L'invention est relative à une antenne à large bande ou multi-bandes, pour micro-ondes, mise en oeuvre à partir de matériaux à bande interdite photonique, désignés matériaux BIP.

L'utilisation des matériaux BIP pour la mise en oeuvre d'antennes pour micro-ondes a déjà été proposée.

Les antennes de ce type, en référence à la figure 1a relative à l'art antérieur, comportent essentiellement un plan réflecteur, une prise d'alimentation ou élément rayonnant en émission/réception, placée au voisinage du plan réflecteur, et un assemblage d'au moins deux matériaux diélectriques superposé au plan réflecteur et à la prise d'alimentation en émission/réception. Les matériaux diélectriques utilisés se différencient par leur permittivité ou leur perméabilité, l'assemblage ainsi formé constituant un matériau BIP.

En référence à la figure 1b, on rappelle qu'un matériau BIP est un matériau qui possède la propriété de filtrer (absorber) certaines gammes de fréquences, c'est-à-dire d'interdire toute transmission dans les gammes de fréquences précitées. Le matériau est, dans ces conditions, qualifié matériau BIP, à Bande Interdite Photonique.

Le matériau BIP est généralement constitué, ainsi que représenté en figure 1 b, d'un arrangement périodique de diélectriques de permittivité et/ou de perméabilité variable.

L'introduction d'une rupture dans cette périodicité géométrique et/ou radioélectrique, rupture encore appelée défaut, obtenu par suppression d'un élément"central", permet d'engendrer un défaut d'absorption et donc la création d'une bande de transmission dans la bande interdite du matériau BIP. Le matériau BIP est, dans ces conditions, désigné matériau BIP à défaut.

Pour une description plus détaillée d'un tel type d'antenne, on pourra utilement se reporter à la demande de brevet français 99 14521/2 801 428 mise à la disposition du public le 25/05/2001.

Un tel type d'antenne donne satisfaction.

Toutefois, en raison de la structure mme de celui-ci, la bande passante autorisée par un tel type d'antenne est relativement étroite et n'excède pas 4 à 5% de la fréquence centrale, pour une atténuation de 6dB.

La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients et limitations précités des antennes à matériau BIP à défaut de l'art antérieur.

En particulier, un objet de la présente invention est la mise en oeuvre d'une antenne à large bande, du type à matériau BIP à défaut, présentant une bande passante sensiblement améliorée ou divisée en bandes passantes multiples.

Un autre objet de la présente invention est, en outre, la mise en oeuvre d'une antenne à large bande, présentant une structure simple, en l'absence d'adjonction d'élément dispersif ou absorbant en rompant la régularité ou en rendant la mise en oeuvre plus complexe.

L'antenne à large bande, objet de la présente invention, est remarquable en ce qu'elle comporte au moins un plan, constituant réflecteur, et au moins une prise d'alimentation en émission/réception placée au voisinage de ce plan constituant réflecteur. En outre, un assemblage d'éléments de matériau BIP à défaut disposé sensiblement en superposition au plan constituant réflecteur et à la prise d'alimentation est prévu. Chaque élément de matériau BIP à défaut formant l'assemblage est sensiblement plan et parallèle au plan constituant réflecteur et l'une au moins des caractéristiques de permittivité diélectrique, de perméabilité magnétique et/ou d'épaisseur dans la direction perpendiculaire au plan constituant réflecteur de ces éléments est sensiblement différente d'un élément de matériau BIP à défaut à l'autre, de sorte que l'ensemble formé par le plan constituant réflecteur et l'assemblage d'éléments de matériau BIP à défaut forme une cavité résonnante à fuites.

L'antenne à large bande, objet de la présente invention, trouve application, notamment, dans la réalisation d'antennes hyperfréquences utilisables dans le domaine de la radiotéléphonie mobile, des télécommunications par voie optique dans le domaine du spectre visible ou invisible.

La structure et le mode opératoire de l'antenne à large bande ou multi- bandes, objet de la présente invention, seront mieux compris à la lecture de la

description et à l'observation des dessins ci-après, dans lesquels, outre les figures 1 a et 1 b relatives à l'art antérieur : - la figure 2a représente, à titre illustratif, une vue en perspective d'une antenne à large bande ou multi-bandes conforme à l'objet de la présente invention ; - la figure 2b représente une vue en coupe, selon le plan de coupe P de l'antenne à large bande ou multi-bandes, objet de l'invention, représentée en figure 2a ; -la figure 3a représente, à titre illustratif, une vue en coupe, selon le mme plan de coupe P représenté en figure 2a, d'une antenne équivalente à celle représentée en figure 2a ou 2b ; - la figure 3b représente un diagramme comparatif des coefficients de transmission en fonction de la fréquence d'une antenne de l'art antérieur illustrée par la demande de brevet français 2 801 428 précitée, courbe A, respectivement d'une antenne conforme à l'objet de la présente invention telle que représentée en figure 2a, 2b ou 3a, courbe B ; - la figure 4 représente, à titre illustratif, un diagramme des formes d'ondes engendrées dans la cavité résonnante à fuites constitutive de l'antenne à large bande ou multi-bandes, objet de la présente invention dans ses deux modes de mise en oeuvre, selon les figures 2a, 2b et 3a ; - la figure 5 représente un réseau d'antennes mis en oeuvre à partir d'une antenne selon l'invention.

Une description plus détaillée d'une antenne à large bande ou multi- bandes, conforme à l'objet de la présente invention, sera maintenant donnée en liaison avec les figures 2a-2b et les figures suivantes.

En référence à la figure 2a, on indique que l'antenne à large bande, objet de la présente, invention, comporte au moins un plan constituant un réflecteur, noté R, ce plan pouvant tre constitué par une plaque métallique par exemple.

En outre, au voisinage du plan réflecteur R, est prévu au moins un élément rayonnant en émission/réception noté ER. On indique, à titre d'exemple non limitatif, que l'élément rayonnant ER peut tre constitué par un dipôle rayonnant, une fente rayonnante, une sonde ou un patch rayonnant par exemple. Alors que dans le mode de réalisation tel que représenté en figure 2a

un seul élément rayonnant ER est représenté, on indique que l'antenne à large bande, objet de la présente invention, peut comporter une pluralité d'éléments rayonnants ER non représentés au dessin.

En outre, ainsi que représenté en figure 2a, l'antenne à large bande ou multi-bandes, objet de l'invention, comporte, disposé en superposition au plan constituant le réflecteur R et à cet ou à ces éléments rayonnants ER, un assemblage d'éléments de matériau BIP à défaut. Par assemblage d'éléments de matériau BIP à défaut, on entend une pluralité d'éléments constitués par des lames ou structures de matériau diélectrique par exemple, notées LD, ces éléments, formant des groupements ou motifs, étant empilés dans la direction perpendiculaire au plan réflecteur R et séparés, chacun, par un autre matériau diélectrique, par exemple, par une lame d'air, de l'alumine ou autre.

Chaque lame de matériau diélectrique LD est sensiblement plane, et chaque élément de matériau BIP à défaut est parallèle au plan constituant le réflecteur R. En outre, selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'antenne à large bande conforme à l'objet de la présente invention, l'une au moins des caractéristiques de perméabilité magnétique, de permittivité diélectrique et/ou d'épaisseur, notée e, dans la direction perpendiculaire au plan constituant le réflecteur R est sensiblement différente, d'un élément de matériau BIP à défaut à l'autre.

Dans ces conditions, l'ensemble formé par le plan constituant le réflecteur R et l'assemblage d'éléments de matériau BIP à défaut forme une cavité résonnante à fuites dans les conditions qui seront explicitées ci-après dans la description.

En particulier, en référence à la figure 2a et à la figure 2b, on indique que chaque lame de matériau diélectrique LD peut présenter une valeur de permittivité diélectrique, de perméabilité magnétique ou une épaisseur e différente, d'un élément de matériau BIP à défaut à l'autre, dans les conditions qui seront explicitées ci-après dans la description.

La figure 2b représente une vue en coupe selon le plan de coupe P de la figure 2a de l'antenne à large bande, objet de l'invention, représentée sur la figure précitée.

Dans ces conditions, on désigne par A'g la longueur d'onde du signal radioélectrique guidé lorsque le milieu de propagation est constitué par le matériau, tel qu'un matériau diélectrique, de chacune des lames LD respectivement par Ag la longueur d'onde du signal radioélectrique guidé par les intervalles séparant les lames LD et les éléments de matériau BIP à défaut, c'est-à-dire dans un mode de réalisation non limitatif par les lames d'air ou d'alumine séparant les lames LD représentées en figure 2a et en figure 2b.

Dans ces conditions, la notation Ag désigne également la longueur d'onde du signal radioélectrique guidé se propageant entre le plan formant réflecteur R et la première lame de matériau diélectrique LD placée en vis-à-vis de ce dernier.

Sur la figure 2b, on a en particulier représenté un repère orthonormé permettant d'assurer un repérage de l'ensemble des éléments constitutifs de l'antenne à large bande objet de la présente invention.

Dans ces conditions et par définition, le plan réflecteur R est à la cote 0 dans la direction Oz, les lames LD étant superposées successivement dans la direction précitée et le plan de coupe P est parallèle au plan Ox, Oz. La direction Oy est orthogonale au plan Ox, Oz précité.

Un mode de mise en oeuvre particulier non limitatif de l'antenne à large bande objet de la présente invention sera maintenant décrit en liaison avec la figure 2b dans un cas particulièrement simple et simplifié où l'assemblage d'éléments en matériau BIP à défaut et les lames en matériau LD sont constitués par des lames en un mme matériau diélectrique par exemple, lesquelles, dans ces conditions, présentent des caractéristiques de permittivité diélectrique respectivement de perméabilité magnétique sensiblement identiques d'une lame de matériau diélectrique à l'autre et d'un élément en matériau BIP à défaut à l'autre.

Dans ces conditions, en référence à la figure 2b, on indique que chaque lame de matériau diélectrique LD présente avantageusement une épaisseur constituant une fonction non décroissante par valeurs discrètes de la distance de la lame de matériau diélectrique considérée au plan constituant le réflecteur R.

Ainsi que représenté sur la figure 2b, chaque lame de matériau diélectrique formant l'assemblage est espacée d'une lame diélectrique voisine d'une mme distance égale à Ag/4 où Ag désigne la longueur d'onde guidée associée au matériau séparant chaque lame de matériau diélectrique LD. Dans le mode de réalisation dé la figure 2a, par exemple, Ag désigne la longueur d'onde guidée associée à l'air ou à l'alumine séparant chaque lame de matériau diélectrique LD.

De la mme façon, ainsi que représenté de manière détaillée sur la figure 2b, la première lame de matériau diélectrique LD en vis-à-vis du plan constituant le réflecteur R et voisine de ce plan est placée à une distance de ce dernier égale à Ag/2, Ag désignant de la mme manière la longueur d'onde guidée associée au matériau séparant la première lame de matériau diélectrique LD du plan constituant réflecteur R. De la mme façon que précédemment, A9 désigne ainsi la longueur d'onde guidée du signal radioélectrique lorsque ce dernier se propage dans l'air ou l'alumine dans l'exemple de mise en oeuvre non limitatif correspondant à la figure 2a ou 2b.

En outre, ainsi qu'il apparaît de manière détaillée à l'observation de la figure 2b, et ce afin de constituer la cavité résonnante à fuites précédemment mentionnée dans la description, on indique qu'une pluralité de lames de matériau diélectrique successives LD présente une mme épaisseur, cette épaisseur étant sensiblement égale à une fraction de la longueur d'onde guidée associée à ce matériau diélectrique pour constituer un groupement de lames de matériau diélectrique successives. La cavité résonnante apparaît ainsi constituée par une pluralité de groupements de lames de matériau diélectrique successives formés chacun par un élément de matériau BIP à défaut, les différents groupements étant couplés mutuellement par leur zone de défaut pour constituer la cavité résonnante à fuite résultante.

Ainsi, sur la figure 2b, notamment, Alg désigne la longueur d'onde du signal radioélectrique guidé se propageant dans chaque lame de matériau diélectrique LD.

En outre, ainsi qu'on l'observera sur la figure 2b notamment, deux groupements successifs de lames de matériau diélectrique notés respectivement G1 et G2 et superposés dans la direction perpendiculaire au

plan constituant le réflecteur R, c'est-à-dire dans la direction Oz, sont constitués par des lames de matériau diélectrique d'épaisseur croissante en fonction du rang de superposition des groupements précités.

Sur la figure 2b, on a ainsi représenté, de mme que sur la figure 2a, les groupements de lames G, et G2, chaque groupement, à titre d'exemple non limitatif, étant constitué par deux lames parallèles de mme épaisseur, respectivement ei et e2.

Dans le cas du groupement de lames de matériau diélectrique G1, celui-ci est constitué par des lames de mme épaisseur e1= A'9/4, alors que, dans le cas du groupement de lames du matériau diélectrique G2, chaque lame constitutive du groupement G2 est constitué par une lame de mme matériau diélectrique d'épaisseur e2= À'g/2.

Enfin, et dans un mode de réalisation préférentiel, on indique que l'épaisseur ei des lames de matériau diélectrique LD constitutives de chaque groupement Gi de lames de matériau diélectrique est en progression géométrique de raison q dans la direction de superposition des groupements Gi successifs.

Dans le mode de réalisation non limitatif de la figure 2b, le nombre de groupements superposés est égal à 2, afin de ne pas surcharger le dessin, et la raison de la progression géométrique est également prise égale à 2. Ces valeurs ne sont pas limitatives.

En outre, et de manière non limitative, on indique que l'assemblage des éléments de matériau BIP à défaut peut tre formé par une structure répétitive périodique des caractéristiques de perméabilité magnétique, de permittivité diélectrique et d'épaisseur des lames de matériau dans une, deux ou trois directions, une direction perpendiculaire et une ou deux directions parallèles au plan constituant le réflecteur, ainsi qu'il sera décrit ci-après dans la description.

Ainsi, on comprend que la superposition des groupements Gi constitue une répétition de motifs de caractéristiques de perméabilité magnétique, de permittivité diélectrique et d'épaisseur ei différentes, cette répétition pouvant tre périodique.

Une description plus détaillée d'une antenne de structure différente de celle représentée en figure 2a et 2b satisfaisant aux critères d'antenne à large

bande ou multi-bandes, conformément à l'objet de la présente invention, mais présentant radioélectriquement un mode opératoire équivalent, sera maintenant donnée en liaison avec la figure 3a.

La structure de l'antenne à large bande ou multi-bandes conforme à l'objet de la présente invention, telle que représentée en figure 3a, est mise en oeuvre à partir de la remarque préliminaire selon laquelle l'amplitude du champ électrique au voisinage du plan constituant le réflecteur R est sensiblement nulle en raison du principe de réflexion métallique des champs électriques au voisinage de la surface d'un réflecteur métallique.

En conséquence, ainsi que représenté en figure 3a, la structure de l'antenne à large bande ou multi-bandes, conforme à l'objet de la présente invention, est obtenue en supprimant le plan constituant le réflecteur R et en remplaçant ce dernier par un autre assemblage d'éléments de matériau BIP à défaut symétrique, les lames de matériau diélectrique constitutives de l'autre assemblage d'éléments de matériau BIP à défaut symétrique, en raison de la symétrie précitée, étant notées LDs sur la figure 3a. La symétrie s'entend, bien entendu, par rapport à l'élément rayonnant ER ou par rapport à l'ensemble des éléments rayonnants ER en émission/réception et par rapport au plan médian matérialisant l'emplacement du plan constituant réflecteur supprimé R.

Pour cette raison, et en raison de la symétrie par rapport à l'emplacement précité, les groupements de l'autre assemblage de lames de matériau diélectrique LDs sont désignés Gis, respectivement G2s en référence à la figure 2b.

La figure 3b représente un diagramme des coefficients de transmission exprimés en dB en fonction de la fréquence pour une antenne à large bande conforme à l'objet de la présente invention telle que représentée en figure 2a, 2b ou 3a, courbe B, en comparaison d'une antenne de l'art antérieur telle que décrite dans la demande de brevet français précédemment citée dans la description, courbe A.

A partir de la comparaison des courbes précitées, on constate un accroissement important de la bande passante lorsque la structure d'antenne conforme à l'objet de la présente invention est mise en oeuvre.

Ainsi, à titre d'exemple non limitatif, toutes choses égales par ailleurs, pour une atténuation de 6dB par rapport à la fréquence centrale à 14 Ghz, on constate que la bande passante, lorsque la structure d'antenne à large bande conforme à l'objet de la présente invention est mise en oeuvre, est au moins deux fois plus importante que la largeur de bande correspondante à la mme fréquence et pour une valeur d'atténuation de 6dB, lorsqu'une structure d'antenne de type classique est mise en oeuvre.

La figure 4 montre enfin les formes d'ondes obtenues lors de la mise en oeuvre d'une antenne à large bande conforme à l'objet de la présente invention par exemple dans le cas de la figure 3a, les formes d'ondes précitées étant représentées par l'amplitude du champ électrique respectivement la valeur de la partie réelle de ce champ E dans les différentes zones entre lames de matériau diélectrique constitutives de la structure précitée.

On comprend bien entendu, en raison de la condition selon laquelle à la cote z=0 l'amplitude du champ électrique est sensiblement nulle, que la forme d'onde correspondant à la mise en oeuvre de l'antenne à large bande ou multi- bandes objet de la présente invention telle que représentée en figure 2a ou 2b, correspond bien entendu à la partie supérieure de la figure 4 pour laquelle la cote z est supérieure à 0.

On constate ainsi que la structure d'antenne à large bande ou multi- bandes, conforme à l'objet de la présente invention, présente une symétrie d'un point de vue géométrique mais une antisymétrie au point de vue de la répartition du champ électrique par rapport à la cote z=0.

D'une manière générale, on indique que la structure d'antenne à large bande ou multi-bandes décrite conformément à l'objet de la présente invention dans la présente description, n'est pas limitée au mode de réalisation décrit en liaison avec les figures 2a, 2b et 3a par exemple. En effet, alors que ces structures présentent une direction de répétition de motif unique, telle que représentée en figures 2b ou 3a par exemple, dans la direction Oz, il est bien entendu possible de prévoir deux directions de répétition et mme trois directions de répétition dans les directions Oy et Ox du repère représenté en figure 2b, 3a et 4 par exemple.

Enfin, il est possible de remplacer les lames d'air séparant les lames de matériau diélectrique LD par des lames diélectriques de nature différente ou, le cas échéant, de remplacer les lames de matériau par des matériaux présentant des motifs répétitifs également suivant les directions x ou y, outre la direction z représentée en figure 2a, 2b, 3a et 4.

De mme, les éléments de matériau BIP à défaut constituant les groupements ou motifs superposés peuvent comporter des lames ou éléments métalliques ou en matériau magnétique par exemple.

Pour cette raison, dans les figures précitées, le repère orthonormé est désigné Oxyz, Ozxy, Oyzx pour tenir compte de la réalisation des motifs répétitifs dans l'une, dans deux ou dans les trois directions.

En ce qui concerne la mise en oeuvre de motifs répétitifs dans une, dans deux ou dans trois directions ou selon une combinaison de structures de périodicité unidirectionnelle, bidirectionnelle ou tridirectionnelle vis à vis du plan réflecteur, on pourra utilement se reporter à la demande de brevet français précitée 2 801 428, en particulier aux figures 3,4 et 5 respectivement de celle- ci. L'introduction d'un défaut pour chacune des structures correspondantes précitées consiste alors à supprimer en zone centrale, une lame, une rangée et deux rangées respectivement.

En outre, pour réaliser une antenne multi-bandes conforme à l'objet de la présente invention, l'assemblage d'éléments de matériau BIP à défaut est configuré de manière à présenter une structure de répétition de groupements Gj dont les caractéristiques de perméabilité magnétique, de permittivité magnétique et/ou d'épaisseur sont sensiblement discontinues. L'introduction d'une telle discontinuité permet d'engendrer par couplage mutuel de la zone de défaut des éléments de matériau BIP à défaut une pluralité de bandes passantes disjointes.

Enfin, la structure d'antenne conforme à l'objet de la présente invention permet de mettre en oeuvre un réseau d'antennes. Ainsi que représenté en figure 5, le réseau d'antennes obtenu comporte une antenne conforme à l'objet de l'invention telle que décrite précédemment dans la description dans laquelle une pluralité d'éléments en émission/réception ERj ; k sont répartis périodiquement au voisinage du plan réflecteur R. Les éléments rayonnants

ERj ; k peuvent tre identiques. Le dimensionnement du réseau et le nombre J, K d'éléments rayonnants dans les deux directions de répartition de ces derniers sont choisis en fonction de l'application ou de l'utilisation du réseau. De tels réseaux trouvent application aux télécommunications point à point et point multipoints.

On a ainsi décrit une nouvelle structure d'antenne à large bande ou multi- bandes, laquelle possède des propriétés particulièrement intéressantes en termes de bande passante tout en conservant les propriétés de rayonnement et d'encombrement de la structure d'antenne de l'art antérieur, telle que mentionnée précédemment.

En particulier, la structure d'antenne à large bande ou multi-bandes objet de la présente invention forme une cavité à fuites dont la fréquence de fonctionnement est principalement fixée par la dimension de superposition de l'arrangement d'éléments de matériau BIP à défaut. Les résultats obtenus ont montré la mise en évidence d'un doublement de la bande passante par rapport au dispositif de l'art antérieur précédemment décrit.

La structure d'antenne à large bande ou multi-bandes conforme à l'objet de la présente invention permet de lever une des limites d'utilisation des matériaux BIP pour la réalisation de dispositifs rayonnants.