Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
2024992
Antenne plane
L'invention concerne une antenne plane, par exemple imprimée o~
plaquée, rayonnant des ondes polarisées circulairement ou linéairement.
L'invention peut s'appliquer à l'excitation d'un guide d'onde en
polarisation circulaire ou linéaire.
Une telle antenne selon l'invention réalise une transition
compacte entre des lignes d'alimentation de type TEM (Transverse
Electro-Magnétique) telles que les lignes triplaques, microruban,
coaxiales, "bar-line" (liste non exhaustive) et l'espace libre (ou un
guide d'onde).
Les systèmes connus permettant une transition entre une onde
guidée TEM et l'espace libre sont :
- les systèmes composés d'un excitateur et d'un cornet :
L'encombrement est alors important (longueur supérieure à une longueur
d'onde),
- les antennes plaquées : L'encombrement est alors réduit
(longueur inférieure à la demi-longueur d'onde).
L'antenne de l'invention fait partie des antennes plaquées, tout
en améliorant leurs performances.
Les dispositifs connus de cette catégorie comprennent :
- les doubles résonateurs respectivement de forme carrée,
circulaire, ..., alimentés par sondes coaxiales orthogonales. Le
rayonnement est alors dissymétrisé par les sondes d'excitation. De plus
un tel dispositif nécessite des opérations de soudure,
- les doubles ou simples résonateurs alimentés respectivement par
une fente linéaire ou un trou de couplage. Un tel dispositif évite toute
soudure. De plus, l'excitation ne dissymétrise pas les diagrammes,
lorsque la fente ou le trou de couplage est disposé(e) symétriquement
par rapport au résonateur (de forme carrée, circulaire, ...). Dans le
cas d'une onde polarisée circulairement ou d'une double polarisation
linéaire, il est alors nécessaire de dissymétriser l'excitation ou de
croiser les lignes d'alimentation (cas d'une fente en croix).
- alimentation par couplage électromagnétique. Un tel dispositif
est dépourvu de soudure. Le rayonnement est dégradé par celui de la
ligne apparaissant du côté rayonnant.
.~
20249~2
-- 2
Les système connus compacts permettant une
transition entre une onde guidée TEM et un guide d'ondes
sont:
- les résonateurs disposés respectivement au fond
d'un guide. Les performances, largeur de bande et pureté de
polarisation, sont alors rarement compatibles avec des
bandes de télécommunications,
- les double-résonateurs alimentés par sondes
coaxiales. Un tel dispositif nécessite alors trois étages
différents:
. étage d'excitation en ligne TEM
. étage du résonateur alimenté
. étage du résonateur passif.
Dans la demande de brevet no. 87 15359, le
dispositif appliqué au cas de l'excitation d'un guide
présente deux étages seulement pour des performances
équivalentes à celles d'un diplexeur classique et ne
nécessite aucune soudure.
L'invention a pour but d'améliorer les caractéris-
tiques du dispositif de l'art connu.
Selon la présente invention, il est prévu uneantenne plane comprenant un résonateur passif couplé à au
moins une ligne d'alimentation par une fente ayant la forme
d'une boucle annulaire, cette fente étant un espace annu-
laire entre un pavé conducteur et un plan conducteur, tousdeux disposés dans un même plan; ladite antenne comprenant
en outre un plan de masse, la (les) ligne(s) d'alimentation
étant disposée(s) entre ledit plan de masse et le plan
conducteur contenant la fente de couplage, le plan de masse,
la ligne d'alimentation, le plan conducteur et le résonateur
passif étant séparés par des espaceurs diélectriques respec-
tifs, caractérisée en ce que ladite antenne comprend en
outre des moyens de pièges d'onde parasite qui forment une
,~
_~ . ...
2024~q2
- 2a -
cavité métallique court-circuitante continue ou discrète,
qui entoure au moins en partie la fente de couplage côté
ligne(s) d'alimentation.
Selon la présente invention, il est également
prévu une antenne plane comprenant un résonateur passif
couplé à au moins une ligne d'alimentation par une fente
ayant la forme d'une boucle annulaire, cette fente étant un
espace annulaire entre un pavé conducteur et un plan
conducteur, tous deux disposés dans un même plan; ladite
antenne comprenant en outre un plan de masse, la (les)
ligne(s) d'alimentation étant disposée(s) entre ledit plan
de masse et le plan conducteur contenant la fente de
couplage, le plan de masse, la ligne d'alimentation, le plan
conducteur et le résonateur passif étant séparés par des
espaceurs diélectriques respectifs, caractérisée en ce que
ladite antenne comprend en outre des moyens de pièges d'onde
parasite qui forment une cavité métallique à fermeture
capacitive qui entoure au moins en partie la fente de
couplage côté ligne(s) d'alimentation.
Avantageusement l'invention présente une meilleure
largeur de bande que les dispositifs précédents. De plus,
elle est bien adaptée à conserver une symétrie de rayonne-
ment dans le cas d'une polarisation circulaire ou d'une
double polarisation linéaire.
Les performances obtenues sont:
- une largeur de bande accrue,
- une grande pureté de polarisation en polari-
sation circulaire ou linéaire, avec un ou deux accès,
- une excitation très symétrique; les lignes
d'alimentation étant blindées du côté ondes excitées.
Une telle antenne peut être utilisée dans une
antenne multisource (réseau d'antennes) à ré-utilisation de
fréquence en polarisation circulaire ou linéaire. Elle peut
'-~J~
- 2024q~2
- 2b -
être également utilisée dans une antenne multisource ou
réseau à rayonnement direct, où un seul type de polarisation
de l'onde est excité.
Les caractéristiques et avantages de l'invention
ressortiront de la description qui va suivre, à titre
d'~ne~ non limltutif, en
-~2 '''
~J '
202499~
-- 3 --
référence aux figures annexées sur lesquelles :
- les figures 1 et 2 représentent respectivement une vue de face
et la figure 2 une vue en coupe longitudinale du dispositif de
l'invention suivant le plan II-II de la figure 1 ;
- la figure 3 représente le détail de la ligne d'alimentation sans
contact ;
- la figure 4 illustre une topologie de lignes d'alimentation
orthogonales pouvant générer deux ondes polarisées linéairement
indépendantes ou deux ondes polarisées circulairement opposées, lorsque
ces lignes sont reliées à un dispositif de mise en quadrature ;
- la figure 5 représente une variante de l'invention où une onde
polarisée circulairement est générée avec un accès seulement ;
- les figures 6, 7 et 8 représentent deux variantes de la variante
représentée à la figure 5 ;
- les figures 9 et 10 représentent le dispositif de l'invention
associé à des pièges pour le guide d'onde plans parallèles ;
Le dispositif de l'invention est constitué, selon les figures 1 et
2, d'un résonateur passif 1, de forme quelconque, plus spécifiquement
ronde ou carrée. Ce résonateur 1 est un conducteur à la fréquence de
fonctionnement, imprimé ou plaqué, dont le centre peut être évidé. Ce
résonateur 1 peut être constitué de plusieurs résonateurs qui peuvent
être superposés.
Ce résonateur est couplé à la ligne d'alimentation 4 par une fente
annulaire 3 de forme circulaire, carrée ou autre, la largeur de la fente
étant constante ou non. Cette fente 3 est constituée par l'espacement
entre un plan conducteur 8 et un disque, carré ou autre forme de
matériau conducteur 2.
Les conducteurs 8 et 2 peuvent être imprimés ou gravés.
La ligne d'alimentation 4, qui peut être par exemple une ligne
triplaque ou une ligne microruban, peut être comprise entre deux plans
de masse 8 et 9. Elle peut être dépourvue du deuxième plan de masse 9,
si le rayonnement côté ligne d'alimentation est suffisamment faible
(alimentation par ligne microruban).
L'antenne de l'invention possède divers espaceurs de nature
diélectrique 5, 6 et 7. Ces espaceurs peuvent être homogènes ou
inhomogènes, partiels ou non, de hauteurs variables suivant la couche
~ 2024992
-- 4 --
considérée et en fonction des performances attendues. Ces espaceurs
peuvent être constitués d'un matériau à faible permittivité
diélectrique, spécialement l'espaceur 5. Si les espaceurs 6 et 7 sont
identiques en hauteur et qualités radioélectriques, la ligne
d'alimentation est alors de type ligne triplaque ou "bar-line" suivant
l'épaisseur du conducteur 4. Les matériaux espaceurs 6 et 7 sont en
général de permittivité égale ou plus élevée que celle de l'espaceur 5.
Dans le cas ou les espaceurs 6 et 7 sont différents, la ligne
d'alimentation est de type microruban blindé. La permittivité de
l'espaceur 6 peut être alors plus élevée que celle de l'espaceur 7.
L'épaisseur de l'espaceur 6 est alors plus faible que celle de
l'espaceur 7.
Le résonateur 1 peut être recouvert d'un matériau non conducteur
protecteur 13.
La ligne d'alimentation 4 est, en général, radiale et alimente la
fente 3 par couplage électromagnétique, typiquement par un stub quart
d'onde terminé par un circuit ouvert. La fente se couple alors au
résonateur 1. L'ensemble de ces couplages permet d'obtenir une bande
passante large, typiquement 20% à un TOS inférieur à 1.2, sur des
substrats à air.
Le rayonnement maximum se fait alors perpendiculairement aux
conducteurs 8 et 2, selon une direction parallèle à celle de la flèche I
de la figure 2. Le plan de masse 8 et le conducteur 2 masquent donc le
rayonnement de la ligne d'alimentation. Le rayonnement présente une très
bonne symétrie et un niveau de polarisation croisée faible.
L'excitation de la fente annulaire 3 peut se faire les techniques
connues de l'homme de l'art :
- couplage par tronçon quart d'onde radial,
- couplage par ligne tangentielle,
- excitation par sonde coaxiale (soudures),
- excitation via un court-circuit.
La figure 3 détaille l'excitation de la fente annulaire 3 par
tronçon quart d'onde radial. Cette excitation peut se faire en ligne
triplaque, microruban, ... le tronçon 10 est un stub terminé par un
circuit ouvert, de longueur voisine du quart de la longueur d'onde
guidée de la ligne. Le circuit ouvert de l'extrémité se transforme en un
2024992
-- 5 --
court-circuit dans le plan de la fente, permettant alors l'excitation de
la fente. Le tronson 11 est un tronçon transformateur d'impédance de
longueur voisine du quart de la longueur d'onde guidée de la ligne,
permettant une adaptation du dispositif à une impédance voulue (50 ohms
par exemple). La ligne lZ est alors une ligne d'accès au dispositif
transportant la puissance échangée.
Suivant la géométrie du dispositif, le plan d'excitation de la
fente peut être plus ou moins compris entre le centre de symétrie du
dispositif et la fente, comme illustré sur la figure 3.
Les dimensions typiques sont :
- diamètre du résonateur 1 inférieur à la demi-longueur d'onde,
- diamètre de la fente annulaire 3 de l'ordre de la demi-longueur
d'onde. Ce diamètre décroit d'aùtant plus que l'espaceur 6 est de
permittivité relative élevée. La circonférence de la fente peut être
supérieure à la longueur d'onde. La fente 3 est résonante.
- les hauteurs des espaceurs 5 et 6 sont de quelques fractions de
longueur d'onde.
Dans une première variante de l'invention représentée à la figure
4, l'antenne de l'invention est alimentée en deux positions orthogonales
(espacées de 90 dans le plan de la ligne parallèle au conducteur 8).
Les types d'excitation étant ceux connus de l'homme de l'art, décrits
précédemment. L'antenne permet alors :
- de générer deux ondes de polarisation linéaire orthogonales
spatialement (polarisation verticale et horizontale, par exemple) et
indépendamment les deux accès étant découplés. Ce système permet alors
de bénéficier du rayonnement symétrique du dispositif pour chacun des
accès ;
- de générer une ou deux onde(s) polarisée(s) circulairement à
l'aide d'un dispositif de mise en quadrature (coupleur, hybride 90,
jonction en Té plus longueur de ligne) tout en conservant la symétrie du
dispositif.
La figure 4 illustre une vue de face du dispositif dans le cas
d'une double alimentation par tronçons quart d'onde en circuit ouvert.
Les lignes 14 et 15 croisent, chacune, la fente perpendiculairement
(radialement) et, éventuellement en fonction de leurs longueurs,
prennent sous le conducteur 2 une forme non rectiligne en s'éloignant
` 6 2 0 2 4 q 9 2
l'une de l'autre pour réduire tout couplage. Les lignes 14 et 15 sont
structurées selon la description de la figure 3.
Les figures 5, 6 et 7 représentent des variantes à l'invention, où
il s'agit de générer une polarisation circulaire avec un seul accès.
Il est connu de l'homme de l'art, qu'une dissymétrie rapportée à
une antenne plaquée est susceptible de créer une onde polarisée
circulairement.
L'antenne de l'invention peut donc être aussi utilisé avec
adjonction de ces dissymétries. En particulier, on peut utiliser des
entailles ("notch") sur le conducteur 2 ou 1 ou les deux, des oreilles
("ear") sur le conducteur 2 ou 1 ou les deux, une fente dans le
conducteur 2 ou 1 ou les deux. Ces modifications ont pour but de
dissymétriser la structure rayonnante.
La figure 5 représente de telles entailles disposées
diagonalement, la largeur d'entailles diminuant continuellement en se
rapprochant du centre. Cette forme du conducteur 2 optimise le taux
d'ellipticité sur une grande largeur bande. (Taux d'ellipticité
inférieur à 1 dB sur une bande de près de 8%).
La figure 6 illustre une autre façon de générer une onde de
polarisation circulaire avec un accès : sur la diagonale est disposé un
conducteur fin court-circuitant la fente 3 entre les conducteurs 8 et 2.
La figure 7 représente une autre variante. La ligne d'alimentation
passe sous la fente à deux endroits perpendiculaires. La longueur de la
ligne entre les deux croisements est de l'ordre du quart de la longueur
d'onde. La fermeture de la ligne est obtenue par un tronçon quart d'onde
en circuit ouvert, en accord avec la description de la figure 3.
Afin de disposer de deux accès générant une polarisation
circulaire d'une façon indépendante, les variantes décrites précédemment
(en particulier, celles des figures 5 et 6), peuvent être munies d'un
deuxième accès symétrique du premier par rapport à la dissymétrie comme
représenté sur la figure 8.
Toutes les descriptions précédentes sont valables, lorsque
l'espace libre, au-delà du matériau 13, est remplacé par un guide d'onde
cylindrique (de section circulaire, carrées, elliptique, ...), d'axe de
propagation confondu avec l'axe perpendiculaire au conducteur 8. L'axe
de symétrie du guide d'onde passe par l'axe de symétrie des conducteurs
-- 2024992
-- 7 --
1 et 2. Les parois métalliques du guide d'onde rentrent en contact avec
le dispositif en interceptant les conducteurs 8 ou 9.
Dans le cas, où le dispositif de l'invention est alimenté par une
ligne d'alimentation 4 en présence de deux plans conducteurs 8 et 9, il
est possible que le guide d'onde constitué des deux conducteurs 8 et 9,
soit excité par la dissymétrie apportée par la fente à l'un des
conducteurs. Ce phénomène peut éventuellement dégrader les performances
potentielles. Dans ce cas, le dispositif peut être muni de pièges pour
cette onde parasite :
- sur la périphérie de la fente 3, entre les conducteurs 8 et 9
peuvent être rapportés des court-circuits discrets 16 ou continus,
illustrés par la figure 9. Une cavité de forme quelconque
court-circuitant le guide d'onde plans paralleles est alors formée. Sa
plus grande dimension est inférieure à la longueur d'onde et doit être
minimale, afin de réduire l'encombrement de la cavité. Cette cavité doit
laisser passer la ligne ou les lignes d'alimentation.
- la cavité peut être remplacée par des plots métalliques
résonants ;
- la cavité peut être constituée par une diminution abrupte de
l'espacement entre les conducteurs 8 et 9, sans réaliser nécessairement
un contact entre les deux conducteurs 8 et 9. Le rapprochement des deux
conducteurs constitue une capacité forte qui court-circuite l'onde
parasite à la fréquence de fonctionnement ;
- l'excitation du guide plan parallèle peut être contrôlée en
procédant à des évidements 17 autour de la fente 3 dans le conducteur 8
illustré par la figure 10. Ces évidements constituent des circuits
ouverts pour le guide plans parallèles. Ils ne doivent pas perturber la
propagation le long des lignes d'alimentation. La forme de ces
évidements peut être quelconque, mais a un rôle sur les performances
désirées.
Ces deux dernières méthodes sont dépourvues de soudure.
D'autres variantes au dispositif, sont possibles :
- on peut utiliser deux ou plus de deux résonateurs, afin
d'accroître la bande passante ou la directivité,
- on peut utiliser les variantes précédentes dans l'espace libre
mais aussi avec un guide d'onde.
2024q92
-- 8 --
I~ est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et
représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et que l'on pourra
remplacer ses éléments constitutifs par des éléments équivalents sans,
pour autant, sortir du cadre de l'invention.
