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Dispositif d'alimentation d'un élément rayonnant fonctionnant en double
polarisation
L'invention se rapporte à un dispositif d'alimentation d'un
élément rayonnant fonctionnant en double polarisation, pouvant être du
5 type antenne imprimée ou de type guide d'onde.
L'emploi des antennes dites imprimées : antennes "patch", dipoles,
fentes annulaires etc...... va croissant dans le domaine des
télécommunications.
En fonction de la mission envisagée : télécommunications fixes,
télécommunications maritimes ou aéronautiques, "broadcasting",
localisation, relais, etc., les choix d'un type d'élément rayonnant
d'une part et d'un type de ligne de propagation d'autre part résultent
d'un compromis mettant en jeu un nombre important de paramètres :
. adéquation à la mission RF (Radiofréquence) ;
. niveau de définition de la technologie ;
. type d'interfaces requis, connectique ;
. tenue en puissance ;
. coût ;
. encombrement, masse
L'intégration de tous ces paramètres ainsi que le développement
d'antennes actives permettent de proposer les antennes imprimées comme
des solutions forts attractives et compétitives sur la plupart des
missions envisagées aujourd'hui.
Ceci est tout à fait courant pour des missions opérant en bande L
25 (1,5-1,6 GHz), en bande S (2 GHz), en bande C (4-6 GHz) et tend à le
devenir de plus en plus pour des missions en bande K, aujourd'hui en
bande Ku (12,4-18 GHz). Toutefois la montée en fréquence ne peut se
faire qu'au prix d'un grand effort technologique tant les problèmes
apparaissent difficiles :
_ montée vertigineuse des pertes ;
- miniaturisation des éléments rayonnants ;
- difficultés de connectique et de réalisation.
Bien des missions ne requièrent qu'une seule polarisation par
fréquence (linéaire ou circulaire). Dans ce cas les spécifications de
polarisation croisées ne sont pas en général très difficiles à tenir.
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C'est le cas des missions bande L (aéronautiques et maritimes), bande S
(relais), bandes L et S (localisation). Pour ce genre d'applications, en
fonction de l'élément rayonnant retenu, différents modes d'alimentation
peuvent être envisagés.
Les modes d'excitation les plus courants d'une antenne imprimée
sont :
- l'alimentation à partir d'une ligne coaxiale ;
- l'alimentation dans le plan à partir d'une ligne microruban ;
- l'alimentation par couplage électromagnétique à partir d'une
ligne microruban ou triplaque.
Les deux premières approches ont été largement décrites et
étudiées dans la mesure où elles sont d'une part de réalisations à
priori aisées et présentent une similitude de comportement de
propagation avec l'élément rayonnant lui-même qui peut être approximé
par une ligne microruban.
Les solutions appartenant à la troisième catégorie marquent un pas
dans la technique d'alimentation en découplant l'élément rayonnant de la
ligne principale. L'accroissement du nombre de paramètres permet ainsi
une meilleure gestion des performances de bande passante de l'ensemble.
Ainsi l'alimentation d'une antenne imprimée peut être réalisée à
l'aide d'une ligne coaxiale orthogonale. La configuration de base
consiste à connecter l'âme centrale du coaxial à un point d'impédance
sous le "patch" correspondant à l'impédance du coaxial. Cette technique
est bien souvent insuffisante dans le cadre de mission à bande
importante ( ~ 1%) en raison de l'effet de sonde dû au diamètre non nul
du conducteur. Aussi afin d'accroître les performances d'une telle
transition, ont été couramment développés des dispositifs compensateurs
de la self de sonde à savoir :
- attaque par une jupe capacitive réalisée à l'aide d'une gaine de
conducteur coaxial extérieur ;
- attaque par une pastille capacitive sur ou sous le "patch".
Ces dispositifs sont largement connus et décrits : par exemple
dans un article intitulé "Conformal microstrip antennas" de Robert E.
MUNSON (Microwave journal ; mars 1988) qui décrit plusieurs types
d'antennes microstrip, leurs applications et leurs performances.
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L'alimentation d'une antenne imprimée ("patch" ou dipole) peut,
également, être réalisée à partir d'une ligne microruban. Là encore ces
types d'alimentation sont largement connus. Ce mode d'alimentation est
largement utilisé et ne nécessite aucun procédé particulier autre que
S celui de la gravure du "patch" lui-même. On peut ainsi alimenter les
éléments rayonnants et réaliser les éléments de répartition selon la
même surface.
L'alimentation d'une antenne imprimée peut, enfin, être réalisée
par technique de couplage électromagnétique. Ce mode d'alimentation
permet de transférer l'énergie RF à partir d'une ligne principale sans
aucun contact ou liaison mécanique entre les conducteurs. De plus par
l'introduction de paramètres elles permettent une meilleure gestion des
capacités d'adaptation des aériens. A partir de lignes microruban il est
possible de réaliser l'alimentation d'un dipole ou d'une antenne de type
"patch". On peut aussi alimenter un élément rayonnant à partir d'une
ligne triplaque. Ce qui peut offrir certains aspects intéressants en
comparaison de la situation électrique du microruban qui est une ligne
ouverte.
Toutes ces réalisations largement connues deviennent cependant
difficiles à mettre en oeuvre pour des missions nécessitant une
utilisation en double polarisation. En effet pour ce genre d'application
les problèmes vont croissants ; Bien souvent l'élément rayonnant de base
n'est pas seul, mais constitue un sous-réseau et le problème posé dans
sa globalité consiste à :
_ alimenter les éléments rayonnants selon deux polarisations
orthogonales ;
- intégrer les circuits BFN ("Beam Forming Networks") dans la
maille physique du réseau ;
de fason à réaliser un module permettant de tenir les objectifs de
pureté de polarisation, bande passante, efficacité, qualité de
rayonnement etc... moyennant une technologie et des coûts acceptables.
Les solutions du type utilisant deux attaques coaxiales
orthogonales conduisent à des architectures compliquées pour alimenter
l'élément rayonnant et pour accéder à chacun des circuits BFN. Quelle
que soit la configuration celle-ci nécessite au moins une transition
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coaxiale/triplaque simple étage ainsi qu'une transition à double étage ;
ce qui se traduit par une complexité technologique accrue par rapport à
la simple polarisation, associée en outre à de faibles performances
intrinsèques. Le couplage entre les deux sondes coaxiales est
typiquement de 20 dB pour ce type d'excitation entrainant ainsi des
problèmes de re-rayonnement en polarisation croisée à résoudre par des
artifices de mise en sous-réseaux particuliers (rotations séquentielles
par exemple).
De toute fa~con la mise au point n'est pas aisée, du fait de
phénomènes parasites. De plus la solution requiert un gros effort
d'ingénierie électrique et technologique.
L'objet de la présente invention consiste à répondre au problème
ainsi défini
L'invention propose à cet effet un dispositif original
d'alimentation d'un élément rayonnant fonctionnant en double
polarisation, caractérisé en ce qu'il comprend une première ligne
d'alimentation pénétrant dans une première cavité située sous ledit
élément rayonnant, et une seconde ligne d'alimentation, disposée selon
une géométrie orthogonale à la première ligne, pénétrant dans une
seconde cavité située dans le prolongement de la première, une pièce
conductrice formant une fente de couplage entre ces deux cavités.
Avantageusement ce dispositif permet d'assurer simultanément en
une seule unité, et sans nécessiter de liaison mécanique (connectique) :
- l'alimentation d'un élément rayonnant selon deux polarisations
orthogonales ;
- la sortie de chacune des polarisations sur des niveaux séparés,
permettant ainsi une gestion indépendante des circuits BFN et une
intégration complète de l'ensemble de ces répartiteurs sous le réseau de
l'élément rayonnant sans nécessiter d'éléments de connexion autres que
ceux existant entre le dispositif d'alimentation et l'élément rayonnant
lui-même.
De plus le dispositif de l'invention permet de simplifier
considérablement l'architecture de distribution, la technologie de
réalisation, et le coût des sous-réseaux des éléments rayonnants.
Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront
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d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple non
limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles :
- les figures 1 et 2 illustrent le dispositif de l'invention
respectivement en vue en coupe et en vue de dessus ;
- les figures 3 à 6 illustrent respectivement une réalisation du
dispositif de l'invention et plusieurs courbes de fonctionnement ;
- Les figures 7 et 8 illustrent une application du dispositif de
l'invention à un sous-réseau à quatre éléments.
L'excitation de l'élément rayonnant 10, de technologie composite
ou non, représenté sur la figure 1, se fait en utilisant une structure
multifentes et multicavités. Une telle structure permet d'effectuer en
une seule opération :
- l'alimentation d'un élément rayonnant selon deux modes
orthogonaux avec un haut découplage entre les accès ( ~ 30 dB) ;
_ les changements de plan nécessaires à l'implantation de circuits
formateurs de faisceaux (BFN) de chacune des polarisations.
Typiquement deux lignes d'alimentation 11 et 12 correspondant aux
terminaisons de deux formateurs de faisceaux sont implantées à des
niveaux différents sous un élément rayonnant 10.
La première ligne 11 microruban ou triplaque, symétrique ou non,
pénètre dans une première cavité 13 cylindrique. Cette cavité "ouverte"
est réalisée par l'ensemble d'un cylindre conducteur 15, par exemple
métallique, de diamètre ~ a et de deux pistes métalliques 10 au niveau
N, et 16 au niveau N-2, qui réalisent ainsi les "couvercles" dudit
25 cylindre. La fenêtre d'accès 20 de la ligne 11 à la cavité 13 est
dimensionnée selon des règles connues de l'homme de l'art conformément à
la distribution des champs le long de la ligne 11.
De la même manière la seconde ligne 12 du second répartiteur,
disposée selon une géométrie orthogonale à la première ligne 11, pénètre
dans une seconde cavité cylindrique 14 de diamètre ~ b située à un
niveau N-3 inférieur à celui de la première cavité 13 et concentrique
avec celle-ci. Cette seconde cavité 14 est réalisée par l'ensemble des
parois électriques 17 cylindriques, d'un fond métallisé 18 ainsi que de
la pièce métallique 16 qui constitue aussi le fond de la première cavité
13.
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Les deux cavités 13 et 14 sont donc implantées l'une au dessus de
l'autre et présentent une partie commune 16 qui a un rôle capital dans
le fonctionnement du dispositif à double étage qui est décrit ci-après.
Elles contiennent, dans l'exemple représenté, des dispositifs espaceurs
en diélectrique 40, 41 et 42, 43 permettant le positionnement des deux
lignes 11 et 12, disposés dans deux blocs 44 et 45 par exemple en
laiton.
Une onde électromagnétique est véhiculée par la première ligne 11
à l'intérieur de la première cavité 13. L'ensemble de cette cavité agit
comme un hexapole directif adapté ; ce qui nécessite donc :
- d'une part une géométrie des conducteurs en présence optimisée
de fason à réaliser l'adaptation d'impédance de l'élément rayonnant 10 à
chaque ligne d'alimentation ;
- d'autre part un soin extrême apporté à la géométrie de la pièce
16 et conséquemment à la nature de la fente de couplage 19 : Cette pièce
16 joue en quelque sorte un rôle de séparateur de polarisation, qui agit
comme un court-circuit pour l'onde véhiculée par la première ligne 11 ,
de sorte que l'on a une condition de fermeture vis-à-vis des étages
inférieurs. Typiquement la géométrie du conducteur 16 et de la fente 19
peut comporter une ou plusieurs fentes rectangulaires parallèles au
conducteur 11.
Ainsi la cavité 13 agit comme un coupleur directif vis-à-vis des
étages inférieurs de sorte qu'aucun transfert d'énergie n'a lieu de la
première ligne 11 vers la seconde ligne 12 qui présente de ce fait un
haut degré de couplage. L'énergie véhiculée par la première ligne 11 est
donc transférée totalement à l'élément rayonnant 10 sans couplage à la
ligne 12.
La seconde ligne 12 qui se trouve au niveau N-3 présente une
configuration de lignes de champ compatible de la ou des fentes 19. De
ce fait, celles-ci permettent de coupler 1'énergie RF contenue dans la
seconde cavité 14 à la première cavité 13. A ce niveau la seule sortie
adaptée que présente l'ensemble est l'élément rayonnant 10 de sorte
qu'aucune énergie initialement véhiculée par la ligne 12 ne puisse se
coupler à la ligne 11, en raison des conditions d'orthogonalité imposées
des lignes de champ par rapport à la ligne 11. L'excitation de l'élément
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rayonnant 10 selon la polarisation de la seconde ligne 12 met donc en
jeu les deux cavités 13 et 14 ainsi qu'un dispositif de couplage 16 et
19 sélectif en polarisation. L'adaptation de l'élément rayonnant 10 à la
ligne 12 met donc en jeu l'ensemble des caractéristiques des conducteurs
et leur géométries respectives.
Dans une variante de réalisation la cavité 14 a une forme plus
élaborée mettant en jeu une troisième cavité de diamètre ~c, implantée
sous les deux premières et dans le prolongement de celles-ci avec :
~ c C ~ b ~ ~a ; Elle a pour objet d'augmenter le nombre de
paramètres permettant de réaliser l'adaptation de l'ensemble à la ligne
12. Ainsi une succession de n cavités superposées peut être utilisée de
fason à dégager des paramètres d'optimisation.
La figure 3 présente la géométrie d'un élément rayonnant à double
polarisations orthogonales, réalisé en bande KU, qui correspond aux
principes décrits précédemment.
Les performances typiques d'un tel dispositif sont présentées sur
les figures 4 à 6.
Ce dispositif présente les caractéristiques suivantes :
- un élément rayonnant 10 à double étage comprenant :
. un patch carré 21 en cuivre de longueur 6 mm, et d'épaisseur
0,2 mm qui est actif pour l'accès supérieur ;
. une couche 22 en Nida ("Nid d'Abeille") de hauteur 4,2 mm ;
. une couche 23 de scotch Kapton*;
. un patch 24 circulaire en laiton collé sur la surface inférieure
du scotch Kapton de diamètre 6,8 mm, et d'épaisseur 0,3 mm ;
- une plaque 25 en laiton d'épaisseur 0,4 mm ;
- une fente 26 de largeur 14 mm ;
- un triplaque 27 d'épaisseur 0,8 mm ;
- une ligne 100 ohms 28 d'épaisseur environ 0,01 mm, de longueur
débouchante 5 mm ;
- une feuille de quartz polyamide 29 d'épaisseur environ 0,1 mm ;
- une première cavité 30 de diamètre 14 mm, de hauteur 5,8 mm
réalisée dans un premier bloc de laiton 36 ;
- une feuille de quartz polyamide 31 d'épaisseur environ 0,1 mm
sur laquelle est disposée un "patch" en laiton de diamètre 7 mm et
* sc~tch Kapton est une marque de commerce.
* Nida est l'abréviation de Nid d'Abeille.
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d'épaisseur 0,3 mm réalisant un court-circuit dans le sens de la
polarisation supérieure ;
- un triplaque 32 d'épaisseur 0,8 mm ;
- une ligne 100 ohms 35 d'épaisseur environ 0,01 mm, de longueur
débouchante 5 mm ;
- une feuille de quartz polyamide 33 d'épaisseur environ 0,1 mm ;
- une seconde cavité 34 de diamètre 14 mm et de hauteur 5,8 mm
réalisée dans un second bloc de laiton 37 ;
Les figures 4 et 5 représentent des courbes illustrant
l'adaptation des polarisations en fonction de la fréquence, soient
respectivement :
- R.O.S. accès supérieur (figure 4) : -20 dB de 10.50 GHz à
12,75 GHz soit environ 20% de bande passante à R.O.S. = 1,22 ;
- R.O.S. accès inférieur (figure 5) performance similaire
traduisant 20% de bande passante à R.O.S. = 1,22.
La figure 6 est une courbe illustrant le découplage entre accès en
fonction de la fréquence. Le dispositif présente un découplage dans
toute la bande supérieure à 30 dB et en moyenne voisin de 33 dB entre
les accès supérieur et inférieur.
Après étude des diagrammes de rayonnement mesurés sur chacun des
accès à fréquence centrale, il apparait qu'en raison de l'absence de
couplage entre les accès, une excellente pureté de polarisation est
obtenue en tout point conforme aux résultats concernant le même type
d'élément rayonnant utilisé en monopolarisation.
Dans une réalisation d'un sous-réseau de 32 éléments rayonnants,
On voit clairement pour un niveau de BFN que :
- d'une part l'alimentation des sous-réseaux 1 par 4 est
facilement réalisée sous la maille des éléments rayonnants.
- d'autre part l'alimentation de chacune des polarisations,
réalisées séparément en deux plans distincts, permet de pousser très
loin l'intégration du répartiteur associé à chaque polarisation. A titre
d'exemple il est possible de réaliser un circuit 1 par 32 implanté en
totalité sur le même niveau sans qu'il soit nécessaire d'effectuer une
opération de changement de plan autre que celle du dispositif
d'excitation de l'élément rayonnant.
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Un répartiteur similaire pour l'autre polarisation peut être
intégré de façon totalement indépendante au niveau correspondant.
Ainsi l'approche proposée au niveau de l'élément rayonnant :
excitateur à changement de niveau intégré a donc des répercussions très
intéressantes au niveau des sous réseaux dont il simplifie
considérablement l'architecture de distribution, la technologie de
réalisation, et donc, au niveau industriel, le coût.
Dans une technologie en version "tout planaire", il apparaît des
problèmes fondamentaux d'implantation même au niveau d'un sous-réseau de
quatre éléments :
- quasi-impossibilité de loger les circuits BFN ("Beam Forming
Networks") dans la maille du réseau ;
- nécessiter de prévoir des opérations de changement de plan.
Alors qu'en utilisant le dispositif de l'invention on résout tous
ces problèmes. Ainsi la figure 7 représente le détail des circuits et
des cavités situés sous les éléments rayonnants pour un premier
répartiteur. La figure 8 représente le détail des circuits et cavités
pour un second répartiteur implanté à un second niveau. Les dessins sont
les mêmes, seule la topologie a tournée de 90.
Il 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.
Ainsi l'élément rayonnant 10 peut exciter un résonateur passif
de fason à réaliser un élément rayonnant large bande.
De la meme manière, le dispositif ainsi décrit, utilisant ou non
un résonateur passif, peut servir à alimenter, de manière connue de
l'homme de l'art, un élément hyperfréquence de type guide d'onde ou
cornet rayonnant (corrugué, bimode, etc....).
