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CA 02228637 1998-02-23
-~ D'AN~ N~N~ u~S PoUR DES oNDES nY~Kr~uu~
L'invention est relative à un ensemble d'antennes
d'émission ou de réception d'ondes du ~cn~;ne des hyperfré-
quences.
Pour un certain nombre d'applications, il est néces-
saire cl'émettre ou de recevoir des ondes hyperfréqll~ncP.s selonplusieurs bandes. En général, les antennes prévues pour une bande
de fréquences ne sont pas optimisées pour une autre bande de
fréquences. C'est pourc~oi on prévoit habituellement une antenne
par bande de fréquences. Cependant, cette multiplication des
antennes pose des problèmes d'encc~brement, not~ pour les
applications spatiales. Pour réduire l'enc~,~.~n~nt, il est connu
de disposer les antennes concentriquement, l'antenne centrale
étant destinée aux fréquences les plus élevées.
L'invention part de la constatation que la pureté des
signaux émis par un ensemble à au moins deux antennes concen-
triques n'est pas toujours satisfaisante et que l'origine de la
perturbation se trouve dans la transmission de signaux de l'an-
tenne centrale vers l'antenne périphérique.
L'invention est caractérisée en ce que, entre une
2U antenne intérieure, par exem~ple centrale, et une antenne
concentrique plus éloignée du centre, on prévoit un moyen pour
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empêcher ou atténuer la propagation des ondes de l'antenne inté-
rieure vers l'autre antenne.
Ledit moyen est par exemple un piège quart d'onde,
accorde sur la longueur d'onde des signaux prévus pour l'antenne
intérieure.
Dans un mode de réalisation, particuliè.~.le,l~ simple,
cha~ue antenne comporte un loy~ lt con~-~cteur présentant des
parois s'étendant de facon sensiblement parallèle à l'axe de
l'anterme, le piège étant formé dans l'intervalle séparant la
paroi ~ctérieure du loy~ lt de l'antenne intérieure de la paroi
interne du loy~..~nt annulaire de l'antenne périphérique. Dans ce
cas, i:L suffit que l'intervalle ait une longueur, dans la direc-
tion de l'axe, d'environ le quart de la longueur d'onde des
signawc à émettre par l'antenne intérieure.
Ainsi, avec l'invention, on atténue la propagation des
ondes de la cavité logeant l'antenne intérieure vers la cavité
logeant: l'autre antenne. On limite ainsi l'origine du rayo~nP~Pnt
de l'antenne de bande supérieure.
La paroi extérieure du loy~,-,e"t de l'antenne intérieure
forme, dans une réalisation, une pièce d'un seul tenant avec la
paroi intérieure du logement de l'antenne périphérique. Ces deux
parois en une seule pièce délimitent un volume torique fermé d'un
côté et ouvert de l'autre. Dans le fond de ce volume torique, on
peut disposer une couronne conductrice pour ajuster la longueur
du piège.
L'invention n'est pas limitée à l'association de deux
antennes concentriques. Dans une réalisation, on prévoit des
antennes concentriques supplémentaires, et entre deux antennes
adjacentes, on prévoit un moyen pour empêcher la tr~n~mi.~sion des
signaux à la fréquence de l'antenne la plus intérieure vers l'an-
tenne la plus extérieure.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention
apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réa-
lisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci-
annexés sur lesquels :
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la fiyure 1 est un schéma en coupe d'une antenne selon
l'invention, utilisable pour deux h~n~es de fréquences,
les figures la, lb et lc sont des diay~ l~s mettant en
év; ~pnce des avantages de l'antenne de la fiyure 1,
la fiyure 2 est un schéma en plan d'un anneau d'une
antenne conforme à l'invention,
la fiyure 3 est un schéma en plan des deux ~n~eallx
d'une antenne selon l'invPnt;on, mais pour un autre mode de réa-
lisation,
la figure 4 est un schéma en perspective éclatée d'une
antenne du type de celle de la figure 1,
la fiy-ure 5 est un schéma électrique d'alimentation
d'un an,neau de l'antenne de la figure 4,
la figure 6 est un schéma correspondant à un mode de
réalisa~tion de la fiyure 5,
la figure 7 est un schéma correspondant aussi à un mode
de réalisation de la figure 5,
la figure 8 est un schéma simplifié correspondant à
celui cle la figure 1, mais pour une variante, et
la figure 9 est un schéma en plan d'un anneau pour une
variant:e.
L'antenne représentée sur la figure l.est destinée à
recevoir ou émettre des signaux hyperfréquences selon deux ban-
des, à savoir, d'une part, la bande S à 2 GHz et, d'autre part,
la bancle UHF à 400 MHz.
Cette antenne est principalement destinée à être
implant:ée sur des satellites de petite taille, tels que des
satellites affectés à la localisation d'objets ou pour des mis-
sions ~de mesure ou de télécc~m~nde avec des satellites conven-
tionne:Ls. ~u fait de cette application, elle doit présenter unencc~brement réduit, une large couverture angulaire pour les deux
bandes de fréquences ainsi qu'une polarisation circulaire avec un
taux d'ellipticité convenable sur cette large couverture angu-
laire, notamment pour les orientations les plus éloignées de
l'axe.
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L'antenne 10 représentée sur la figure 1 est du type
combin~. Elle est formée par l'association de deux antennes pla-
naires concentriques, respectivement 14 et 16. Chacune des
ant~nn~s 14 et 16 et l'ensemble 10 présentent un axe 12 de symé-
trie de rotation. L'antenne centrale 14, de plus petites dimen-
sions, est destinée à la bande S à 2 GHz et l'antenne extérieure
16, de plus grandes dimensions, est destinée à la bande UHF à 400
MHz.
Chacune des antennes indiv;~llelles 14, 16 comporte un
substrat diélectrique, respectivement 18 et 20, sur lequel est
déposé un ~nn~u conducteur, respectivement 22 et 24. Les deux
~nn~lr~ 22 et 24 sont centrés sur l'axe 12.
Des exemples de réalisation des ~nne~ll~ conducteurs 22
et 24 seront décrits ci-après en relation avec les figures 2 et
3.
Chacun des substrats est enferm~ dans un lo~ t
métallique de forme cylindrique d'axe 12. Le log~ pour l'an-
tenne 14 a la référence 25 et le loy~ lt pour l'antenne 16 a la
référence 26. Ce dernier logement est limité, d'une part, par une
paroi extérieure cylindrique 261 et, d'autre part, par une paroi
cylindrique intérieure 262 à faible distance de la paroi du loge-
ment 25.
L'espace 28 ménagé entre la paroi du l~y~ll~nt 25 et la
paroi 262 a une longueur (dans la direction de l'axe 12) égale au
quart de la longueur des ondes en bande S, c'est-à-dire 35 mm
environ. Il est ouvert, en 29, du côté o~ se produit l'émission.
Il constitue un piège destiné à empêcher la propagation des cou-
rants de fuite de l'anneau 22 vers l'anneau 24.
Un anneau métallique de remplissage 36 peut être dis-
posé au fond de l'espace 28 pour ajuster la longueur (parallèle-
ment c~ l'axe 12~ de cet espace 28 afin qu'elle soit égale au
quart de la longueur d'onde de la bande S.
Les parois 25 et 262 peuvent être formées à partir de
la même feuille de métal.
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Autour du loy~ t 26 sensiblement dans le plan de
1 ' ~nnPall 24 et donc perpendicl-l~;re à l'axe 12 se trouve un
anneau ou couronne métallique 30.
Le rebord intérieur 32 de la couronne 30 se raccolde à
une juI?e 34 s'éloignant d'une part de la couronne 30 en direc-
tion du fond du loy~l~nt 26 et d'autre part de l'axe 12. Dans
un exemple l'angle form~ dans le plan de la figure 1 par le
plan de la couronne 30 et la jupe 34 est de l'ordre de 45~.
L'~nneall 22 rayonne dans un cône d'axe 12 de demi-angle
au sor~net ~ égal à environ 60~. Il subsiste c~ k~-t un rayonne-
ment extérieur à ce cône. La couronne 30 a pour but de diffracter
les on~les déviées vers l'extérieur afin d'augmenter 1'omnidirec-
tionna:Lité de l'antenne 14.
Cependant on a constaté clue la couronne 30 avait ten-
dance à dégrader la polarisation circulaire du rayu~ lt
c'est-ci-dire à dégrader le taux d'ellipticité. L'expérience a
montré que la jupe 34 permettait de conserver un taux d'ellip-
ticité des ondes à polarisation circulaire proche de 1 surtout
pour les directions formant un grand angle avec l'axe 12.
Le taux d'ellipticité peut être réglé empiriquement en
faisant varier l'orientation de la jupe 34 c'est-à-dire l'angle
qu'elle forme avec le plan de la couronne 30 ainsi qu'en faisant
varler ses dlmenslons.
L'arête extérieure 341 de la jupe 34 est plus éloignée
de l'axe 12 que l'arête extérieure 301 de la couronne 30.
Dans un exemple le diamètre intérieur de la couronnç
30 est de 256 mm son diamètre extérieur de 300 mm tandis que le
diamètre extérieur de la jupe 34 - qui a une forme générale tron-
conique - est de 348 mm.
On pense que la jupe 34 crée une diffraction des ondes
en ban~e S qui s'oppose à l'effet négatif de la couronne diffrac-
tante 30 sur le taux d'ellipticité des ondes en bande S.
Il est à noter que les loy~ ts ou cavités 25 et 26
contribuent à symétriser le diayL~l~l~ de rayonn~m~nt autour de
l'axe 12 et à améliorer le taux d'ellipticité.
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Dans l'exemple, les substrats diélectriques 18 et 20
présent:ent une permittivité diélectrique relative Er de l'ordre
de 2,5 Ccxnme indiqué ci-dessus, plus cette permittivité diélec-
trique est élevée, plus les ~;m~nC ions des antennes peuvent être
réduites. Cependant, l'augmentation de la constante diélectrique
est défavorable au maintien de la polarisation circulaire. C'est
pourquc)i, dans l'exemple, la constante Er ne dépasse pas la
valeur 2,5.
Les figures la, lb et lc sont des diayLc~l~les permettant
de mettre en évi ~Pnce les avantages, d'une part, du piège quart
d'onde constitué par l'espace c~nn~ ;re 28 et, d'autre part, des
élément:s diffractants 30 et 34.
Sur chacun de ces diayLc~ ~s, on a porté en abscisses,
l'élévation ~ (en degrés), c'est-à-dire le demi-angle du cône
d'émission d'axe 12, et en ordonnées, les amplitudes en décibels
des ra~ronnPmPnts en polarisation normale et en polarisation croi-
sée.
La fiyure la est un diayL~I~ pour une antenne analogue
à celle de la figure 1 mais dépourvue, d'une part, du piège quart
d'onde 28 et, d'autre part, des éléments diffractants 30 et 34.
La courbe 40 correspond à la polarisation normale et
les courbes 41 correspondent à la polarisation croisée. La pureté
de la polarisation circulaire est d'autant plus grande qu'est
grand l'écart entre les courbes 40 et 41. On voit ainsi que pour
un angle ~ de 0~, c'est-à-dire selon l'axe 12, l'émission est
selon l~ne polarisation circulaire. Par contre, quand on s'éloigne
de l'axe 12, la polarisation circlll~;re se dégrade notablement.
En outre, l'émission s'affaiblit sensiblement dès qu'on
s'éloigne de l'axe 12.
La figure lb correspond à une antenne analogue à celle
de la figure 1, a~ec un piège 28 quart d'onde, cependant dépour-
vue des éléments diffractants 30 et 34.
On constate que l'om~;~;rectionnalité ainsi que la
pureté de polarisation circulaire sont améliorés par rapport au
cas de la figure la. Toutefois, la pureté de polarisation circu-
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laire :n'est pas entièL~ t satisfaisante entre 30~ et 60~, la
distance entre les courbes 411 et 401 restant relativem,ent
faible.
Le dia~L~I-l~ de la figure lc correspond à l'antenne
représentée sur la figure 1, avec un piège quart d'onde 28, la
couronne 30 et la jupe 34. On constate, par rapport à la figure
lb, que l'omnidirectionn~llté est tout à fait satisf~;sAnte jus-
qu'à un angle ~ de 60~. En outre, la pureté de polarisation cir-
ctll ~; re est nettement améliorée entre les angles 30~ et 60~, la
distance entre les courbes 402 et 412 étant sensiblement plus
importante.
Selon une disposition de l'invention, la ccmr~c;té de
1'ante]me est augmentée en conférant une forme crénelée ou en
méandres aux ~nnp;tn~ 22 et 24.
Dans 1'exemple de la figure 2, 1'anneau 22 comporte,
régulil~rement répartis autour de l'axe 12, huit seyll~lts internes
461 à 468 alternés avec huit segments externes 481 à 488. Ces
segments 46 et 48 en forme d'arcs de cercles se raccoLd~lt à
leurs extrémités par des segments rectilignes 50, de directions
radiales. Ainsi, les segm~nts radiaux sont, dans cet exemple, au
nombre de seize. Bien que non représenté sur la figure 2, l'an-
neau 24 est hcmothétique de l'anneau 22.
Dans 1'exemple de la figure 3, on prévoit, pour les
antennes S 22' et UHF 24', quatre segments internes et quatre
segments externes.
La longueur d'onde guidée du ray~nnPmPnt à transmettre
est directement proportionnelle à la longueur électrique de l'an-
neau dle l'antenne résonnante 14 ~14') ou 16 (16'). Cette longueur
électrique est égale à la somme des longueurs de tous les seg-
ments 46, 48 et 50.
Ainsi, pour une même longueur d'onde guidée, c'est-à-
dire pour une m~ême fréquence, une antenne selon l'invention pré-
sente un enc~L~I~nt plus réduit qu'une antenne ayant une forme
simplelment circulaire. En effet, on constate que, par .d~olL à
un anneau circulaire ayant le même diamètre que le cercle sur
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lequel sont disposés les segments 48, la longueur électrique est
c~ ntée d'environ la sc~me des longueurs des segments 50.
Cep~n~nt, on a constaté que plus la longueur des seg-
ments 50 est grande et plus le L~ t de l'antenne ~;mimle.
L'impécLance de rayonnement de l'antenne ~imiml~ car le ruban
métallique masque davantage l'ouverture ; ainsi, la proportion
d'énere~ie dissipée dans le conducteur ou le diélectrique est plus
importante. Il est donc préférable que le rapport entre le dia-
mètre extérieur et le diam~tre intérieur soit au plus de l'or~Lre
de deux.
Par ailleurs, on a observé que la présence des segments
50 de directions radiales n'altérait pratiquement pas le taux
d'ellipticité de la polarisation du rayo~nPmPnt. En effet, un
segment: de direction radiale a aussi pour inconvénient de per-
turber le taux d'ellipticité. Toutefois, on pense que c'est lasuccession de segments parcourus par des courants en sens
contraires qui cc~pense 1'effet négatif sur le taux d'ellipti-
cité.
Il faut donc prendre garde à disposer ces segments de
facon t:elle que l'on obtienne cette cc ~ ensation.
La figure 4 montre, en perspective éclatée, les divers
élémen~:s constitutifs de l'antenne cc~binée avec des anneaux 22'
et 24' du type de ceux de la figure 3.
Cc~m~ on peut le voir sur cette figure, la couronne 30
et la jupe 34 inclinée à 45~ constituent une pièce d'un seul
tenant 50.
Les anneaux 24' et 22' sont réalisés par gravure sur
des substrats diélectriques, respectivement 18 et 20, en un maté-
riau dénc~mé "polypenco". Sur la figure 4, on a représenté les
anneaux 22' et 24' séparés des substrats 18 et 20 ; mais il va de
soi que ces ~nne~nx sont déposés sur les substrats respectifs 18
et 20.
Entre le fond 52 du loy~ t 25 et le substrat 18 est
dispos~ un répartiteur 54 qui sera décrit plus loin en relation
avec les figures 5 à 7.
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Un câble coaxial 60 traverse le fond 52 du loye~ t 25
pour ArnPner le signal d'excitation au répartiteur 54. Le rôle de
ce dernier est de répartir, avec des ~phA~ages d~ro~riés, le
signal d'excitation entre les quatre seyll~lts extérieurs 48' de
1' Annpr3tl 14'.
De même, entre le fond 56 du loyen~llt 26 et le diélec-
trique 20, est disposé un répartiteur 58.
Un câble coaxial 62 traverse le fond 56 pour Arn~ner le
signal d'excitation UHF vers le répartiteur 58 qui distribue,
avec des ~phA~ages d~Lu~riés, ce signal d'excitation entre les
quatre segments extérieurs de l' AnneAll 24'.
Les figures 5, 6 et 7 représentent le répartiteur 54.
Les circuits 64, représentés sur les figures 5 et 6,
permettent, à partir du signal d'excitation fourni par le coaxial
60, d'obtenir une polarisation circ~llA;re. A cet effet, ils
alimenlent les quatre segments extérieurs 48' avec des déphasages
successifs de 90~.
Le signal amené par le coaxial 60 est appliqué sur une
entrée 66 qui, comme montré sur la figure 5, est connectée à
l'entn~e d'un déphaseur 70 de 180~ par l'intermédiaire d'un
transformateur 68. La sortie 701 sans déphasage du déphaseur 70
est reliée à un port 74 qui est connecté lui-même à un déphaseur
78 de 90~ par l'intermédiaire d'un transformateur 76. La sortie
702 à déphasage de 180~ du ~éphA.~eur 70 est reliée à un autre
port 80, lequel est connecté à un second déphaseur 84 de 90~ par
l'inte:n~ Alre d'un transformateur 82.
La sortie 781 sans déphasage du déphaseur 78 est reliée
à une première sortie 90l du circuit 64 par l'intermédiaire d'un
transformateur 86 et d'un adaptateur 88. La sortie 90l est
connectée à un premier segment extérieur de l'Ann~All 22'.
De même, la sortie 782 de ~PphA~age 90~ du déphaseur 78
est reliée à une seconde sortie 9~2~ par l'intermédiaire d~un
autre transformateur et d'un autre adaptateur. La sortie 902 est
reliée à un second segment extérieur de l'anneau 22'.
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La sortie sans ~ph~age 841 du ~éph~eur 84 est reliée
à la troisième sortie 903 par l'inter~ ;re d'un transformateur
et d'un adaptateur. Cette sortie 903 est reliée à un troisième
segment: extérieur de l'~nn~ 22'.
Enfin, la sortie 842 de d~ph~age de 90~ du déphaseur
84 est reliée à la quatrième sortie 904 du circuit 64 par l'in-
ter~ ;re d'un transformateur et d'un adaptateur. Cette sortie
904 est: reliée à un quatrième sey~ t extérieur de l'~nne~1l 22'.
Le signal sur la sortie 90l est en phase avec le signal
d'entree sur le premier port 66, tAn~;~ que les signaux sur les
sorties 902, 903 et 904 sont ~rh~.~es respectivement de 90~, 180~
et 270'' par rapport au signal d'entrée.
Les divers éléments du circuit de la figure 5 sont réa-
lisés à l'aide de découpes m~t~ ues représentées sur la
figure 6. Sur cette dernière, on a indiqué les m~emes éléments que
ceux de la figure 5, avec les mêmes chiffres de références.
Les sorties 90l à 904 se trouvent à la périphérie des
découpes et régulièLe~ t réparties; ces sorties sont au droit
des se~ments extérieurs de l'~nne~u 22' auxquels elles sont rac-
cordées.
Comme on peut le voir sur la figure 7, les découpesmétalliques sont en sandwich entre des diélectriques réparti-
teurs, respectivement 102 et 104.
La connexion de chaque sortie 90 du circuit 64 au seg-
ment extérieur correspondant de l'anneau s'effectue par l'inter-
ire d~une sonde g2. On prévoit donc quatre sondes. Sur lafigure 7, on a représenté la sonde 921.
Le répartiteur 64, 102, 104 est enfermé dans un loy-e-
ment n~tallique 106 constituant un piège empêchant l'excitation
d'ondes de surface sur le répartiteur.
En variante, à la place de rubans, ou découpes métal-
liques, le circuit 64 est réalisé à l'aide de gravures métal-
liques sur un substrat.
IDans l'exemple représenté sur la figure 8, on prévoit
trois antennes concentriques, respectivement 110, pour l'antenne
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centrale, 112 pour 1'antenne interm~ ire et 114 pour l'antenne
la plus extérieure.
Ccmme dans la réalisation représentée sur la figure 1,
une collronne 30 de diffraction entoure l'antenne la plus exté-
rieure et cette couronne 30 est solidaire d'une jupe 34 orientéesensib]ement à 45~ par ld~Ur~ au plan de la couronne 30. Égale-
ment c~mme dans la réalisAt;on de la figure 1, un piège quart
d'onde 28 empêche la propagation d'un courant de fuite de la
cavité excitée vers les cavités environn~ntes. De façon analogue,
un pièqe quart d'onde 116 empêche la ~lu~a~dtion d'un courant de
fuite vers l'antenne 114.
Le piège 116 est de longueur (selon l'axe) plus grande
que le piège 28 car il est destiné à ~li~;nPr des longueurs
d'onde plus grandes, celles des signaux émis par l'antenne 112.
Bien entendu, on peut prévoir un nombre d~tPnn~s
concentriques supérieur à trois.
Bien que les exemples décrits ci-dessus concernent des
antennes à anneaux résonnants formés par un conducteur métal-
lique, on c~l~.elld aisément que l'invention s'applique aussi à
une antenne réalisée par une fente dans un conducteur. Pour cer-
taines applications, notAmr~nt celles pour lesquelles l'échauffe-
ment doit être minimisé, cette réalisation à fente sera préférée.
La variante représentée sur la figure 9 représente une
cavité annulaire résonnante qui s'applique plus particulièrement
à une antenne à fente. Toutefois, cet exemple pourrait s'appli-
quer aussi à une antenne à ~n~e~tl résonn~nt formé par un conduc-
teur m~tallique.
L'anneau 130 est constitué par une fente 132 dans un
conducteur métallique 134. Cet ~nne~l~ 130 forme des méandres
ayant chacun sensiblement la forme d'un pétale. Le nombre de
pétales est, dans cette réalisation, égal à 8.
Bien que dans les exemples décrits ci-dessus, l'excita-
tion soit réalisée sur les segments extérieurs à l'aide d'un
câble coaxial, on peut également prévoir une excitation par cou-
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plage cle proximité avec une ligne microruban ou avec une fente
dans le plan de masse, c'est-à-dire dans un fond de cavité.
