à l'intérieur de la lentille, ladite lentille possédant une tache focale du fait que la distribution d'indice obtenue avec lesdites coquilles concentriques est discrète, ladite tache focale étant située à l'extérieur de la lentille et à une distance h déterminée de la lentille ; caractérisé en ce qu'il comprend:

- des moyens de décentrage de ladite au moins une antenne source par rapport à l'axe de la lentille, permettant à ladite au moins une antenne source d'occuper successivement au moins deux positions différentes comprises dans ladite tache focale, afin de permettre un balayage, sur un secteur angulaire, du faisceau focalisé à la sortie de la lentille.

2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les N coquilles possèdent des constantes diélectriques discrètes ε₁, ε₂...ε_N et des rayons externes normalisés d₁, d₂ ...d_N, avec d_N=1, tels qu'ils minimisent la fonction suivante :

avec q = ∞ et où :

avec i représentant le numéro de la coquille concernée

ε_r() est la distribution théorique de l'indice à l'intérieur de la lentille, et dv est un élément de volume.

3. Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la lentille comprend trois coquilles, dites coquille centrale (2), coquille intermédiaire (3) et coquille externe (4), dont les rayons externes normalisés sont respectivement : d₁, d₂ et d₃, et dont les épaisseurs radiales normalisées sont respectivement égales à : d₁, d₂ - d₁ et d₃ - d₂ au centième près.

4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que les rayons externes normalisés sont respectivement égaux à : d₁ = 0,43, d₂ = 0,70 et d₃ = 1 au centième près, et en ce que les constantes diélectriques des coquilles centrale, intermédiaire et externe sont respectivement égales à 3,57, 2,72 et 1,86 au centième près.

5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite au moins une antenne source appartient au groupe comprenant :

- des antennes imprimées ;

- des guides d'ondes ;

- des cornets ; et

- des antennes filaires.

6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de positionnement, permettant de placer ladite au moins une antenne source à ladite distance h de la lentille (1), et dans une position comprise dans ladite tache focale.

7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de positionnement comprennent au moins une cale (9a, 9b) réalisée dans un matériau diélectrique dont la permittivité diélectrique avoisine celle de l'air et permettant de positionner la lentille (1) par rapport à ladite au moins une antenne source (5).

8. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de positionnement comprennent une coquille supplémentaire (101), dont la permittivité diélectrique avoisine celle de l'air, possédant une forme épousant la surface externe de la lentille, et au moins une partie de ladite antenne source (106) étant conformée directement à la surface externe de ladite coquille supplémentaire.

9. Système selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend une unique antenne source (70), qui est une antenne imprimée sur air et alimentée par fente.

10. Application du système d'antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 au dépointage du faisceau à la sortie de la lentille.

11. Application du système d'antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 à l'obtention d'un diagramme multifaisceaux.

Ansprüche

1. Antennensystem (6), umfassend:

- mindestens eine Quellenantenne (5; 70; 106);

- eine inhomogene Gradientenindexlinse (1) vom Typ Maxwellsches Fischauge, hergestellt in Form einer Halbkugel, die N halbkugelförmige konzentrische Schalen (2, 3, 4) mit unterschiedlichen diskreten Dielektrizitätskonstanten umfasst, die ohne Hohlraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schalen ineinandergesetzt sind, wobei 3 ≤ N ≤ 20, wobei die diskreten Dielektrizitätskonstanten der N Schalen eine diskrete Verteilung definieren, die sich der theoretischen Indexverteilung innerhalb der Linse annähert, wobei die Linse einen Brennpunkt aufweist, weil die mit den konzentrischen Schalen erzielte Indexverteilung diskret ist, wobei sich der Brennpunkt außerhalb der Linse und in einem vorbestimmten Abstand h von der Linse befindet;

dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst:

- Mittel zum Dezentrieren der mindestens einen Quellenantenne in Bezug auf die Achse der Linse, wodurch die mindestens eine Quellenantenne nacheinander mindestens zwei verschiedene Positionen in dem Brennpunkt einnehmen kann, um ein Abtasten über einen Winkelbereich des an einem Ausgang der Linse fokussierten Strahls zu ermöglichen.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die N Schalen diskrete Dielektrizitätskonstanten ε₁, ε₂...ε_N und standardisierte äußere Radien d₁, d₂...d_N mit d_N=1 aufweisen, so dass sie die folgende Funktion minimieren:

mit q = ∞ und wobei:

wobei i für die Nummer der jeweiligen Schale steht

ε_r() die theoretische Indexverteilung innerhalb der Linse ist und dv ein Volumenelement ist.

3. System nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse drei Schalen umfasst, genannt zentrale Schale (2), dazwischen liegende Schale (3) und äußere Schale (4), deren standardisierte äußere Radien jeweils: d₁, d₂ und d₃ sind und deren standardisierte radiale Dicken jeweils gleich: d₁, d₂ - d₁ und d₃ - d₂ auf das Hundertstel genau sind.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die standardisierten äußeren Radien jeweils gleich: d₁ = 0,43, d₂ = 0,70 und d₃ = 1 auf das Hundertstel genau sind, und dadurch, dass die Dielektrizitätskonstanten der zentralen, dazwischen liegenden und äußeren Schalen jeweils aufs Hundertstel genau 3,57, 2,72 bzw. 1,86 betragen.

5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Quellenantenne zur Gruppe gehört, umfassend:

- gedruckte Antennen;

- Wellenleiter;

- Hornantennen; und

- Drahtantennen.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es Positionierungsmittel umfasst, die es ermöglichen, die mindestens eine Quellenantenne im Abstand h von der Linse (1) und in einer Position anzuordnen, die in dem Brennpunkt enthalten ist.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungsmittel mindestens einen Abstandshalter (9a, 9b) umfassen, der aus einem dielektrischen Material hergestellt ist, dessen dielektrische Leitfähigkeit der von Luft nahe kommt und es ermöglicht, die Linse (1) in Bezug auf die mindestens eine Quellenantenne (5) zu positionieren.

8. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungsmittel eine zusätzliche Schale (101) umfassen, deren dielektrische Leitfähigkeit der von Luft nahe kommt und die eine Form aufweist, die an die äußere Oberfläche der Linse angepasst ist, und wobei mindestens ein Teil der Quellenantenne (106) direkt an die äußere Oberfläche dieser zusätzlichen Schale angeformt ist.

9. System nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es eine einzige Quellenantenne (70) umfasst, bei der es sich um eine schlitzgespeiste gedruckte Luftantenne handelt.

10. Anwendung des Antennensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Ablenken des Strahls am Ausgang der Linse.

11. Anwendung des Antennensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Erhalten eines Mehrstrahldiagramms.

Claims

1. Antenna system (6), including :

- at least one source antenna (5 ; 70 ; 106);

- an inhomogeneous lens with a gradient index (1), of the Maxwell's fish-eye type, produced in the form of a semi-sphere, and including N semi-spherical concentric shells (2, 3, 4), with different discrete dielectric constants overlapping one another without any empty spaces between two successive shells, with 3≤ N≤ 20, the discrete dielectric constants of the N shells are such that they define a discrete distribution approximating the theoretical distribution of the index inside the lens, said lens has a focal spot due to the fact that the index distribution obtained with said concentric shells is discrete, said focal spot being located outside the lens and at a predetermined distance h from the lens ;

characterized in that it includes:

- means for de-centering said at least one source antenna with respect to the axis of the lens, enabling said at least one source antenna to successively occupy at least two different positions contained in said focal spot, so as to allow for scanning, over an angular sector, of the beam focused at the output of the lens.

2. System according to claim 1, characterized in that the N shells have discrete dielectric constants ε₁, ε₂... ε_N and standardized external radii d₁, d₂... d_N, with d_N = 1, so that they minimize the following function:

with q = ∞ and in which:

with i representing the number of the shell concerned

ε_r() is the theoretical distribution of the index inside of the lens, and dv is a volume element.

3. System according to either one of claims 1 and 2, characterized in that the lens includes three shells, called a central shell (2), an intermediate shell (3) and an external shell (4), of which the standardized external radii are respectively: d₁, d₂ and d₃, and of which the standardized radial thicknesses are respectively equal to: d₁, d₂ - d₁, and d₃ - d₂ to the nearest hundredth.

4. System according to claim 3, characterized in that the standardized external radii are respectively equal to: d₁ = 0.43, d₂ = 0.70 and d₃ = 1 to the nearest hundredth, and in that the dielectric constants of the central, intermediate and external shells are respectively equal to 3.57, 2.72 and 1.86 to the nearest hundredth.

5. System according to any one of claims 1 to 4, characterized in that said at least one source antenna belongs to the group including:

- printed antennas;

- waveguides;

- horn antennas; and

- wire antennas.

6. System according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it includes positioning means making it possible to place said at least one source antenna at said distance h from the lens (1), and in a position contained in said focal spot.

7. System according to claim 6, characterized in that said positioning means include at least one spacer (9a, 9b) made of a dielectric material of which the dielectric permittivity approximates that of the air and makes it possible to position the lens (1) with respect to said at least one source antenna (5).

8. System according to claim 6, characterized in that said positioning means include an additional shell (101), of which the dielectric permittivity approximating that of the air, having a shape fitting the external surface of the lens, and at least one portion of said source antenna (106) being conformed directly to the external surface of said additional shell.

9. System according to any one of claims 6 to 8, characterized in that it includes a single source antenna (70) that is an antenna printed on air and fed through a slot.

10. Application of the antenna system according to any one of claims 1 to 9 to shift the beam at the output of the lens.

11. Application of the antenna system according to any one of claims 1 to 9 to obtain a multi-beam diagram.

Dessins