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. CA 02023481 1997-10-12
Antenne microrllban à polarisations multiples,
not~mment antenne élémentaire pour réseau de type dalle
La présente invention concerne une antenne microruban
6 à polarisations multiples, notamment une antenne élémentaire pour
un réseau de type ~ dalle ~.
Les réseaux de type ~ dalle ~ sont des réseaux plans de
très faible épaisseur formés d'une pluralité d'antennes élémentaires
non saillantes s'étentl~nt à la surface de la dalle.
La technologie microruban ou ~ microstrip ~ se prête
particulièrement bien à la réalisation de tels réseaux, qui sont alors
essentiellement constitués d'un substrat métallisé sur ses deux faces
portant des motifs conducteurs (microrubans) de géométrie appro-
priée formés dans les métallisations des faces. Pour plus de détails
sur les antennes à microrubans, ou pourra se référer not~mment à
l'ouvrage de I. J. Bahl et P. Bhartia intitulé Microstrip antennas,
publié en 1980 chez Artech House.
Dans un certain nombre de circonstances, il peut être
intéressant de prévoir une polarisation circulaire, not~mmçnt dans
les applications radar, où l'on sait que la polarisation circulaire
permet d'éliminer les échos produits par les obstacles à réflexion
isotrope, tout particulièrement les échos de pluie (provoqués par les
gouttelettes d'eau en suspension dans les nuages). En effet, l'onde
émise selon une polarisation circulaire donnée, par exemple une
polarisation circulaire droite, va être déphasée de 180~ par réflexion
sur l'obstacle et va donc être renvoyée avec une polarisation inverse,
circulaire à gauche dans cet exemple. Il sera aisé, au niveau du
récepteur, de supprimer cette réflexion au moyen d'un élimin~teur
d'inter-polarisation.
On connaît diverses techniques de polarisation circulaire
d'antennes élémentaires réalisées en technologie microruban, mais
qui présentent toutes l'inconvénient de n'autoriser qu'une bande
passante très étroite autour de la fréquence centrale sur laquelle elles
sont accordées.
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En particulier, des tentatives ont déjà été faites pour ex-
citer deux fentes orthogonales disposées symétriquement en forme
de croix au moyen d'une ~lim~ntation par un coupleur du type ff té
Wilkinson ~, c'est-à-dire que les deux fentes sont ~limentées par
5 deux voies dont les longueurs respectives diffèrent d'un quart
d'onde, comme cela est décrit notamment dans l'ouvrage de
J. R. James, P. S. Hall et C. Wood intitulé Microstrip Antenna--
Theory and Design, publié en 1981 chez Peter Pelegrinus Ltd, aux
pages 262 et 263.
Cepen-l~nt, du fait que le déphasage résulte de la diffé-
rence de chemin dans les deux voies d'~lim~ntation tdifférence d'un
quart d'onde), un tel mode d'excitation est par nature dissymétrique
et, surtout, sélectif en fréquence, puisque la condition de déphasage
de 90~ n'est plus respectée dès que l'on s'écarte de la fréquence
centrale pour laquelle on a calculé les longueurs des voies d'~limen-
tation.
Un premier but de l'invention est de remédier à ces limi-
tations, en proposant une structure d'antenne microruban à
polarisation circulaire pouvant être utilisée dans une large bande de
fréquences, typiquement une bande dont la largeur est de l'ordre de
20 % de la fréquence centrale de fonctionnement.
Un second but de la présente invention est de proposer
une structure d'antenne qui, toujours avec cette caractéristique
large bande, autorise, outre la polarisation circulaire (à droite ou à
gauche), une polarisation rectiligne (linéaire) surajoutée à la polari-
sation circulaire, typiqllement une polari~tio~ linéaire verticale
et/ou horizontale.
Comme on le verra, l'~ntenne de la présente invention
permet notamment, à partir d'un unique élément rayonnant et par
simple commutation sélective de voies d'entrée du signal, d'obtenir à
volonté:
--une polarisation circulaire droite,
--une polarisation circulaire gauche,
--une polarisation rectiligne horizontale, et
--une polarisation rectiligne verticale.
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Cette caractéristique d'antenne à polarisations mutiples
est particulièrement intéressante pour les antennes assurant simul-
tanément deux fonctions, par exemple la fonction classique de
surveillance--obtenue par une polarisation circulaire--et une
fonction IFF (Identification Friend or Foe: identification ami ou
ennemi)--obtenue par une polarisation rectiligne.
On verra en outre que, en cas de polarisation circulaire,
la structure de l'invention procure une symétrie d'alimentation
parfaite, ce qui n'était pas le cas de l'antenne à fentes en croix de
l'art antérieur mentionnée plus haut.
L'antenne de la présente invention est une antenne
microruban du même type que celle décrite dans l'ouvrage précité de
James, Hall et Wood, à savoir une antenne comportant:
--sur une face d'un substrat, un élément rayonnant
constitué de deux fentes orthogonales disposées en croix, et
--sur la face opposée, des premiers moyens d'excitation
comprenant deux voies déphasées d'un quart d'onde couplées à
chacune des deux fentes respect*es de l'élément rayonnant, de
manière à faire rayonner celui-ci selon une polarisation circulaire.
Selon l'invention, les premiers moyens d'excitation
comprennent un coupleur hybride 90~, symétrique et à large bande,
dont les deux br~nches de sortie sont couplées aux deux fentes
respectives de l'élément rayonn~nt et dont l'une au moins des
branches d'entrée reçoit un signal à rayonner.
On peut not~qmment appliquer sélectivement le signal à
rayonner sur l'une ou l'autre des branches d'entrée du coupleur
hybride 90~ en fonction du sens, droit ou gauche, choisi pour la pola-
risation circulaire.
Très avantageusement, l'antenne de l'invention
comprend également des seconds (ainsi que, de préférence, égale-
ment des troisièmes) moyens d'excitation comportant, sur la face
opposée à celle portant l'élément rayonnant, une ligne directement
couplée à l'une des fentes (respectivement, à l'autre des fentes) de
l'élément rayonnant cruciforme, de manière à faire rayonner celui-ci
selon une première (respectivement, une seconde) polarisation recti-
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ligne, orientée perpendiculairement à la direction de la fente ainsi
excitée.
De préférence, pour une fente donnée de l'élément rayon-
nant, le point de couplage de ces seconds ou troisièmes moyens d'ex-
5 citation est situé sur le côté opposé de celui du point de couplage despremiers moyens d'excitation.
Pour donner une forme plus compacte à l'ensemble, l'axe
médian du coupleur hybride symétrique 90~ peut former un angle
par rapport aux axes des fentes de l'élément rayonnant cruciforme.
On peut par ailleurs pr~voil en outre un directeur en
forme d'élément passif disposé, dans la direction du rayonnement,
devant l'élément rayonnant et à distance de celui-ci.
On va maintenant donner des exemples détaillés de
réalisation de la présente invention, en référence aux figures
annexées.
La figure 1 est une vue d'un premier mode de ré~ t;on
20 de l'antenne de l'invention, procurant une polarisation circulaire à
droite ou à gauche.
La figure 2 est une représentation isolée du coupleur
hybride utilisé dans la structure de la figure 1.
La figure 3 est homologue de la figure 2, pour une
25 version de dimensions réduites du même coupleur hybride (les
figures 2 et 3 étant à la même échelle).
La figure 4 illustre partiellement un réseau constitué à
partir d'antennes élémentaires telles que celles de la figure 1.
La figure 5 est homologue de la figure 1, pour un second
30 mode de réalisation de la présente invention procurant, outre les
polarisations circulaires droite et gauche, une polarisation rectiligne
horizontale et une polarisation rectili~ne verticale.
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Sur la figure 1 on a représenté, vue de dessus (c'est-à-
dire vu depuis un point en direction duquel rayonne l'antenne), l'an-
tenne selon la présente invention, qui est constituée essentiellement
d'un élément rayonnant cruciforme 10 formée de deux fentes ortho-
gonales de même longueur 11 et 12 se croisant en leur centre.
Cet élément rayonnant cruciforme est réalisée par élimi-
nation locale du cuivre de la mét~ tion de surface d'un substrat.
Le substrat et les mét~ tions peuvent être de tout type classique
utilisé en technologie microruban, par exemple des métallisations de
cuivre de 35 ~um d'épaisseur sur les deux face d'une plaque de verre-
PTFE ou de verre-époxy d'épaisseur 1,6 mm et de constante diélec-
trique ~ comprise entre 2,6 et 4 pour un coefficient de pertes tg
compris entre 10-3 et 104.
Ces deux fentes définissent donc un élément rayonnant
cruciforme comportant quatre bras 11a, 11b, 12a et 12b symétriques
et tous de même longueur afin d'obtenir la meilleure circularité
possible de la polarisation; en effet, toute dissymétrie introduirait
une ellipticité préjudiciable à une utilisation correcte des signaux
émis ou reçus par l'antenne.
Sur l'autre face du substrat, on forme dans la métallisa-
tion, également par gravure, un coupleur permettant, de manière en
elle-même connue, d'exciter les deux fentes de l'élément rayonnant
cruciforme avec un déph~ qge relatif de 90~ (quadrature).
De façon caractéristique de la présente invention, le
coupleur 20 est un coupleur du type ~ coupleur hybride 3 dB ~, dit
encore ~ anneau hybride 3 dB ~ ou ~ échelle 3 dB ~.
Ce coupleur hybride, en lui-même connu, a été repré-
senté isolément figure 2. Il est essentiellement constitué de deux
branches d'entrée 21 et 21' symétriques (du point de vue radioélec-
trique) et deux branches de sortie, également symétriques 22 et 22'.
Ces quatre branches aboutissent à quatre segments 23, 24, 25 et 26
ayant chacun une longueur d'environ un quart d'onde (la longueur
d'onde étant considérée dans le diélectrique du substrat, et non dans
l'air). (~es segments 23 à 26 peuvent être rectilignes, comme illustré
figure 2--e_on parle généralement de ~ coupleur en échelle ~--ou
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curvilignes--et l'on parle alors plutôt d' ~ anneau hybride ~--, ou
même prendre des formes plus complexes, comme dans le cas de la
figure 3 que l'on décrira en détail plus loin, les paramètres impor-
tants étant la longueur et la largeur des lignes de tr~nRmi.~sion for-
5 mées par ces segments.
Les dimensions des branches d'entrée 21 et 21', des
branches de sortie 22 et 22' et des lignes 25 et 26 sont telles que ces
éléments sont tous adaptés sur l'impédance caractéristique de l'an-
tenne et de ses circuits associés, typiquement 50 Q. En revanche, on
10 donne aux lignes 23 et 24 une largeur supérieure, de manière à
créer une désadaptation d'impédance. Cette dés~ ptation est telle
que les signaux appliqués sur l'une ou l'autre branche d'entrée 21 ou
21' vont se l,o~lver divisés et, du fait des retards introduits par les
lignes quart d'onde 23 à 26, vont donner sur chacune des branches
15 de sortie 22 et 22' des signaux semhl~bles, de même amplitude mais
déphasés de 90~.
Le choix d'un tel coupleur hybride 90~ présente un
certain nombre d'avantages, not~mment le fait qu'il permet de
m~intenir, à la différence des coupleurs tels que le té Wilkinson, un
20 déphasage de 90~ qll~Rimçnt constant sur une très large bande de
fréquences, typiquement sur une largeur de bande de 20 %, avec un
ROS peu affecté par les variations de fréquence dans cette bande;
autrement dit, ce coupleur hybride reste parfaitement adapté même
si la fréquence varie autour de la fréquence centrale pour laquelle il
25 a été calculé.
Si l'on revient maintenant à la figure 1, on voit que l'on a
combiné un tel coupleur hybride à l'élément rayonnant cruciforme
10 par couplage de chacune de ses branches de sortie 22, 22' à l'une
des deux fentes 11, 12. L'emplacement exact du point de couplage
30 27, 27' sur la fente n'est pas critique, ni l'orientation de la branche
de sortie 22 ou 22' par rapport à l'axe Dl ou D2 de la fente. Cepen-
dant, pour gagner en compacité, on oriente de préférence le coupleur
hybride par rapport à la fente de la manière illustrée figure 1, c'est-
à-dire que l'axe de symétrie ~ du coupleur forme un angle par
35 rapport aux axes D1 et D2 des fentes, ~ pouvant not~mment, comme
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illustré, constituer une bissectrice de l'angle formé par D1 et D2. Les
branches de sortie 22 et 22' du coupleur attaquent ainsi deux bras
adjacents 12b et 11b, respectivement, par des signaux en quadra-
ture. Pour réaliser une adaptation optimale, on prolonge les
branches 22, 22' par un troncon respectif 28, 28' de longueur ~/4
(longueur considérée, ici encore, dans le diélectrique) permettant de
faire revenir en phase au point de couplage l'énergie de fuite n'ayant
pas été tr~n~mise directemçnt à la fente rayonn~nte. Ainsi, si l'on
applique un signal sur la branche d'entrée 21 du coupleur hybride,
on réalisera, du fait de l'alimentation symétrique équiamplitude
mais en quadrature, une polarisation circulaire tournée vers la
droite, tandis que, si l'on applique le signal sur la branche d'entrée
21' du coupleur hybride, on obtiendra une polarisation circulaire
inverse, c'est-à-dire tournée vers la gauche.
Un tel type d'~nt,çnne élémentaire se prete particulière-
ment bien à la constitution d'un réseau plan, comme on l'a illustré
schématiquement figure 4. Sur cette figure, on a illustré trois
antennes élémentaires du réseau, qui peut en comprendre plusieurs
ines ou plusieurs centaines. Chaque élément rayonnant cruci-
forme 10 est associé à un coupleur hybride 20 qui lui est propre, les
différents coupleurs étant ~limentés de façon appropriée, de manière
en elle-même connue, par des circuits répartiteurs (qui n'ont pas été
représentés).
On voit que la configuration de l'ensemble élément
rayonnant/coupleur hybride selon la présente invention permet
d'avoir une disposition très compacte, not~mment si l'on excite les
fentes en biais, comme on l'a exposé plus haut, ce qui permettra de
rapprocher au m~imum les uns des autres les divers éléments
rayonnants. Or on sait que, dans une antenne réseau, si l'on veut
éviter l'apparition de lobes de réseau préjudiciables à une large
couverture angulaire, il est nécessaire de rapprocher le plus possible
les divers éléments rayonn~nts, idéalement avec un espacement non
supérieur à une demi-longueur d'onde.
Avantageusement, on peut prévoir, de manière en elle-
même connue, un ~ patch ~ ou pavé 30 faisant fonction de directeur
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ou élément rayonnant passif, formé d'une surface métallique de
dimensions légèrement supérieure à celle des fentes et disposé
devant l'élément rayonnant cruciforme et à distance de celui-ci.
Un tel directeur a été suggéré en 30 sur la figure 4; les
directeurs peuvent être de formes diverses, par exemple celle d'un
carré dont les diagonales sont parallèles aux fentes (comme dans
l'exemple illustré), d'un carré dont les côtés sont parallèles aux
fentes, d'un cercle, etc.
Ces directeurs procurent, outre leur effet sur le
diagramme de rayonnement de l'antenne élémentaire, un élargisse-
ment de la largeur de bande de l'él~ment rayonnant, caractéristique
particulièrement intéressante dans le cas présent.
Pour accroître encore la compacité de l'antenne, on peut
replier les segments 23 à 26 du coupleur hybride 20, comme on l'a
illustré figure 3, en gardant les mêmes longueurs et les mêmes
largeurs, pour chacun des segments, que dans le cas de la figure 2.
Cette configuration permet en particulier de diminuer notablement
l'entraxex des branches d'entrée et de sortie du coupleur.
La figure 5 montre un mode de réalisation perfectionné
de la présente invention, permettant de faire rayonner les fentes
non seulement suivant des polarisations circulaires droite et gauche,
mais également suivant des polarisations rectilignes, verticale ou
horizontale.
Les polarisations circulaires sont obtenues de la même
manière que dans le cas de la figure 1, les mêmes références numéri-
ques ayant été utilisées pour désiEner des éléments identiques.
Pour réaliser les polarisations rectilignes, on tire parti du
fait que l'élément rayonnant 10 n'est excité par le coupleur hybride
20 que par deux de ses quatre branches, à savoir les branches 11b et
12b sur l'exemple illustré. Les deux autre branches, 11a et 12a, sont
alors utilisées pour réaliser une polarisation rectiligne au moyen de
lignes microrubans respectives 40 et 50 ~limentant~ de préférence
également en biais, les bras 11a et 12a des fentes 11 et 12.
Ainsi, la ligne 40, alimentée par son extrémité 41, va
exciter la fente verticale (avec les conventions du dessin) 11 au point
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de couplage 47 et produire une polarisation horizontale; de la même
façon, la ligne 50, alimentée par son extrémité 51, va exciter la fente
horizontale 12 au point de couplage 57 et produire une polarisation
verticale. Ces lignes 40 et 50 se terminent, au-delà des points de
couplage 47 et 57, par des tronçons quart d'onde 48 et 58 dont le rôle
est analogue à celui des tronçons quart d'onde 28 et 28' des voies
d'~limentation en polarisation circulaire.
On voit ainsi que l'on pourra obtenir, avec un même
élément rayonnant:
--un polarisation circulaire droite, si l'on applique le
signal par la voie d'entrée 21,
--un polarisation circulaire gauche, si l'on applique le
signal par la voie d'entrée 21',
--un polarisation rectiliEne horizontale, si l'on applique
le signal par la voie d'entrée 41, et
--un polarisation rect~ ne verticale, si l'on applique le
signal par la voie d'entrée 51.
La sélection de polarisation souhaitée pourra s'obtenir
facilement par commutation des différentes voies, par exemple au
moyen de diodes PIN.
