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Elément rayonnant planaire à polarisation duale et antenne réseau
comportant un tel élément rayonnant
La présente invention concerne un élément rayonnant planaire à
polarisation duale dans lequel le phénomène de décharges électrostatiques
est minimisé et à une antenne réseau comportant un tel élément rayonnant.
L'invention s'applique à tout type d'antenne comportant au moins un élément
rayonnant planaire à polarisation duale, aux réseaux rayonnants équipant
certaines antennes et aux antennes réseau embarquées sur un engin spatial,
par exemple sur un satellite, telles que les antennes réseau réflecteur ou les
antennes réseau à commande de phase.
Une antenne réseau, telle que par exemple une antenne réseau
réflecteur (en anglais : reflectarray antenna) ou une antenne réseau à
commande de phase (en anglais : phased array antenna), comporte un
ensemble d'éléments rayonnants élémentaires assemblés en un réseau
rayonnant à une ou deux dimensions permettant d'augmenter la directivité et
le gain de l'antenne. Dans les antennes réseau réflecteur, les éléments
rayonnants élémentaires du réseau sont souvent constitués d'un
agencement de patchs et de fentes dont les dimensions varient. La forme
des éléments rayonnant, par exemple carrée, circulaire, hexagonale, est
généralement figée et unique pour le réseau. Les dimensions des éléments
rayonnants sont réglées de façon à obtenir un diagramme de rayonnement
choisi lorsqu'ils sont illuminés par une source primaire. Dans les antennes
réseau à commandes de phases, la répartition du signal vers les éléments
rayonnants du réseau se fait à l'aide d'un répartiteur de formation de
faisceau.
Les éléments rayonnants élémentaires peuvent être constitués par
une structure à cavité et fentes rayonnantes montée sur un plan métallique
ou par une structure planaire comportant un patch rayonnant métallique
imprimé sur la surface d'un substrat diélectrique monté sur un plan
métallique, le patch métallique pouvant comporter une ou plusieurs fentes
comme représenté par exemple sur la figure 1. Les fentes rayonnantes
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peuvent être réalisées dans un matériau diélectrique ou un matériau
composite tel que la superposition d'un nid d'abeille de substrats
diélectriques fins imprimés utilisés comme peau du matériau composite.
Cependant, pour que l'antenne soit capable de supporter un environnement
spatial, il faut s'assurer que les phénomènes de décharges électrostatiques
entre les éléments rayonnants soient minimisés.
Il est connu de minimiser les décharges électrostatiques sur un engin
spatial en reliant toutes les surfaces externes électriquement conductrices et
tous les éléments métalliques internes de l'engin spatial à la structure
métallique principale de l'engin. Pour des éléments rayonnants à polarisation
linéaire, la mise à la masse peut être réalisée sans problème particulier en
connectant les éléments rayonnants à une grille métallique externe par un fil
métallique selon un axe de symétrie perpendiculaire à la direction de
polarisation.
Cependant, pour un réseau rayonnant constitué d'éléments
rayonnants élémentaires de structure planaire à polarisation duale, il est
nécessaire de tenir compte de la polarisation des différents éléments
rayonnants. En effet, une connexion directe des éléments rayonnants entre
eux, par exemple par l'intermédiaire d'un fil métallique, affecterait la
polarisation et le fonctionnement de ces éléments et pourrait détruire les
résonances et provoquer l'excitation d'autres modes supérieurs. En outre,
dans le cas d'une antenne réseau, l'adaptation des éléments rayonnants
pourrait être détruite.
La présente invention a pour but de remédier à ce problème en
proposant un élément rayonnant planaire à polarisation duale dans lequel le
phénomène de décharges électrostatiques est minimisé sans perturber la
réponse de l'élément rayonnant soumis à une onde polarisée
orthogonalement.
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Un aspect de l'invention concerne un élément rayonnant planaire à
polarisation duale qui comporte une grille métallique externe, au moins un
patch métallique concentrique à la grille métallique externe et une cavité
séparant la grille métallique externe et le patch métallique, la grille
métallique
externe et le patch métallique ayant une forme polygonale délimitée par au
moins quatre côtés opposés deux à deux, dans lequel il comporte deux
directions de polarisation orthogonales associées à deux champs électriques
orthogonaux, au moins l'une des directions de polarisation étant parallèle à
deux côtés du polygone et dans lequel chaque côté du patch métallique
parallèle à une direction de polarisation est relié électriquement à une zone
de la grille métallique externe où l'un des champs électriques est minimal.
Avantageusement, La forme polygonale du patch métallique est
choisie parmi une forme de carré, de rectangle, de croix, d'hexagone
Avantageusement, l'élément rayonnant planaire comporte quatre
côtés orthogonaux deux à deux et chaque côté du patch métallique parallèle
à une direction de polarisation est relié respectivement à un côté de la
grille
externe perpendiculaire à ladite direction de polarisation.
Préférentiellement, chaque côté du patch métallique parallèle à une
direction de polarisation comporte un centre relié à un centre d'un côté de la
grille externe perpendiculaire à ladite direction de polarisation.
Selon un mode de réalisation particulier, le patch métallique peut
comporter plusieurs fentes orthogonales formant une croix.
Selon un autre mode de réalisation, le patch métallique comporte un
patch annulaire externe, au moins un patch interne concentrique au patch
annulaire externe et au moins une fente annulaire séparant les patchs
interne et externe, les patchs interne et externe ayant la même forme
polygonale, chaque côté du patch interne parallèle à une direction de
polarisation étant relié à un côté du patch annulaire externe perpendiculaire
à
ladite direction de polarisation.
Optionnellement, le patch interne peut comporter plusieurs fentes
orthogonales formant une croix centrale.
=
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Préférentiellement, chaque côté du patch interne parallèle à une
direction de polarisation comporte un centre relié à un centre d'un côté du
patch annulaire externe perpendiculaire à ladite direction de polarisation.
Selon un mode de réalisation particulier, la forme polygonale des
patchs métalliques est une croix et la grille externe a une forme de carré.
Selon un autre mode de réalisation particulier, le patch métallique
comporte un patch annulaire externe, au moins un patch interne
concentrique au patch annulaire externe et au moins une fente annulaire
séparant les patchs interne et externe, les patchs interne et externe ayant
une forme d'hexagone comportant deux côtés parallèles à une direction de
polarisation et quatre côtés inclinés obliquement par rapport à ladite
direction
de polarisation et reliés deux à deux par un sommet, chaque côté du patch
métallique externe parallèle à ladite direction de polarisation étant relié
électriquement à un sommet du patch interne et chaque côté du patch
interne parallèle à ladite direction de polarisation étant relié
électriquement à
un sommet du patch métallique externe.
L'invention concerne également une antenne réseau comportant au
moins un élément rayonnant planaire à polarisation duale, la grille métallique
externe de chaque élément rayonnant étant reliée à un plan de masse
métallique du réseau.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront
clairement dans la suite de la description donnée à titre d'exemple purement
illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés
qui
représentent :
figure 1 : un schéma d'un exemple d'antenne réseau;
figure 2: un schéma d'un premier exemple d'élément
rayonnant élémentaire à polarisation duale réalisé en technologie planaire;
figures 3a et 3b: deux schémas, en vue de dessus, d'un
deuxième et d'un troisième exemple d'élément rayonnant élémentaire à
polarisation duale réalisé en technologie planaire ;
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figures 4, 5a, 5b : trois vues schématiques de dessus de trois
exemples d'élément rayonnant, selon l'invention ;
figure 6: une vue schématique de dessus d'un quatrième
exemple d'élément rayonnant, selon l'invention ;
5 figures 7 et 8:
deux vues schématiques de dessus d'un d'un
cinquième et d'un sixième exemple d'élément rayonnant, selon l'invention ;
figures 9a, 9b, 9c : trois vues schématiques de dessus de
trois exemples de réseau rayonnant, selon l'invention.
La figure 1 montre un exemple d'antenne réseau 10 comportant un
réseau réflecteur 11 formant une surface réfléchissante 14 et une source
primaire 13 pour illuminer le réseau réflecteur 11 avec une onde incidente.
Le réseau réflecteur comporte une pluralité d'éléments rayonnants
élémentaires agencés en une surface à deux dimensions.
Sur la figure 2 est représenté un premier exemple d'élément
rayonnant élémentaire 12 à polarisation duale comportant un patch
métallique 15 imprimé sur une face supérieure d'un substrat 16 muni d'un
plan de masse métallique 17 sur sa face inférieure, le substrat pouvant être
un matériau diélectrique ou un matériau composite constitué d'un matériau
espaceur, par exemple en nid d'abeille, et de matériaux diélectriques fins. Le
patch métallique 15 comporte deux fentes 18 en forme de croix pratiquées
en son centre. La forme des éléments rayonnants élémentaires 12 peut être
par exemple carrée, rectangulaire, hexagonale, circulaire, en forme de croix
ou toute autre forme géométrique. Les fentes peuvent également être
réalisées en un nombre différent de deux et leur disposition peut être
différente d'une croix. Sur la figure 2 les fentes ont les mêmes dimensions
mais elles pourraient être de dimensions différentes.
Sur la figure 3a est représenté un deuxième exemple d'élément
rayonnant planaire à polarisation duale. L'élément rayonnant a une forme
polygonale, par exemple carrée et comporte un premier patch métallique
interne 30, un deuxième patch métallique annulaire externe formant une
couronne métallique 31, et une fente annulaire 32 séparant la couronne
métallique externe 31 et le patch métallique interne 30. Le patch interne, la
couronne et la fente sont concentriques. Lorsque l'élément rayonnant est
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polarisé orthogonalement par deux ondes excitatrices, les deux champs
électriques Ev et Eh correspondants aux deux directions de polarisation sont
orthogonaux entre eux. Le champ Ev est parallèle à un premier côté 33 de
l'élément rayonnant et le champ Eh est parallèle à un deuxième côté 34 de
l'élément rayonnant, les premier et deuxième côtés 33, 34 étant orthogonaux
entre eux. La fente annulaire 32 est résonante quand sa circonférence est
égale à la période du mode de polarisation qui est établi. Ainsi, comme le
montre la figure 3a, le champ électrique Ev est maximal dans certaines
régions 35 de la fente où le champ électrique Eh est minimal et disparaît
dans d'autres régions 36 où le champ électrique Eh est maximal. Les régions
où l'un des champs Ev, respectivement Eh, disparaît progressivement sont
les régions où la couronne externe est parallèle à la direction de
polarisation
correspondante. Aux endroits où le champ électrique Ev, respectivement Eh,
disparaît, il est possible de placer un court-circuit entre le patch interne
et la
couronne externe car celui-ci n'aura aucun effet sur la réponse de l'élément
rayonnant soumis à une onde polarisée selon ce mode. En effet, comme
représenté sur la figure 3b, pour chaque polarisation, la fente annulaire 32
est équivalente à deux demi-fentes ayant la forme de deux demi-anneaux
complémentaires disposés symétriquement par rapport à la médiatrice du
côté parallèle à la polarisation correspondante. Ainsi, pour la polarisation
Ev,
la fente annulaire 32 est équivalente aux deux demi-fentes 1, 2 disposées
symétriquement par rapport à la médiatrice 5 du côté 33. De même pour la
polarisation Eh, la fente annulaire 32 est équivalente aux deux demi-fentes 3,
4 disposées symétriquement par rapport à la médiatrice 6 du côté 34. Les
quatre demi-fentes constituées de quatre demi-anneaux entrelacés
représentés sur la figure 3b ont donc pour chaque polarisation Ev, Eh, un
comportement équivalent à une fente annulaire comme représenté sur la
figure 3a.
Les éléments rayonnants représentés sur les figures 3a et 3b ont
également le même comportement qu'un élément rayonnant qui comporte
des court-circuits entre le patch interne et la couronne externe aux endroits
où le champ électrique Ev, respectivement Eh, disparaît, comme représenté
sur la figure 4. Dans cet exemple, selon l'invention, chaque côté du patch
métallique interne 30 est relié électriquement, par exemple au moyen d'un fil
métallique 37, à un côté de la couronne externe 31 qui lui est orthogonal.
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Préférentiellement, le fil métallique 37 relie le milieu du côté du patch
métallique interne 30 au milieu du côté de la couronne externe 31 qui lui est
orthogonal. En dehors de la résonance, court-circuiter les fentes de n'importe
quelle façon ne modifie pas significativement les propriétés de l'élément
rayonnant. Lorsque les fentes sont proches de la résonance, cette connexion
électrique n'a que peu d'effet sur la réponse de l'élément rayonnant lorsqu'il
est excité par une onde à polarisation orthogonale tel que chaque direction
de polarisation est parallèle à l'un des côtés du patch et de la couronne
externe. En effet, le champ électrique correspondant à chaque direction de
polarisation est maximal dans les régions des fentes perpendiculaires à
ladite direction de polarisation et est très faible, voire nul dans les
régions
des fentes parallèles à ladite direction de polarisation.
Lorsque chaque côté du patch interne est relié à la couronne externe
comme décrit ci-dessus, les charges électrostatiques parasites qui
apparaissent sur le patch interne sont drainées vers la couronne externe. Il
suffit alors de relier la couronne externe de l'élément rayonnant à la masse
métallique de l'antenne ou du réseau rayonnant sur lequel il est monté pour
évacuer les charges électrostatiques.
Comme représenté sur la figure 5a, lors de l'intégration de l'élément
rayonnant dans un réseau rayonnant, une grille métallique externe peut être
ajoutée pour drainer les charges électrostatiques vers un plan de masse
métallique du réseau tel que le plan de masse 17 des éléments rayonnants.
L'élément rayonnant représenté sur la figure 5a comporte un patch
métallique 15, par exemple en forme de carré, dans lequel sont pratiquées
deux fentes orthogonales 18, 20 formant une croix. La croix est usuellement
positionnée au centre du patch métallique et est telle que chaque fente est
parallèle à deux côtés opposés du carré. Alternativement, la croix peut
comporter des fentes orthogonales additionnelles 21, 22, 23, 24 comme par
exemple une croix, appelée croix de Jérusalem, représentée sur la figure 5b
qui comporte quatre fentes additionnelles respectivement placées
orthogonalement aux deux extrémités de chaque fente centrale. L'élément
rayonnant 39 comporte en outre une grille annulaire métallique externe 38
délimitant une cavité 41 entre la grille et le patch métallique. La grille
annulaire externe et le patch métallique sont concentriques et de même
forme géométrique. La cavité 41 se comporte comme une fente rayonnante
et participe au rayonnement global. La forme géométrique du patch
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représenté sur les figures 5a et 5b est un carré mais l'invention n'est pas
limitée à ce type de forme. Notamment, l'invention s'applique aussi à des
patchs de forme rectangulaire ou de forme polygonale délimitée par au
moins quatre côtés opposés deux à deux, tel qu'un hexagone, ou en forme
de croix. Selon l'invention, chaque côté 42, 43, 44, 45 du patch métallique
interne est relié électriquement, par exemple au moyen d'un fil métallique 46,
à un côté 47, 48, 49, 50 de la grille externe 38 qui lui est orthogonal.
Préférentiellement, le fil métallique relie le milieu du côté du patch
métallique
interne au milieu du côté de la grille externe qui lui est orthogonal. Le même
raisonnement que celui appliqué avec l'exemple de la figure 4 reste valable
en remplaçant la couronne métallique 31 par la grille métallique 38.
Lorsque chaque côté du patch interne est relié à la grille externe
comme décrit ci-dessus, les charges électrostatiques parasites qui
apparaissent sur le patch sont drainées vers la grille externe. Il suffit
alors de
relier la grille externe de l'élément rayonnant à la masse métallique de
l'antenne ou du réseau rayonnant sur lequel il est monté pour évacuer les
charges électrostatiques.
La figure 6 représente un troisième exemple d'élément rayonnant
selon l'invention. Dans cet exemple, la forme géométrique de l'élément
rayonnant est hexagonale et comporte 6 côtés opposés deux à deux. Cet
élément rayonnant comporte deux patchs métalliques annulaires 61, 62
concentriques espacés par une fente annulaire 63. Lorsque cet élément
rayonnant est excité par une onde à polarisation orthogonale tel que l'une
des directions de polarisation Eh est parallèle à deux côtés opposés 64, 65
de l'hexagone, le champ Ev est minimal dans les régions du patch externe
perpendiculaires au champ Ev, c'est-à-dire les régions des sommets de
l'hexagone où les côtés 66, 67, 68, 69 qui ne sont parallèles à aucune
direction de polarisation se rejoignent. Ainsi, chaque côté 72, 73 du patch
interne 62 parallèle à l'une des directions de polarisation Eh est relié
électriquement à un sommet 70, 71 du patch externe 61 où les côtés 66, 67
et 68, 69 qui ne sont parallèles à aucune direction de polarisation se
rejoignent. De même, un sommet 74, 75 du patch interne 62 où les côtés 56,
57, 58, 59 qui ne sont parallèles à aucune direction de polarisation se
rejoignent est relié électriquement à un côté 65, 64 du patch externe 61
parallèle à une direction de polarisation Eh. Comme dans les exemples
précédents, lors de l'intégration de l'élément rayonnant dans un réseau
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rayonnant, une grille métallique externe, non représentée, est ajoutée pour
drainer les charges électrostatiques vers un plan de masse métallique du
réseau tel que le plan de masse 17 des éléments rayonnants.
Le même principe s'applique aussi pour des éléments rayonnants
comportant plusieurs fentes annulaires 76, 77 et plusieurs patchs métalliques
78, 79, 80, concentriques, chaque fente annulaire séparant deux patchs
adjacents tel que représenté sur les figures 7 et 8. Dans ce cas, chaque côté
d'un premier patch métallique interne 80 parallèle à une direction de
polarisation est relié électriquement à un côté orthogonal d'un deuxième
patch métallique annulaire 79 qui l'entoure, et chaque côté du deuxième
patch métallique annulaire 79 parallèle à une direction de polarisation est
relié électriquement à un côté orthogonal d'un troisième patch métallique 78
qui l'entoure. Et ainsi de suite pour chacun des patchs métalliques de façon
que tous les patchs métalliques internes à un patch métallique annulaire qui
l'entoure aient chacun de leurs côtés parallèles à une direction de
polarisation relié à un côté orthogonal du patch métallique annulaire qui
l'entoure. En outre, l'élément rayonnant peut comporter une grille métallique
annulaire externe 94 séparée du patch annulaire externe 78 par une cavité
98. Dans ce cas, comme décrit précédemment en liaison avec la figure 5,
chaque côté du troisième patch métallique externe 78 est relié
électriquement à un côté de la grille externe 94 qui lui est orthogonal.
Sur la figure 8 l'élément rayonnant comporte une grille externe 82 en
forme de carré et une croix centrale, espacée de la grille externe par une
cavité 88. La croix centrale comporte deux patchs métalliques annulaires 83,
84 en forme de croix séparés par une fente annulaire 85 en forme de croix,
et deux fentes orthogonales 86, 87 formant une croix, positionnée au centre
de l'élément rayonnant. Les différentes croix sont telles que chaque fente 85,
86, 87 comporte des régions parallèles à une première direction de
polarisation Ev et des régions parallèles à une deuxième direction de
polarisation Eh. De même, chaque patch métallique annulaire 83, 84 et la
grille 82 comporte des côtés parallèles et des côtés orthogonaux à la
première direction de polarisation Ev ainsi que des côtés parallèles et des
côtés orthogonaux à la deuxième direction de polarisation Eh. Comme pour
l'exemple représenté sur la figure 7, chaque côté d'un premier patch
métallique interne 84 parallèle à une direction de polarisation est relié
électriquement à un côté orthogonal d'un deuxième patch métallique
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annulaire 83, ou de la grille métallique externe 82 qui l'entoure. Ce type
d'élément rayonnant planaire en forme de croix, présente l'avantage de
conduire à des dimensions plus petites que les motifs à fentes annulaires
dans des éléments de type carré ou circulaire, puisque le chemin électrique
5 est allongé. Ils peuvent donc être insérés dans des réseaux de maille plus
petite, ce qui est favorable pour les performances en bande passante, et ce
qui améliore la réponse du réseau aux ondes à fortes incidences
Les figures 9a, 9b, 9c représentent trois exemples de réseau
rayonnant, selon l'invention. Le réseau de la figure 9a comporte deux
10 éléments rayonnants planaire à polarisation duale, chaque élément
rayonnant 39, 40 comportant un patch métallique 15, 19 et une grille externe
= espacée du patch par une cavité. Les deux éléments rayonnants sont
adjacents et les deux grilles externes 50, 51 comportent un côté 49 en
commun. Chaque côté du patch métallique est relié électriquement à un côté
orthogonal de la grille externe.
Les réseaux des figures 9b et 9c comportent quatre éléments
rayonnants planaire à polarisation duale. Sur la figure 9b, chaque élément
rayonnant 90, 91, 92, 93 comporte un patch métallique interne 80, un
premier patch métallique annulaire 79 espacé du patch interne par une
première fente annulaire 77, un deuxième patch métallique annulaire 78
espacé du premier patch annulaire 79 par une deuxième fente annulaire 76,
une grille métallique annulaire 94, 95, 96, 97 espacée du deuxième patch
métallique annulaire 78 par une cavité 98. Les quatre éléments rayonnants
sont adjacents entre eux et les quatre grilles comportent des côtés communs
99, 101, 102, 103 deux à deux.
Sur la figure 9c, chaque élément rayonnant 104, 105, 106, 107
comporte deux fentes centrales 86, 87 en forme de croix, un premier patch
annulaire interne 84 entourant la croix centrale, un deuxième patch annulaire
83 externe au premier patch annulaire 84 et espacé de celui-ci par une fente
annulaire 85 et une grille métallique annulaire externe 82 de forme carrée et
espacée du deuxième patch métallique annulaire 83 par une cavité 88,
comme sur la figure 8. Les quatre éléments rayonnants sont adjacents entre
eux et les quatre grilles comportent des côtés communs deux à deux.
Chaque patch métallique comporte des côtés parallèles à une
direction de polarisation reliés à un côté orthogonal d'un patch métallique
qui
l'entoure ou pour le deuxième patch annulaire, à un côté orthogonal de la
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grille métallique externe. Toutes les charges électrostatiques sont ainsi
drainées vers la grille métallique externe sans perturber la réponse des
éléments rayonnants soumis à une onde polarisée orthogonalement. Les
charges électrostatiques sont ensuite évacuées vers un plan de masse
métallique du réseau en reliant la grille externe à ce plan de masse
métallique.
Un réseau rayonnant de différentes tailles et de différentes
caractéristiques peut ainsi être réalisé en combinant une pluralité d'éléments
rayonnants pour constituer une surface rayonnante de taille souhaitée à une
ou deux dimensions. Les éléments peuvent être tous identiques ou peuvent
être de structures différentes selon le type d'antenne souhaitée. Le réseau
= peut être ensuite implanté dans une antenne réseau choisie telle que par
exemple celle représentée sur la figure 1 ou tout autre type d'antenne
réseau.
Bien que l'invention ait été décrite en relation avec des modes de
réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement
limitée et
qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi
que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. En
particulier, toutes les combinaisons de patchs pleins ou annulaires et de
fentes centrales orthogonales en forme de croix peuvent être réalisées, la
croix pouvant comporter un nombre de fentes orthogonales supérieur ou égal
à deux, comme par exemple la croix simple ou la croix de Jérusalem. De
même, un élément rayonnant planaire ayant une forme géométrique
hexagonale ou en forme de croix peut comporter une grille externe de forme
différente, par exemple de forme carrée. En outre, des éléments rayonnants
de forme hexagonale peuvent comporter un patch interne ayant des fentes
centrales orthogonales formant une croix simple ou une croix de Jérusalem.
